換熱器

發(fā)布時間：2010-3-2 瀏覽：3766

 

換熱器是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設(shè)備，又稱熱交換器。

　　英語翻譯：heat exchanger

　　換熱器是實現(xiàn)化工生產(chǎn)過程中熱量交換和傳遞不可缺少的設(shè)備。在熱量交換中常有一些腐蝕性、氧化性很強(qiáng)的物料，因此，要求制造換熱器的材料具有抗強(qiáng)腐蝕性能。換熱器的分類比較廣泛：反應(yīng)釜　壓力容器　冷凝器　反應(yīng)鍋　螺旋板式換熱器　波紋管換熱器　列管換熱器　板式換熱器　螺旋板換熱器�牴軞な綋Q熱器　容積式換熱器　浮頭式換熱器　管式換熱器　熱管換熱器　汽水換熱器　換熱機(jī)組　石墨換熱器　空氣換熱器　鈦換熱器　換熱設(shè)備，要求制造換熱器的材料具有抗強(qiáng)腐蝕性能。它可以用石墨、陶瓷、玻璃等非金屬材料以及不銹鋼、鈦、鉭、鋯等金屬材料制成。但是用石墨、陶瓷、玻璃等材料制成的有易碎、體積大、導(dǎo)熱差等缺點，用鈦、鉭、鋯等稀有金屬制成的換熱器價格過于昂貴，不銹鋼則難耐許多腐蝕性介質(zhì)，并產(chǎn)生晶間腐蝕。

　　在石油、化工、輕工、制藥、能源等工業(yè)生產(chǎn)中，常常需要把低溫流體加熱或者把高溫流體冷卻，把液體汽化成蒸汽或者把蒸汽冷凝成液體。這些過程均和熱量傳遞有著密切聯(lián)系，因而均可以通過換熱器來完成。

　　隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，各種不同型式和種類的換熱器發(fā)展很快，新結(jié)構(gòu)、新材料的換熱器不斷涌現(xiàn)。為了適應(yīng)發(fā)展的需要，我國對某些種類的換熱器已經(jīng)建立了標(biāo)準(zhǔn)，形成了系列。完善的換熱器在設(shè)計或選型時應(yīng)滿足以下基本要求：

　　（1） 合理地實現(xiàn)所規(guī)定的工藝條件；

　�。�2） 結(jié)構(gòu)安全可靠；

　�。�3） 便于制造、安裝、操作和維修；

　　（4） 經(jīng)濟(jì)上合理。

　　浮頭式換熱器的一端管板與殼體固定，而另一端的管板可在殼體內(nèi)自由浮動，殼體和管束對膨脹是自由的，故當(dāng)兩張介質(zhì)的溫差較大時，管束和殼體之間不產(chǎn)生溫差應(yīng)力。浮頭端設(shè)計成可拆結(jié)構(gòu)，使管束能容易的插入或抽出殼體。（也可設(shè)計成不可拆的）。這樣為檢修、清洗提供了方便。但該換熱器結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，而且浮動端小蓋在操作時無法知道泄露情況。因此在安裝時要特別注意其密封。

　　浮頭換熱器的浮頭部分結(jié)構(gòu)，按不同的要求可設(shè)計成各種形式，除必須考慮管束能在設(shè)備內(nèi)自由移動外，還必須考慮到浮頭部分的檢修、安裝和清洗的方便。

　　在設(shè)計時必須考慮浮頭管板的外徑Do。該外徑應(yīng)小于殼體內(nèi)徑Di，一般推薦浮頭管板與殼體內(nèi)壁的間隙b1=3~5mm。這樣，當(dāng)浮頭出的鉤圈拆除后，即可將管束從殼體內(nèi)抽出。以便于進(jìn)行檢修、清洗。浮頭蓋在管束裝入后才能進(jìn)行裝配，所以在設(shè)計中應(yīng)考慮保證浮頭蓋在裝配時的必要空間。

　　鉤圈對保證浮頭端的密封、防止介質(zhì)間的串漏起著重要作用。隨著幞頭式換熱器的設(shè)計、制造技術(shù)的發(fā)展，以及長期以來使用經(jīng)驗的積累，鉤圈的結(jié)構(gòu)形式也得到了不段的改進(jìn)和完善。

