一. 夹套式换热器
三.套管式换热器
套管换热器的优点是构造简单，内管能耐高压，传热面积可根据需要增减，适当选择两管的管径，两流体皆可获得适宜的流速，且两流体可作严格逆流。其缺点是管间接头较多，接头处易泄漏，单位换热器体积具有的传热面积较小。故适用于流量不大、传热面积要求不大但压强要求较高的场合。 四.管壳式换热器 1.固定管板式
体伸缩，从而减小热应力。但这种补偿方式仍不适用于热、冷流体温差较大（大于70℃）的场合，且因膨胀节是承压薄弱处，壳程流体压强不宜超过6at。 为更好地解决热应力问题，在固定管板式的基础上，又发展了浮头式和U型管式列管换热器。 2.浮头式 结构如图所示。其特点是有一端管板不与外壳相连，可以沿轴向自由伸缩。这种结构不但完全消除了热应力，而且由于固定端的管板用法兰与壳体连接，整个管束可以从壳体中抽出，便于清洗和检修。浮头式换热式应用较为普遍，但结构复杂，造价较高。 3.U型管式 如图所示，U型管式换热器每根管子都弯成U型，管子的进出口均安装在同一管板上。封头内用隔板分成两室。这样，管子可以自由伸缩，与壳体无关。这种换热器结构适用于高温和高压场合，其主要不足之处是管内清洗不易，制造困难。 | ||||||||||||||||||||||||||||
换热器是化工,石油,动力,食品及其它许多工业部门的通用设备,在生产中占有重要地位.在化工生产中换热器可作为加热器,冷却器,冷凝器,蒸发器和再沸器等,应用更加广泛. 换热器种类很多,但根据冷,热流体热量交换的原理和方式基本上可分三大类,即间壁式,混合式和蓄热式.在三类换热器中,间壁式换热器应用最多,： 1 .间壁式换热器的类型 夹套式换热器 这种换热器是在容器外壁安装夹套制成,结构简单;但其加热面受容器壁面限制,传热系数也不高.为提高传热系数且使釜内液体受热均匀,可在釜内安装搅拌器.当夹套中通入冷却水或无相变的加热剂时,亦可在夹套中设置螺旋隔板或其它增加湍动的措施,以提高夹套一侧的给热系数.为补充传热面的不足,也可在釜内部安装蛇管. 夹套式换热器广泛用于反应过程的加热和冷却. 沉浸式蛇管换热器 这种换热器是将金属管弯绕成各种与容器相适应的形状,并沉浸在容器内的液体中.蛇管换热器的优点是结构简单,能承受高压,可用耐腐蚀材料制造;其缺点是容器内液体湍动程度低,管外给热系数小.为提高传热系数,容器内可安装搅拌器. 喷淋式换热器 这种换热器是将换热管成排地固定在钢架上，热流体在管内流动,冷却水 从上方喷淋装置均匀淋下,故也称喷淋式冷却器.喷淋式换热器的管外是一层湍动程度较高的液膜,管外给热系数较沉浸式增大很多.另外,这种换热器大多放置在空气流通之处,冷却水的蒸发亦带走一部分热量,可起到降低冷却水温度,增大传热推动力的作用.因此,和沉浸式相比,喷淋式换热器的传热效果大有改善. 套管式换热器 套管式换热器是由直径不同的直管制成的同心套管,并由U形弯头连接而成.在这种换热器中,一种流体走管内,另一种流体走环隙,两者皆可得到较高的流速,故传热系数较大.另外,在套管换热器中,两种流体可为纯逆流,对数平均推动力较大. 套管换热器结构简单,能承受高压,应用亦方便(可根据需要增减管段数目). 特别是由于套管换热器同时具备传热系数大,传热推动力大及能够承受高压强的优点,在超高压生产过程(例如操作压力为3000大气压的高压聚乙烯生产过程)中所用的换热器几乎全部是套管式. 管壳式换热器 管壳式(又称列管式) 换热器是最典型的间壁式换热器,它在工业上的应用有着悠久的历史,而且至今仍在所有换热器中占据主导地位. 管壳式换热器主要有壳体,管束,管板和封头等部分组成,壳体多呈圆形,内部装有平行管束,管束两端固定于管板上.在管壳换热器内进行换热的两种流体,一种在管内流动,其行程称为管程;一种在管外流动,其行程称为壳程.管束的壁面即为传热面. 为提高管外流体给热系数,通常在壳体内安装一定数量的横向折流档板.折流档板不仅可防止流体短路,增加流体速度,还迫使流体按规定路径多次错流通过管束,使湍动程度大为增加.常用的档板有圆缺形和圆盘形两种,前者应用更为广泛. 