换热设备的分类.docx

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换热设备的分类

换热设备的分类

一换热设备的种类

炼油厂用换热设备的型式很多，将其常用的分类如下：

1按用途分类

（1）换热器　　两种温度不同的流体进行热量的交换，使一种流体降温而另一种流体升温，以满足各处的需要，经过换热就充分回收了热量，节省了成本。

（2）冷凝器　　在两种温度不同的流体进行热量交换中，有一种流体是从气态就冷凝成为液态，温度变化并不大，就称为冷凝器。

（3）蒸发器　　和上述相反，若有一种流体被加热而蒸发成为气体，就称为蒸发器。

（4）冷却器　　凡是热量不回收利用，单纯只要一种流体冷却的换热器，称为冷却器。

（5）加热器　　凡是利用废热而单纯只要一种流体加热升温的换热器，称为加热器。

2按换热方式分类

（1）间壁式换热设备。

　在冷、热两种流体间有一定形状的表面把流体分隔开，热量通过此种间隔表面而互相交换，两种流体不相混合。

这是炼油厂中普遍采用的方式。

（2）蓄热式换热设备。

　冷、热两种流体依次先后通过蓄热器，分别和蓄热器内的固体填充物进行交换，例如高温气体先通过蓄热器，将热量传递给器内填料，使填料升温而积蓄热量；关闭高温气体通路，再切换通入冷气体，高温填料就又把热量放出给了冷气体，使冷气体升温；依次不断反复，称为蓄热式换热。

这种设备炼油厂内很少应用。

（3）混合式换热设备。

　使冷、热两种流体直接混合，而交换热量，如炼油厂内常用的凉水塔，就是用空气直接吹过被分散的热水表面，使热水降温而循环使用，这种方式所用设备较简单，换热效率也高，但大多数情况下，不允许两种流体混合，所以应用也有限。

3按结构型式分类

间壁式换热设备的种类繁多，但从间壁表面的特征来看，可分为两大类：

（1）管式换热设备。

　传热面是各种管子，冷、热两种流体分别在管内和管外通过，经管壁面交换热量，这是炼油厂内应用最普通的换热设备。

从具体结构上细分，它又可分为：

A．管壳式换热设备。

　这种设备的特点是在圆筒形外壳中装有管束，一种流体在管内流动称为管程，另一流体在管外流动，称为壳程，它又可分为：

a．固定管板式，如图2.4.1所示，两块管板均固定在外壳圆筒上，其上胀接着许多小管子，称为管束。

这是最简单的一种结构，但当冷、热流体的温度差较大时，管束与外壳的热膨胀伸长量就不一样大，管子就会从管板上被拉脱而泄漏，所以它只适用于冷、热两流体的平均温度差较低（例如不超过60－80度）的场合。

它的管外表面结垢后不易清洗，所以管外流体不应结焦、结垢或沉淀。

b．带膨胀节的固定管板式，如图2.4.2所示，在壳体上装有波形膨胀节，可补偿部分热膨胀量，使它可用于冷、热两流体平均温差较高的场合，但波形膨胀在壁较厚时，作用就不明显，所以这种型式的换热器主要用于压力较低（例如壳程压力6－10公斤/厘米2以下）的场合。

c．浮头式如图2.4.3所示，一端管板被夹持在壳体上，另一端管板则做成浮头式，可在壳体内抽出，管内管外均可清洗，对流体也没什么限制，所以在炼油厂内是应用最多的型式。