　　鉤圈一般都為對開式結(jié)構(gòu)，要求密封可靠，結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、便于制造和拆裝方便。

　　浮頭式換熱器以其高度的可靠性和廣泛的適應(yīng)性，在長期使用過程中積累了豐富的經(jīng)驗。盡管近年來受到不斷涌現(xiàn)的新型換熱器的挑戰(zhàn)，但反過來也不斷促進(jìn)了自身的發(fā)展。故迄今為止在各種換熱器中扔占主導(dǎo)地位。

　　管子構(gòu)成換熱器的傳熱面，管子尺寸和形狀對傳熱有很大影響。采用小直徑的管子時，換熱器單位體積的換熱面積大一些，設(shè)備比較緊湊，單位傳熱面積的金屬消耗量少，傳熱系數(shù)也較高。但制造麻煩，管子易結(jié)垢，不易清洗。大直徑管子用于粘性大或者污濁的流體，小直徑的管子用于較清潔的流體。

　　管子材料的選擇應(yīng)根據(jù)介質(zhì)的壓力、溫度及腐蝕性來確定。

　　換熱器的管子在管板上的排列不單考慮設(shè)備的緊湊性，還要考慮到流體的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計以及加工制造方面的情況。管子在管板上的標(biāo)準(zhǔn)排列形式有四種：正三角形和轉(zhuǎn)角正三角形排列，適用與殼程介質(zhì)清潔，且不需要進(jìn)行機(jī)械清洗的場合。正方形和轉(zhuǎn)角正方形排列，能夠使管間的小橋形成一條直線通道，便于用機(jī)械進(jìn)行清洗，一般用于管束可抽出管間清洗的場合。

　　另外對于多管程換熱器，常采用組合排列方法，其每一程中一般都采用三角形排列，而各程之間則常常采用正方形排列，這樣便于安排隔板位置。

　　當(dāng)換熱器直徑較大，管子較多時，都必須在管束周圍的弓形空間內(nèi)盡量配置換熱管。這不但可以有效地增大傳熱面積，也可以防止在殼程流體在弓形區(qū)域內(nèi)短路而給傳熱帶來不利影響。

　　管板上換熱管中心距的選擇既要考慮結(jié)構(gòu)的緊湊性，傳熱效果，又要考慮管板的強(qiáng)度和清洗管子外表面所需的空間。除此之外，還要考慮管子在管板上的固定方法。若間距太小，當(dāng)采用焊接連接時，相鄰兩根管的焊縫太近，焊縫質(zhì)量受熱影響不易得到保證；若采用脹接，擠壓力可能造成管板發(fā)生過大的變形，失去管子和管板間的結(jié)合力。一般采用的換熱管的中心距不小于管子外徑的1.25倍。

　　當(dāng)換熱器多需的換熱面積較大，而管子又不能做的太長時，就得增大殼體直徑，以排列較多的管子。此時為了提高管程流速，增加傳熱效果，須將管束分程，使流體依次流過各程管束。

　　為了把換熱器做成多管程，可在一端或兩端的管箱中分別安置一定數(shù)量的隔板。

　　浮頭式換熱器的優(yōu)缺點：

　　優(yōu)點：

　�。�1）管束可以抽出，以方便清洗管、殼程；

　�。�2）介質(zhì)間溫差不受限制；

　�。�3）可在高溫、高壓下工作，一般溫度小于等于450度，壓力小于等于6.4兆帕；

　�。�4）可用于結(jié)垢比較嚴(yán)重的場合；

　　（5）可用于管程易腐蝕場合。

　　缺點：

　�。�1）小浮頭易發(fā)生內(nèi)漏；

　�。�2）金屬材料耗量大，成本高20%；

　�。�3）結(jié)構(gòu)復(fù)雜

　　制造工藝

　　選取換熱設(shè)備的制造材料及牌號，進(jìn)行材料的化學(xué)成分檢驗，機(jī)械性能合格后，對鋼板進(jìn)行矯形，方法包括手工矯形，機(jī)械矯形及火焰矯形。

