换热器专业知识讲座

2023年8月份讲课单位：讲课人：1/23换热器2/23概述

换热器是化工生产中广泛应用一种通用设备。在多种热交换过程中，换热器可作为加热器、冷却器、蒸发器、冷凝器使用。由于操作条件不一样，换热器型式与构造也不相同。在生产装置中，换热器有时是一种独立化工设备，有时则是某一工艺设备组成部分。不一样型式换热器衡量标准是相同，即要求传热效率高，流体阻力小，有足够强度，构造可靠，节省材料，成本低，制造、安装、检修方便等等。事实上，迄今为止，任何一种换热器都不也许完全具有上述要求。例如，板式换热器传热效率高、金属材料消耗量低、构造紧凑，但流体阻力大、强度和刚度差、制造和检修困难；而管式换热器虽然在传热效率、构造紧凑性和金属材料消耗量等方面均不如板式换热器，但其构造结实、可靠程度高、适应性广、可选用材料范围宽，因而目前仍是化工生产中普遍采取主要构造型式。管壳式换热器按构造型式有固定管板式、浮头式、U型管式、填函式、滑动管板式等几个，其中使用最多是固定管板式换热器。3/23固定管板式换热器

固定管板式换热器也称为列管式换热器。图所示是一台典型卧式固定管板换热器。立式与卧式差异仅在于采取支座式不一样。固定管板式换热器特点是构造简单，比较紧凑；每根管子都是单独更换和对管内进行清洗；在同样壳体直径内，布管数最多；两管板由管子互相支撑，在多种管壳式换热器中，其管板最薄；除U型管式换热器之外，它是造价最低一种。不过，这种换热器壳程（即管间）清洗困难，因此，一般来说在壳程中通过应是较清洁介质。一般，并不是所有固定管板式换热器都需要设置膨胀节，只有当壳壁与管壁温差较大、或者温差虽不大，但管与壳材料不一样，热膨胀系数相差较大时，管壳之间将会有较大温差应力，则需在壳体上设置膨胀节，以赔偿温差引发变形，从而减少应力（此时，壳程压力就受到膨胀节强度限制而不能太高）。4/235/23固定式管板式换热器设计一般，换热器作为单独化工设备时都属压力容器，因此必须由具有压力容器设计资格单位承当设计，必须遵循设计标准规范《钢制压力容器》、《监察规程》、《实行细则》之外，还必须遵守GB151-89《钢制管壳式换热器》以及该标准中包括有关标准。6/23基本定义1.公称直径DN卷制壳体，以壳体内径为基准（mm）常用规格：4006008001000120014001600180020232200无缝钢管壳体，以钢管外径为基准（mm）常用规格：1592192733252.换热面积A计算换热面积以换热管外径为基准，扣除伸入管板内换热管长度后，计算得到管束外表面积，m2；公称换热面积是经圆整后计算换热面积，m2。3.公称长度LN以换热管长度（m）作为换热器公称长度。换热管为直管时，取直管长度；换热管为U形管时，取U形管直管段长度。常用格式：2023300040006000900012023（mm）7/23基本定义4.管程与壳程管程是指介质流经换热管内通道及与其相贯通部分；壳程是指介质流经换热管外通道及与其相贯通部分；壳程数Nt是指介质沿换热管方向来回次数；壳程数Ns是指介质在壳程内沿壳体轴向来回次数。8/23管箱使用最普遍是封头管箱，也可根据操作条件采取平盖或锥形管箱。1.对于大直径及压力较高换热器更应优先采取椭圆封头管箱。用碳钢、低合金钢制焊有分程隔板管箱，以及管箱侧向开孔超出1/3圆筒内径管箱，应在焊接工作完成后进行消除应力热处理。设备法兰密封面应在热处理后加工。奥式体不锈钢制管箱一般不做焊后消除应力热处理，当有较高抗腐蚀要求或在高温下使用时，可按供需双方商定办法进行处理。2.管箱分程能够提升管程介质流速，从而提升换热器换热效果，一般用分程隔板，因其构造简单，是普遍采取构造形式。管箱分程隔板厚度根据换热器直径大小和材料不一样，一般采取6－14mm；分程隔板厚度大于10mm时，其密封面处应削边至10mm。必要时，在分程隔板上应开设排净孔，排净孔直径一般为6mm。9/23管板1.管板厚度（1）有效厚度有效厚度是指分程隔板槽底部厚度减去下述二者厚度之和，即：管程腐蚀裕量超出隔板槽深部分；壳程腐蚀裕量或构造开槽深度二者中较大值。对于复层与基层完全贴合复合管板，复层可计入复合管板有效厚度。（2）最小厚度管板与换热管道连接时，管板最小厚度除满足计算要求外，还应满足构造设计和制造要求，管板与换热管采取膨胀连接时，管板最小厚度将根据换热管直径大小和换热器操作介质特性儿有所不一样。2.管板厚度计算固定管板式换热器厚度计算比较费时，设计中都采取电子计算机计算。3.管板与壳体连接一般情况下，管板延长部分兼做法兰，壳体与管板连接一般都用焊接，根据操作介质特性和设计压力高低选用不一样焊接构造型式。10/23管板4.管板与管箱连接这里讲连接是指管板与管箱连接密封面构造型式。对于一般中低压换热器来说，管板与管箱连接密封面型式同管法兰和压力容器法兰密封面型式同样，分为平面、槽面和凹凸面三种型式。平面密封面构造简单、加工便、费用低廉，适用于压力不高、无害介质场所。压力较高或介质为易燃、毒等严格场所则必须采取槽面或凹凸面密封面型式。一般，由于凹凸面比槽构造简单、加工较方便，检修时更换垫片也容易某些，而密封性能可靠程度同样比较抱负，因此在石油化工生产中，实际使用较为广泛。5.管板与换热器连接管板与换热器连接有焊接、胀接、胀焊并用等形式。焊接是最常用连接形式。胀接一般用于设计压力不超出4MPa、设计温度不超出300℃，操作中无剧烈振动、无过大温度变化及无严重应力腐蚀场所。胀焊并用有强度胀加密封焊和强度焊加贴胀两种形式，适用于密封性能要求较高、承受振动或疲劳载荷、有间隙腐蚀、采取复合管板等场所。11/23管板6.换热器排列形式换热器排列形式主要有两种正三角形和正方形。正三角形排列是使用最多一种形式，这种形式换热效果最好，适用于壳程介质污垢少，且不需要进行机械清洗场所。正方形排列能够是管小桥形成一条直线通道，便于机械方法清洗，一般用于可抽出管束清洗管间场所。换热管中心距一般大于换热管外径1.25倍。管程分程数一般有1、2.、4、6、8、10、12等七中，管程布置应考虑尽也许使各管程换热管数大体相等；分程隔板槽形状简单，密封面长度短。7.折流板与支持板为了提高换热器换热效果，一般都要设置折流板。如果不需要设置折流板，而换热管无支撑跨距超过规定值（一般不应大于壳体内直径），则应设置支持板，用来支撑换热管，以防止换热管产生管道挠度。折流板和支持板形式主要有弓形和圆盘－圆环形两种，使用最多是单弓形板。弓形折流板缺口高度应使流体通过缺口时与横过管束时流速相近，缺口弦高一般取0.20－0.45倍壳体直径。单弓形板缺口布置，根据不一样工艺操作要求，可设计成水平、竖直和转角形式。折流板最小间距应大于壳体直径五分之一，且不大于50mm。最小间距应不大于壳体内直径。12/23管板

