(秦)换热器课件(讲课用)2011.11.10.ppt

中原石油化工有限责任公司秦玉军李民白小斌 换热器中国石化静设备竞赛学习课件 说明 课件针对静设备竞赛内容 按照秦专家要求以使用 维护为主 理论方面 有教材后自学 由于本编写小组经验和基础知识有限 不免会出现错误和疏漏之处 欢迎各位专家批评指正 乙烯 MTO 丁烯车间工况复杂换热器种类多 希望就各自经验互相讨论 换热器 一 概述在炼油 化工生产中 绝大多数的工艺过程都有加热 冷却和冷凝的过程 这些过程总称为换热过程 传热过程的进行需要一定的设备来完成 这些使传热过程得以实现的设备就称之为换热设备 据统计 在炼油厂中换热设备的投资占全部工艺设备总投资的35 40 因为绝大部分的化学反应或传质传热过程都与热量的变化密切相关 如反应过程中 有的要放热 有的要吸热 要维持反应的连续进行 就必须排除多余的热量或补充所需的热量 工艺过程中某些废热或余热也需要加以回收利用 以降低成本 另外 生产所得的油品或化工产品 需要将其冷却或冷凝 以便储存和运输 以上这些与热量有关的过程都需要使用换热设备 使用换热设备是为了达到加热或冷却的目的 如果将那些需要加热的流体与需要冷却的流体 经过换热设备相互换热 既可回收热量 又可降低冷却水的消耗 综上所述 换热设备是炼油 化工生产中不可缺少的重要设备 换热设备在动力 原子能 冶金及食品等其他工业部门也有着广泛的应用 二 比较换热设备的指标效率要高 效率高就要求其传热系数大 传热系数是指在单位时间内 单位面积上温度每变化一度所传递的热量 结构紧凑 要使换热设备的结构紧凑就要求其比表面积大 比表面积是指单位体积的换热设备所具有的传热面积 即传热面积与换热设备体积之比 节省材料 要做到此点要求其比重量要小 所谓比重量是指单位传热面积所耗用的金属量 即换热设备总金属用量与传热面积之比 压力降要小 流体在设备中流动阻力小 压力损失就小 节省动力 操作成本降低 要求结构可靠 制造成本低 便于安装 检修 使用周期长 由于要全面满足上述要求是非常困难的 因而产生了各种各样的换热器 以适应各种特定的工艺条件 三 传热过程中基本问题与传热机理 传热过程中的基本问题可以归结为 1 载热体用量计算2 传热面积计算3 换热器的结构设计4 提高换热器生产能力的途径 解决这些问题 主要依靠两个基本关系 1 热量衡算式根据能量守恒的概念 若忽略操作过程中的热量损失 则热流体放出的热量等于冷流体取得的热量 即Q热 Q冷 称为热量衡算式 由这个关系式可以算得载热体的用量 2 传热速率式换热器在单位时间内所能交换的热量称为传热速率 以Q表示 其单位 W 实践证明 传热速率的数值与热流体和冷流体之间的温度差 tm及传热面积S成正比 即 Q KS tm 3 1 S n dL 3 2 式中 Q 传热速率 W S 传热面积 m2 tm 温度差 0C K 传热系数 它表明了传热设备性能的好坏 受换热器的结构性能 流体流动情况 流体的物牲等因素的影响 W m2 n 管数 d 管径 m L 管长 m 定义 是实现将热能从一种流体转至另一种流体的设备 是许多工业部门的通用设备 四 换热器的分类 1 换热器的分类 1 换热器的种类很多 就换热原理来分 可以分为三大类间壁式换热器 冷 热流体被固体传热表面隔开 而热量的传递通过固体传递面而进行 直接接触式换热器 冷 热流体直接接触进行热量交换 蓄热式换热器 冷 热流体交替通过传热表面 冷流体通过时贮存冷量 热流体通过时取走冷量 2 按工艺功能分类 1 冷却器 冷却工艺物流的设备 冷却剂有水 氨 氟利昂等 2 加热器 加热工艺物流的设备 加热介质有水蒸汽 导热油 熔盐等 3 再沸器 用于蒸发蒸馏塔底部的物料设备 分热吸式和动力循环式再沸器 4 冷凝器 蒸馏塔顶物流的冷凝或者反应器冷凝循环回流的设备 5 蒸发器 专门用于蒸发溶液中水分或者溶剂的设备 6 过热器 对饱和蒸汽再加热升温的设备 7 废热锅炉 由工艺的高温物流或者废气中回收其热量而产生蒸汽的设备 8 换热器 两种不同温位的工艺物流相互进行热交换能量的设备 二 间壁式换热器的类型 一 管式换热器 管式换热器虽然在换热效率 结构紧凑性和单位传热面积的金属消耗量等方面都不如其它新型换热器 但它具有结构坚固 可靠 适应性强 易于制造 能承受较高的操作压力和温度等优点 在高温 