第六章换热设备

第六章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6.2AES、BES浮头式换热器（零件名称见表6.2）图6.3BEM立式固定管板式换热器（零件名称见表6.2）表6.2零部件名称我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6.5APF填料函双壳程换热器（零件名称见表6.2）图6.6AJW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6.7BIUU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，液面淹没管束，使管束上部形成一定的汽液分离空间。釜式换热器多用来做蒸发器、精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。图6.8AKT釜式重沸器（零件名称见表6.2）2、管壳式换热器的结构特点（1）管板管扳是管壳式换热器的主要零件。绝大多数管板是圆形平板，板上开很多管孔，每孔还固定连接着换热管，板的周边则与壳体的管箱相连。管板是管程流体分布到各换热管的集散处，还对管程与壳程起隔离作用，同时承受着管程与壳程压力；此外，管板还承受加热管与壳体在操作条件下热膨胀差所产生的轴向力。平管板一般都比较厚(常见有厚达50mm，个别情况还有500mm厚管板)，大多是用厚钢板加工而成，也有用锻件加工的。①管子与管板的连接换热管与管板的连接方式有胀接、焊接、胀焊并用等型式：胀接、焊接和胀焊联合连接。胀接法工艺较简单，管子更换和修补方便，但严密性较差，适用于管、壳程压差不大的场合。当对管子与管板连接紧密性有严格要求时，可采用焊接连接。由于焊接工艺简单，在换热器制造中所占比重日益增加。焊接连接的缺点是产生焊接应力，且管扳孔与管子存在间隙，易引起应力腐蚀等。因此．对高温高压换热器可采用胀焊联合的方法。该连接方法不仅能提高连接强度，还可以避免应力腐蚀和间隙腐蚀，提高使用寿命。这种方法已得到广泛地应用。②管板与壳体、管箱的连接管板与壳体、管箱的连接与换热器的形状有关，分可拆和不可拆两大类。固定管板式换热器的管板兼做法兰，与壳体间采用不可拆的焊接连接；而浮头式、填函式和U形管式换热器的固定端管板被夹持在壳体法兰和管箱法兰之间，是可拆连接。因此，管束可以抽出进行清洗和检修。各结构的密封形式可根据使用压力、温度、介质特性、气密性要求等条件决定。（图6.9）图6.9管板与壳体、管箱的连接方式a型：管板通过垫片与壳体法兰和管箱法兰连接；b型：管板直接与壳程圆筒和管箱圆筒形成整体结构；c型：管板与壳程圆筒连为整体，其延长部分形成凸缘被夹持在活套环与管箱法兰之间；d型：管板与管箱圆筒连为整体，其延长部分形成凸缘被夹持在活套环与壳体法兰之间；e型：管板与壳程圆筒连为整体，其延长部分兼作法兰，与管箱用螺柱、垫片连接；f型：管板与管箱圆筒连为整体，其延长部分兼作法兰，与壳体法兰用螺柱、垫片连接。（2）管束①管束分程换热器的管箱内设置隔板，将全部管子平均分隔成若干组，称管程数，使流体在管内依次径返多次，从而提高管程流速，改善传热效果。通常把流体在管束内由管箱到另一端(如浮头)，或由另一端到管箱的流动次数叫管程数。管程数太多，流体的阻力增加，平均温差降低，不利于传热过程的进行。管程数一般有1、2、4、6、8、10、12等七种。常用的管程布置形式可参照图6.10。图6.10管程布置形式②管子在管壳式换热器中，由换热管来组成传热表面，它是换热器的核心。常用的换热器，一般采用内外表面光滑，截面为圆形的无缝管。常用的碳钢无缝管规格见表6.3。当采用不锈钢或有色金属管材料时，管壁厚度可按表6.3的尺寸减薄0.5—1.0mm。表6.3常用碳钢换热管的规格Φ14×2Φ19×2Φ25×2.5Φ32×3Φ38×3Φ45×3Φ57×3.5换热管的管子长度大，则换热器单位传热面的材料消耗量低。但是管子过长时，清洗运输、安装都不方便。推荐采用的系列长度为1.5、2.0、2.5、3.0、4.5、6.0、7.5、9.0、12.0m。6m以上的管长只用在大面积换热器中。对于U型管束换热器，管长是指从管端到弯管的直段长度。③换热管的排列换热管常用的排列形式为正三角形或正方形排列，此外也有采用同心圆排列形式的。正三角形排列（图6.10）适用于壳程介质污垢少，不需要进行机械清洗的场合。在相同直径的管板上，同样的管间距下正三角形的排管数比正方形的多。图6.10管子的排列形式正方形排列能使管间小桥形成一条直的通道，能够用机械方法进行清洗。（3）管箱管箱的作用是使管程流体均匀分配与集中，在多管程换热器中，管箱还起分隔管程，改变流向的作用。①固定端管箱：主要有三类结构，见图6.11，结构（b）装有管箱盖板，拆下平盖板可以检查胀口与管子内部，并清洗管程，不必拆卸接管法兰，是最常用的型式。平盖板要有足够的刚度，以保证与分程隔板间的密封，避免介质短路。封头管箱（a）适甩介质压力较高时，其缺点是检查管子及清洗时必需拆下接管法兰。结构（c）是把管箱与管板直接焊住，但胀管或焊管时施工不便。其中（c）（ⅰ）（上半部）是完全不可拆的，（c）（ⅱ）还可以抽出管束。图6.11管箱结构②浮头管箱浮头式换热器多采用偶数管程，浮头管箱上没有接管引出。拉拔型浮头如图6.12，整个浮头能和管束一起抽出，由于浮头管板兼作法兰，外直径比较大，换热器外壳的内径比法兰外径还要大一些。而管板上可以排管的区域却比较小，因此排管区与壳体间形成了一个较大的不排管环隙a，壳程流体容易在环隙形成旁流短路，不参加热交换。图6.12拉拔型浮头内浮头结构如图6.12所示，在这种结构中，管板的外直径只比排管圆略大，因而壳体的内径可以比外头盖内径小得多，以利于防止流体在环隙旁流短路。管板与浮头盖的密封借助于钩圈4，钩圈沿直径剖分为两半，在卸除螺栓9后可以从两侧分别拿开，管束就可以从壳体抽出。图6.12内浮头结构钩圈有图6.12所示的两种典型结构。A型是常用的整体锻造钩圈。B