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换热器
第五章换热设备
第一节 换热设备的类型及应用
一、换热设备的应用
化工生产中，绝大多数的工艺过程都有加热、冷却、汽化和冷凝的过程，这些过程总称为传热过程。
传热过程需要通过一定的设备来完成，这些使传热过程得以实现的设备称之为换热设备。
换热设备是非常重要且被广泛应用的化工工艺设备。
例如在日产千吨的合成氨厂中，各种传热设备约占全厂设备总台数的40％左右，在炼油厂中换热设备的投资占全部工艺设备总投资的35％-40％。
在化工生产中，传热设备有时还作为其他设备的一个组成部分出现，如蒸馏塔的再沸器、氨合成炉中的内部换热器等。
换热设备不仅应用在化工生产中，而且在轻工、动力、食品、冶金等行业也有广泛的应用。
二、换热设备的类型
1.按用途分类
化工生产中所用的各种换热设备按其功能和用途不同，可分为以下几种。
（1）冷却器。
用水或其他冷却介质冷却液体或气体。
用空气冷却或冷凝工艺介质的称为空冷器；用低温的致冷剂，如冷盐水、氨、氟里昂等作为冷却介质的称为低温冷却器。
（2）冷凝器。
冷凝蒸气，若蒸气经过时仅冷凝其中一部分，则称为部分冷凝器；如果全部冷凝为液体后又进—步冷却为过冷的液体，则称为冷凝冷却器；如果通入的蒸气温度高于饱和温度，则在冷凝之前，还经过一段冷却阶段，则称为冷却冷凝器。
（3）加热器。
用蒸汽或其他高温载热体来加热工艺介质，以提高其温度。
若将蒸气加热到饱和温度以上所用设备称过热器。
（4）换热器。
在两个不同工艺介质之间进行显热交换，即在冷流体被加热的同时，热流体被冷却。
（5）再沸器。
用蒸汽或其它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。
（6）蒸气发生器。
用燃料油或气的燃烧加热生产蒸气。
如果被加热汽化的是水，也叫蒸汽发生器，即锅炉；如果被加热的是其他液体物统称为气化器。
（7）废热（或余热）锅炉。
凡是利用生产过程中的废热（或余热）来产生蒸汽的设备统称为废热锅炉。
2.按换热方式分类
换热设备根据热量传递方法的不同，可以分为间壁式、直接接触式和蓄热式三大类。
（1）直接接触式换热器。
又称混合式，冷流体和热流体在进入换热器后直接接触传递热量。
这种方式对于工艺上允许两种流体可以混合的情况下，是比较方便而有效的，如凉水塔、喷射式冷凝器等。
（2）蓄热式换热器。
又称蓄热器，是一个充满蓄热体（如格子砖）的蓄热室，热容量很大。
温度不同的两种流体先后交替地通过蓄热室，高温流体将热量传给蓄热体，然后蓄热体又将这部分热量传给随后进入的低温流体，从而实现间接的传热过程。
这类换热器结构较为简单，可耐高温，常用于高温气体的冷却或废热回收，如回转式蓄热器。
（3）间壁式换热器。
温度不同的两种流体通过隔离流体的固体壁面进行热量传递，两流体之间因有器壁分开，故互不接触，这也是化工生产经常所要求的条件。
化工生产中应用最多的是各类间壁式换热器。
在间壁式换热器中，由于传热过程不同，操作条件、流体性质、间壁材料及制造加工等因素，决定了换热器的结构类型也是多种多样的。
根据间壁的形状，间壁式换热器大体上分为“管式”和“板面式”两大类。
如套管式、螺旋管式、管壳式都属于管式；板片式、螺旋板式、板壳式等都属于板面式。
各类换热器的特点及应用见表5-1。
三、换热设备性能对比及选择
1.换热器的基本要求
（1）热量能有效地从一种流体传递到另一种流体，即传热效率高，单位传热面上能传递的热量多。
在一定的热负荷下、即每小时要求传递热量一定时，传热效率（通常用传热系数表示）越高，需要的传热面积越小。