流体在管内每通过管束一次称为一个管程,每通过壳体一次称为一个壳程.为提高管内流体的速度,可在两端封头内设置适当隔板,将全部管子平均分隔成若干组.这样,流体可每次只通过部分管子而往返管束多次,称为多管程.同样,为提高管外流速,可在壳体内安装纵向档板使流体多次通过壳体空间,称多壳程.在管壳式换热器内,由于管内外流体温度不同,壳体和管束的温度也不同.如两者温差很大, 换热器内部将出现很大的热应力,可能使管子弯曲,断裂或从管板上松脱.因此,当管束和壳体温度差超过50℃时,应采取适当的温差补偿措施,消除或减小热应力. 2.混合式换热器 混合式热交换器是依靠冷、热流体直接接触而进行传热的，这种传热方式避免了传热间壁及其两侧的污垢热阻，只要流体间的接触情况良好，就有较大的传热速率。故凡允许流体相互混合的场合，都可以采用混合式热交换器，例如气体的洗涤与冷却、循环水的冷却、汽-水之间的混合加热、蒸汽的冷凝等等。它的应用遍及化工和冶金企业、动力工程、空气调节工程以及其它许多生产部门中。 混合式热交换器的种类 按照用途的不同，可将混合式热交换器分成以下几种不同的类型： (1)冷却塔(或称冷水塔) 在这种设备中，用自然通风或机械通风的方法，将生产中已经提高了温度的水进行冷却降温之后循环使用，以提高系统的经济效益。例如热力发电厂或核电站的循环水、合成氨生产中的冷却水等，经过水冷却塔降温之后再循环使用，这种方法在实际工程中得到了广泛的使用。 (2)气体洗涤塔(或称洗涤塔) 在工业上用这种设备来洗涤气体有各种目的，例如用液体吸收气体混合物中的某些组分，除净气体中的灰尘，气体的增湿或干燥等。但其最广泛的用途是冷却气体，而冷却所用的液体以水居多。空调工程中广泛使用的喷淋室，可以认为是它的一种特殊形式。喷淋室不但可以像气体洗涤塔一样对空气进行冷却，而且还可对其进行加热处理。但是，它也有对水质要求高、占地面积大、水泵耗能多等缺点：所以，目前在一般建筑中，喷淋室已不常使用或仅作为加湿设备使用。但是，在以调节湿度为主要目的的纺织厂、卷烟厂等仍大量使用! (3)喷射式热交换器 在这种设备中，使压力较高的流体由喷管喷出，形成很高的速度，低压流体被引入混合室与射流直接接触进行传热传质，并—同进入扩散管，在扩散管的出口达到同一压力和温度后送给用户。 (4)混合式冷凝器 这种设备一般是用水与蒸汽直接接触的方法使蒸汽冷凝 3.蓄热式换热器 蓄热式换热器用于进行蓄热式换热的设备。内装固体填充物，用以贮蓄热量。一般用耐火砖等砌成火格子（有时用金属波形带等）。换热分两个阶段进行。第一阶段，热气体通过火格子，将热量传给火格子而贮蓄起来。第二阶段，冷气体通过火格子，接受火格子所储蓄的热量而被加热。这两个阶段交替进行。通常用两个蓄热器交替使用，即当热气体进入一器时，冷气体进入另一器。常用于冶金工业，如炼钢平炉的蓄热室。也用于化学工业，如煤气炉中的空气预热器或燃烧室，人造石油厂中的蓄热式裂化炉。 蓄热式换热器一般用于对介质混合要求比较低的场合。 |
引言 列管式换热器是一种结构坚固、可靠程度高、适应性强、材料范围广的换热器.因此在石油、化工生产中，尤其是高温高压等大型换热器的主要结构形式.目前，对于换热器的研究主要集中在异形换热管传热性能等方面，对于换热器的整体优化，简化设计少见报道.& N# m' L2 T8 o y' ~% Z, g k 5 t# j0 p: |* p* F5 A0 X$ C 1 列管式换热器设计步骤及计算1.1 工艺计算 列管式换热器的设计，首先要根据生产工艺条件的要求，通过化工工艺计算，确定换热的传热面积，同时选择管径、管长、决定管数、管程数和壳程数. b9 J- L; w2 W8 X' v, l4 X 1.1.1 换热器初步设计2 @# ~3 T0 O# H: c* q6 T ①传热量 Q=W.Cp.(T1-T2)2 O2 K- I' i. p/ y' R ②有效传热温差△T、对数平均温差△tm - o9 @! @5 q. s# S* j7 L8 @& e% s0 g8 q& g " Q* ]; _4 |8 P5 l" n* i$ }. d b 假定换热器的壳程数为1，管程数为NB，计算并查取其温差修正系数Ft，则 △T=Ft.