1、中原石油化工有限責(zé)任公司秦玉軍 李民 白小斌 換熱器換熱器中國石化靜設(shè)備競賽學(xué)習(xí)課件中國石化靜設(shè)備競賽學(xué)習(xí)課件說明 課件針對靜設(shè)備競賽內(nèi)容，按照秦專家要求以使用，維護(hù)為主，理論方面，有教材后自學(xué)。 由于本編寫小組經(jīng)驗和基礎(chǔ)知識有限，不免會出現(xiàn)錯誤和疏漏之處，歡迎各位專家批評指正。乙烯，MTO,丁烯車間工況復(fù)雜換熱器種類多。希望就各自經(jīng)驗互相討論。換熱器換熱器一、概述一、概述 在煉油、化工生產(chǎn)中，絕大多數(shù)的工藝過程都有加熱、冷卻和冷凝的過程，這些過程總稱為換熱過程。傳熱過程的進(jìn)行需要一定的設(shè)備來完成，這些使傳熱過程得以實現(xiàn)的設(shè)備就稱之為換熱設(shè)備。據(jù)統(tǒng)計，在煉油廠中換熱設(shè)備的投資占全部工藝設(shè)備總投

2、資的3540,因為絕大部分的化學(xué)反應(yīng)或傳質(zhì)傳熱過程都與熱量的變化密切相關(guān)，如反應(yīng)過程中，有的要放熱，有的要吸熱，要維持反應(yīng)的連續(xù)進(jìn)行，就必須排除多余的熱量或補(bǔ)充所需的熱量；工藝過程中某些廢熱或余熱也需要加以回收利用，以降低成本。另外，生產(chǎn)所得的油品或化工產(chǎn)品，需要將其冷卻或冷凝，以便儲存和運輸。以上這些與熱量有關(guān)的過程都需要使用換熱設(shè)備。使用換熱設(shè)備是為了達(dá)到加熱或冷卻的目的，如果將那些需要加熱的流體與需要冷卻的流體，經(jīng)過換熱設(shè)備相互換熱，既可回收熱量，又可降低冷卻水的消耗。綜上所述，換熱設(shè)備是煉油、化工生產(chǎn)中不可缺少的重要設(shè)備。換熱設(shè)備在動力、原子能、冶金及食品等其他工業(yè)部門也有著廣泛的應(yīng)用

3、。 二、比較換熱設(shè)備的指標(biāo)二、比較換熱設(shè)備的指標(biāo) 效率要高。效率高就要求其傳熱系數(shù)大，傳熱系數(shù)是指在單位時間內(nèi)、單位面積上溫度每變化一度所傳遞的熱量。結(jié)構(gòu)緊湊。要使換熱設(shè)備的結(jié)構(gòu)緊湊就要求其比表面積大，比表面積是指單位體積的換熱設(shè)備所具有的傳熱面積，即傳熱面積與換熱設(shè)備體積之比。節(jié)省材料。要做到此點要求其比重量要小，所謂比重量是指單位傳熱面積所耗用的金屬量，即換熱設(shè)備總金屬用量與傳熱面積之比。壓力降要小。流體在設(shè)備中流動阻力小、壓力損失就小，節(jié)省動力、操作成本降低。要求結(jié)構(gòu)可靠、制造成本低，便于安裝、檢修、使用周期長。1.由于要全面滿足上述要求是非常困難的，因而產(chǎn)生了各種各樣的換熱器，以適應(yīng)各

4、種特定的工藝條件。三、 傳熱過程中基本問題與傳熱機(jī)理傳熱過程中的基本問題可以歸結(jié)為：1、 載熱體用量計算2、 傳熱面積計算3、 換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計4、 提高換熱器生產(chǎn)能力的途徑。解決這些問題，主要依靠兩個基本關(guān)系。（1） 熱量衡算式 根據(jù)能量守恒的概念，若忽略操作過程中的熱量損失，則熱流體放出的熱量等于冷流體取得的熱量。即Q熱=Q冷， 稱為熱量衡算式。由這個關(guān)系式可以算得載熱體的用量。（2） 傳熱速率式 換熱器在單位時間內(nèi)所能交換的熱量稱為傳熱速率，以Q表示，其單位W。實踐證明，傳熱速率的數(shù)值與熱流體和冷流體之間的溫度差tm及傳熱面積S成正比，即：Q=KStm (3-1)S=nd L (3-2)

5、式 中：Q傳熱速率，W；S傳熱面積，m2；tm溫度差，0C；K 傳熱系數(shù)，它表明了傳熱設(shè)備性能的好壞，受換熱器的結(jié)構(gòu)性能、流體流動情況、流體的物牲等因素的影響，W/m2 ；n 管數(shù)；d 管徑，m；L 管長，m。定義：是實現(xiàn)將熱能從一種流體轉(zhuǎn)至另一種流體的設(shè)備，是許多工業(yè)部門的通用設(shè)備。四、換熱器的分類四、換熱器的分類 1.換熱器的分類（1）換熱器的種類很多，就換熱原理來分，可以分為三大類 間壁式換熱器：冷、熱流體被固體傳熱表面隔開，而熱量的傳遞通過固體傳遞面而進(jìn)行。 直接接觸式換熱器：冷、熱流體直接接觸進(jìn)行熱量交換。 蓄熱式換熱器：冷、熱流體交替通過傳熱表面，冷流體通過時貯存冷量，熱流體通過時