（2）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。
表5-1各类换热设备的应用
换热设备的分类
间壁式
管式
管
壳
式
固定管板式
刚性结构
用于管壳温差较小的情况（一般≤50℃），管间不能清洗
带膨胀节
有一定的温度补偿能力壳程只能承受较低压力
浮头式
管内外均能承受高压，可用于高温高压场合
U形管式
管内外均能承受高压，管内清洗及检修困难
填料
涵式
外填料函
管间容易漏泄不宜处理易挥发易爆、易燃及压力较高的介质
内填料函
密封性能差，只能用于压差较小的场合
釜式
壳体上部有个蒸发空间用于再沸、蒸煮
双套管式
结构较复杂，主要用于高温高压场合或固定床反应器中
套管式
能逆流操作，用于传热面较小的冷却器、冷凝器或预热器
蛇管式
沉浸式
主要用于管内流体的冷却、冷凝，或者管外流体的加热
喷淋式
只用于管内流体的冷却或冷凝
板面式
板式
拆洗方便，传热面能调整，主要用于粘性较大的液体间换热
螺旋板式
可进行严格的逆流操作，有自洁作用，可用作回收低温热能
板翅式
结构十分紧凑、传热效果很好，流体阻力大主要用于制氧
板壳式
板束类似于管束可抽出清洗检修，压力不能太高
直接接触式
适用于允许换热流体之间直接接触
蓄热式
换热过程分两段交替进行，适用于从高温炉气中回收热量的场合
（3）价格便宜，维护容易，使用时间长。
在化工生产中所使用的换热设备往往需要频繁的清洗和检修，停车的时间多，造成的经济损失有时会比换热器价格更大。
因此，如果换热器能够设计得合理，可以保证连续运转的时间长，同时能减少功率消耗，则换热器本身价格虽然略高一些，但总的经济核算也可能是有利的。
2.换热器性能对比及选择
换热设备的类型很多，各种形式都有它特定的应用范围。
在某一种场合下性能很好的换热器，如果换到另一种场合则可能传热效果和性能会有很大的改变。
选型时需要考虑的因素也是多方面的。
（1）流体的性质对换热器类型的选择上往往会产生重大影响，如流体的物理性质（比热、导热系数、粘度），化学性质（如腐蚀性、热敏性），结垢情况以及是否有磨蚀性颗粒等因素都对设备的选型有影响。
例如硝酸加热器，由于流体的强腐蚀性决定了设备的结构和材料。
如对于热敏性大的液体，能否精确控制它在加热过程中的温度和停留时间往往就成为选型的主要前提。
流体的洁净程度和是否易结垢，有时在选型上也起决定性的作用，如对于需要经常清洗换热面的物料就不能选用高效的板翅式或其他不可拆卸的结构。
（2）换热介质的流量、操作温度、压力等参数在选型时也很重要，例如板式换热器虽然高效紧凑，性能很好，但是由于受结构和垫片性能的限制，当压力或温度稍高时，或者流量很大时这种型式就不适用了。
（3）随着生产技术的发展，各种换热器的适用范围也在不断的发展。
如对于高温高压的换热过程，以前主要选用结构简单的蛇管或套管换热器。
但由于其流体处理量小，价格高，不能适应现代大型化装置的需要，因此随着结构材料和制造工艺的发展，正在把管壳换热器逐步推广到高温高压的场合下应用，目前国外这种换热器的最高使用压力为84MPa，温度达1000℃。
换热设备的选型在很大程度上取决于生产实践经验，各种换热器的性能比较见表5-2。
表5-2 各种换热器的性能
允许最大操作压力/MPa
允许最高操作温度
/℃
单位体积传热面/m2/m3
传热系数
W/（m2.K）
结构是否可靠
传热面是否便于调整
是否具有热补偿能力
清洗是否方便
检修是否方便
是否能用脆性材料制作
固定管板式
84
1000～1500
40～164
849～1698
○
×
×
△
×
×
U型管式
100