其缺点是结构较复杂，造价稍高，浮头处易漏而不易检查出来。

d．U形管式如图2.4.4所示，只有一个管板，管子全部弯成U形管，可以自由膨胀，也可以从壳体内抽出，以便于清洗。

只是管子内壁在U形弯头处不易清洗，管子更换困难，管板上排列的管子较少。

它主要用于管内流体压力较高而且较干净的场合。

e．填函式如图2.4.5所示，一端可以自由滑动，但密封是靠填料函，结构比浮头稍简单。

在壳程流体压力较高时，它易泄漏，特别对于易燃、易爆、易挥发有毒的流体是不适合的，炼油厂内很少应用。

B．套管式换热设备，结构示意如图2.4.6，它是由两根不同直径的管子，同心相套，再由弯连接而成。

冷、热两种流体分别由内管和管间相互逆向通过，进行热量交换。

它结构简单，便于拆卸清洗；两种流体完全是逆向流动，传热效果好。

但是金属用量较大，占地面积大，接头处易发生泄漏。

所以它适用于热负荷不大，高粘度易凝固的重油和残油的废热回收，且两种流体温差应小于70度，否则会因内外管热膨胀量不同而造成接头破裂。

图2.4.6套管式换热器图2.4.7水浸式冷却器

C．水浸式冷却器，结构示意图见图2.4.7，在矩形水管内装有几组蛇形盘管，整个盘管浸没在水内，使管内流体被冷却。

这种冷却器内贮水量较大，使用较为安全，结构很简单，也便于清洗检修。

缺点是金属用量大，体积庞大，占地面积大，传热效率低，在炼油厂内已较少应用。

D．空气冷却器，其结构与一般换热器不同，管束用翅片管组成，在下面用轴流式风机，使大量空气吹过管束　将管内流体冷凝冷却，改变风机叶片角度就可以调节所需风量，以控制管内流体的出口温度。

用空气代替水作冷却剂，能大量节约用水，节省了循环水场的投资，基建及操作费用较低，目前炼油厂内已大量使用。

但由于空气温度随大气温度而变化，所以它的最终冷却温度不能太低。

有时还需在后面串联使用水冷却器，空气冷却器的具体结构和特点将在下一节中介绍。

（2）板式换热设备，传热面是表面压成各种形状的薄板，冷、热流体分别在相邻两板之间流动，通过板壁而进行换热。

由于它的强度和密封问题，尚不能用于压力或温度较高的场合，炼油厂内应用不多，在石油化工厂内常用的类型有：

板式换热器、伞板式换热器、螺旋板式换热器、板壳式换热器，本装置采用的焊板式换热器将在后面单独介绍。

一．换热设备的工作原理

热量从高温流体传送给低温流体，称为传热。

传热的主要方式有三种：

传导、对流和辐射。

在间壁式换热器中，主要是传导和对流两种传热方式，如图2.4.8所示。

热流体（温度为t1）先以对流给热方式将热量Q（千卡/时）传给管壁的一侧（温度t2），再以传导的方式将热量传过管壁（温度从一侧t2到另一侧为t3），最后管壁另一侧又将热量以对流给热方式传给了冷流体（温度为t4）.

冷、热流体在流动过程中，温度是要变化的，上述传热方式的说明只是对管子的任一截面而言的。

在稳定传热过程中，管子任一截面处冷、热流体和管壁温度的相互关系如上所述，也是稳定不变的，这是实际换热器正常工作的情况。

两物体间温度差别越大，传递的热量也越大，间壁的面积越大，传递的热量也越大。

于是可以将上述传热过程分别写成如下关系式：

热流体以对流给热方式传给管壁一侧的热量为：

以导热方式将热量传过管壁厚度，其热量为：

从管壁另一侧以对流给热方式传给冷流体的热量为：

式中：

F－管壁传热表面积，米2　；

t1,t2,t3,t4－各处温度，如上图所示，℃；

α1—热流体给热系数，千卡/㎡*时*℃

α2—冷流体给热系数，千卡/㎡*时*℃

λ—管壁的导热系数，千卡/㎡*时*℃

δ—管壁厚度，米

对于稳定传热，从热流体传给管壁再传给冷的液体的热量应相等的，即：

由此可见，若需传递的热量一定，则传热系数越大，温度差越大，所需的传热表面积就越小，换热器就越小，也越经济。

所以，选用、设计与改进换热器的最重要问题是：

尽可能地提高其传热系数和使温度差大些。

一、影响传热系数的几个主要因素：

1．在管壁两侧的给热系数α1和α2中，数值较小的对传热系数影响就大。

若α1远远大于α2，则k值就很接近于α2值。

这里，提高α1值对K值的影响不大，关键在于提高α2值，方可有效地提高k值。

2．影响给热系数α值的因素很多，主要的有：

流体的流速越高，给热系数越大；冷凝或汽化时，给热系数比一般的加热冷却要高得多；流体的粘度越大，给热系数就越小；液体的给热系数要远远大于气体的给热系数。

3．从公式中可见：

管壁越薄，则k值也越大，所以要采用导热系数较高的材料来做传热表面，如常用的钢管、铜管以及管外绕铝翅片等。

在运转中，管壁内外都会常常结垢，如水垢、油垢、结焦、泥砂等，这些污垢的导热系数很低，会大大降低换热器的传热系数，所以换热器必须用时清扫除垢，每次检修必须除得干净，才能保证长期高效运转。