　　備料－－劃線－－切割－－邊緣加工（探傷）－－成型－－組對－－焊接－－焊接質(zhì)量檢驗－－組裝焊接－－壓力試驗

　　質(zhì)量檢驗

　　化工設(shè)備不僅在制造之前對原材料進(jìn)行檢驗，而且在制造過程中要隨時進(jìn)行檢查。

　　質(zhì)量檢驗內(nèi)容和方法：

　　設(shè)備制造過程中的檢驗，包括原材料的檢驗、工序間的檢驗及壓力試驗，具體內(nèi)容如下：

　�。�1）原材料和設(shè)備零件尺寸和幾何形狀的檢驗；

　�。�2）原材料和焊縫的化學(xué)成分分析、力學(xué)性能分析試驗、金相組織檢驗，總稱為破壞試驗；

　　（3）原材料和焊縫內(nèi)部缺陷的檢驗，其檢驗方法是無損檢測，它包括：射線檢測、超聲波檢測、磁粉檢測、滲透檢測等；

　�。�4）設(shè)備試壓，包括：水壓試驗、介質(zhì)試驗、氣密試驗等。

　　耐壓試驗和氣密性試驗：

　　制造完工的換熱器應(yīng)對換熱器管板的連接接頭，管程和殼程進(jìn)行耐壓試驗或增加氣密性試驗，耐壓試驗包括水壓試驗和氣壓試驗。換熱器一般進(jìn)行水壓試驗，但由于結(jié)構(gòu)或支撐原因，不能充灌液體或運行條件不允許殘留試驗液體時，可采用氣壓試驗。

　　如果介質(zhì)毒性為極度，高度危害或管、殼程之間不允許有微量泄漏時，必須增加氣密性試驗。換熱器壓力試驗的順序如下：

　　固定管板換熱器先進(jìn)行殼程試壓，同時檢查換熱管與管板連接接頭，然后進(jìn)行管程試壓；

　　U形管式換熱器、釜式重沸器（U形管束）及填料函式換熱器先用試驗壓環(huán)進(jìn)行殼程試壓，同時檢查接頭，然后進(jìn)行管程試壓；

　　浮頭式換熱器、釜式重沸器（浮頭式管束）先用試驗壓環(huán)和浮頭專用工具進(jìn)行管頭試壓，對于釜式重沸器尚應(yīng)配備管頭試壓專用殼體，然后進(jìn)行管程試壓，最后進(jìn)行殼程試壓；

　　重疊換熱器接頭試壓可單臺進(jìn)行，當(dāng)各臺換熱器程間連通時，管程和殼程試壓應(yīng)在重疊組裝后進(jìn)行。

　　安裝：

　　安裝換熱器的基礎(chǔ)必須滿足以使換熱器不發(fā)生下沉，或使管道把過大的變形傳到傳熱器的接管上�；�礎(chǔ)一般分為兩種：一種為磚砌的鞍形基礎(chǔ)，換熱器上沒有鞍式支座而直接放在鞍形基礎(chǔ)上，換熱器與基礎(chǔ)不加固定，可以隨著熱膨脹的需要自由移動。另一種為混凝土基礎(chǔ)，換熱器通過鞍式支座由地腳螺栓將其與基礎(chǔ)牢固的連接起來。

　　在安裝換熱器之前應(yīng)嚴(yán)格的進(jìn)行基礎(chǔ)質(zhì)量的檢查和驗收工作，主要項目如下：基礎(chǔ)表面概況；基礎(chǔ)標(biāo)高，平面位置，形狀和主要尺寸以及預(yù)留孔是否符合實際要求；地腳螺栓的位置是否正確，螺紋情況是否良好，螺帽和墊圈是否齊全；放置墊鐵的基礎(chǔ)表面是否平整等。

　　基礎(chǔ)驗收完畢后，在安裝換熱器之前在基礎(chǔ)上放墊鐵，安放墊鐵處的基礎(chǔ)表面必須鏟平，使兩者能很好的接觸。墊鐵厚度可以調(diào)整，使換熱器能達(dá)到設(shè)計的水平高度。墊鐵放置后可增加換熱器在基礎(chǔ)上的穩(wěn)定性，并將其重量通過墊鐵均勻地傳遞到基礎(chǔ)上去。墊鐵可分為平墊鐵、斜墊鐵和開口墊鐵。其中，斜墊鐵必須成對使用。地腳螺栓兩側(cè)均應(yīng)有墊鐵，墊鐵的安裝不應(yīng)妨礙換熱器的熱膨脹。

