换热器文献综述

吉林化工学院毕业设计文件综述-1-浅谈换热器摘要：文章对换热器进行了简单的分类，对部分换热器特点作了讲解，简单的介绍了换热器的发展过程，并论述了我国换热器的发展及前景。关键词：换热器；分类；发展前言：换热器又称热交换器是一种将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，也是实现化工生产过程中热量交换和传递不可缺少的设备。换热器既可是一种单独的设备，如加热器、冷却器和凝汽器等；也可是某一工艺设备的组成部分，如石化、煤炭工业中的余热回收装置等。换热器的发展已经有近百年的历史，被广泛应用在石油、化工、冶金、电力、船舶、集中供热、制冷空调、机械、食品、制药等领域。进入80年代以来，由于制造技术、材料科学技术的不断进步和传热理论研究的不断完善，有关换热器的节能设计和应用越来越引起关注。按照用途来分：预热器（或加热器）、冷却器、冷凝器、蒸发器等。按照制造热交换器的材料来分：金属的、陶瓷的、塑料的、石墨的、玻璃的等。按照温度状况来分：温度工况稳定的热交换器，热流大小以及在指定热交换区域内的温度不随时间而变；温度工况不稳定的热交换器，传热面上的热流和温度都随时间改变。按照热流体与冷流体的流动方向来分：顺流式、逆流式、错流式、混流式。按照传送热量的方法来分：间壁式、混合式、蓄热式等三大类。其中间壁式换热器的冷、热流体被固体间壁隔开，并通过间壁进行热量交换的换热器，因此又称表面式换热器，这类换热器应用最广。1换热器分类及其特点换热器的用途很广泛，可用于各种不同的换热过程，例如：加热、冷却、冷凝和蒸发等。而换热器可做如下分类：按设备结构来分：有板片式换热器和管壳式换热器两大类。板片式换热器是由板片和密封垫片组合而成，通常有波纹平板式、板翅式、螺旋板式和板克式。管壳式换吉林化工学院毕业设计文件综述-2-热器是由管子、壳体及管板组成的设备，通常有固定管板式、浮头式、U型管式和填料函式。按用途来分：预热器（或者加热器）、冷却器、冷凝器、蒸发器等。按制造材料来分：金属的、陶瓷的、塑料的、石墨的、玻璃的等。按温度状况来分：温度工况稳定的热交换器，热流大小以及在指定热交换区域内的温度不随时间而改变；温度工况不稳定的热交换器，传热面上的热流和温度都随时间改变。按热流体与冷流体的流动方向来分：顺流式、逆流式、错流式、混流式。按传送热量的方法来分：间壁式、混合式、蓄热式三大类。1.1管壳式换热器管壳式换热器又称为列管式换热器，是以封闭在壳体中管束的壁面作为传热面的间壁式换热器，结构一般由壳体、传热管束、管板、折流板（挡板）和管箱等部件组成。目前，国内外工业生产中所用的换热设备中，管壳式换热器仍占主导地位，虽然它在换热效率、结构紧凑性和金属材料消耗等方面不如其它新型换热设备，但它具有结构坚固，操作弹性大，适应性强，可靠程度高，选材范围广，处理能力大，能承受高温高压等特点，所以在工程中仍得到广泛应用。以下是几种常见的管壳式强化换热器。螺旋槽管换热器，横纹管换热器，螺旋扁管换热器，螺旋扭曲管换热器，波纹管换热器，内翅片管换热器缩放管换热器，波节管管壳式换热器，三维内肋管换热器管，内插入物换热器。1.1.1固定管板式换热器固定管板式换热器由管箱、壳体、管板、管子等零部件组成，其结构较紧凑，排管较多，在相同直径下面积较大，制造较简单。固定管板式换热器的结构特点是在壳体中设置有管束，管束两端用焊接或胀接的方法将管子固定在管板上，两端管板直接和壳体焊接在一起，壳程的进出口管直接焊在壳体上，管板外圆周和封头法兰用螺栓紧固，管程的进出口管直接和封头焊在一起，管束内根据换热管的长度设置了若干块折流板。这种换热器管程可以用隔板分成任何程数。