高压和大型换热器中 管式换热器仍占绝对优势 是目前使用最广泛的一类换热器 管式换热器特点 1 蛇管式换热器蛇管式换热器是由金属或非金属管子 按需要弯曲成所需的形状 如圆形 螺旋形和长的蛇形管 它是最早出现的一种换热设备 具有结构简单和操作方便等优点 根据管外流体冷却方式的不同 蛇管式换热器又分为沉浸式和喷淋式 1 沉浸式蛇管换热器 沉浸式蛇管换热器 沉浸式蛇管式换热器 蛇管沉浸在盛有流体的容器内 一种流体在容器中流动 另一种流体在蛇管内流动 两者通过蛇管壁进行换热蛇管多以金属管子弯绕而成 或由弯头 管件和直管连接组成 也可制成适合不同设备形状要求的蛇管 使用时沉浸在盛有被加热或被冷却介质的容器中 两种流体分别在管内 外进行换热 优点 结构简单 造价低廉 操作敏感性较小 管子可承受较大的流体介质压力 但是 由于管外流体的了流速很小 因而传热系数小 传热效率低 需要的传热面积大 设备显得笨重 沉浸式蛇管换热器常用于高压流体的冷却 以及反应器的传热元件 缺点 管外流体的流速小 传热系数小 传热效率低 需要的传热面积使用 沉浸在盛有被加热或被冷却介质容器中 两种流体分别在管内 外进行换热 2 喷淋蛇管式换热器 喷淋蛇管式换热器 将蛇管成排的固定在钢架上 被冷却的流体在管内流动 冷却水由管排上方的喷淋装置均匀淋下 与沉浸式相比较 喷淋式蛇管换热器主要优点是管外流体的传热系数大 且便于检修和清洗 其缺点是体积庞大 冷却水用量较大 有时喷淋效果不够理想 优点 与沉浸式相比 该换热器便于检修和清洗 管外流体的传热系数大 且便于检修和清洗 缺点 是占地较大 水滴溅洒到周围环境 且喷淋不易均匀 冷却水用量较大 有时喷淋效果不够理想 2 套管式换热器 套管式换热器原理 以同心套管中的内管作为传热元件的换热器 两种不同直径的管子套在一起组成同心套管 每一段套管称为 一程 程的内管 传热管 借U形肘管 而外管用短管依次连接成排 固定于支架上 热量通过内管管壁由一种流体传递给另一种流体 通常 热流体 A流体 由上部引入 而冷流体 B流体 则由下部引入 套管中外管的两端与内管用焊接或法兰连接 内管与U形肘管多用法兰连接 便于传热管的清洗和增减 每程传热管的有效长度取4 7米 这种换热器传热面积最高达18平方米 故适用于小容量换热 当内外管壁温差较大时 可在外管设置U形膨胀节或内外管间采用填料函滑动密封 以减小温差应力 管子可用钢 铸铁 陶瓷和玻璃等制成 若选材得当 它可用于腐蚀性介质的换热 套管式换热器的特点 3 管壳式换热器 列管式换热器 圆盘 圆环形折流板 管壳式换热器 管壳式换热器是目前用得最为广泛的一种换热器 主要是由壳体 传热管束 管板 折流板和管箱等部件组成 壳体多为圆筒形 内部放置了由许多管子组成的管束 管子的两端固定在管板上 管子的轴线与壳体的轴线平行 进行换热的冷热两种流体 一种在管内流动 称为管程流体 另一种在管外流动 称为壳程流体 为了增加壳程流体的速度以改善传热 在壳体内安装了折流板 折流板可以提高壳程流体速度 迫使流体按规定路程多次横向通过管束 增强流体湍流程度 流体每通过管束一次称为一个管程 每通过壳体一次称为一个壳程 图示为最简单的单壳程单管程换热器 简称为1 1型换热器 为提高管内流体速度 可在两端管箱内设置隔板 将全部管子均分成若干组 这样流体每次只通过部分管子 因而在管束中往返多次 这称为多管程 同样 为提高管外流速 也可在壳体内安装纵向挡板 迫使流体多次通过壳体空间 称为多壳程 多管程与多壳程可配合应用 管壳式换热器 管壳式换热器的类型由于管内外流体的温度不同 因之换热器的壳体与管束的温度也不同 如果两温度相差很大 换热器内将产生很大热应力 导致管子弯曲 断裂 或从管板上拉脱 因此 当管束与壳体温度差超过50 时 需采取适当补偿措施 以消除或减少热应力 根据所采用的补偿措施 管壳式换热器可分为以下几种主要类型 1 固定管板式换热器 2 浮头式换热器 3 U形管式换热器 4 填料函式换热器 1 固定管板式换热器 固定管板式换热器1 封头 2 法兰 3 排气口 4 壳体 5 换热管 6 波形膨胀节 7 折流板 或支持板 8 防冲板 9 壳程接管 10 管板 11 管程接管 12 隔板 13 封头 14 管箱 15 排液口 16 定距管 17 拉杆 18 支座 19 垫片 20 