△tm 9 @' j$ Q) `+ Z( o5 O2 k ③根据换热剂性质和工艺条件，设总传热系数K′，所需的换热面积A : D! D* j3 x0 A8 W; J, M4 W4 C 8 s Z( g$ P3 _0 [+ }" z0 O3 N R( S7 j+ [( S$ D! }1.1.2 传热管 因为换热管的换热是依靠传热管构成传热面来进行.所以管子的尺寸、形状对传热有很大影响.同时，管子的大小，管子的排列对清洁污垢非常重要.4 {: @: @: O* g; Z) | ①通常采用光管或低翅片管，规格为Φ19×2和Φ25×2.5. Y0 J' ~) j- K ②传热管根数 1 v0 W' q) \7 s& } ③确定管子排列方式和管间距a ( i- A# D) S$ I+ v8 W. { ④管子材料由流体化学性质和工艺设计条件如压力、温度等确定 * m" \/ P6 F* a- r; R. E; [2 \% I: L! F, r" o: [1 U 1.2 换热器的机械设计 0 U8 s' v- S, U( N1.2.1 壳体直径Di和厚度S的计算 $ A. q7 s5 G" H: t: K" b! }6 H5 g" p( c4 v 2 K, ]1 _2 U) t: o* r 1.2.2 壳体材料可根据物料性质、操作压力、温度来确定.# H' y. [ V# S+ ?3 {$ ?; n 1.2.3 换热器封头的选择采用标准封头，根据JB1154—73选择 $ c9 e; g# q6 C+ d. g1.2.4 容器法兰选择根据JB1160—82标准选择0 }7 g; |; Q# p1 U 1.2.5 管板尺寸 由《钢制列管式固定管板换热器结构设计手册》计算、选定.+ J; f1 X+ S% @* [/ Z/ w! m3 O: g/ c 1.2.6 管子拉脱力的计算 对于胀接接头，由于流体压力，及管壳壁温差应力的联合作用，使得在接头处产生使管子与管板有脱离倾向的拉脱力q.若管子与管板为焊接接头，则不需校核拉脱力. ) Z" |/ ^4 ^/ O6 }# M* \0 s; c / L+ ?. \! I0 T" m0 \0 h7 r0 j0 n" m) B1 U# W$ y 1.2.7 温差应力的计算 对于固定管板式换热器，因为温差应力较大，通常需要计算、校核温差应力，进而判断是否需要设置膨胀节. - y) I/ {! n; O& F ①温差轴向力5 Y0 g: m; C3 O: c 7 x8 a- ?8 ]% a# d v F C& y% _3 H2 ~+ o- g( @4 \& }. b; r ②温差应力/ h1 B! w4 s0 n2 _5 g( Q9 ^ % E; v: a! n0 W7 Y5 K5 ]) C + Z; W' \ ~6 o * o% |* j( P" oσt=F／At 3 Z8 E( U8 N$ M$ J; jσs=F／As" L+ J# n C- Y3 x) V 耐寒输送带* K9 h7 A5 K2 d5 Q' p' O ?5 [- [: }' u1 @$ C! X6 U0 r & b/ _+ a. g0 k- F7 t# f* q$ W* u) L 1.2.8 折流板 在换热器中设置折流板，可提高壳程内流体的流速和加强湍流强度，从而提高传热效率，是强化传热的一种结构.: y& i& n0 a. M8 E, _ 常用圆缺形折流板. a, _/ b6 U+ ^ 根据经验，折流板间的间隔不大于壳体内径，最小为壳内径的 板间距太大湍流强度会不够，太小则增加了流动阻力. 老化台" P) a. E- N7 U o1 l$ g3 w* x- X; i9 J1 B 1.3 管、壳程压降的计算 根据初定的换热器，计算管、壳程的压降、检验其结果是否合理，否则需要重新调整管程数和折流板间距. . k9 p% P* j9 f: `8 h1.3.1 壳程压降△Po % ] L3 ?