　　換熱器就位后需用水平儀對換熱器找平，這樣可使各接管都能在不受力的情況下連接管道。找平后，斜墊鐵可與芝座焊牢，但不得與下面的平墊鐵或滑板焊死。當(dāng)兩個以上重疊式換熱器安裝時，應(yīng)在下部換熱器找正完畢，并且地腳螺栓充分固定后，再安裝上部換熱器�？沙楣苁鴵Q熱器安裝前應(yīng)抽芯檢查，清掃，抽管束時應(yīng)注意保護(hù)密封面和折流板。移動和起吊管束時應(yīng)將管束放置在專用的支承結(jié)構(gòu)上，以避免損傷換熱管。

　　根據(jù)換熱器的形式，應(yīng)在換熱器的兩端留有足夠的空間來滿足條件（操作）清洗、維修的需要。浮頭式換熱器的固定頭蓋端應(yīng)留有足夠的空間以便能從殼體內(nèi)抽出管束，外頭蓋端必須也留出一米以上的位置以便裝拆外頭蓋和浮頭蓋。

　　固定管板式換熱器的兩端應(yīng)留出足夠的空間以便能抽出和更換管子。并且，用機(jī)械法清洗管內(nèi)時。兩端都可以對管子進(jìn)行刷洗操作。U形管式換熱器的固定頭蓋應(yīng)留出足夠的空間以便抽出管束，也可在其相對的一端留出足夠的空間以便能拆卸殼體。

　　換熱器不得在超過銘牌規(guī)定的條件下運行。應(yīng)經(jīng)常對管，殼程介質(zhì)的溫度及壓降進(jìn)行監(jiān)督，分析換熱管的泄漏和結(jié)垢情況。管殼式換熱器就是利用管子使其內(nèi)外的物料進(jìn)行熱交換、冷卻、冷凝、加熱及蒸發(fā)等過程，與其他設(shè)備相比較，其余腐蝕介質(zhì)接觸的表面積就顯得非常大，發(fā)生腐蝕穿孔結(jié)合處松弛泄漏的危險性很高，因此對換熱器的防腐蝕和防泄漏的方法也比其他設(shè)備要多加考慮，當(dāng)換熱器用蒸汽來加熱或用水來冷卻時，水中的溶解物在加熱后，大部分溶解度都會有所提高，而硫酸鈣類型的物質(zhì)則幾乎沒有變化。冷卻水經(jīng)常循環(huán)使用，由于水的蒸發(fā)，使鹽類濃縮，產(chǎn)生沉積或污垢。又因水中含有腐蝕性溶解氣體及氯離子等引起設(shè)備腐蝕，腐蝕與結(jié)垢交替進(jìn)行，激化了鋼材的腐蝕。因此必須經(jīng)過清洗來改善換熱器的性能。由于清洗的困難程度是隨著垢層厚度或沉積的增加而迅速增大的，所以清洗間隔時間不宜過長，應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)裝置的特點，換熱介質(zhì)的性質(zhì)，腐蝕速度及運行周期等情況定期進(jìn)行檢查，修理及清洗。

　　換熱器的應(yīng)用廣泛，日常生活中取暖用的暖氣散熱片、汽輪機(jī)裝置中的凝汽器和航天火箭上的油冷卻器等，都是換熱器。它還廣泛應(yīng)用于化工、石油、動力和原子能等工業(yè)部門。它的主要功能是保證工藝過程對介質(zhì)所要求的特定溫度，同時也是提高能源利用率的主要設(shè)備之一。

　　換熱器既可是一種單獨的設(shè)備，如加熱器、冷卻器和凝汽器等；也可是某一工藝設(shè)備的組成部分，如氨合成塔內(nèi)的熱交換器。

　　由于制造工藝和科學(xué)水平的限制，早期的換熱器只能采用簡單的結(jié)構(gòu)，而且傳熱面積小、體積大和笨重，如蛇管式換熱器等。隨著制造工藝的發(fā)展，逐步形成一種管殼式換熱器，它不僅單位體積具有較大的傳熱面積，而且傳熱效果也較好，長期以來在工業(yè)生產(chǎn)中成為一種典型的換熱器。