1000～1500
30～130
849～1698
○
×
○
△
×
△
浮头式
84
1000～1500
35～150
849～1698
△
×
○
○
○
△
板式
2.8
360
25～1500
6978
△
○
○
○
○
×
螺旋板式
4
1000
100
698～2908
○
×
○
×
×
△
板翅式
5
-269～500
250～4370
35～349（气，气）
△
×
○
×
×
×
套管
100
800
20
○
○
△
△
○
○
沉浸盘管
100
15
○
×
○
△
○
○
喷淋式
10
16
△
○
○
○
○
○
注：
○-好；△-尚可；×-不好
第二节 管壳式换热器
一、管壳式换热器的类型及特点
管壳式换热器也称列管式换热器，具有悠久的使用历史，虽然在传热效率、紧凑性及金属耗量等方面不如近年来出现的其他新型换热器；但其具有结构坚固、可承受较高的压力、制造工艺成熟、适应性强及选材范围广等优点，目前，仍是化工生产中应用最广泛的一种间壁式换热器，按其结构特点有如下几种形式。
1.固定管板式换热器
管壳式换热器主要是由壳体、管束、管板、管箱及折流板等组成，管束和管板是刚性连接在一起的。
所谓“固定管板”是指管板和壳体之间也是刚性连接在一起，相互之间无相对移动，具体结构如图5-1所示。
这种换热器结构简单、制造方便、造价较低；在相同直径的壳体内可排列较多的换热管，而且每根换热管都可单独进行更换和管内清洗；但管外壁清洗较困难。
当两种流体的温差较大时，会在壳壁和管壁中产生温差应力，一般当温差大于50℃时就应考虑在壳体上设置膨胀节以减小或消除温差应力。
固定管板式换热器适用于壳程流体清洁，不易结垢，管程常要清洗，冷热流体温差不太大的场合。
图5-1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
2.浮头式换热器
浮头式换热器的一端管板是固定的，与壳体刚性连接，另一端管板是活动的，与壳体之间并不相连，其结构如图5-2所示。
活动管板一侧总称为浮头，浮头的具体结构如图5-3所示。
浮头式换热器的管束可从壳体中抽出，故管外壁清洗方便，管束可在壳体中自由伸缩，所以无温差应力；但结构复杂、造价高，浮头处若密封不严会造成两种流体混合且不易察觉。
浮头式换热器适用于冷热流体温差较大，介质易结垢常需要清洗的场合。
在化工生产中使用的各类管壳式换热器中浮头式最多。
图5-2 浮头式换热器
1—防冲板；2—折流板；3—浮头管板；4—钩圈；5—支耳
图5-3浮头结构示意图
浮头式重沸器与浮头式换热器结构类似，见图5-4。
壳体内上部空间是供壳程流体蒸发用的，所以也可将其称为带蒸发空间的浮头式换热器。
图5-4 浮头式重沸器
1—偏心锥壳；2—堰板；3—液面计接口
3.U形管式换热器
U形管式换热器不同于固定管板式和浮头式，只有一块管板，换热管作成U字形、两端都固定在同一块管板上；管板和壳体之间通过螺栓固定在一起，其结构如图5-5所示。
这种换热器结构简单、造价低，管束可在壳体内自由伸缩，无温差应力，也可将管束抽出清洗且还节省了一块管板；但U形管管内清洗困难且管子更换也不方便，由于U形弯管半径不能太小，故与其他管壳式换热器相比布管较少，结构不够紧凑。
U形管式换热器适用于冷热流体温差较大、管内走清洁不结垢的高温、高压、腐蚀性较大的流体的场合。
图5-5 U形管式换热器
1—中间挡板；2—U形换热管；3—排气口；4—防冲板；5—分程隔板
4.填料函式换热器
填料函式换热器与浮头式很相似，只是浮动管板一端与壳体之间采用填料函密封，如图5-6所示。
