第三章换热设备

1、第三章,换热设备,第一节,概述,一、定义及应用,1,定义：热量从热流传递到冷流体的设备称为换,热设备。,2,应用：换热器是工艺过程必不可少的单元设备，,广泛用于石油、化工、轻工、制药、食品、机械、,冶金、动力等工程领域中。,换热器是许多工业部门广泛应用的通用工艺设备。,通常，在化工厂的建设中，换热器约占总投资的,11,40,。它的先进性、合理性和运转可靠,性将直接影响产品的质量、数量和成本。,第一节,概述,二、简介,1,设计要求：,（,1,）换热效率高、流体阻力小、满足工艺要求；,（,2,）强度足够，结构合理、运行安全可靠,（,3,）便于制造、安装、操作及检修,（,4,）节省材料、成本低，经济

2、合理,2,任何一种换热器不可能十全十美。例如板式换,热器传热效率高、金属消耗量低，但流体阻力大、,强度和刚度差，制造、维修困难。而列管式换热,器虽在传热效率、紧凑性、金属消耗量等方面均,不如板式换热器，但其结构坚固、可靠程度高、,适应性强、材料范围广，因而目前仍是石油、化,工生产中，尤其是高温、高压和大型换热器的主,要结构型式。,第一节,概述,3,材料：碳钢、低合金钢、不锈钢、铝、铜、,钛等及其复合材料；玻璃钢、聚四氟乙,烯、,不透性石墨等。,4,设计规范,（,1,）,GB151-1999,管壳式换热器,（,2,）,GB150-1998,钢制压力容器,（,3,）,JB/T4735-1997,钢

3、制常压容器,第二节,换热设备分类,一、换热器的分类,（一）按作用原理或传热方式分：,直接接触式换热器,蓄热式换热器,间壁式换热器,1.,直接接触式换热器,(,混和式换热器,),（,1,）原理：冷、热流体直接接触，相互混和传递,热量。,（,2,）特点：传热效率高、单位容积提供的传热面,积大、设备结构简单、价格便宜，,但仅适合工艺,上允许两种流体混合的场合。,第二节,换热设备分类,（,3,）应用：这类换热器的介质通常一种是气体，,另一种为液体，主要是以塔设备为主体的传热设,备。适于冷热流体不互溶又允许相互混合的场合。,如凉水塔、洗涤塔、喷射冷凝器等。,例如，化工厂和发电厂所用的凉水塔中，热,水由上

4、往下喷淋，而冷空气自下而上吸入，在填,充物的水膜表面或飞沫及水滴表面，热水和冷空,气相互接触进行换热，热水被冷却，冷空气被加,热，然后依靠两流体本身的密度差得以及时分离。,第二节,换热设备分类,2.,蓄热式换热器（又称回热式换热器,or,蓄热器）,（,1,）原理：它是借助于热容量较大的固体（如固,体填料或多孔性格子砖等）构成的蓄热体与热流,体和冷流体交替接触，把热量从热流体传递给冷,流体的换热器。当蓄热体与热流体接触时，从热,流体处接受热量，蓄热体温度升高，然后与冷流,体接触，将热量传递给冷流体，蓄热体温度下降，,从而达到换热的目的。,（,2,）特点：特点是结构简单，可耐高温，体积庞,大，不能

5、完全避免两种流体的混和。,（,3,）应用：适于高温气体热量的回收或冷却。若,两种流体不允许有混合，则不能采用蓄热式换热,器。如空气预热器。,第二节,换热设备分类,3.,间壁式换热器（又称表面式换热器,or,间接,式换热器）,(1),原理：它是利用间壁（固体壁面）将进行,热交换的冷热两种流体隔开，互不接触，,热量由热流体通过间壁传递给冷流体的换,热器。是工业中应用最为广泛的换热器,。,第二节,换热设备分类,（,2,）分类：,第二节,换热设备分类,（,3,）特点：形式多样，应用广泛等。,（,4,）适于冷、热流体不允许混和的场合。,（二）按用途分,1.,加热器：用于把流体加热到所需温度，被加热流体,

6、在加热过程中不发生相变。,2.,预热器：用于流体的预热，以提高整套工艺装置的,效率。,3.,过热器：用于加热饱和蒸汽，使其达到过热状态。,4.,蒸发器：用于加热液体，使其蒸发汽化。,5.,再沸器：用于加热已被冷凝的液体，使其再受热汽,化。为蒸馏过程专用设备。,6.,冷却器：用于冷却流体，使其达到所需温度。,7.,冷凝器：用于冷却凝结性饱和蒸汽，使其放出潜热,而凝结液化。,第二节,换热设备分类,（三）按所用材料分,1.,金属材料换热器,由金属材料加工制成的换热器。常用的材料有碳钢、,合金钢、铜及铜合金、铝及铝合金、钛及钛合金,等。因金属材料导热系数大，故此类换热器的传,热效率高。,2.,非金属材

