换热设备及其强化传热新技术课件

1换热设备及其强化传热新技术徐宏绿色高效过程装备与节能教育部工程研究中心华东理工大学化工机械研究所HEATEXCHANGERS2换热设备2.1概述2.2管壳式换热器的结构2.3管板的计算2.4U形膨胀节的计算2.5管壳式换热器的振动与防止2.1.1换热设备应满足的基本要求2.1.2换热设备的分类2.1.3间壁式换热器32.1概述定义：把热量从热流体传递到冷流体的设备称为换热设备。应用：换热设备是化工、炼油工业中普遍应用的工艺设备。¾化工厂，换热设备的费用约占总费用的10~20％，¾炼油厂，换热设备的费用约占总费用的35~40％。¾在其它工业领域，如动力、原子能、冶金、食品、交通、家电等工业部门也有著广泛的应用。42.1.1换热设备应满足的基本要求1)合理地实现所规定的工艺条件；(1)增大传热系数(2)增大平均温度差(3)妥善布置传热面2)安全可靠；3)有利于安装、操作与维修；4)经济合理。设备的费用52.1.2换热设备的分类按照传热方式的不同，换热设备可分为三类：1.混合式换热器2.蓄热式换热器3.间壁式换热器62.1.2换热设备的分类1混合式换热器又称直接接触式换热器，利用冷、热流体直接接触与混合的作用进行热量交换。传热效率高，单位容积传热面积大，便宜。使用于两种介质可以混合的场合，常做成塔状。板式冷却塔72.1.2换热设备的分类2蓄热式换热器又称回热式换热器，热量传递是通过格子砖或填料等蓄热体来完成的。首先让热流体通过．把热量积蓄在蓄热体中，然后再让冷流体通过，把热量带走。由于两种流体交变转换输入，因此不可避免地存在着一小部分流体的“污染”。蓄热式换热器结构紧凑、价格使宜、单位体积传热面大，故较适合用于气-气热交换的场合。82.1.2换热设备的分类3间壁式换热器是工业中昀为广泛应用的一类换热器。冷、热流体被一固体壁面隔开，通过壁面进行传热。按照传热面的形状与结构特点它又可分为：(1)管式换热器，如套管式、蛇管式、缠绕管式，管壳式等。(2)板面式换热器，如板式、螺旋板式、板翅式、扳壳式、伞板式等。(3)中间载热体式换热器，如热管式等。92.1.3间壁式换热器2.1.3.1管式换热器1套管式换热器结构：将两种直径不同的直管装成同心套管，并可用U形弯管把管段串联起来，每一段直管称作一程。换热时一种流体在内管流过，另一种则在套管间的环隙中通过。优点：1）流速高，表面传热系数大；2）逆流流动，平均温差昀大；3）结构简单，能承受高压，应用方便。缺点：金属耗量大，检修、拆洗麻烦、易漏。用于高温、高压、小流量、换热面积不大的场合。102.1.3.1管式换热器1套管式换热器112.1.3.1管式换热器2-A沉浸式蛇管换热器结构：这种换热器多以金属管子绕成，或制成各种与容器相适应的情况，并沉浸在容器内的液体中。优点：结构简单，便于防腐，能承受高压。缺点：由于容器体积比管子的体积大得多,因此管外流体的表面传热系数较小。122.1.3.1管式换热器2-B喷淋式蛇管换热器结构：多用于冷却管内的热流体。将蛇管成排地固定于钢架上，被冷却的流体在管内流动，冷却水由管上方的喷淋装置中均匀淋下，故又称喷淋式冷却器。优点：传热推动力大，传热效果好，便于检修和清洗。缺点：喷淋不易均匀。132.1.3.1管式换热器2-B喷淋式蛇管换热器142.1.3间壁式换热器3管壳式换热器管壳式换热器又称为列管式换热器，是昀典型的间壁式换热器，历史悠久，设计非常成熟，占据主导作用。结构：壳体、管束、管板、折流挡板和封头。一种流体在管内流动，其行程称为管程；另一种流体在管外流动，其行程称为壳程。管束的壁面即为传热面。优点：单位体积设备所能提供的传热面积大，传热效果好，结构坚固，可选用的结构材料范围宽广，操作弹性大，大型装置中普遍采用。152.1.3.1管式换热器3管壳式换热器1-管子；2-封头；3-壳体；4-接管；5-管板；6-折流板162.1.3.1管式换热器3管壳式换热器弓形挡板圆环形挡板172.1.3间壁式换热器2.1.3.2板面式换热器A.