8.膨胀节对于固定管板换热器，壳体与管子间存在较大温差应力，需考虑设置膨胀节。一般采取U型膨胀节，可按JB1121－83《波形膨胀节》选用。为了制造方便，允许采取两个半波零件焊接成膨胀节。U型膨胀节与换热器壳体连接一般采取对接，并应采取焊透构造；当壳体厚度与膨胀节厚度差大于3mm时，应在壳体一侧按1：3斜坡削薄过渡。为减小膨胀节磨损，避免振动及减少流体阻力等目标，必要时可在膨胀节内侧设置内衬筒。卧式换热器用U型膨胀节必须在其安装位置最低点设置排油孔。冷作成型铁素体钢膨胀节必须进行消除应力处理；奥式体钢膨胀节冷作成型后一般不需要热处理，热作成型时应进行固容处理。当要求较大赔偿量时，能够采取多波膨胀节。多波膨胀节能够为整体成形结（波纹管），也能够由单波元件组焊而成。13/23制造、安装与检修1.制造凡属于压力容器换热设备必须由具有压力容器制造资格单位进行制造。制造时除必须遵循第七章所列标准范围外，还应遵循GB151-89《钢制管壳式换热设备》及其有关标准。换热器检查和试验，除另有要求外，应在制造厂进行。换热器组装时，紧固螺栓最少应分三遍进行，每遍起点应互相错开1200。固定管板换热器压力试验一般分两步进行。第一步进行管程试压，同步检查换热管与管板连接接头；第二步管程试压。压力试验办法及要求应符合GB－150－89有关要求。换热器铭牌，除常规内容外，必须将管程与壳程设计温度、设计压力、试验压力等参数分别标出。另外入换热面积、折流板间距、容器类别以及制造许可证号码等均不可缺乏。2.安装安装场地应根据换热器构造形式，在换热器两端留有足够空间来满足拆装、维修需要。卧式换热器活动支座基础面上应预埋滑动钢板安装前应进行压力试验，当图样有要求时，应进行气密性试验。找平垫铁安装不应妨碍换热器热膨胀；连接管线应在不受力状态下进行，要避免强力装配。试车前应清洗整个系统。当介质为蒸汽时，开车前应排空残液，以免形成水击；有腐蚀性介质，停车后应将残余介质排净。开车或停车过程中，应逐渐升温，避免造成压差过大和热冲击。14/23制造、安装与检修3.操作管理与检修鉴于换热器构造特点，尚许注意下列各项内容。1操作管理换热器不得在超出铭牌标志设计参数条件下运行；操作中应经常对管壳程介质温度、压降进行监督，分析换热器泄漏和结垢情况，并经常监视管束振动情况。2。检修（1）检修周期换热器检修可分为不定期检修和定期检修，不定期检修是由于某种原因造成临时性检修，定期检修是根据换热器操作介质和构造特点，分为大修和中修。中修周期一般为一年，大修周期一般为三年。（2)检修内容中修：清扫管程和壳程积存污垢；补焊、补胀或堵管；更换部分螺栓、螺母和垫片；试压；修补壳体保温。大修：包括中修所有内容以及整体更新管束或壳体。15/23制造、安装与检修（3）检修办法和质量标准修理换热器零件所用材料必须符合原设计图样要求。管端焊口或胀口处如有个别泄漏或损坏时，需进行补焊或补胀，管子如有泄漏或损坏可用管堵将漏管两端堵死，但堵死管子总数不得超出换热器该管程管子总数10％，管堵材料硬度应低于管子硬度，管堵锥度在3－5度之间。每两年最少测量一次换热器壁厚，换热器壁厚计算按照GB150-89《钢制压力容器》有关要求进行。实际测定壳体壁厚假如不大于计算壁厚，则作报废处理。对漏管进行补焊或补胀之后，必须按设计图样要求进行水压试验。清理结垢可采取机械法或化学法，用化学法清洗后必须用清水洗净，要注意避免腐蚀设备（4）试压与验收换热器检修后要安设计图样要求进行水压试验，试验用水温度及环境温度应不低于5度。水压试验时，应迟缓升压、降压，上升到要求试验压力后，保压时间应不少于5分钟，以不降压、无泄漏和无肉眼可见变形为合格，不然须先行降压，进行必要处理后再重新试压，直到试验合格为止。16/23制造、安装与检修