固定管板式换热器的特点：1、旁路渗流较小；2、锻件使用较少，造价低；3、吉林化工学院毕业设计文件综述-3-无内漏；4、传热面积比浮头式换热器大20%～30%；固定管板式换热器的缺点是，1、壳体和管壁的温差较大，壳体和管子壁温差t50℃,当t50℃时必须在壳体上设置膨胀节；2、易产生温差力，管板与管头之间易产生温差应力而损坏；3、壳程无法机械清洗；4、管子腐蚀后连同壳体报废，设备寿命较低；5、不适用于壳程易结垢场合，壳程必须是洁净不易结垢的物料。1.1.2浮头式换热器新型浮头式换热器浮头端结构，它包括圆筒、外头盖侧法兰、浮头管板、钩圈、浮头盖、外头盖及丝孔、钢圈等组成，其特征是：在外头盖侧法兰内侧面设凹型或梯型密封面，并在靠近密封面外侧钻孔并套丝或焊设多个螺杆均布，浮头处取消钩圈及相关零部件，浮头管板密封槽为原凹型槽并另在同一端面开一个以该管板中心为圆心，半径稍大于管束外径的梯型凹槽，且管板分程凹槽只与梯型凹槽相连通，而不与凹型槽相连通。浮头式换热器两端的管板，一端不与壳体相连，该端称浮头。管子受热时，管束连同浮头可以沿轴向自由伸缩，完全消除了温差应力。斧头式换热器的特点：浮头式换热器的一端管板固定在壳体与管箱之间，另一端管板可以在壳体内自由移动，这个特点在现场能看出来。这种换热器壳体和管束的热膨胀是自由的，管束可以抽出，便于清洗管间和管内。其缺点是结构复杂，造价高（比固定管板高20%），在运行中浮头处发生泄漏，不易检查处理。浮头式换热器适用于壳体和管束温差较大或壳程介质易结垢的条件。吉林化工学院毕业设计文件综述-4-1.1.3U型管式换热器U型管式换热器是管壳式换热器的一种，属石油化工设备，由管箱、壳体及管束等主要部件组成，因其换热管成U形而得名。U形管式换热器仅有一个管板，管子两端均固定于同一管板上。此类换热器的特点是管束可以自由伸缩，不会因管壳之间的温差而产生热应力，热补偿性能好；管程为双管程，流程较长，流速较高，传热性能较好；承压能力强；管束可从壳体内抽出，便于检修和清洗，且结构简单，造价便宜。但管内清洗不便，管束中间部分的管子难以更换，又因最内层管子弯曲半径不能太小，在管板中心部分布管不紧凑，所以管子数不能太多，且管束中心部分存在间隙，使壳程流体易于短路而影响壳程换热。此外，为了弥补弯管后管壁的减薄，直管部分需用壁较厚的管子。这就影响了它的使用场合，仅宜用于管壳壁温相差较大，或壳程介质易结垢而管程介质清洁及不易结垢，高温、高压、腐蚀性强的情形。1.2板式换热器板式换热器不同于一般传热面用管做的管式换热器。板式换热器是以金属波纹板为传热元件的新型高效换热器。由于板片组装后形成特殊流体通道，在较低雷诺数下可以产生湍流，并且不易结垢，板片材料选用优质不锈钢板，钛板等材质，传热系数高，相邻板片波纹波峰相互支撑，形成网状触电，提高了板片的刚性，可以承受吉林化工学院毕业设计文件综述-5-较大的压差，保证了使用的安全可靠。1.2.1波纹平板式换热器波纹平板式换热器是由一组长方形或其它几何形状的传热板片、密封垫片以及紧固装置组成。由于板片间流道宰，板片表面的凹凸波形使物料流动时有扰动作用，因而具有高的传热效率。该换热器密封周边长，使用中需要经常拆卸和清洗，密封泄漏可能性大；由于密封垫圈大多用非金属材料制作，因而使用温度和使用压力均受到限制。1.2.2板翅式换热器在20世纪30年代，板翅式换热器首先在先进国家用于发动机的散热，它的板束单元结构由翅片、隔板和封条三部分组成。它具有扩展的二次传热表面（翅片），所以传热过程不仅是在一次传热表面（隔板）上进行，而且同时也在二次传热表面上进行，我国从20世纪60年代初期开始试制板翅式换热器，首先用于空分制氧，制成了第一套板翅式空分设备。近几年来，在产品结构、翅片规格、生产工艺和设计、科研方面都有较大发展。板翅式换热器由于结构紧凑、轻巧、传热强度高等特点，被认为是最有发展前途的新型换热器设备之一。吉林化工学院毕业设计文件综述-6-1.2.3板壳式换热器板壳式换热器是由板束和壳体两部分组成。板束的截面一半是多边形，它介于板式换热器和管壳式换热器之间。