第三章-换热设备的使用与维护

化工设备使用与维护23第三章换热设备的使用与维护第一节换热设备的工作过程及类型工作过程在炼油、化工生产工艺中，各种化学反应和各种化工过程，都有一定的温度要求，因此需要进行各种传热过程：如反应物料的加热或冷却，产品的冷凝或冷却，反应热量的取出或供给，液体的蒸馏、汽化或稀溶液的蒸发，工业余热（废热）的回收和热能的综合利用等。换热设备是非常重要且被广泛应用的化工工艺设备。4广泛应用于化工、炼油、动力、食品、轻工、原子能、制药、机械等在化工厂中，换热设备投资占35%-40%5工作过程热量传递方式传导传热传导传热是热量从物体的高温部分沿物体本身传至低温部分的一种传热方式。对流传热对流传热是靠液体或气体的流动，也就是各分子团间相对位置的改变来传递热量的。辐射传热辐射传热是热能不借助任何传递介质，而是以电磁波的形式（或称辐射能）在空间传播，遇到另一物体时，辐射能被部分或全部吸收转变为热能。6工作过程换热设备的换热过程7第一节换热设备的工作过程及类型换热设备的类型按用途分类冷却器用水或其他冷却介质冷却液体或气体。冷凝器用于冷凝蒸汽或混合蒸汽加热器加热工艺介质，提高其温度换热器两种不同的工艺介质之间进行显热交换再沸器用蒸汽或其他高温介质将蒸馏塔底的物料加热至沸腾，以提供蒸馏时所需的热量8第一节换热设备的工作过程及类型蒸汽发生器用燃料油或气的燃烧加热产生蒸汽过热器将水蒸气或其他蒸汽加热到饱和温度以上9第一节换热设备的工作过程及类型换热设备的类型按作用原理或换热方式直接接触换热器蓄热式换热器间壁式换热器10换热设备的类型直接接触换热器又称混合式换热器，它是利用冷、热流体直接接触，彼此混合进行换热的换热器。如冷却塔、气压冷凝器等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热流体冷流体热流体冷流体11换热设备的类型蓄热式换热器又称回热式换热器，它是借助于由固体（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。若两种流体不允许有混合，则不能采用蓄热式换热器热流体冷流体热流体冷流体载热体12换热设备的类型间壁式换热器又称表面式换热器，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热流体冷流体热流体冷流体13间壁式换热器管式换热器板面式换热器其他形式换热器蛇管式换热器套管式换热器管壳式换热器：应用最广螺旋管式换热器沉浸式蛇管换热器喷淋式蛇管换热器螺旋板式换热器：不易结垢板式换热器板翅式换热器：效率最高板壳式换热器伞板式换热器石墨、聚四氟乙烯、热管换热器这是什么？间壁式换热器14螺旋管式换热器折流杆换热器浮头式外导流筒换热器U型管式换热器折流杆换热器其他形式的换热器15按材料分类金属材料换热器：导热系数大、传热效率高非金属材料换热器：具有腐蚀性物系换热设备的类型16第一节换热设备的工作过程及类型换热设备的性能对比及选择换热器的基本要求传热效率高换热器的结构能适应所规定的工艺操作条件，运转安全可靠、密封性好、清洗、检修方便、流体阻力小。价格便宜，维护容易，使用时间长。传热设备具有尽可能小的传热面积，在单位时间内传递尽可能多的热量。17第三章换热设备的使用与维护第二节换热设备的结构管壳式换热器的类型及特点管壳式换热器也称为列管式换热器，它制造容易，选材范围广，清洗方便，适应性强，处理量大，工作可靠，且能适应高温高压。虽然它在结构紧凑性、传热强度和单位金属消耗量方面不如板式或板翅式换热器，但由于具有前述的一些优点，因而在化工、石油、能源等行业的应用中仍处于主导地位。18固定管板式换热器固定管板式换热器1—封头；2—法兰；3—排气口；4—壳体；5—换热管；6—波形膨胀节；7—折流板（或支持板）；8—防冲板；9—壳程接管；10—管板；11—管程接管；12—隔板；13—封头；14—管箱；15—排液口；16—定距管；17—拉杆；18—支座；19—垫片；20、21—螺栓、螺母19固定管板式换热器点击点击点击点击优点：结构简单、紧凑。