21 螺栓 螺母 固定管板式换热器 固定管板式换热器管束两端的管板与壳体联成一体 结构简单 但只适用于冷热流体温度差不大 且壳程不需机械清洗时的换热操作 当温度差稍大而壳程压力又不太高时 可在壳体上安装有弹性的补偿圈 以减小热应力 优点 结构简单 紧凑 能承受较高的压力 造价低 管程清洗方便 管子损坏时易于堵管或更换 缺点 当管束与壳体的壁温或材料的线膨胀系数相差较大时 壳体和管束中将产生较大的热应力 固定管板式换热器 应用 这种换热器适用于壳侧介质清洁且不易结垢并能进行清洗 管 壳程两侧温差不大或温差较大但壳侧压力不高的场合 为减少热应力 通常在固定管板式换热器中设置柔性元件伯膨胀节 挠性管板等人来吸收热膨胀差 补偿方式 补偿圈 或称膨胀节 这种补偿方法简单 但不宜用于两流体的温度差太大 应不大于70 和壳程压力大于膨胀节所能承受的压力 通常最大约1700kPa 250psi 则有必要采用浮头或U型管束 在固定管板式中 两端管板均与壳体采用焊接连接 且管板兼作法兰用 在浮头式 U形管式及填料函式换热器中采用可拆连接 将管板夹持在壳体法兰和管箱法兰之间 管板与壳体连接结构 2 浮头式换热器 浮头式换热器1 防冲板 2 折流板 3 浮头管板 4 钩圈 5 支耳 浮头式换热器 浮头式换热器管束一端的管板可自由浮动 完全消除了热应力 且整个管束可从壳体中抽出 便于机械清洗和检修 浮头式换热器的应用较广 优点 管间和管内清洗方便 不会产生热应力 缺点 结构复杂 造价比固定管板式换热器高 设备笨重 材料消耗量大 且浮头小盖在操作中无法检查 制造时对密封要求较高 适用于壳体和管束之间温差较大或壳程介质易结垢的场合 浮头结构示意图 3 U形管式换热器 U形管式换热器1 中间挡板 2 U形换热管 3 排气口 4 防冲板 5 分程隔板 U形管式换热器 U型管换热器每根换热管皆弯成U形 两端分别固定在同一管板上下两区 借助于管箱内的隔板分成进出口两室 此种换热器完全消除了热应力 结构比浮头式简单 但管程不易清洗 缺点 由于受弯管曲率半径的限制 其换热管排布较少 管束最内层管间距较大 管板的利用率较低 壳程流体易形成短路 对传热不利 当管子泄漏损坏时 只有管束外围处的U形管才便于更换 内层换热管坏了不能更换 只能堵死 而坏一根U形管相当于坏两根管 报废率较高 U形管式换热器 结构特点 只有一块管板 管束由多根U形管组成 管的两端固定在同一块管板 管子可以自由伸缩 当壳体与U形换热管有温差时 不会产生热应力 优点 U形管式换热器结构比较简单 价格便宜 承压能力强 U形管式换热器 应用 适用于管 壳壁温差较大或壳程介质易结垢需要清洗 又不适宜采用浮头式和固定管板式的场合 特别适用于管内走清洁而不易结垢的高温 高压 腐蚀性大的物料 4 釜式换热器这种换热器的壳体直径一般为管束直径的1 5 2 0倍 管束偏置于壳体的下方 液面淹没管束 使管束上部形成一定的汽液分离空间 此换热器多用来做蒸发器 分馏塔的重沸器或简单的废热锅炉 根据需要 管束可以是固定管板型 浮头型或U型管型 浮头式重沸器1 偏心锥壳 2 堰板 3 液面计接口 5 填料函式换热器 填料函式换热器1 纵向隔板 2 浮动管板 3 活套法兰 4 部分剪切环 5 填料压盖 6 填料 7 填料函 6 螺纹锁紧环换热器螺纹锁紧环换热器 其结构主要由管箱 壳体 管束 管箱盖 固定环 螺纹锁紧环 压紧环 密封装置等零部件组成 一般设计压力8 20MPa 设计温度300 550 材料为2 25Cr 1Mo 347L或15CrMoR 321 是目前高压换热器设计难度高 制造难度大的换热设备 螺纹锁紧环换热器结构复杂 金属耗量大 机加工配合件较多 密封结构 螺纹锁紧环 1 管箱壳体 2 固定螺栓 3 固定螺栓 4 管箱盖 5 垫片压板 6 固定环 7 螺纹锁紧环 8 压紧环 9 管程垫片 10 压环 11 内法兰 12 管程开口接管 13 密封装置 14 管板 15 传热管 16 壳体 17 壳程开口接管 18 壳程垫片 19 分程隔板 20 内部固定螺栓 21 内套筒 密封结构 螺纹锁紧环 优点 结构上安全可靠 耐高温 高压 温度 550 压力 20MPa 密封性能好 结构独特 壳壁与管束壁温差大 管束可自由伸缩 吸收膨胀差 可拆卸 可清洗 耐硫化氢腐蚀缺点 结构复杂 设计繁琐 