第二章传热操作技术

1第二章传热操作技术知识目标：●了解各类型换热器的结构、特点及应用；●理解传热的基本方式、机理、特点及影响因素；●掌握间壁式换热器的传热计算；能力目标：●能操作换热器；●能进行列管式换热器的选型计算；在化工生产中，通常需对原料进行加热或冷却，在化学反应中，对于放热或吸热反应，为了保持最佳反应温度，又必须及时移出或补充热量；对某些单元操作，如蒸发、结晶、蒸馏和干燥等，也需要输入或输出热量，才能保证操作的正常进行；此外，设备和管道的保温，生产过程中热量的综合利用及余热回收等都涉及传热问题。因此，传热设备不仅在化工厂的设备投资中占有很大的比例，而且它们所消耗的能量也是相当可观的。化工生产过程中对传热的要求可分为两种情况：一是强化传热，如各种换热设备中的传热；二是削弱传热，如设备和管道的保温。第一节换热器的分类及结构型式在化工生产过程中，传热通常是在两种流体间进行的，故称换热。要实现热量的交换，必须要采用特定的设备，通常把这种用于交换热量的设备通称为换热器。一、换热器的分类由于物料的性质和传热的要求各不相同，因此，换热器种类繁多，结构形式多样。换热器可按多种方式进行分类。(一)按换热器的用途分类见表2-1。表2-1换热器的用途分类名称应用加热器用于把流体加热到所需的温度，被加热流体在加热过程中不发生相变。预热器用于流体的预热，以提高整套工艺装置的效率过热器用于加热饱和蒸汽，使其达到过热状态2蒸发器用于加热液体，使之蒸发汽化再沸器是蒸馏过程的专用设备，用于加热塔底液体，使之受热汽化冷却器用于冷却流体，使之达到所需的温度冷凝器用于冷凝饱和蒸汽，使之放出潜热而凝结液化（二）按换热器的作用原理分类见表2-2。表2-2换热器的用途分类名称特点应用间壁式换热器两流体被固体壁面分开，互不接触，热量由热流体通过壁面传给冷流体适用于两流体在换热过程中不允许混合的场合。应用最广，形式多样。混合式换热器两流体直接接触，相互混合进行换热。结构简单，设备及操作费用均较低，传热效率高，适用于两流体允许混合的场合，常见的设备有凉水塔、洗涤塔、文氏管及喷射冷凝器等。蓄热式换热器借助蓄热体将热量由热流体传给冷流体。结构简单，可耐高温，其缺点是设备体积庞大，传热效率低且不能完全避免两流体的混合。煤制气过程的气化炉、回转式空气预热器中间载热体式换热器将两个间壁式换热器由在其中循环的载热体（又称热媒）连接起来，载热体在高温流体换热器中从热流体吸收热量后，带至低温流体换热器传给冷流体。多用于核能工业、冷冻技术及余热利用中。热管式换热器即属此类。（三）按换热器传热面形状和结构分类（1）管式换热器管式换热器通过管子壁面进行传热，按传热管的结构不同，可分为列管式换热器、套管式换热器、蛇管式换热器和翅片管式换热器等几种。管式换热器应用最广。（2）板式换热器是通过板面进行传热，按传热板的结构形式，可分为平板式换热器、螺旋板式换热器、板翅式换热器和板式换热器等几种。（3）特殊型式换热器这类换热器是指根据工艺特殊要求而设计的具有特殊结构的换热器，如回转式换热器、热管换热器、同流式换热器等。二、间壁式换热器的结构型式（一）列管换热器列管式换热器又称管壳式换热器，是一种通用的标准换热设备。它具有结构简单、坚固耐用、用材广泛、清洗方便、适用性强等优点，在生产中得到广泛应用，在换热设备中占主导地位。列管换热器根据结构特点分为以下几种，见表2-3。表2-3列管换热器的分类名称结构特点应用3固定管板式换热器由壳体、封头、管束、管板等部件构成，管束两端固定在两管板上。如图2-1所示优点是结构简单、紧凑、管内便于清洗；缺点是壳程不能进行机械清洗，且当壳体与换热管的温差较大（大于50℃）时产生的温差应力（又叫热应力）具有破坏性，需在壳体上设置膨胀节，因而壳程压力受膨胀节强度限制不能太高。适用于壳程流体清洁且不结垢，两流体温差不大或温差较大但壳程压力不高的场合。浮头式换热器结构如图2-2所示，其结构特点是一端管板不与壳体固定连接，可以在壳体内沿轴向自由伸缩，该端称为浮头。