　　二十世紀(jì)20年代出現(xiàn)板式換熱器，并應(yīng)用于食品工業(yè)。以板代管制成的換熱器，結(jié)構(gòu)緊湊，傳熱效果好，因此陸續(xù)發(fā)展為多種形式。30年代初，瑞典首次制成螺旋板換熱器。接著英國用釬焊法制造出一種由銅及其合金材料制成的板翅式換熱器，用于飛機(jī)發(fā)動機(jī)的散熱。30年代末，瑞典又制造出第一臺板殼式換熱器，用于紙漿工廠。在此期間，為了解決強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)的換熱問題，人們對新型材料制成的換熱器開始注意。

　　60年代左右，由于空間技術(shù)和尖端科學(xué)的迅速發(fā)展，迫切需要各種高效能緊湊型的換熱器，再加上沖壓、釬焊和密封等技術(shù)的發(fā)展，換熱器制造工藝得到進(jìn)一步完善，從而推動了緊湊型板面式換熱器的蓬勃發(fā)展和廣泛應(yīng)用。此外，自60年代開始，為了適應(yīng)高溫和高壓條件下的換熱和節(jié)能的需要，典型的管殼式換熱器也得到了進(jìn)一步的發(fā)展。70年代中期，為了強(qiáng)化傳熱，在研究和發(fā)展熱管的基礎(chǔ)上又創(chuàng)制出熱管式換熱器。

　　換熱器按傳熱方式的不同可分為混合式、蓄熱式和間壁式三類。

　　混合式換熱器是通過冷、熱流體的直接接觸、混合進(jìn)行熱量交換的換熱器，又稱接觸式換熱器。由于兩流體混合換熱后必須及時分離，這類換熱器適合于氣、液兩流體之間的換熱。例如，化工廠和發(fā)電廠所用的涼水塔中，熱水由上往下噴淋，而冷空氣自下而上吸入，在填充物的水膜表面或飛沫及水滴表面，熱水和冷空氣相互接觸進(jìn)行換熱，熱水被冷卻，冷空氣被加熱，然后依靠兩流體本身的密度差得以及時分離。

　　蓄熱式換熱器是利用冷、熱流體交替流經(jīng)蓄熱室中的蓄熱體(填料)表面，從而進(jìn)行熱量交換的換熱器，如煉焦?fàn)t下方預(yù)熱空氣的蓄熱室。這類換熱器主要用于回收和利用高溫廢氣的熱量。以回收冷量為目的的同類設(shè)備稱蓄冷器，多用于空氣分離裝置中。

　　間壁式換熱器的冷、熱流體被固體間壁隔開，并通過間壁進(jìn)行熱量交換的換熱器，因此又稱表面式換熱器，這類換熱器應(yīng)用最廣。

　　間壁式換熱器根據(jù)傳熱面的結(jié)構(gòu)不同可分為管式、板面式和其他型式。管式換熱器以管子表面作為傳熱面，包括蛇管式換熱器、套管式換熱器和管殼式換熱器等；板面式換熱器以板面作為傳熱面，包括板式換熱器、螺旋板換熱器、板翅式換熱器、板殼式換熱器和傘板換熱器等；其他型式換熱器是為滿足某些特殊要求而設(shè)計的換熱器，如刮面式換熱器、轉(zhuǎn)盤式換熱器和空氣冷卻器等。

　　換熱器中流體的相對流向一般有順流和逆流兩種。順流時，入口處兩流體的溫差最大，并沿傳熱表面逐漸減小，至出口處溫差為最小。逆流時，沿傳熱表面兩流體的溫差分布較均勻。在冷、熱流體的進(jìn)出口溫度一定的條件下，當(dāng)兩種流體都無相變時，以逆流的平均溫差最大順流最小。