重量大 造价高 零部件较多 密封要求高 检修 维修量大 9 环高压换热器 环高压换热器结构由管箱 壳体 管束 环等零部件组成 与普通U型管换热器结构相同 所不同的是密封垫片由 环代替 其原理是 工作状态下介质进入 环中 由于小管子承压高 故可承受压力 32MPa 由于采用0Cr18Ni11Ti耐温可达550 由于操作过程中 环中介质存在 故垫片比压可选择为零 减少了螺栓预紧载荷而使螺柱直径减小 减少螺柱预紧时管板产生的载荷 减薄了管板的厚度 由此重量低 造价降低 优点 结构简单 设计简单 密封安全可靠 耐高温 高压 温度 550 压力 32MPa 结构独特 壳壁与管束壁温差大 可吸收热膨胀 拆卸方便 可清洗 采用流路分析法设计 传热效率提高20 以上 耐硫化氢腐蚀 重量可比螺纹锁紧环降低23 锻件耗量少 造价节省21 适用于8 32MPa压力的加氢换热器 合成氨换热器 化肥装置废锅换热器 巨毒介质换热器以及绝对保证无泄露的场合 缺点 环加工复杂 要求较高 管壳式换热器的结构及其组成元件 管壳式换热器流体的流程一种流体走管内 称为管程 另一种流体走管外 称为壳程 管内流体从换热管一端流向另一端一次 称为一程 对U形管换热器 管内流体从换热管一端经过U形弯曲段流向另一端一次 称为两程 管子的排列方式有正三角形排列和正方形排列两种 在管间距和布管区均相同的条件下 三角形排列的布管数较多 而正方形排列的管束在相邻的两排管子之间具有一条直线通道 便于用机械方法清洗管间 三角形排列不具有这种直线通道 因而只适用于清洁的壳程介质 不同的排列方式将会影响到对流传热系数的大小 采用正三角形排列会获得较高的对流传热系数 而正方形排列的对流传热系数最低 换热管的排列形式 管板和管子的连接管板和管子的连接方式有胀接和焊接 对于高温高压下常采用胀 焊并用的方式 胀接胀接适用于换热管为碳钢 管板为碳钢或低合金钢 设计压力不超过4MPa 设计温度不超过350 且无特殊要求的场合 管板的硬度应大于换热管的硬度以保证管子发生塑性变形时管板仅发生弹性变形 焊接碳钢或低合金钢 温度在300 以上 大都采用焊接连接 其优点 管孔不需开槽 其表面粗糙度要求不高 管子端部不需退火和磨光 制造简便 强度高 抗拉脱力强 可保证气密性要求缺点 管子更换困难 一般都堵死 焊接的残余应力和应力集中有可能带来应力腐蚀与疲劳破坏 管板与换热管的焊接连接 胀焊并用 其结构分为两种 强度胀加密封焊 对胀接的要求是承受管子拉脱力 同时保证连接处的密封 焊接仅起到辅助防漏的作用 强度焊加贴胀 用焊接保证连接处的强度和密封 贴胀是为了消除换热管与管孔间的环隙 防止间隙腐蚀并增强抗疲劳破坏的能力 管箱管箱位于壳体两端 其作用是控制及分配管程流体 管箱结构形式1 隔板 2 管板 3 箱盖 管箱型式 管箱型式 管壳式换热器的标准 GB151 1999 管壳式换热器 是由国家技术监督局发布的关于管壳式换热器的国家标准 该标准是管壳式换热器设计和制造的主要依据 标准代号为JB T4714 4720 92该标准对浮头式换热器和冷凝器 固定管板式换热器 立式热虹吸式重沸器及U形管式换热器的具体结构形式 基本参数及其组合都作了具体的规定 定型 固定管板式换热器的结构壳体及其与管板的连接 在壳程进口接管处常装有防冲板或称缓冲板 进口接管及防冲板的布置 管板 换热器管板的计算所涉及的因素非常多 所以非常复杂 一般采用计算机计算 管板与壳体的连接以及管板与管箱的密封连接分别见下图 1 折流板作用与结构形式 作用 折流板是为了提高壳程介质流速 强化传热 对于卧式换热器 还有支撑管束的作用 支持板是为了支撑管束 防止产生过大的挠度变形 结构形式 弓形和圆环形 缺口面积根据流速决定 2 间距折流板间距过大会影响传热效果 支持板间距过大会使换热管产生过大的挠度 其最大间距不得超过GB151的规定 3 固定折流板和支持板是用拉杆固定的 拉杆应尽量均匀布置在管束的外边缘 拉杆的数量与筒体直径及拉杆直径有关 弓形折流板 圆盘 圆环形折流板 折流板缺口尺寸 折流板的固定折流板的固定是通过拉杆和定距管来实现的 拉杆结构 二 板式换热器由一组几何结构相同的平行薄平板叠加所组成 冷热流体间隔地在每个通道中流动 其特点是拆卸清洗方便 故适用于含有易结垢物的流体 1 板式换热器的优点 传热系数高 