这种换热器管束也可自由伸缩、无温差应力，具有浮头式的优点且结构简单、制造方便、易于检修清洗，特别是对腐蚀严重、温差较大而经常要更换管束的冷却器，采用
图5-6 填料函式换热器
1—纵向隔板；2—浮动管板；3—活套法兰；4—部分剪切环；5—填料压盖；6—填料；7—填料函
填料函式比浮头式和固定管板式更为优越；但由于填料密封性所限，不适用于壳程流体易挥发、易燃、易爆及有毒的情况。
目前所使用的填料函式换热器直径大多在700mm以下，大直径的用得很少，尤其在操作压力及温度较高的条件下采用更少。
二、管壳式换热器的结构
1.管壳式换热器流体的流程
管壳式换热器工作时，一种流体走管内、称为管程，另一种流体走管外（壳体内）、称为壳程。
管内流体从换热管一端流向另一端一次，称为一程；对U形管换热器，管内流体从换热管一端经过U形弯曲段流向另一端一次，称为两程。
两管程以上就需要在管板上设置分程隔板来实现分程，常用的是单管程、两管程和四管程。
分程布置见表5-3。
壳程有单壳程和双壳程两种，常用的是单壳程，壳程分程可通过在壳体中设置纵向挡板来实现。
表5-3管壳式换热器的分程
2.换热管及其在管板上的排列
换热管是壳式换热器的传热元件，它直接与两种介质接触。
常用换热管为：
碳钢、低合金钢管有ф19×2、ф25×2.5、ф38×3、ф57×3.5；不锈钢管有ф25×2、ф38×2.5。
采用小管径、布管数量多，单位体积的传热面积增大、金属耗量少，结构紧凑，传热效率也稍高一些；但制造较麻烦，且小直径管子易结垢，不易清洗。
所以一般对清洁流体用小直径的管子，粘性较大的或污浊的流体采用大直径的管子。
在相同传热面积下，换热管越长则壳体、封头的直径和壁厚就越小，经济性越好；但换热管过长，经济效果不再显著且清洗、运输、安装都不太方便。
换热管的长度规格有1.5、2.0、3.0、4.5、6.0、7.5、9.0、12.0m，化工生产中6m管长的换热器最常用。
换热器一般都用光管，为了强化传热，也可用螺纹管、带钉管及翅片管等。
换热管在管板上的排列形式有正三角形、转角正三角形、正方形和转角正方形等。
如图5-7所示。
三角形排列布管多，结构紧凑，但管外清洗不便；正方形排列便于管外清洗，但布管较少、结构不够紧凑。
一般在固定管板式换热器中多用三角形排列，浮头式换热器多用正方形排列。
图5-7 换热管的排列形式
3.管板和管子的连接
管板是换热器的主要部件之一，一般采用圆形平板，在板上开孔并装设换热管。
管板还起分隔管程和壳程空间、避免冷热流体混合的作用。
管板和管子的连接方式有胀接和焊接，对于高温高压下常采用胀、焊并用的方式。
胀接连接是利用管子与管板材料的硬度差，使管孔中的管子在胀管器的作用下直径变大并产生塑性变形，而管板只产生弹性变形，胀管后管板在弹性恢复力的作用下与管子外表紧紧贴合在一起，达到密封和紧固连接的目的，如图5-8所示。
由于胀接是靠管子的变形来达到密封和压紧的一种机械连接方法，当温度升高时，由于蠕变现象的作用可能引起接头脱落
图5-8胀管前后示意图
或松动，发生泄漏。
因此，胀接适用于换热管为碳钢，管板为碳钢或低合金钢，设计压力不超过4MPa、设计温度不超过350℃，且无特殊要求的场合。
焊接连接是将换热管的端部与管板焊在一起，工艺简单、不受管子和管板材料硬度的限制，且在高温高压下仍能保持良好的连接效果，所以对于碳钢或低合金钢，温度在300℃以上，大都采用焊接连接，如图5-9所示。
因为当温度在300℃以上时，蠕变造成胀接残余应力松弛，将使胀口失效。
目前广泛采用焊接加胀接。
这种方法能够提高接头的抗疲劳性能，并且能消除应力腐蚀和间隙腐蚀，从而延长接头的使用寿命。
图5-9管板与换热管的焊接连接