　　在完成同樣傳熱量的條件下，采用逆流可使平均溫差增大，換熱器的傳熱面積減小；若傳熱面積不變，采用逆流時可使加熱或冷卻流體的消耗量降低。前者可節(jié)省設(shè)備費，后者可節(jié)省操作費，故在設(shè)計或生產(chǎn)使用中應(yīng)盡量采用逆流換熱。

　　當(dāng)冷、熱流體兩者或其中一種有物相變化(沸騰或冷凝)時，由于相變時只放出或吸收汽化潛熱，流體本身的溫度并無變化，因此流體的進(jìn)出口溫度相等，這時兩流體的溫差就與流體的流向選擇無關(guān)了。除順流和逆流這兩種流向外，還有錯流和折流等流向。

　　在傳熱過程中，降低間壁式換熱器中的熱阻，以提高傳熱系數(shù)是一個重要的問題。熱阻主要來源于間壁兩側(cè)粘滯于傳熱面上的流體薄層(稱為邊界層)，和換熱器使用中在壁兩側(cè)形成的污垢層，金屬壁的熱阻相對較小。

　　增加流體的流速和擾動性，可減薄邊界層，降低熱阻提高給熱系數(shù)。但增加流體流速會使能量消耗增加，故設(shè)計時應(yīng)在減小熱阻和降低能耗之間作合理的協(xié)調(diào)。為了降低污垢的熱阻，可設(shè)法延緩污垢的形成，并定期清洗傳熱面。

　　一般換熱器都用金屬材料制成，其中碳素鋼和低合金鋼大多用于制造中、低壓換熱器；不銹鋼除主要用于不同的耐腐蝕條件外，奧氏體不銹鋼還可作為耐高、低溫的材料；銅、鋁及其合金多用于制造低溫?fù)Q熱器；鎳合金則用于高溫條件下；非金屬材料除制作墊片零件外，有些已開始用于制作非金屬材料的耐蝕換熱器，如石墨換熱器、氟塑料換熱器和玻璃換熱器等。

 

 

 

　　

　　

換熱器的操作

　　換熱器開始運行時，發(fā)現(xiàn)換熱器冷熱不均，則應(yīng)檢查是否空氣沒有放凈，換熱板片是否加錯，通常是否堵塞等，并采取相應(yīng)的有效措施。 發(fā)現(xiàn)換熱器有兩種介質(zhì)相串通的現(xiàn)象時，尤其是易燃易爆介質(zhì)，應(yīng)立即停車，查出并更換其穿孔或裂紋的板片。 換熱器嚴(yán)格控制溫度與壓力不超過允許值，否則會加速密封墊片老化。 換熱器運行中因設(shè)備充滿介質(zhì)，在有壓力的情況下，不允許堅固夾緊螺栓。緊固換熱片的夾緊螺栓及螺母時，應(yīng)嚴(yán)格控制兩封頭間的板束距離，否則易損壞換熱板片或密封墊片。 換熱器活動封頭上的滑動滾輪，應(yīng)定期加油防止生銹，以保證拆卸靈活好用。 換熱器正常情況下，換熱器是不必停車的，當(dāng)阻力降超過允許值，反沖洗又無明顯效果，生產(chǎn)能力突然下降，介質(zhì)互串或介質(zhì)大量外漏而又無法控制時，才停車查找原因。清理或更換已損壞的換熱器零部件。

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換熱機(jī)組的構(gòu)造

　　換熱機(jī)組是一次熱網(wǎng)與用戶之間的直接橋梁，從一次熱網(wǎng)得到熱量，自動連續(xù)地轉(zhuǎn)換為用戶需要的生活用水及采暖用水，適用于空調(diào)（供暖供冷），采暖，生活用水（洗浴）或其他換熱回路（如地板供熱，工藝水冷卻等）。換熱機(jī)組由板式換熱器、循環(huán)水泵、補(bǔ)水泵、過濾器、閥門、機(jī)組底座、熱計量表、配電箱、電子儀表及自控系統(tǒng)等組成。熱源的蒸汽或高溫水從機(jī)組的一次側(cè)供水口進(jìn)入板式換熱器，二次側(cè)的低溫回水經(jīng)過過濾器除污，通過循環(huán)泵也進(jìn)入板式過濾器，兩種不同溫度的水經(jīng)過熱交換，二次側(cè)將熱量輸送給熱用戶。