板式换热器具有较高的传热系数 一般约为管壳式换热器的2 5倍 主要原因是流体在管壳式换热器的壳程中流动时存在着折流板 壳体 折流板 换热管 管束 壳体之间的旁路 通过这些旁路的流体 没有充分参与换热 而板式换热器 不存在旁路 而且板片的波纹能使流体在较小的流速下产生湍流 湍流效果明显 雷诺数约为200即为湍流 故能获得较高的传热系数 末端温差小 板式换热器两种流体可实现纯逆流 在管壳式换热器中 两种流体分别在壳程和管程内流动 总体上是错流的流动方式 降低了对数平均温差 板式换热器由于可实现温度交叉 末端温差可达到1 管壳式换热器不能实现温度交叉 即二次侧出口温度不能高于一次侧的出口温度 末端温差只能达到5 污垢系数低板式换热器内的流体由于剧烈湍动造成对板面的冲刷 同时不锈钢换热面光滑 杂质不易沉积 因此 板式换热器的污垢系数远低于管壳式换热器 板式换热器的污垢系数约为管壳式换热器的1 10 压降低 板式换热器板片相互叠放 不存在传统管式换热器管间距的限制 因此板式空冷器具有较大的流通面积 一般情况下 在相同换热面积时板式换热器流通面积比管式换热器大5倍 而且板的表面光滑 因而可降低压力损失 结构紧凑 由于板式空冷器单板换热面积大 同时就紧凑度指标而言 板式换热器紧凑度约为220m2 m3 远大于列管式换热器的78m2 m3 在换热量相同时 板式换热器所需的换热面积比管壳式换热器小 其重量约为管壳式的1 5 板式换热器的占地面积是管壳式换热器的1 5 1 10 容易实现大型化单板面积最大可达21m2 单台板式换热器的面积可达10000m2 2 板式换热器的缺点 承压能力相对较低焊接板式换热器是一种新产品 结构还未定型 受压元件的计算仍在探讨之中 目前还没有成熟的设计标准 按目前的制造水平板式换热器的最高工作压力约为4MPa 不宜用于易堵塞通道的介质板式换热器的板间通道较窄 一般为3 8mm 当换热介质中含有较大的固体颗粒或纤维物质时 就容易堵塞板间通道 对这种换热场合采用焊接板式换热器是不适宜的 聚丙烯E801板换改造成固定管板内管波纹管 板式换热器的结构型式 1 板片的形式板片是板式换热器的传热元件 冷热流体通过板间形成的流道完成热交换 为了提高板式换热器的传热效率 通常将板片压制成不同形状的波纹 波纹的形式有水平平直波纹 斜波纹竖直波纹 球形波纹 人字形波纹和方形波纹 2 板片材料选用的基本原则 板片要具有良好的耐腐蚀性板片材料的选用要考虑进入换热器的介质的腐蚀性 特别是要注意氯离子对不锈钢引起的应力开裂腐蚀 一般情况 对于氯离子腐蚀可按下述原则选材 A 当介质中的氯离子浓度小于50mg L 温度小于60 可选用304 B 当介质中的氯离子浓度小于200mg L 温度小于60 时 可选用316 C 当介质中的氯离子浓度高于200mg L时 应选用高级不锈钢或钛合金 板片材料应具有耐高温性能板式换热器用于高温条件时 板片材料必须具有耐高温性能 如用于高温烟气余热回收系统的板式换热器 烟气的温度甚至高达1000 因此 在板式换热器的板片材料就应考虑与使用温度相应的牌号 氯离子对板片材料选择的影响 板片材料应具备良好的加工性能 板式换热器的板片须通过压制形成不同的形状和深度的波纹 因而 对板片材料的金属延展性有一定的要求 一般情况下 奥氏体不锈钢都具很高的延展性 冷压加工性能不会成为问题 用于焊接的板式换热器的板片材料 还应具有良好的焊接性能 垫片材料 材料名称耐温 适用介质水 海水 矿物油 润滑油 动丁腈橡胶 NBR 25 140植物油 食品果汁 烷烃 稀烃 洗涤剂过热水 水蒸气 大气臭氧 非石三元乙丙橡胶 EPDM 25 150油基润滑油 弱酸 弱碱 酮 醇等有机酸 无机酸 浓碱液高温水蒸气 98 以上高浓度硫酸 氟橡胶 FKM 0 180非极性矿物油 如泵油 润滑油等 也可用于食物油 氯水 磷酸盐 板式换热器 热交换公式 Q k A LMTD Q 热负荷k K值 传热系数W m CK值大 传热效率高A 有效传热面积 m LMTD 对数温差这是传热的动力LMTD表达了在换热器上的温度分布情况有多少人知道LMTD和它的计算 2 螺旋板式换热器 换热表面由两块金属板卷制而成 螺旋板式换热器 3 夹套式换热器 三 翘片式换热器 1 板翘式换热器结构 在两块平行的薄金属板之间 夹入波纹状或其形状的金属翘片 