检修后应有检查试验统计及设备构造和零部件材质变更审批文献，并完整归档。设备各部分螺栓均紧固整洁，符合设备完好标准。投入正常运行后即可办理验罢手续，交付生产使用。17/23石墨换热器介绍

石墨制品由于其优秀耐腐蚀性能和突出导热性能，长期以来，萃取磷酸浓缩生产过程加热器都采取这种材料，其他材料几乎无法取代。例如，瑞典SANDVIK公司曾研制成一种高合金不锈钢Sanicro28，用于磷酸浓缩加热器，至今未能广泛使用。迄今为止，世界各国磷酸工厂，包括近年来新建工厂，仍然都都采取石墨换热器。石墨换热器使用最普遍结垢形式是列管式换热器，主要由石墨管束、上下管板、上下封头、外壳及浮动密封等部件组成。18/23石墨换热器介绍1.石墨管石墨换热器用于加热或冷却腐蚀性介质，管内走腐蚀性介质，关外走加热蒸汽或冷却水。石墨管质量好坏，不但影响换热器使用寿命，并且制约了石墨换热器产品规格大小和操作使用条件。由于目前国内外石墨管制品尚存在着质量差距，列管式换热器单台换热面积，国外最大达成1800平方米，而国内最大只有800平方米；换热器最大操作压力，国外可达成0.6MPa，而国内一般只有0.2～0.3MPa。目前国内外还没有化学工业用细颗粒石墨制品，一般采取冶金用电极石墨制品。由于国产石墨产品质量尚不抱负，近年新建磷酸装置，都采取了进口石墨换热器。如云南磷肥厂引进了日本产品，陕西复肥厂从加拿大引进了法国罗兰碳素公司产品。伴随我国磷复肥工业发展需要，大力发展国产化工专用石墨材料生产，提升石墨产品质量是十分急迫任务。19/2320/23石墨换热器介绍2.石墨换热器构造特点列管式石墨换热器上下管板一般都采取大型石墨加工拼接而成，管板与石墨管连接构造一般用胶粘剂粘接。由于组成石墨换热器多种材料：石墨管、石墨管板、胶粘剂、炭钢等物理机械性能有着较大差异，对换热器产品使用性能有很大影响。由于组成换热器材料性能差异，线膨胀系数相差较大，在操作使用中就必须谨慎小心，尤其注意升温、降温时迟缓平稳操作，不然会由于过载温差应力造成石墨管断裂、管子与管板脱开、管板被顶裂、胶粘剂龟裂等，以致损坏设备而停产检修。3.改善措施（1）改善石墨管材料性能目前国内生产石墨管都是采取石