换热设备

换热设备

换热器或称热交换器，是石油、化工、生产中重要的化工设备之一。它在石油、化工厂建设总投资中约占20％，在全厂化工设备总重量中约占40％。

第一节换热设备的分类及工作原理

1、换热设备的分类

将一温度较高的热流体的热量传给另一温度较低的冷流体的设备叫换热设备。两种温度不同的流体通过热量的交换，使一种流体降温而另一种流体升温。以满足各自的需要，例如在柴油加氢精制装置中，冷的原料油及冷氢经高压换热器，从反应流出物及热高分气体中获得热量而升高温度送入反应器，热的反应流出物和热高分气体冷却进入下一工序，这样就充分回收了热量。

炼油厂换热设备的形式很多，按用途可分为加热器、冷却器、冷凝器和重沸器。主要用于加热物料的叫加热器；用水等冷却剂来冷却物料的则叫冷却器，象分馏塔的馏出线冷却器等；热的流体是气态，经过换热后被冷凝成为液态的称为冷凝器，如分馏塔塔顶汽油冷凝器等；一种液体被加热而蒸发成为气态的叫重沸器(再沸器)或汽化器。

按换热设备的结构可分为管式换热器和板式换热器。管式换热器的传热面由管子表面构成，即冷热流体之间以管壁做间壁，如管壳式、套管式、翅管式等。板式换热器的传热面由板面构成，即冷热流体之间以板做间壁，如螺旋板式、平板式等。

换热设备的常用材料主要是钢材，其次是铝、铜等。也有一些是用非金属材料制造的换热设备，如石墨、聚四氟乙烯等，它们大多具有耐高、低温及耐腐蚀等特殊性能。

2、热设备的工作原理

热量从高温物体传送给低温物体称为传热。传热的方式有三种：传导、对流和辐射。在换热设备中主要是以传导和对流两种方式进行换热的，如图6.1所示，热流体(温度t1)先以对流传热方式将热量Q(kJ/h)传给管(板)壁的一侧(温度为t2)，再以传导传热方式将热量传过管(板)壁(温度由t2变成t3)，最后管(板)壁另一侧又将热量以对流传热方式传给了冷流体(温度为t4)。对于稳定传热过程，上述的传换过程可表示为：

Q＝K·F·(及F(t1一t4)

式中Q---热负荷，换热器每单位小时传递的热量，kcal／h；

F---传热表面积，m3；

K---换热器的传热系数，表示冷热流体温差为1℃，单位小时内穿过1m2的管(板)壁面积所传递的热量。它是一个与流体的性质、流速、管(板)材料、管(板)壁结垢情况及流体状态有关的量。一般工业用换热器的K值的大致范围见表6-1。

图6.1 经过器壁的传热

表6.1 传热系数K

第二节总体结构与壳程流路

典型的管壳式换热器如图6.2、6—3所示，图中与各件号相应的零部件名称见表6.2。

图6.2 AES、BES浮头式换热器（零件名称见表6.2）

图6.3 BEM立式固定管板式换热器（零件名称见表6.2）

表6.2 零部件名称

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们把设有管程进出口接管的一端称为前端管箱（对于浮头式换热器，也称为固定端管箱），与此相对的另一端称为后端（但有时也在后端设管程的进出口）。

图6.2为卧式浮头换热器。图左边的固定端管箱部分，以中心线为界表示了两种不同的结构，上半部是平盖式管箱，平盖用法兰与管箱相连，可以拆卸；下半部是封头式管箱，封头不能单独拆卸。圈6—3为立式固定管板换热器。

管壳式换热器的壳程，设有多个折流板（图6.2件号11），其目的是使壳程流体循序横向掠过管束，充分的与管内流体作错流换热。由于结构与制造上的原因，折流板管孔与换热管之间存有间隙，折流板与壳体之间亦有间隙。此外，换热管排列在管板上不可能完全均匀，在外周以及与管程的分程隔板相对应的地方要排得稀疏一些。因此，壳程流体除了横掠管束的主流—一错流流路B（见图6.4）之外，还存在着A、C、E、F四种漏流流路与旁流流路。在这些流路中的流体，较少与换热管接触，没有足够的换热条件，因此影响了整个换热器的效率。

图6.4 壳程流路

第三节管壳式换热器

1、管壳式换热器的结构类型

管壳式换热器也叫管束式换热器，或叫列管式换热器。它由胀接(或焊接)在管板上的管束装于圆筒形外壳内组成．见图 6.2。一种流体(设为高温载体)由管程进口进入管箱，沿管束的管内流动再经过管箱由管程出口排出；另一种流体(设为低温热载体)由壳程进口进人，穿过装满管束的壳体空间经壳程出口排出，两种流体在换热器内通过管束的管壁传送热量。按照结构特点管壳式换热器可分为固定管板式、浮头式、填函式、U型管式和釜式五种，各有其优缺点与适用场合。

（1）固定管板式换热器

这种换热器（图 6.3）的特点是壳体与管板直接焊接，结构简单而紧凑。在壳体直径相同时，排管数最多。因为两管板之间有管子互相支撑，得到了加强，所以管板可以较薄，因此造价比较便宜，应用也较广。但这种换热器的管束不能抽出进行机械请洗；有时为了减少换热器壳体与管子上在工作时产生的温度应力，要在壳体上设膨胀节（见图6.3件号44），而膨胀节的强度不高，此时壳程承受的压力就不能太大。

固定管板式换热器适用于壳程介质不易结垢，或虽有垢但可进行化学清洗的场合；壳壁与管壁因温度差而引起的膨胀量之差不大，或膨胀差虽大但壳程压力不高的情况。

（2）浮头式换热器

这种换热器（图 6.2）的特点是管束可以自由膨胀，并可从壳体内抽出，以清洗壳方管间。但这种换热器的结构比较复杂，造价要比固定管板式高约20％。而且管束和壳体的环隙较大，增大了管束外围的旁流流路，影响了换热器的传热效率。

（3）填函式换热器

这种换热器（图6.5）的功能与浮头式相向，在后端设填料函见图6.5件号49，以容许管束自由胀缩，又保证壳程的密封。但填函式密封的性能不如法兰密封可靠；所以壳程压力不能很高。

图6.5 APF填料函双壳程换热器（零件名称见表6.2）

图6.6 AJW填料函分流式换热器（零件名称见表6.2）

图6.6是填料函分流式换热器，或称活动管板换热器。管板是填料函的组成部分，在两组填科函中间设套环（见图6.6中的件号58），管程或壳程泄漏的流体可从套环引出，以避免互相窜混。这种换热器的适用温度与压力更低。

浮头式和两种填函式换热器，都可以抽出管束清洗壳方管间，因而宜于让易结垢的流体走壳程，而让压力高的腐蚀性介质，或流量较少的介质走管程，对于节省材料，提高流速也比较有利。

（4）U型管式换热器

这种换热器（图6.7）的管束可以自由膨胀，也可抽出来清洗管间。因为只有一块管板，没有浮头，所以造价比较便宜，管程也可承受较高的压力。但因缺乏相互支承作甩，要求管板的厚度较大。还要求采用壁厚较大的换热管，以补偿弯管时引起的管壁减薄。

图6.7 BIU U形管式换热器（零件名称见表6.2）

在后端带管箱的各种换热器中，管程流体在后端管箱中都有重新分配问题，当在换热过程中伴有相变化的情况下，介质在返回管程时会形成汽液分层现象，U形管换热器却不存在这种问题。

（5）釜式换热器

这种换热器（图6.8）的壳体直径为管束直径的1.5—2.0倍，管束偏置于壳体的下方，