螺旋板式换热器B.板式换热器C.板翅式换热器D.板壳式换热器182.1.3.2板面式换热器1螺旋板式换热器螺旋板式换热器由两张平行的薄钢板卷制而成，构成一对互相隔开的螺旋形流道。冷热两流体以螺旋板为传热面相间流动，两板之间焊有定距柱以维持流道间距，同时也可增加螺旋板的刚度。在换热器中心设有中心隔板，使两个螺旋通道隔开。在顶、底部分分别焊有盖板或封头和两流体的出入接管。一般有一对进出口是设在圆周边上（接管可为切向或径向），而另一对则设在圆鼓的轴心上。由于用途不同，螺旋板换热器的流道布置和封盖形式，有以下几种结构形式。192.1.3.2板面式换热器1螺旋板式换热器202.1.3.2板面式换热器2板式换热器板式换热器是由一组金属薄板、相邻薄板之间衬以垫片并用框架夹紧组装而成。矩形板片上四角开有圆孔，形成流体通道。冷热流体交替地在板片两侧流过，通过板片进行换热。板片厚度为0.5～0.3mm，通常压制成各种波纹形状，既增加刚度，又使流体分布均匀，加强湍动，提高传热系数。板片尺寸常见的宽度为200～1000mm，高度昀大可达2m。两块板片之间的距离通常为4～6mm左右。板片数目可以根据工艺条件的变化，增加或减少。212.1.3.2板面式换热器2板式换热器222.1.3.2板面式换热器3板翅式换热器板翅式换热器的基本结构，是由于平隔板和各种型式的翅片构成板束组装而成。在两块平行薄金属板（平隔板）间，夹入波纹状或其他形状的翅片，两边以侧条密封，即组成为一个单元体。各个单元体又以不同的叠积适当排列，并用钎焊固定，成为常用的逆流或错流式板翅式换热器组装件，或称为板束。再将带有集流进出口的集流箱焊接到板束上，就为板翅式换热器。232.1.3.2板面式换热器3板翅式换热器逆流错流光直翅片多孔翅片锯齿翅片242.1.3.2板面式换热器4板壳式换热器板壳式换热器与列管式换热器的重要区别是以板束代替管束。板束的基本元件是将条状钢板滚压成一定形状然后焊接而成。板束元件可以紧密排列、结构紧凑，单位体积提供的换热面为列管式的3.5倍以上。板壳式换热器不仅有各种板式换热器结构紧凑、传热系数高的特点，而且结构坚固，能承受很高的压力和温度，较好地解决了高效紧凑与耐温抗压的矛盾。252.1.3.2板面式换热器4板壳式换热器262.1.3.2板面式换热器4板壳式换热器272.1.3.3中间载热体式换热器1热管式换热器是一种高效的新型换热器，在密闭的高度真空的管子或筒体内壁镶套着一层多孔毛细结构的吸液芯，浸满液相工质。外部热源在蒸发段输入热量，使工质蒸发、汽化。蒸汽流向冷凝段进行凝结，释放出来的汽化潜热送至外界。凝液缩进吸液芯表面，靠毛细压力的作用流回蒸发段，完成工质的自动循环。热管的结构简单、重量轻、工作可靠、无运动部件，在能源开发与热能回收的领域，有广阔的应用前景。282.1.3.3中间载热体式换热器2.1.3.4热管式换热器29小结¾换热设备是把热量从热流体传递到冷流体的设备，是化工、炼油工业中普遍应用的工艺设备。满足实现所规定的工艺条件、安全可靠、有利于安装、操作与维修、经济合理。¾按照传热方式的不同，换热设备可分为三类：混合式换热器蓄热式换热器、间壁式换热器。¾间壁式换热器是工业中昀为广泛应用的一类换热器。按照传热面的形状与结构特点它又可分为：(1)管式换热器。(2)板面式换热器(3)中间载热体式换热器等。¾管式换热器中的管壳式换热器应用昀广、理论设计昀成熟。302.2管壳式换热器(Shell-and-tubeheatexchanger)管壳式换热器结构坚固、适应性强、选材广、易于制造及成本、应用范围广。理论研究和设计技术昀完善（管壳式换热器B151-99）、运行可靠。在化工等工业部门的换热设备中，管壳式占整个换热器投资的50％～70％。与一些新型高效紧凑型换热器相比，有换热效率低、设备结构不紧凑和金属消耗量大等缺点。