并用侧封条将其两侧封死 即构成一个换热单元 优点 传热效率高 传热系数比管壳式换热器大3 10倍 结构紧凑 轻巧 单位体积内的传热面积约为管壳式换热器的十几倍到几十倍 而相同条件下换热器的重量只有管壳式换热器的10 65 缺点 结构复杂 造价高 流道小 易堵塞 不易清洗 难以检修 2 翘片管换热器 翘片管是在普通金属管的两侧安装个种翘片制成 即可以增加传热面积 又改善了翘片侧流体的湍流程度 加装了翅片以后 使空气侧原有的传热面积得到了极大的扩展 祢补了空气侧换热系数低的缺点 使传热量大大提高 新型高效换热器技术 就强化传热技术来说 主要是力求使换热设备在单位时间内 单位传热面积传递的热量尽可能增多 从大的方面来说强化途径不外乎三个 提高传热系数 扩大单位传热面积 增大传热温差 1 1管式换热器的传热强化管式换热器的传热强化主要包括管程的强化和壳程的强化 1 1 1管程的传热强化 管程的强化传热通常是对光管进行加工得到各种结构的异形管 如螺旋槽纹管 横槽纹管 波纹管 低螺纹翅片管 螺纹管 螺旋扁管 多孔表面管 针翅管等 通过这些异形管进行传热强化 例如 1 螺旋槽纹管螺旋槽纹管管壁是由光管挤压而成 如图1所示 有单头和多头之分 其管内强化传热主要由两种流动方式决定 一是螺旋槽近壁处流动的限制作用 使管内流体做整体螺旋运动产生的局部二次流动 二是螺旋槽所导致的形体阻力 产生逆向压力梯度使边界层分离 螺旋槽纹管具有双面强化传热的作用 适用于对流 沸腾和冷凝等工况 抗污垢性能高于光管 传热性能较光管高2 4倍 2 横槽纹管如图2所示 其强化机理为 当管内流体流经横向环肋时 管壁附近形成轴向漩涡 增加了边界层的扰动 使边界层分离 有利于热量的传递 当漩涡将要消失时流体又经过下一个横向环肋 因此不断产生涡流 保持了稳定的强化传热作用 研究和实际应用证明 横槽纹管与单头螺旋槽纹管比较 在相同流速下 流体阻力要大一些 传热性能好些 其应用场合与螺旋槽纹管相同 3 波纹管对波纹管按流体力学观点分析 在波峰处流体速度降低 静压增加 在波谷处流速增加 静压降低 流体的流动在反复图3波鼓形波纹管图4梯形波纹管图5缩放管图6波节管改变轴向压力梯度下进行 产生了剧烈的漩涡 冲刷流体的边界层 使边界层减薄 因此用波纹管做换热管从理论上讲 由于波节的存在 增加了对管内流体流动的扰动 使波纹管具有较好的传热效果 但流动特性不如光管的好 在低雷诺数下 波纹管的换热与阻力性能比明显好于光管 在高雷诺数下 波纹管与光管的换热与阻力性能比非常接近 波纹管的波形大致可分为以下几类 波鼓形 梯形 缩放形和波节形 详细结构分别见图3 6 4 翅片管图7低螺纹翅片管图8变形翅片管翅片管是一种外壁带肋的管子 肋的截面形状有矩形 锯齿形 三角形 T型 E型 花瓣型等等 这种管子有助于扩大传热面积 促进流体的湍流 一般用于以壳程热阻为主的情况 当壳程热阻为管程2倍以上时 使用翅片管是合适的 但不能用来处理容易结焦的介质 其中低螺纹翅片管 图7 和变形翅片管 图8 的翅化率一般小3 用于管内介质给热系数比管外介质给热系数大于2倍以上的情况时可以提高传热系数30 左右 图7低螺纹翅片管图8变形翅片管 5 螺旋扁管螺旋扁管 图9 的独特结构使流体在管内处于螺旋流动 促进湍流程度 实验研究表明 螺旋扁管管内膜传热系数通常比普通圆管大幅度提高 在低雷诺数时最为明显 达2 3倍 随着雷诺数的增大 通常也可提高传热系数50 以上 6 表面多孔管 7 针翅管针翅管 图10 既扩大了传热面 又可造成流体的强烈扰动 极大地强化传热 而且压降不大 并可籍针翅互相支撑而取消折流支撑板 杆 大大节省支撑板材料 可代替光管和螺纹管作为油品换热器的换热管 也是低传热膜系数 高粘度介质和含尘高温烟气的理想传热管 可用于油品等纵向流管束换热和烟气锅炉或余热回收中 1 1 2壳程的传热强化 在管壳式换热器中 管束支撑结构的主要作用是 支撑管束 使壳程流体产生期望的流型和流速 阻止管子因流体诱导振动而发生失效 因此 管束支撑结构是壳程内的关键部件 直接影响着换热器壳程的流体流动和传热性能 管束支撑结构经过多年的研究 应用和发展 概括起来有3种类型 1 横流式支撑 如传统的弓形折流板 使壳程流体呈横向流动 2 纵流式支撑 如折流杆式等新型支撑 使壳程流体呈纵向流动 3 