优点是当换热管与壳体有温差存在，壳体或换热管膨胀时，互不约束，消除了热应力；管束可以从管内抽出，便于管内和管间的清洗。其缺点是结构复杂，用材量大，造价高。应用十分广泛，适用于壳体与管束温差较大或壳程流体容易结垢的场合U形管式换热器结构如图2-3所示。其结构特点是只有一个管板，管子成U形，管子两端固定在同一管板上。管束可以自由伸缩，解决了热补偿问题。优点是结构简单，运行可靠，造价低；管间清洗较方便。其缺点是管内清洗较困难；管板利用率低。适用于管、壳程温差较大或壳程介质易结垢而管程介质不易结垢的场合填料函式换热器结构如图2-4所示。其结构特点是管板只有一端与壳体固定，另一端采用填料函密封。管束可以自由伸缩，不会产生热应力。优点是结构较浮头式换热器简单，造价低；管束可以从壳体内抽出，管、壳程均能进行清洗，维修方便。其缺点是填料函耐压不高，一般小于4.0MPa；壳程介质可能通过填料函外漏。适用于管壳程温差较大或介质易结垢需要经常清洗且壳程压力不高的场合。釜式换热器结构如图2-5所示。其结构特点是在壳体上部设置蒸发空间。管束可以为固定管板式、浮头式或U形管式。清洗方便，并能承受高温、高压适用于液-气式换热（其中液体沸腾汽化），可作为简单的废热锅炉。图2-1固定管板式换热器图2-2浮头式换热器4图2-3U形管式换热器图2-4填料函式换热器1－活动管板；2－填料压盖；3－填料；4－填料函；5－纵向隔板图2-5釜式换热器为改善换热器的传热，工程上常用多程换热器。若流体在管束内来回流过多次，则称为多管程，一般除单管程外，管程数为偶数，有二、四、六、八程等，但随着管程数的增加，流动阻力迅速增大，因此管程数不宜过多，一般为二、四管程。在壳体内，也可在与管束轴线平行方向设置纵向隔板使壳程分为多程，但是由于制造、安装及维修上的困难，工程上较少使用，通常采用折流挡板，以改善壳程传热。（二）套管换热器套管换热器是由两种直径不同的直管套在一起组成同心套管，然后将若干段这样的套管连接而成，其结构如图2-6所示。每一段套管称为一程，程数可根据所需传热面积的多少而增减。换热时一种流体走内管，另一种流体走环隙，传热面为内管壁。图2-6套管换热器5套管换热器的优点是结构简单，能耐高压，传热面积可根据需要增减。其缺点是单位传热面积的金属耗量大，管子接头多，检修清洗不方便。此类换热器适用于高温、高压及流量较小的场合。（三）蛇管换热器蛇管换热器根据操作方式不同，分为沉浸式和喷淋式两类，见表2-4。表2-4蛇管换热器名称结构特点应用沉浸式蛇管换热器以金属管弯绕而成，制成适应容器的形状，沉浸在容器内的液体中。管内流体与容器内液体隔着管壁进行换热。几种常用的蛇管形状如图2-7所示。结构简单、造价低廉、便于防腐、能承受高压。为提高传热效果，常需加搅拌装置。喷淋式蛇管换热器各排蛇管均垂直地固定在支架上，结构如图2-8所示，冷却水由蛇管上方的喷淋装置均匀地喷洒在各排蛇管上，并沿着管外表面淋下优点是检修清洗方便、传热效果好，蛇管的排数根据所需传热面积定。缺点是体积庞大，占地面积多；冷却水耗用量较大，喷淋不均匀。置于室外通风处，常用于冷却管内热流体。图2-7沉浸式蛇管的形式图2-8喷淋式蛇管换热器（四）夹套换热器夹套换热器的结构如图2-9所示，主要用于反应器的加热或冷却。它由一个装在容器外部的夹套构成，与反应器或容器构成一个整体，器壁就是换热器的传热面。其优点是结构简单，容易制造。其缺点是传热面积小，器内流体处于自然对流状态，传热效率低；夹套内部清洗困难。夹套内的加热剂和冷却剂一般只能使用不易结垢的水蒸气、冷却水和氨等。夹套内通蒸气时，应从上部入，冷凝水从底部排出；夹套内通液体载热体时，应从底部进入，从上部流出。6图2-9夹套换热器图2-10螺旋板式换热器（五）其他类型换热器见表2-5。表2-5其他类型换热器名称结构特点及应用螺旋板式换热器结构如图2-10所示，由焊在中心隔板上的两块金属薄板卷制而成，两薄板之间形成螺旋形通道，两板之间焊有定距柱以维持通道间距，螺旋板的两端焊有盖板。