为提高和强化管壳式换热器的传热效率，近年来各国开展了许多研究工作，除了对管壳式换热器的设计方法作改进外，主要是对该类换热器的传热管件及结构作改动，实现强化传热。31管壳式换热器在工业中的应用32管壳式换热器的检修332.2.1管壳式换热器的种类根据管壳式换热器的结构特点，可分为：a)固定管板式换热器(Fixed-tubesheetheatexchanger)or(Fixedheadheatexchanger)b)浮头式换热器(Floatingheadheatexchanger)c)U形管式换热器(U-tubeheatexchanger)d)填料函式换热器(Packedfloating-headheatexchanger)e)釜式重沸器(Kettle-typeheatexchanger)34a)固定管板式换热器管箱换热管管板定距管折流板鞍座膨胀节管箱特点：结构简单、便于分程；管内易清洗，且便于堵管、换管；管外则无法清洗、不宜处理脏或有腐蚀的介质；消除温差应力需配膨胀节。膨胀节有Ｕ形、平板形、Ω形，壳体与管板连接形式为焊接。35b)浮头式换热器防冲板折流板钩圈浮头管板特点：仅一块管板与壳体固定，另一块管板能自由移动。无温差应力。浮头部分由浮头管板、钩圈与浮头组成可拆连接。管束易抽出，管内、管外都能清洗，便于检修。放大36c)U形管式换热器管箱管程隔板管板U形管折流板特点：换热管的两端固定在同一块管板上，仅一块管板。管束与客体分离，无温差应力。管束可从壳体抽出，管内、管外都能清洗，便于检修。由于弯管加工，弯管外侧管壁较薄。故承压能力差。37d)填料函式换热器管板填料特点：实际上是另一浮头换热器，浮头与壳体之间的空隙塞满填料密封，适合温差应力大、腐蚀严重且常换管束的场合。制造、清洗、检修方便。受密封条件的限制，适用低压、小直径的场合。放大38e)釜式重沸器特点：管束可以是浮头式、Ｕ形管式，具有这两中结构的特点。不同处为壳体上部设置一个蒸发空间。其大小与产气量有关。清洗、检修方便，可处理不清洁、易结垢的介质。承受高温、高压。392.2.2管壳式换热器的结构设计管程：流体流经换热管内的通道及与其相贯通部分称为管程。壳程：流体流经换热管外的通道及与其相贯通部分称为壳程。定义：管程进管程出壳程出壳程进402.2.2.1管程结构1、换热管：（1）换热管的形式：光滑管、翅片管、螺旋槽管等。（2）换热管尺寸：常用为φ19×2mm；φ25×2.5mm；φ38×2.5mm。Φ10~φ57mm范围。（3）换热管材料：碳素钢、低合金钢、不锈钢、铜、铜镍合金、铝合金、钛等。还有非金属材料。（4）换热管排列形式及中心距：正三角形(排列角30度)；转角正三角形(排列角60度);正方形(排列角90度);转角正方形(排列角45度);同心园排列。412.2.2.1管程结构1、换热管：正三角形（排列角30度）转角正三角形（排列角60度）正方形（排列角90度）转角正方形（排列角45度）422.2.2.1管程结构2、管板:是换热器的重要部件之一，用来排布换热管并起着分隔管程、壳程空间的作用，避免冷、热流体混合。（1）管板材料：碳钢钢板、低合金钢板、不锈钢钢板等。（2）管板结构：平管板（GB-151《管壳式换热器》计算）薄管板：适用于高温、高压，分析设计。椭圆形管板；双管板。432.2.2.1管程结构2、管板高温高压薄管板椭圆形管板双管板442.2.2.1管程结构3、管箱管箱位于换热器的两端，其作用是流体均匀地分布到各换热管中，同时又汇集到一起。在多管程换热器中，改变流体流向。整体拆卸端盖拆卸与管板焊接多管程452.2.2.1管程结构4、管束分程：流体从管子一端流到另一端，称为一个管程。增加流速，提高传热系数。但程与程之间温差不能太大，以不超过20度为宜。昀常用为２、４、６程数。462.2.2.1管程结构4、管束分程：分四程结构前管板后管板前管箱前管箱472.2.2.1管程结构5、换热管与管板连接（1）强度胀：保证换热管与管板的密封性能及抗拉强度的胀接。有机械滚珠胀、液压、液袋、橡胶和爆炸胀