4.管箱
管箱位于壳体两端，其作用是控制及分配管程流体。
管箱的结构如图5-10所示，其中（a）图适用于较清洁的介质，因检查管子及清洗时只能将管箱整体卸下，故不够方便；（b）图在管箱上装有平盖，只要拆下平盖即可进行清洗和检查，所以工程应用较多，但材料用量较大；（c）图是将管箱与管板焊成整体，这种结构密封性好，但管箱不能单拆下，检修、清洗都不方便，实际应用较少。
管箱的结构、密封形式、法兰连接和管箱上开孔等都是设计时应多加考虑的问题。
这些部件的好坏，直接影响换热器的效率。
在高压下，应尽量减小各种开口尺寸，以便采用较小尺寸的法兰连接。
在高温下，还应尽可能地减少法兰连接。
因为在高温下，特别是当温度超过500℃时，材料的强度便急剧下降，结果会使连接的法兰和螺栓都要设计得十分粗大。
图5-10 管箱结构形式
1—隔板；2—管板；3—箱盖
5.壳体及其与管板的连接
管壳式换热器的壳体大多是一个圆筒形状的容器，器壁上焊有接管，供壳程流体进入和排出之用。
直径小于400mm的壳体，通常用钢管制成，大于400mm时都用钢板卷焊而成。
在壳程进口接管处常装有防冲板或称缓冲板，以防止进口流体直接撞击管束上部的管排。
这种撞击会侵蚀管子，并且会引起振动。
图5-11所示为两种进口接管和防冲板的布置。
不同类型的换热器其壳体与管板的连接方式不同，如图5-12所示。
在固定管板式中，两端管板均与壳体采用焊接连接、且管板兼作法兰用，在浮头式、U形管式及填料函式换热器中采用可拆连接，将管板夹持在壳体法兰和管箱法兰之间，这样便于管束从壳体中抽出进行清洗和维修。
图5-11 进口接管及防冲板的布置
图5-12 管板与壳体连接结构
6．折流板
折流板的作用是引导壳程流体反复地改变方向作错流流动或其他形式的流动，并可调节折流板间距以获得适宜流速，提高传热效率。
另外，折流板还可起到支撑管束的作用。
常用折流板有弓形和圆盘-圆环形两种，如图5-13、图5-14所示。
弓形的有单弓形、双弓形及三弓形，单弓形和双弓形应用最多。
弓形缺口的高度应使流体通过时的流速与横向流过管束时的流速相当，一般取缺口高度h为壳体直径的0.2～0.45倍。
当卧式换热器的壳程为单相清洁流体时，折流板缺口应水平上下布置。
若气体中含有少量液体时，则应在缺口朝上的折流板的最低处开通液口；若液体中含有少量气体时，则应在缺口朝下的折流板最高处开通气口。
当壳程为气、液共存或液体中含有固体物料时，折流板缺口应垂直左右布置，并在折流板最低处开通气口，如图5-15所示。
折流板的最小间距应不小于圆筒内径的1/5，且不小于50mm。
最大间距应不大于圆筒内直径。
图5-13 弓形折流板
图5-14圆盘-圆环形折流板
图5-15 折流板缺口尺寸
从传热观点看，有些换热器不需要设置折流板。
但是为了增加换热管刚度，防止管子振动，通常也设置一定数量的支持板（按折流板一样处理）。
折流板的固定是通过拉杆和定距管来实现的。
拉杆和定距管的连接如图5-16所示。
拉杆是一根两端皆带有螺纹的长杆，一端拧入管板。
折流板穿在拉杆上，各板之间则以套在拉杆上的定距管来保持板间距离。
最后一块折流板可用螺母拧在拉杆上予以紧固。
也有采用螺纹与焊接相结合连接或全焊接连接的。
各种尺寸换热器的拉杆直径和拉杆数量分别见有关设计手册中的规定。
但其直径不得小于10mm，数量不少于4根。
图5-16 拉杆结构
三、管壳式换热器的标准
管壳式换热有国家标准，也有行业标准。
GB151—1999《管壳式换热器》是由国家技术监督局发布的关于管壳式换热器的国家标准。
该标准是管壳式换热器设计和制造的主要依据。