两流体分别在两通道内流动，通过螺旋板进行换热。优点是结构紧凑；单位体积传热面积大；流体在换热器内作严格的逆流流动，可在较小的温差下操作，能充分利用低温能源；由于流向不断改变，且允许选用较高流速，故传热效果好；又由于流速较高，同时有惯性离心力的作用，污垢不易沉积。其缺点是制造和检修都比较困难；流动阻力较大；操作压力和温度不能太高，一般压力在2MPa以下，温度则不超过400℃。翅片式换热器在换热管的外表面或内表面或同时装有许多翅片，常用翅片有纵向和横向两类，如图2-11所示。气体的加热或冷却，当换热的另一方为液体或发生相变时，在气体一侧设置翅片，即可增大传热面积，又可增加气体的湍动程度，提高传热效率。平板式换热器结构如图2-12所示。它是由若干块长方形薄金属板叠加排列，夹紧组装于支架上构成。两相邻板的边缘衬有垫片，压紧后板间形成流体通道。板片是板式换热器的核心部件，常将板面冲压成各种凹凸的波纹状优点是结构紧凑，单位体积传热面积大；组装灵活方便；有较高的传热效率，可随时增减板数，有利于清洗和维修。其缺点是处理量小；受垫片材料性能的限制，操作压力和温度不能过高。适用于需要经常清洗、工作环境要求十分紧凑，操作压力在2.5MPa以下，温度在－35～200℃的场合。板翅式换热器基本单元体由翅片、隔板及封条组成，如图2-13(a)所示。翅片上下放置隔板，两侧边缘由封条密封，即组成一个单元体。将一定数量的单元体组合起来，并进行适当排列，然后焊在带有进出口的集流箱上，如图2-13(b)、(c)、(d)所示。一般用铝合金制造是一种轻巧、紧凑、高效的换热装置，优点是单位体积传热面积大，传热效果好；操作温度范围较广，适用于低温或超低温场合；允许操作压力较高，可达5MPa。其缺点是易堵塞，流动阻力大；清洗检修困难，故要求介质洁净。其应用领域已从航空、航天、电子等少数部门逐渐发展到石油化工、天然气液化、气体分离等更多的工业部门。7图2-11常用翅片的类型图2-12板式换热器及常见板片的形状图2-13翘片式换热器活动建议进行现场教学，了解换热器的结构类型。阅读资料热管换热器热管换热器是用一种称为热管的新型换热元件组合而成的换热装置。目前使用的热管换热器多为箱式结构，由壳体、热管和隔板组成，把一组热管组合成一个箱形，中间用隔板分为热、冷两个流体通道，一般热管外壁上装有翅片，以强化传热效果，如图2-14所示。热管是主要的传热元件，具有很高的导热性能。主要由密封管子、吸液芯及蒸汽通道三8部分组成。热管的种类很多，但其甚本结构和工作原理基本相同。以吸液芯热管为例，如图2-15所示。在一根密闭的金属管内充以适量的工作液，紧靠管子内壁处装有金属丝网或纤维等多孔物质，称为吸液芯。热管沿轴向分成三段：蒸发段、绝热段和冷凝段。在蒸发段，当热流体从管外流过时，热量通过管壁传给工作液，使其汽化，蒸汽在压差作用下，沿管子的轴向流动，在冷凝段向冷流体放出潜热而凝结，冷凝液在吸液芯内流回热端，再从热流体处吸收热量而汽化。如此反复循环，热量便不断地从热流体传给冷流体。绝热段的作用是当热源与冷源隔开时，使管内的工作液不与外界进行热量交换。图2-14热管式换热器图图2-15热管结构示意图热管换热器的传热特点是热量传递汽化、蒸汽流动和冷凝三步进行，由于汽化和冷凝的对流强度都很大，蒸汽的流动阻力又较小，因此热管的传热热阻很小，即使在两端温度差很小的情况下，也能传递很大的热流量。因此，它特别适用于低温差传热的场合。热管换热器具有重量轻、结构简单、经济耐用、使用寿命长、工作可靠等优点，以应用于化工、电子、机械等工业部门中。第二节换热器基础知识在化工生产中，传热过程是通过换热器实现的，而以间壁式换热器应用最为广泛，冷热两种流体经过间壁传热过程，在传热方向上热量传递过程包括三个步骤：热流体将热量传递到间壁的一侧；热量自间壁一侧传递至另一侧；热量由壁面向冷流体传递。总之热量传递总是自高温处