7、料换热器,有非金属材料制成的换热器。常用的材料有石墨、,玻璃、塑料、陶瓷等。因非金属材料导热系数较,小，故此类换热器的传热效率较低。常用于具有,腐蚀性的物系。,第二节,换热设备分类,二、间壁式换热器的结构形,式,（一）夹套式换热器,1.,结构：夹套式换热器主要,用于反应过程的加热或冷,却，是在容器外壁安装夹,套制成。,2.,特点：优点：结构简单。,缺点：传热面受,容器壁面限制，传热系数,小。,为提高传热系数且使釜内,液体受热均匀，可在釜内,安,装搅拌器。也可在釜,内安装蛇管。,第二节,换热设备分类,（二）管式换热器,1.,蛇管式换热器,（,1,）沉浸式蛇管换热器,a.,结构：这种换热器多以金属

8、管子绕成，或制成各,种与容器相适应的情况，并沉浸在容器内,第二节,换热设备分类,第二节,换热设备分类,a.,结构：这种换热器多以金属管子绕成，或制成各,种与容器相适应的情况，并沉浸在容器内的液体,中。两种流体分别在管内外流动通过蛇管表面进,行换热。,b.,特点,优点：结构简单，便于防腐，能承受高压。,缺点：由于容器体积比管子的体积大得多,因此管外流体的表面传热系数较小。,c.,主要用于传热量不大的容器中。为提高传热系数，,容器内可安装搅拌器。,第二节,换热设备分类,（,2,）喷淋式蛇管换热器,a.,结构：多用于冷却管内的热流体。将蛇管成排地固定于钢,架上，被冷却的流体在管内流动，冷却水由管上方

9、的喷淋,装置中均匀淋下，故又称喷淋式冷却器。,b.,特点：,优点：传热推动力大，传热效果好，便于检修,和清洗。,缺点：喷淋不易均匀。,c.,应用：主要用于管内流体的冷却，常设置在室外空气流通,处。,1-,直管；,2-,外管；,3-,水槽；,4,齿形,檐板,第二节,换热设备分类,2.,套管式换热器,（,1,）结构：将两种直径大小不同的直管装成同心,套管，并可用,U,形肘管把管段串联起来，每一段,直管称作一程。长约,4,6m,，每程的内管依次与,下一程的内管用,U,型弯头连接，外管之间也由管,子连通，可同时几排并列，每排与总管相连。,第二节,换热设备分类,（,2,）特点：优点：进行热交换时使一种流

10、,体在内管流过，另一种则在套管间的环隙,中通过，而且两种流体可始终保持逆流换,热。流速高，表面传热系数大，逆流流动，,平均温差最大，结构简单，能承受高压，,应用方便。,缺点：设备结构不紧凑，金属,耗用量大。,（,3,）应用：一般用于换热量不大的场合,第二节,换热设备分类,3.,列管式换热器,列管式换热器又称为,管壳式换热器,，是最典型的,间壁式换热器，历史悠久，占据主导作用。,（,1,）结构：壳体、管束、管板、折流挡板和封头。,一种流体在管内流动，其行程称为管程；另一种,流体在管外流动，其行程称为壳程。管束的壁面,即为传热面。,（,2,）特点：单位体积设备所能提供的传热面积大，,传热效果好，结

11、构坚固，可选用的结构材料范围,宽广，操作弹性大，大型装置中普遍采用。,第二节,换热设备分类,（三）,板面式换热器,为了使换热器结构更为紧凑，提高单位体积,的传热面积，增加传热效果，以及适应某些工艺,过程的需要等，开发了以板状作为传热面积的换,热器，称为板面式换热器。,板面式换热器的主要优点是：板面式换热器,是结构紧凑，占地面积小，传热面积大，节省材,料，传热效率高，加热或冷却迅速，可拆开清洗。,适用于热敏性物料。因此板面式换热器在食品、,医药和石油化工生产中被广泛采用。,第二节,换热设备分类,1.,螺旋板式换热器,（,1,）结构：它是由两张互相平行的薄金属板，卷制成同心,的螺旋形通道。在其中央

12、设置隔板将两通道隔开，两板间,焊有定距柱以维持通道间距，螺旋板两侧焊有盖板和接管。,两流体分别在两通道内流动，通过螺旋板进行换热。螺旋,板换热器直径在,1.5m,之内，板宽,200,1200mm,，板厚,2,4mm,，两板间距,5,25mm,，见图。,一般有一对进出口是设在圆周边上（接管可为切向或径向），,而另一对则设在圆鼓的轴心上。,第二节,换热设备分类,（,2,）分类,由于用途不同，螺旋板换热器的流道布置和封盖形式，有以,下几种结构形式。,I,型结构,如图（,a,）所示。两个螺旋流道的两侧完全焊接密封，所以,也称为不可拆结构。两流体在流道中均作螺旋流动。冷流,体从外向中心，热流体从中心向外