螺旋流式支撑 如螺旋折流板 使壳程流体呈螺旋流动 分别见图11 13 其中 传统的管壳式换热器壳程流体横向冲刷管束传热效率较低 流动阻力大 常发生流体诱导振动而导致破坏 图5 1折流圈的示意图1 壳体 2 折流圈 3 折流杆dbi db0 d0 分别为折流圈的内径 外径和壳体内径 图5 2折流圈笼和管板的组装图 为解决换热管束的振动问题 美国菲利浦石油公司在20世纪70年代开发了折流杆式换热器 该换热器不仅解决了振动问题 而且由于壳侧流体的纵向流动使折流杆换热器比传统的弓形折流板换热器传热系数提高30 左右 壳程压降减少50 由于流体在壳程中作纵向流动是管壳式换热器中最理想的流动形式 因此近年来又开发出了一些新型纵流式换热器 图14中列举了几种常见的整圆形折流板 如矩形孔折流板 梅花孔折流板等 这种异型折流板性能特点是 1 能有效地支撑管束 从而避免管束发生流体诱导振动 大管孔 式除外 2 孔板截面积小于壳程流通面积 因而可以调节壳程流体速度 3 各种形式的孔对流体具有 射流作用 射流流体速度高且直接冲刷管外壁 因而能增加流体湍流度 减薄管壁液体的边界层 因而有效强化了壳程传热 适用于中 低粘度流体且雷诺数不太大的场合 而螺旋折流板换热器又可分为单螺旋折流板换热器和双螺旋折流板换热器 螺旋折流板换热器与常规折流板相互平行布置方式不同 它的折流板相互形成一种螺旋形结构 每个折流板与壳程流体的流动方向成一定的使壳程流体做螺旋运动 能减少管板与壳体之间易结垢的死角 从而提高了换热效率 螺旋流换热器的强化传热机理为螺旋通道内的流型减弱了边界层的形成 从而使传热系数有较大增加 相对于弓形折流板 螺旋折流板消除了弓形折流板的返混现象 从而提高有效传热温差 防止流动诱导振动 在相同流速时 壳程流动压降小 基本不存在流动与传热死区 不易结垢 适宜于处理含固体颗粒 粉尘 泥沙等流体 对于低雷诺数下 Re 1000 的传热 螺旋折流板效果更为突出 在螺旋折流板换热器中 螺旋角 即壳侧介质流动方向与管束横截面之间的夹角 将直接影响壳侧流体的流动及传热性能 1 六 换热器中流动引起振动的分析1 流动诱发振动基本原理换热管是换热器中细长的弹性元件 流体流人和流过管子引发振动是自然结果 在大多数换热器中 振动的强度很低 不会造成问题 当振动强度增加到会引起某些机械部件损坏时 振动就成问题了 换热管根据不同的结构和材料 呈现不同的振动频率称作自然频率 这种振动强度用管子周期性运动来表示 从波峰到波峰运动的程度叫振幅 随流速的增加使得振幅增加 当诱发频率与自然频率一致时 会产生共振 管子在大振幅下长期振动导致管子的机械破坏 机械损坏有几种不同的机理而发生 如果振动的振幅大到足以使相邻管子彼此撞击或撞击壳体 管壁就会随时间磨薄 最终开裂 管子撞击会在其中部产生菱形的磨损 即发生碰撞损坏 管子损坏的部位在穿过挡板的地方 为挡板损坏 因为折流板管孔比管外径约大0 8 1 2mm 振动中的管子被挡板切割 会使管壁减薄 直到泄漏 由于疲劳而发生机械损坏 管子的重复弯曲会导致管材断裂 疲劳损坏还会因腐蚀和冲蚀而加快 管接头损坏是管子与管板之间的接头处 振动使胀接接头脱开 即便是焊接方式 也发现伸出管板的管子 因管孔锐边对管壁的切割作用而造成损坏 当壳程介质为水蒸气或气体时 过大的操作噪声在管箱内可能引起声振动 其特点是单调低频的强烈噪声 流动诱发振动的激振机理通常分为 漩涡分离或流动的周期性 湍流抖振 流体弹性不稳定性和声激振动 前三者当激振频率与管子频率同步就产生振动响应 在流体横流速度低于流体弹性不稳定临界速度时 不会发生流体弹性不稳定振动 达到和超过临界速度 就会发生不稳定性振动状态 管接头损坏是管子与管板之间的接头处 振动使胀接接头脱开 即便是焊接方式 也发现伸出管板的管子 因管孔锐边对管壁的切割作用而造成损坏 当壳程介质为水蒸气或气体时 过大的操作噪声在管箱内可能引起声振动 其特点是单调低频的强烈噪声 流动诱发振动的激振机理通常分为 漩涡分离或流动的周期性 湍流抖振 流体弹性不稳定性和声激振动 前三者当激振频率与管子频率同步就产生振动响应 在流体横流速度低于流体弹性不稳定临界速度时 不会发生流体弹性不稳定振动 达到和超过临界速度 就会发生不稳定性振动状态 2 影响管子振动的参数 1 管子的自然频率 2 外壳声振 3 流速 