% h3 I% u% C u- p n7 T1.3.2 管程压降△Pi 8 q5 H j3 N) g& n 0 c3 B) |- [1 x# Y$ g( ?2 \& I4 j( W9 n) |- F 1.4 总传热系数 在初步确定换热器的结构和尺寸后，要计算总传热系数K，比较初设的总传热系数K′，当K／K′＝1.5～1.25，则初选的换热器合适，否则需要重复设计. & b$ b0 o# Q" Y5 a3 k ①管程对流传热系数αi # ^! G, L3 _. o可根据管内流体的流型选择相应的计算公式 ' |* H; \ m1 h/ h1 m4 V' Tαi=f(Re,Pr) , O4 r! E3 E7 X7 s' O: s3 j5 r2 Q - H1 A- G7 |4 u$ O+ ]* S8 R ②壳程对流传系数αo.0 V, _! P9 J: o/ M \ Donohue法 1 `2 H- k! j* S3 S- f: \# t+ r, @4 X7 R ③总传热系数 . d' D- E2 x, o5 O ' o7 Y9 s8 Z8 z# X9 G1 l 对于间壁、污垢层热阻，可视它们对K的影响占5%，所以 ! ?- `6 {4 `$ J6 t" | 2 实例设计2.1 欲用水将流量为60m3／h的苯液从80℃冷至35℃，水入口温度为25℃，若出口温度分别为30℃、35℃、40℃设计相应适宜的换热器.(壳程走苯，管程走水) 9 _0 X/ D; g% h5 `: Q3 V物性：ρ(kg/m3) Cp(KJ／Kg℃) μ(mPa．s) λ(KJ/m2．℃) # o+ t9 x, k" x苯： 880 1.60 1.15 0.148 : \6 j# y( C1 B! K, @水： 994 4.187 0.727 0.626 ! K5 J9 F8 d$ X" \设计结果 均采用固定管扳式换热器(无需膨胀节)0 n6 P1 f& y, G7 N6 S$ } 出口温度(℃) 30 35 40$ \- M# w0 \# L* k( S Dg(mm) 700 800 900" |4 Q3 z! z; n# z S(mm) 7 8 9+ z3 M# `) P, u. X( ], D0 t, S A(m2) 133.6 160 217.9' k. |, \6 n/ D7 u/ O3 L L(m) 6 6 6 - s* j2 x4 h( G* e+ R% B( T% n4 yN(根) 284 340 463 肩垫9 z B/ S1 F9 r2 w7 s/ o2 hNB(块) 12 17 243 V$ n- d. _9 T) O 板间距(m) 0.5 0.35 0.25! e) g7 ] a; z2 O$ ]# I 管子(mm) Φ25×2.5 Φ25×2.5 Φ25×2.5; b0 u7 U1 j( u: V9 y& H* J+ C u# ] 管子排列 正三角 正三角 正三角管子中心矩(mm) 32 32 32 1 H) T! ^+ Q7 G3 a总传热系数(w/m2.t 421 423 4040 k- A3 M& ]( w3 } 壳程压降(Pa) 4.43×103 2.07×103 1.2×1048 y; V# e+ q: n6 Z 管程压降(Pa) 1.55×103 8.45×103 0.41×1033 |( U8 I6 e" ~$ R 2.2 讨论 从设计结果可看出，冷却水出口温度不同，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，这主要是因为水出口温度增高，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. , I6 v1 Q9 @( ^ 9 k5 n6 P1 M4 N1 Z" ^) G3 结论 本文提出的换热器的设计，在工艺设计上考虑了传热系数、管壳程压降等对换热器设计的影响，同时在机械设计上进行了部分筒化计算.虽然所列公式繁多，但运用计算机编程计算，将简便易行，能满足设计要求 |
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