1、換熱器特性與用途及優(yōu)缺點(diǎn)評(píng)析換熱器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(yǔ)翻譯：heat exchanger換熱器是實(shí)現(xiàn)化工生產(chǎn)過(guò)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(lèi)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管殼式換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

2、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(diǎn)，用鈦、鉭、鋯等稀有金屬制成的換熱器價(jià)格過(guò)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。換熱器在石油、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(guò)程均和熱量傳遞有著密切聯(lián)系，因而均可以通過(guò)換熱器來(lái)完成。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展， 各種不同型式和種類(lèi)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(guó)對(duì)某些種類(lèi)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(jì)或選型時(shí)應(yīng)滿足以下基本要求：（ 1） 合理地實(shí)現(xiàn)

3、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(dòng)， 殼體和管束對(duì)膨脹是自由的， 故當(dāng)兩張介質(zhì)的溫差較大時(shí)， 管束和殼體之間不產(chǎn)生溫差應(yīng)力。 浮頭端設(shè)計(jì)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(jì)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(dòng)端小蓋在操作時(shí)無(wú)法知道泄露情況。 因此在安裝時(shí)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(jì)成各種形式， 除必須考慮管束能在設(shè)備內(nèi)自由移動(dòng)外，還必須考慮到浮頭部分的檢修、安裝和

4、清洗的方便。在設(shè)計(jì)時(shí)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=35mm。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(jì)中應(yīng)考慮保證浮頭蓋在裝配時(shí)的必要空間。鉤圈對(duì)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(jì)、制造技術(shù)的發(fā)展， 以及長(zhǎng)期以來(lái)使用經(jīng)驗(yàn)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(duì)開(kāi)式結(jié)構(gòu)，要求密封可靠，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(zhǎng)期使用過(guò)程中積累了

5、豐富的經(jīng)驗(yàn)。盡管近年來(lái)受到不斷涌現(xiàn)的新型換熱器的挑戰(zhàn)， 但反過(guò)來(lái)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(duì)傳熱有很大影響。采用小直徑的管子時(shí)，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(lái)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(jì)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

6、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(chǎng)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(chǎng)合。另外對(duì)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(shí)， 都必須在管束周?chē)墓慰臻g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(lái)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

7、，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(shí)， 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(guò)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(zhǎng)時(shí)，就得增大殼體直徑，以排列較多的管子。此時(shí)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(guò)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(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：（ 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

8、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(chǎng)合；（ 5）可用于管程易腐蝕場(chǎng)合。缺點(diǎn)：（ 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(hào)， 進(jìn)行材料的化學(xué)成分檢驗(yàn)， 機(jī)械性能合格后， 對(duì)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(duì)焊接焊接質(zhì)量檢驗(yàn)組裝焊接壓力試驗(yàn)質(zhì)量檢驗(yàn)化工設(shè)備不僅在制造之前對(duì)原材料進(jìn)行檢驗(yàn)，而且在制造過(guò)程中要隨時(shí)進(jìn)行檢查。質(zhì)量檢驗(yàn)內(nèi)容和方法：設(shè)備制造過(guò)程中的檢驗(yàn)，包括原材料的檢驗(yàn)、 工序間的檢驗(yàn)及壓力試驗(yàn)，具體內(nèi)容如下：（

9、1）原材料和設(shè)備零件尺寸和幾何形狀的檢驗(yàn)；（ 2）原材料和焊縫的化學(xué)成分分析、力學(xué)性能分析試驗(yàn)、金相組織檢驗(yàn)，總稱為破壞試驗(yàn)；（ 3）原材料和焊縫內(nèi)部缺陷的檢驗(yàn)，其檢驗(yàn)方法是無(wú)損檢測(cè)，它包括：射線檢測(cè)、超聲波檢測(cè)、磁粉檢測(cè)、滲透檢測(cè)等；（ 4）設(shè)備試壓，包括：水壓試驗(yàn)、介質(zhì)試驗(yàn)、氣密試驗(yàn)等。耐壓試驗(yàn)和氣密性試驗(yàn)：制造完工的換熱器應(yīng)對(duì)換熱器管板的連接接頭， 管程和殼程進(jìn)行耐壓試驗(yàn)或增加氣密性試驗(yàn)， 耐壓試驗(yàn)包括水壓試驗(yàn)和氣壓試驗(yàn)。 換熱器一般進(jìn)行水壓試驗(yàn)， 但由于結(jié)構(gòu)或支撐原因，不能充灌液體或運(yùn)行條件不允許殘留試驗(yàn)液體時(shí)，可采用氣壓試驗(yàn)。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