13、周，完全是逆流。由于,流体是在单流道中流动，流动分布情况良好。这种形式主,要用于液体与液体。,II,型结构,如图（,b,）所示。在这种型式中，一种流体在螺旋流道中进,行螺旋流动，另一种则在另一螺旋流道中进行轴向流动。,所以轴向流道的两侧是敞开的，螺旋流道两侧则焊接密封。,这种型式适用于两种介质流率差别很大的情况，常用作冷,凝器、气体冷却器等。,第二节,换热设备分类,III,型结构,如图（,c,）所示，在这种型式中，一种流,体是螺旋流动，另一种是轴向流动和螺旋,流动的组合。适用于蒸汽的冷凝冷却，蒸,汽先进入轴流部分，当冷凝后体积减少时，,才转入螺旋流道以进一步冷却。,第二节,换热设备分类,第二节

14、,换热设备分类,（,3,）特点：,优点：,a.,传热效率较高，达管壳式,3,倍。,b.,不易结垢和堵塞,由于流速较高且在螺旋形通道中,流过，有自行冲刷作用，故流体中的悬浮物不易,沉积下来。,能利用低温热源,由于流道长而且两流体可达到完全,逆流，因而传热温差大，能充分利用温度较低的,热源。,c.,结构紧凑,由于板薄,2,4mm,，单位体积的传热面,积可达到,150,500m2/m3,。,第二节,换热设备分类,缺点：,a.,操作压强不能超过,2MPa,，操作温度在,300,400,以下,b.,另外因整个换热器焊为一体，一旦损坏检修困难。,c.,流体阻力较大。因流道长，其间又受定距柱和螺,旋流动的影

15、响，流体阻力较大，在同样物料和流,速条件下，越比直管要大,2,3,倍。,(4),应用：适于粘性流体或含有固体颗粒的悬浮液的,换热器。目前广泛用于化工、轻工、食品等行业。,第二节,换热设备分类,2.,板式换热器,板式换热器早于,20,年代开始用于食品工业，,50,年代逐渐用于,化工及其相近工业部门，现已发展成为一种传热效果较好，,结构紧凑的化工换热设备。,（,1,）结构：板式换热器是由一组金属薄板、相邻薄板之间,衬以垫片并用框架夹紧组装而成。薄板是矩形板片，其上,四角开有圆孔，形成流体通道。冷热流体交替地在板片两,侧流过，通过板片进行换热。板片厚度为,0.5,0.3mm,，,通常压制成各种波纹形

16、状，既增加刚度，又使流体分布均,匀，加强湍动，提高传热系数。板片尺寸常见的宽度为,200,1000mm,，高度最大可达,2m,。两块板片之间的距离,通常为,4,6mm,左右。,第二节,换热设备分类,第二节,换热设备分类,（,2,）特点：,优点：,传热系数大。由于流体在板片间流动湍动程度高，而且,板片厚度又薄，故传热系数大。,结构紧凑。单位体积,设备提供的传热面积大，体积可具有,250,以上的传热面积，,甚至高达,1000,，而列管式换热器一般约为,40,150,之间。,操作灵活性大。可以进行多段操作或几种操作，只需在,适当位置安设中间隔板，便可使一台设备顶几台的用途。,又可根据需要调节板片数目

17、以增减传热面积，或以调节流,道长短的办法，适应冷热流体流量和温度变化的要求，均,较方便。,金属材料消耗量低。主要是板片很薄，一般为,1,2mm,，,金属耗量较之列管式约可减少一半以上。,板片加工制造比较容易，检修清洗也较方便。,第二节,换热设备分类,缺点：,允许操作压力比较低。一般低于,1.5Mpa,，最高,不超过,2.0Mpa,。因受垫圈种类和垫圈沟槽结构的,限制，压力过高容易渗漏。同时也受板片刚度的,限制。,操作温度不能太高。因受垫片耐热性能的限制，,如合成橡胶垫圈不超过,130,，压缩石棉垫圈应,低于,250,。,处理量不大。因板间距离仅几个毫米，流通截,面较小，而流速又不大。,第二节,

18、换热设备分类,3.,板翅式换热器,板翅式换热器是一种传热效果好，更为紧凑的板式换热器。过去由于焊,接技术的限制，制造成本较高，仅限用于宇航、电子、原子能等少数,部门，作为散热冷却器。现已逐渐在石油化工、天然气液化、气体分,离等部门中应用，获得良好效果。,（,1,）结构：由平隔板和各种型式的翅片构成板束组装而成。在两块平,行薄金属板（平隔板）间，夹入波纹状或其他形状的翅片，两边以侧,条密封，即组成为一个单元体。冷热两种流体分别流过间隔排列的冷,流层和热流层进行热量传递。各个单元体又以不同的叠积适当排列，,并用钎焊固定，成为常用的逆流或错流式板翅式换热器组装件，或称,为板束。再将带有集流进出口的集流箱焊接到板束上，就成为板翅式,换热器。,第二节,换热设备分类,错,流,逆,流,第二节,换热设备分类,（,2,）翅片型式：光直型翅片、锯齿型翅片和,多孔型翅片三种,。,第二节,换热设备分类,（,3,）特点：,优点：,传热效率高，为管壳式的,310,，单位体积内传热面积大。,由于各种形状的翅片，在不同程度上都对促进湍流和破坏滞流,底层起着显著作用；加以