在相同的壳体直径内，排管数最多，旁路最少；每根换热管都可以进行更换，且管内清洗方便缺点：壳程不能进行机械清洗；当换热管与壳体的温差较大（大于50℃）时产生温差应力20浮头式换热器优点：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，不会产生温差应力；管束可从壳体内抽出，便于管内和管间的清洗缺点：结构较复杂，材料用量大，造价高；浮头盖与浮动管板之间若密封不严会发生内漏，造成两种介质的混合适用于：壳体和管束壁温差较大或壳程介质易结垢的场合。可在高温、高压下工作，一般温度低于450℃，压力低于6.4MPa场合点击点击21U形管式换热器优点：结构简单，密封面少、运行可靠、造价低；管束可以抽出，管间清洗方便缺点：管内清洗比较困难；由于管子需要有一定的弯曲半径故管板的利用率较低；管束最内层管间距大，壳程易短路适用于：管、壳壁温差较大或壳程介质易结垢，而管程介质清洁不易结垢以及高温、高压、腐蚀性强的场合点击点击22填料函式换热器优点：结构较浮头式换热器简单，制造方便，耗材少，造价低；管束可从壳体内抽出，管内、管间均能进行清洗，维修方便缺点：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，对易燃、易爆、有毒和贵重的介质不适用适用于：管、壳壁温差较大或介质易结垢，需经常清理且压力不高的场合点击点击23返回固定管板式换热器结构二24返回固定管板式换热器结构三25返回固定管板式换热器结构四26返回固定管板式换热器结构一27返回U形管式换热器结构一28返回U形管式换热器结构一29返回浮头式换热器结构一30返回浮头式换热器结构二31返回填料函式换热器结构一32返回填料函式换热器结构二33第二节换热设备的结构管壳式换热器管程结构管板管板是换热器中重要的受力元件之一，管板主要用来连接换热管，同时将管程和壳程分隔，避免冷热流体相混合管板材料选择管板材料时，除力学性能外，还应考虑管程和壳程流体的腐蚀性，以及管板和换热管之间的电位差对腐蚀的影响。当流体无腐蚀性或有轻微腐蚀性时，管板一般采用压力容器用碳素钢或低合金钢板或锻件制造。当流体腐蚀性较强时，管板应采用不锈钢、铜、铝、钛等耐腐蚀材料。但对于较厚的管板，若整体采用价格昂贵的耐腐蚀材料，造价很高。工程上常采用不锈钢+钢、钛+钢、铜+钢等复合板，或堆焊衬里。34管板结构在满足强度的前提下，应尽量减少管板厚度。薄管板是指相对采用标准、规范（如GB151《管壳式换热器》、美国管式换热器制造商协会标准TEMA）计算所得的管板厚度要薄的多的管板，一般厚度为8-20mm。目前薄管板主要有平面形、椭圆形、蝶形、球形、挠性薄管板等形式，最为常用的是平面形薄管板。35管壳式换热器管程结构换热管换热管材料主要是根据工艺条件和介质腐蚀性来选择36管壳式换热器管程结构管板和换热管的连接换热管与管板连接是管壳式换热器设计、制造最关键的技术之一，是换热器事故率最多的部位。换热管与管板连接的好坏，直接影响换热器的使用寿命37强度焊强度焊接是指保证换热管与管板连接的密封性能及抗拉脱强度的焊接。此法目前应用较为广泛。由于管孔不需要开槽，且对管孔的粗糙度要求布告，管子端部不需要退火和磨光，因此制造加工简单。焊接结构强度高，抗拉脱力强。在高温下也能保证连接处的密封性能和抗拉脱能力除有较大振动及有缝隙腐蚀的场合，只要材料可焊性好，强度焊接可用于其他任何场合。管子与薄管板的连接应采用焊接方法38胀焊并用采用胀焊并用，不仅能改善连接处的抗疲劳性能，而且还可消除应力腐蚀和缝隙腐蚀，提高使用寿命。因此，此法得到广泛应用。胀焊并用主要用于密封性能要求较高；承受振动和疲劳载荷；有缝隙腐蚀；需要用复合管板等的场合。