10、泄漏時(shí)， 必須增加氣密性試驗(yàn)。換熱器壓力試驗(yàn)的順序如下：固定管板換熱器先進(jìn)行殼程試壓，同時(shí)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(yàn)壓環(huán)進(jìn)行殼程試壓，同時(shí)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(yàn)壓環(huán)和浮頭專用工具進(jìn)行管頭試壓，對(duì)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(tái)進(jìn)行， 當(dāng)各臺(tái)換熱器程間連通時(shí)， 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(guò)大的變形傳到傳熱器的接管上。 基

11、礎(chǔ)一般分為兩種： 一種為磚砌的鞍形基礎(chǔ)， 換熱器上沒(méi)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(dòng)。 另一種為混凝土基礎(chǔ)，換熱器通過(guò)鞍式支座由地腳螺栓將其與基礎(chǔ)牢固的連接起來(lái)。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(yàn)收工作，主要項(xiàng)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(shí)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?；A(chǔ)驗(yàn)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(jì)的

12、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(guò)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(kāi)口墊鐵。其中，斜墊鐵必須成對(duì)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(duì)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(gè)以上重疊式換熱器安裝時(shí)，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(shí)應(yīng)注意保護(hù)密封面和折流板。 移動(dòng)和起吊管束時(shí)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。

13、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(lái)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(shí)。兩端都可以對(duì)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(duì)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(guò)銘牌規(guī)定的條件下運(yùn)行。應(yīng)經(jīng)常對(duì)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

14、卻、 冷凝、加熱及蒸發(fā)等過(guò)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(xiǎn)性很高， 因此對(duì)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(lái)加熱或用水來(lái)冷卻時(shí)， 水中的溶解物在加熱后，大部分溶解度都會(huì)有所提高，而硫酸鈣類(lèi)型的物質(zhì)則幾乎沒(méi)有變化。冷卻水經(jīng)常循環(huán)使用，由于水的蒸發(fā)， 使鹽類(lèi)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(guò)清洗來(lái)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(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)， 應(yīng)根據(jù)

15、生產(chǎn)裝置的特點(diǎn)， 換熱介質(zhì)的性質(zhì)， 腐蝕速度及運(yùn)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(dòng)力和原子能等工業(yè)部門(mén)。它的主要功能是保證工藝過(guò)程對(duì)介質(zhì)所要求的特定溫度， 同時(shí)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(dú)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(jiǎn)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

16、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(zhǎng)期以來(lái)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(guó)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(dòng)機(jī)的散熱。 30 年代末，瑞典又制造出第一臺(tái)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(wèn)題，人們對(duì)新型材料制成的換熱器開(kāi)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

17、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(dòng)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(kāi)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(lèi)。混合式換熱器是通過(guò)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(shí)分離， 這類(lèi)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，

18、 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，被加熱，然后依靠?jī)闪黧w本身的密度差得以及時(shí)分離。熱水被冷卻， 冷空氣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(lèi)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(lèi)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(kāi)， 并通過(guò)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(lèi)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

19、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(jì)的換熱器，如刮面式換熱器、轉(zhuǎn)盤(pán)式換熱器和空氣冷卻器等。換熱器中流體的相對(duì)流向一般有順流和逆流兩種。順流時(shí)，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(shí)， 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(wú)相變時(shí)，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(shí)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(fèi)， 后者可節(jié)省操作費(fèi)，故在設(shè)計(jì)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(shí)，由于相變時(shí)只放出或吸收汽化潛熱， 流體本身的溫度并無(wú)變化， 因此流體的進(jìn)出口溫度相等， 這時(shí)兩流體的溫差就與流體的流向選擇無(wú)關(guān)了。除順流和逆流這兩種流向外，還有錯(cuò)流和折流等流向。在傳熱過(guò)程中， 降低間壁式換熱器中的熱阻，主要來(lái)源于間壁兩側(cè)粘滯于傳熱面上的流體薄層成的污垢層，金屬壁的熱阻相對(duì)較小。以提高傳熱系數(shù)是一個(gè)重要的問(wèn)題