增加流体在换热器内流速是可以大大提高其传热系数的，但也增加了通过换热器的压力降，增加了泵的能量消耗，所以有个最经济的适宜流速范围。

二、换热设备流体的流向对传热的影响

两流体的温度差是不能任意提高的，因为流体的温度是由工艺条件的需要规定的。

但换热器内两种液体的流动方向不同，换热器的平均温差就不同，如图2.4.9所示。

换热器内冷热两流体的流向相同的叫并流，流向相反的叫做逆流。

并流时，进口处温差最大，沿流向此温差慢慢变小，出口处变为最小。

逆流时，沿流向上各处的温差变化可以不很大，较为均匀。

由图可知，逆流时整个换热器的平均温差比并流时的为高，对传热有利。

而且并流时冷流出口温度永远小于热流出口温度，逆流时冷流出口温度可以高过热流的出口温度，应用就更为灵活有效。

真正的逆流只有在套管换热器、螺旋板式换热器、焊板式换热器内可以得到，在其它类型换热器中都是混流式，其平均温差介乎逆流与并流之间。

图2.4.9两种流向的温度变化

三、管壳式换热设备的型号及其含义

Ⅰ级换热器（或Ⅱ级换热器）

管/壳程数，单壳程时只写Nt

LN-公称长度（m），d-换热管外径

公称换热面积（㎡）

管/壳程设计压力（Mpa），压力相等时只写Pt

公称直径（mm），对于釜式重沸器用分数表示，分子为管箱内直径，分母为圆筒内直径。

第一字母代表前端管箱型式，

第二字母代表壳体型式，（见图2.4.10）

第三字母代表后端结构型式

图2.4.10主要部件的分类及代号

四、焊板式换热器

众所周知，板式换热器传热效率高、结构紧凑，但是由于其负荷小以及不适应高温高压而使其应用受到限制，而管壳式换热器虽然没有上述限制，但其传热效率又不高。

1980年，法国PACKINOX公司生产了第一台焊板式换热器，它把板式换热器优良的热力学性能与管壳式换热器机械性能有机地结合，取得了换热器领域的重大突破。

一台PACKINOX的焊板式换热器，它可以在相同的压降下，交换更多的热量，从而可以减小加热和冷却的负荷，或者在相同的热回收率下，降低压降等，从而解决了工艺过程中压缩机出入口压差大这个瓶颈问题。

焊板式换热器以其热回收率高、负荷大、压降低等优点，在炼油领域取得了广泛应用，特别是在大处理量、超低压连续催化重整装置上的应用，已占主导地位。

（1）板式换热器性能参数

壳程管程

温度℃489/10973/455

压力Mpa0.951.20

压力降Mpa

传热系数W/m2*℃

热负荷MW31.573

设计条件

温度℃525-275

压力Mpa1.4

介质H2＋HC

规格型号mmф2050＊8920

重量T43.518

材质

壳体1.25Cr—0.5Mo（A387Cr11）

板束SA240321

（2）板式换热器结构

PACKINOX焊板式换热器由不锈钢板束及外壳组成，所有的传热过程以纯逆流的方式在板束中进行，在外壳中充满氢气，没有液体流动，它只用以承受操作压力。

板束由一块块长方型的不锈钢板制成，板上经水下爆破后产生有规则的波纹，波纹板经焊接后，分成管程和壳程，形成板束，管程和壳程进出板束都有特制的管箱，将管程和壳程的液体分隔，两程流体在板与板之间进行传热。

结构示意如图2.4.11所示。

图2.4.11板式换热器结构示意图

应用于催化重整时，石脑油进料通过喷射棒，直接喷进板束的进料侧，以确保流体均匀布，并保证石脑油在低的操作压力下，高效地进入换热器板束。

波纹管可以有效在补偿不锈钢板束和低铬钼钢外壳的膨胀。

由于板束的光洁度非常好，设计和制造中不产生传热死角，而且即使在很低的雷诺系数下，流体因板束上有波纹而产生高度的湍流，因而板束的结垢现象几乎不存在，在很长时间内，其传热效果几乎保持不变。

（3）焊板式换热器优点

✧投资费用低

单台的焊板式换热器传热面积非常大（可达10000m2），可以大大降低占地用基建费用。

焊板式换热器还因其传热效率高，压降小，降低了加热炉用空冷的负荷，压缩机压比降低，其投资费用也降低，从而降低了总的投资费用。

✧操作经济

由于焊板式换热器板与板之间采用钨极惰性气体保护焊，板束的密封性能得以保证，同时，由于板与板的波峰与波峰之间的紧密接触，使得板与板之间相互支撑，同时板束还置于与操作压力相同的压力容器中，使得板与板之间的压差非常小，板承受的机械应力非常小，因而板与焊缝都不容易受到损害，保证换热器可靠运行，维护检修工作量也非常小。