胀焊并用方法，从加工工艺看，主要有强度胀+密封焊、强度焊+胀接、强度焊+强度胀等几种形式。39换热管的排布换热管排列形式正三角形转角三角形正方形转角正方形30º60º90º45º管壳式换热器管程结构40管壳式换热器管程结构管箱结构管箱的作用是把管道中来的流体均匀分布到各换热管中，将换热管内流体汇集在一起送出换热器多管程管箱结构41第二节换热设备的结构管壳式换热器的壳程结构壳体壳程中进口接管处常装有防冲板或称缓冲板防冲板的布置42管壳式换热器的壳程结构折流板或挡板安装折流板的目的是为了提高壳程流体的流速，增加湍动程度，提高传热效率，增大壳程流体的传热系数同时也可减少结垢单弓形折流板43双弓形三弓形圆盘—圆环形折流板44折流板是通过拉杆和定距管固定的，其结构如图所示。拉杆一端的螺纹拧入管板，折流板用定距管定位，最后一块折流板靠拉杆螺母固定。拉杆和定距管结构拉杆与折流板点焊固定45换热管外径1014192532384557拉杆直径1012121616161616公称直径拉杆直径DN＜400400≤DN＜700700≤DN＜900900≤DN＜13001300≤DN＜1500900≤DN＜18001800≤DN＜200010461012161824124481012141816446681012拉杆直径/mm拉杆数量/mm46第二节换热设备的结构管壳式换热器的标准标准为了适应生产发展的需要，中国对使用较多的换热器实行了标准化。可选用的标准有JB/T4714-1992《浮头式换热器和冷凝器型式与基本参数》、JB/T4715-1992《固定管板式换热器型式与基本参数》、JB/T4716-1992《立式热虹吸式重沸器型式与基本参数》、JB/T4717-1992《U形管式换热器型式与基本参数》等。GB151-1999《管壳式换热器》是中国颁布的第一部非直接受火钢制管壳式换热器的国家标准，适用的换热器形式有固定管板式、浮头式、U形管式和填料函式47管壳式换热器的标准标记48第二节换热设备的结构其他类型的换热器板面式换热器特点：具有传热效率高、结构紧凑、重量轻等优点，又由于液体在换热器无论进行并流、逆流、错流都可以，板片还可以根据传热面积的大小而增减，因此适用性较强板面式换热器螺旋板式换热器：不易结垢板式换热器板翅式换热器：效率最高板壳式换热器伞板式换热器49板面式换热器螺旋板式换热器基本结构螺旋板式换热器结构示意图1-切向缩口；2-外圈板；3-支持板；4-螺旋板；5-半圆端板；6-中心隔板；7-支承圈；8-圆钢；9-定距柱50Ⅲ型螺旋板换热器螺旋板式换热器的结构形式51螺旋板式换热器的特点传热效率高能有效地利用流体的压头损失不易污塞能利用低温热源，并能精确控制出口温度结构紧凑密封结构可靠温差应力小由于结构紧凑，一般不需要保温，热损失少制造简单承压能力受限制，最高工作压力为4MPa修理困难52板面式换热器平板式换热器板式换热器是间壁式换热器的一个主要类型，是一种以波纹板为传热面的新型的高效换热器。板式换热器用于处理从水到高黏度的液体，用于加热、冷却、冷凝、蒸发等过程53基本结构板式换热器的结构分解54工作原理板式换热器的换热板55结构特点传热效率高，比管壳式换热器高2倍以上使用安全可靠占地小，易维护很容易改变换热面积或流程组合有利于低温热源的利用阻力损失少冷却水量小投资效率低垫圈常常需要拆卸和清洗，故漏泄的可能性很大不易处理有悬浮物的物料使用温度不能很高，处理量也相对较小56板式换热器的应用板式换热器一般在压力为2.5MPa和温度180℃以内使用，性能可靠。近年来，国外由于采用压缩石棉垫片，最高操作温度达360℃，最高操作压力达2.8MPa。全焊式板式换热器使用压力高达50.0MPa，温度达400℃57板面式换热器板翅式换热器基本结构板翅式换热器的板束单元结构如图所示，它是由翅片、隔板和封条三部分组成。在相邻的两隔板之间放置翅片及封条组成的夹层，称为通道。将这