在GBl51的基础上，当时的机械电子工业部、化学工业部、劳动部及中国石化总公司联合发布了管壳式换热器的行业标准，标准代号为JB／T4714～4720－92，这批标准对浮头式换热器和冷凝器、固定管板式换热器、立式热虹吸式重沸器及U形管式换热器的具体结构形式、基本参数及其组合都作了具体的规定（定型）。
兰州石油机械研究所、中石化总公司北京设计院和中石化总公司洛阳石化工程公司还联合制定了浮头式换热器、冷凝器及U形管式换热器的系列规格、施工设计原则和细则，并编制了系列施工图计算机绘图软件和施工图。
以上诸项标准形成了较为完善的管壳式换热器的标准体系。
管壳式换热器的管束分为Ⅰ级和Ⅱ级。
Ⅰ级管束采用较高级冷拔换热管，适用于无相变传热和易产生振动的场合；Ⅱ级管束采用普通级冷拔换热管，适用于重沸、冷凝传热和无振动的一般场合。
换热器的型号按如下方式表示。
xxx DN—
—A—
— Ⅰ或Ⅱ
换热器类型标记示例：
平盖管箱，公称直径500mm，管程和壳程设计压力均为1.6MPa，公称换热面积54m2，较高级冷拔换热管，外径25mm、管长6m，4管程单壳程的浮头式换热器，标记为
AES500—1.6—54－6／25－4Ⅰ
封头管箱，公称直径700mm，管程设计压力2.5MPa，壳程设计压力1.6MPa，公称换热面积200m2，较高级冷拔换热管，外径25mm、管长9m，4管程单壳程的固定管板式换热器，标记为
BEM700-2.5／1.6-200-9/25-4I
第三节其他类型换热设备简介
一、板面式换热器
1．螺旋板式换热器
螺旋板式换热器和管壳式换热器比较，具有结构紧凑、不用管材、传热系数大、可完全逆流操作、在较小温差下传热、有自身冲刷防污垢沉积等优点。
但另一方面，它的阻力比较大，检修和清洗比较困难，操作的压力和尺寸大小上也还受到一定的限制。
常见的直径为0.5～1.5m，板高为0.2～1.5m，板厚为2～4mm，板间距为5～25mm，常用材料为不锈钢和碳钢。
螺旋板换热器的结构是由两张平行的钢板在专用的卷床上卷制而成，它是具有一对螺旋通道的圆柱体，再加上顶盖和进出口接管而构成的。
如图5-17所示，两种介质分别在两个螺旋通道内作逆向流动，一种介质由一个螺旋通道的中心部分流向周边，而另一种介质则由另一个螺旋通道的周边进入，流向中心再排出，这样就形成完全逆流的操作。
根据使用的条件，螺旋本体的两个端面可以全部焊死，通常称为Ⅰ型，由于两个通道的两个端面均焊死，其缺点是不能进行机械清洗或检修。
如果将两个螺旋通道的一个端面交错地焊死，则两个通道均可进行清洗。
但由于各有一端是敞开的，所以两端面需要加上可以拆卸的顶盖密封，这称为Ⅱ型。
也有将螺旋体的一端全部焊死，而另一端有一个通道也是焊死的，仅留另一通道的端面是敞开的，可以清洗，即Ⅰ和Ⅱ两种结构的混合型，详见图5-18。
还有一种Ⅲ型的结构，如图5-19，只有一种介质是沿螺旋通道由中心流向周边，而另一介质是作轴向流动。
Ⅲ型通常用作蒸馏塔顶的冷凝器，也即蒸汽走轴向，而冷却介质则沿螺旋通道流动。
图5-17螺旋板换热器示意图
图5-18螺旋板换热器结构形式 图5-19 Ⅲ型螺旋板换热器
为了保证两个螺旋通道的间隙维持一定，在螺旋通道内还有许多定距柱，它们是事先焊在待卷的钢板上，通常作正三角形排列。
定距柱不仅能保证螺旋通道间隙一定，而且还承受操作压力，并在强化传热方面起着明显的作用，当然，也增加了通道中的流体阻力。
2．板式换热器
板式换热器是由一组长方形的薄金属传热板片构成，用框架将板片夹紧组装于支架上。
两个相邻板片的边缘衬以垫片
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