3 流动诱发振动问题可能的解决方法3 1可能做的设计修改 1 降低壳程流速如果壳程流率是固定的 可通过增大管心距来降低速度 在设计压力降为约束条件时 这种处理很有吸引力 但是会使壳径增加 2 改变管子布置角度改变管子布置角度可以降低速度和物流诱导振动的激发频率 但是传热与压力降会有所改变 3 增加管子的自然频率最为有效的方法是减少最长的末端支撑的长度 例如将TEMA规范中标准跨距长度最低值减少20 就可增加自然频率50 以上 改变管子材质和增加壁厚也会起一定作用 但是不会大幅度地增加自然频率 在制作管束期间 管子由于过轧而处于压缩状态 造成自然频率减少 对控制U形管换热器弯头区的振动 在管子间打入棒 板或楔子来防止移动 也可增加自然频率 这些都是防止振动的有效措施 4 降低接管处的速度可增加接管尺寸来降低速度 如果有防冲板 需要保证离开防冲板边缘的速度不过分高 分布器是降低进入管束流体流速的最有效办法 5 改变折流板的类型折流板类型的改变往往可以解决振动问题 折流杆换热器和螺旋折流板换热器 已经成功地解决了低压力降换热器中的振动问题 国内皆已开发成功 在工业生产中正逐步扩大应用 3 2现场发生振动问题可能的解决方法首先要确定振动是由于壳程流体流动引起的 还是从某个外源诱发的 如果肯定是物流诱导 有以下解决方法供参考 1 堵塞泄漏管不管泄漏是什么原因在造成的 对泄漏管临时的解决办法就是在管头打入堵头 以封闭泄漏管 2 降低壳程流率降低壳程流率可以使物流引导的振动停止 这种处理只有在操作允许的范围内 才可行 3 插入棒 钢丝和楔子来加强管束在管子之间插入绕带和打人楔子来限制管束移动 就可以增加换热器的自然频率 在U形管换热器的U形弯头处 经常使用这种方法 4 拆下窗口区的管子 形成旁路这样可以降低横流速度 足以控制振动 不过需要核实传热与压力降的性能是否符合需求 5 更换防振动管束 管束腐蚀 一 换热器管束腐蚀的原因造成换热器管束腐蚀的原因主要有一下几个方面 1均匀腐蚀 在整个暴露于介质的表面上 或者在较大的面积上产生的 宏观上均匀的腐蚀破坏叫均匀腐蚀 2接触腐蚀 两种电位不同的金属或合金互相接触 并浸于电解质溶解质溶液中 它们之间就有电流通过 电位正的金属腐蚀速度降低 电位负的金属腐蚀速度增加 3选择性腐蚀 合金中某一元素由于腐蚀 优先进入介质的现象称为选择性腐蚀 4孔蚀 集中在金属表面个别小点上深度较大的腐蚀称为孔蚀 或称小孔腐蚀 点蚀 5缝隙腐蚀 在金属表面的缝隙和被覆盖的部位会产生剧烈的缝隙腐蚀 6冲刷腐蚀 冲刷腐蚀是由于介质和金属表面之间的相对运动而使腐 蚀过程加速的一种腐蚀 7晶间腐蚀 晶间腐蚀是优先腐蚀金属或合金的晶界和晶界附近区域 而晶粒本身腐蚀比较小的一种腐蚀 8应力腐蚀破裂 SCC 和腐蚀疲劳 SCC是在一定的金属一介质体系内 由于腐蚀和拉应力的共同作用造成的材料断裂 9氢破坏 金属在电解质溶液中 由于腐蚀 酸洗 阴极保护或电镀 可以产生因渗氢而引起的破坏 换热器的选材防腐根据不同的腐蚀环境和设备运行要求 并结合防腐蚀措施的价格 寿命 性能比来采用最合理 最经济的防腐措施 保证安全生产 提高经济效益 其选材原则如下 8 仅供参考 受高温热油双侧硫化物和碱腐蚀的换热器 考虑长周期运行和性能价格比较可以采用的防腐措施顺序是 1Cr18Ni9Ti 316L 12Cr2AlMoV 08Cr2AlMo 每年新上的换热器可优先选用316L 1Cr18Ni9Ti 选用的比例各20 50 逐台更换 也可试用化学镀Ni P防腐 12Cr2AlMoV 08Cr2AlMo材料 受高温热油双侧硫化物 Cl 碱腐蚀的换热器 考虑长周期运行和性能价格比较可以采用的防腐措施顺序是 12Cr2AlMoV 08Cr2AlMo 每年新上的换热器选用的比例各20 50 逐台更换 也可试用渗铝防腐 受高温热油 工艺介质和蒸汽双侧腐蚀的重沸器 考虑长周期运行和性能价格比较可以采用的防腐的防腐措施顺序是 在没有Cl 离子腐蚀的环境中选用1Cr18Ni9Ti 在有Cl 离子腐蚀的环境 根据Cl 离子含量可选用316L或双相不锈钢 二 换热器管束泄漏的预判 1 根据温度差来进行判断温度是换热器运行中的主要控制指标 从换热器进出口流体温度变化的情况可分析换热器的换热效果 判断换热器传热效率的高低 主要在传热系数上 传热系数