它是目前应用最广泛的一种换热设备。其特点是适应性强、能精确满足工艺对各种换热面积的要求、可用材料范围宽、处理能力大、能应用于高温以及高压力的工况、易于制造和生产成本低。它的不足是传热效率、结构紧凑和单位换热面积所需金属消耗量比板式换热器高。吉林化工学院毕业设计文件综述-7-2换热器的发展过程在我国换热器的制造技术远落后于外国，由于制造工艺和科学水平的限制，早期的换热器只能采用简单的结构，而且传热面积小、体积大和笨重，如蛇管式换热器等。随着制造工艺的发展，逐步形成一种管壳式换热器，它不仅单位体积具有较大的传热面积，而且传热效果也较好，长期以来在工业生产中成为一种典型的换热器。在国外二十世纪20年代出现板式换热器，并应用于食品工业。以板代管制成的换热器，结构紧凑，传热效果好，因此陆续发展为多种形式。30年代初，瑞典首次制成螺旋板换热器。接着英国用钎焊法制造出一种由铜及其合金材料制成的板翅式换热器，用于飞机发动机的散热。30年代末，瑞典又制造出第一台板壳式换热器，用于纸浆工厂。在此期间，为了解决强腐蚀性介质的换热问题，人们对新型材料制成的换热器开始注意。60年代左右，由于空间技术和尖端科学的迅速发展，迫切需要各种高效能紧凑型的换热器，再加上冲压、钎焊和密封等技术的发展，换热器制造工艺得到进一步完善，从而推动了紧凑型板面式换热器的蓬勃发展和广泛应用。此外，自60年代开始，为了适应高温和高压条件下的换热和节能的需要，典型的管壳式换热器也得到了进一步的发展，这一类换热器不但是从材料上有了较大的突破，而且采用新颖的理念，增加强化传热。70年代中期，为了进一步减小换热器的体积，减轻重量和金属消耗，减少换热器消耗的功率，并使换热器能够在较低温差下工作，人们更是采用各种科学的办法来增强换热器内的传热。3总结随着我国工业的不断发展，对能源利用、开发和节约的要求不断提高，因而对换热器的要求也日益加强。换热器的设计、制造、结构改进及传热机理的研究十分活跃，一些新型高效换热器相继问世。随着换热器在工业生产中的地位和作用不同，换热器的类型也多种多样，不同类型的换热器各有优缺点，性能各异。在换热器设计中，首先应根据工艺要求选择适用的类型，然后计算换热所需传热面积，并确定换热器的结构尺寸。若要保持总传热系数，温度越大、换热管数越多，折流板数越多、壳径越大，这主要是因为煤油的出口温度增高，总的传热温差下降，所以换热面积要增大，才能保证Q和K.因此，换热器尺寸增大，金属材料消耗量相应增大.通过这个设计，我们可吉林化工学院毕业设计文件综述-8-以知道，为提高传热效率，降低经济投入，设计参数的选择十分重要在管壳式换热器设计过程中，设计者应当充分了解且熟悉各相关技术规范及计算公式，在对客户要求充分理解的基础上，参考其它成功的设计案例中的设计方式及相关资料，使设计出的产品达到安全、经济、可靠，做到设备长周期安全运行。吉林化工学院毕业设计文件综述-9-参考文献：[1]朱有庭，曲文海，于浦义主编.化工设备设计手册（上、下卷）.北京：化学工艺出版社，ISBN7-5025-6253-2[2]董其伍,刘敏珊,苏立建.管壳式换热器研究进展[J].内蒙古石油化工.2006[3]冯国红，曹艳芝,郝红.管壳式换热器的研究进展[J].化工技术与开发.2009[4]张垚.高效的换热设备——板式换热器[J][5]汪波,毛靳丰,耿世彬,韩旭,魏鹏.国内换热器的研究现状与展望[J].制冷与空调.2010[6]支浩，杨慧萍，朱纪磊.换热器的研究发展现状[J].化工进展.2009[7]曹蕾，曹纬.国外特殊结构换热器的研发进展[J].化学工程与设备.2010[8]曹纬.国外换热器新进展[J].石油化工设备.1999[9]张平亮.新型换热器及其技术发展[J].炼油技术与工程.2007[10]马晓驰.国内外新型高效换热器[J].化工部化工机械研究院.2001