6、取走冷量。T t 間壁式 t T 直接接觸式 熱流體 蓄熱式 （2）按工藝功能分類 （1）冷卻器：冷卻工藝物流的設(shè)備。冷卻劑有水、氨、氟利昂等。 （2）加熱器：加熱工藝物流的設(shè)備。加熱介質(zhì)有水蒸汽、導(dǎo)熱油、熔鹽等。 （3）再沸器：用于蒸發(fā)蒸餾塔底部的物料設(shè)備；分熱吸式和動力循環(huán)式再沸器。 （4）冷凝器：蒸餾塔頂物流的冷凝或者反應(yīng)器冷凝循環(huán)回流的設(shè)備。 （5）蒸發(fā)器：專門用于蒸發(fā)溶液中水分或者溶劑的設(shè)備。 （6）過熱器：對飽和蒸汽再加熱升溫的設(shè)備。 （7）廢熱鍋爐：由工藝的高溫物流或者廢氣中回收其熱量而產(chǎn)生蒸汽的設(shè)備。 （8）換熱器：兩種不同溫位的工藝物流相互進(jìn)行熱交換能量的設(shè)備。二、間壁式換熱

7、器的類型間壁式換熱器間壁式換熱器管式換熱器管式換熱器板式換熱器板式換熱器翹片式換熱器翹片式換熱器沉浸式蛇管換熱器沉浸式蛇管換熱器噴淋式換熱器噴淋式換熱器套管換熱器套管換熱器列管式換熱器列管式換熱器固定管板式固定管板式U型管型管浮頭式浮頭式填料函式填料函式平板式換熱器平板式換熱器螺旋板式換熱器螺旋板式換熱器夾套式換熱器夾套式換熱器板翹式換熱器板翹式換熱器翹片管換熱器翹片管換熱器(一一) 管式換熱器管式換熱器 管式換熱器雖然在換熱效率、結(jié)構(gòu)緊湊性和單位傳熱面積的金屬消耗量等方面都不如其它新型換熱器，但它具有結(jié)構(gòu)堅固、可靠、適應(yīng)性強(qiáng)、易于制造、能承受較高的操作壓力和溫度等優(yōu)點。在高溫、高壓和大型換熱

8、器中，管式換熱器仍占絕對優(yōu)勢，是目前使用最廣泛的一類換熱器。 1、蛇管式換熱器、蛇管式換熱器 蛇管式換熱器是由金屬或非金屬管子，按需要彎曲蛇管式換熱器是由金屬或非金屬管子，按需要彎曲成所需的形狀，如圓形、螺旋形和長的蛇形管。它是最成所需的形狀，如圓形、螺旋形和長的蛇形管。它是最早出現(xiàn)的一種換熱設(shè)備，具有結(jié)構(gòu)簡單和操作方便等優(yōu)早出現(xiàn)的一種換熱設(shè)備，具有結(jié)構(gòu)簡單和操作方便等優(yōu)點。根據(jù)管外流體點。根據(jù)管外流體冷卻方式冷卻方式的不同，蛇管式換熱器又分的不同，蛇管式換熱器又分為沉浸式和噴淋式。為沉浸式和噴淋式。 （1）沉浸式蛇管換熱器）沉浸式蛇管換熱器沉浸式蛇管換熱器沉浸式蛇管換熱器 沉浸式蛇管式換熱器

9、沉浸式蛇管式換熱器蛇管沉浸在盛有流體的容器內(nèi)，一種流體在容器中流動，另一種流體在蛇管內(nèi)流動，兩者通過蛇管壁進(jìn)行換熱蛇管多以金屬管子彎繞而成，或由彎頭、管件和直管連接組成，也可制成適合不同設(shè)備形狀要求的蛇管。使用時沉浸在盛有被加熱或被冷卻介質(zhì)的容器中，兩種流體分別在管內(nèi)、外進(jìn)行換熱。優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，造價低廉，操作敏感性較小，管子可承受較大的流體介質(zhì)壓力。但是，由于管外流體的了流速很小，因而傳熱系數(shù)小，傳熱效率低，需要的傳熱面積大，設(shè)備顯得笨重。沉浸式蛇管換熱器常用于高壓流體的冷卻，以及反應(yīng)器的傳熱元件。 缺點：管外流體的流速小，傳熱系數(shù)小，傳熱效率低，需要的傳熱面積使用：沉浸在盛有被加熱或被冷卻

10、介質(zhì)容器中，兩種流體分別在管內(nèi)、外進(jìn)行換熱。(2)噴淋蛇管式換熱器噴淋蛇管式換熱器噴淋蛇管式換熱器噴淋蛇管式換熱器 將蛇管成排的固定在鋼架上，被冷卻的流體在管內(nèi)流動，冷卻水由管排上方的噴淋裝置均勻淋下。與沉浸式相比較，噴淋式蛇管換熱器主要優(yōu)點是管外流體的傳熱系數(shù)大，且便于檢修和清洗。其缺點是體積龐大，冷卻水用量較大，有時噴淋效果不夠理想。 優(yōu)點：與沉浸式相比，該換熱器便于檢修和清洗。管外流體的傳熱系數(shù)大，且便于檢修和清洗。 缺點：是占地較大，水滴濺灑到周圍環(huán)境，且噴淋不易均勻。冷卻水用量較大，有時噴淋效果不夠理想。冷溶液進(jìn) 冷溶液出 熱溶液進(jìn)2.套管式換熱器套管式換熱器原理套管式換熱器原理 以

11、同心套管中的內(nèi)管作為傳熱元件的換熱器。兩種不同直徑的管子套在一起組成同心套管，每一段套管稱為“一程”，程的內(nèi)管（傳熱管）借U形肘管，而外管用短管依次連接成排，固定于支架上。熱量通過內(nèi)管管壁由一種流體傳遞給另一種流體。通常，熱流體（A流體）由上部引入,而冷流體（B流體）則由下部引入。套管中外管的兩端與內(nèi)管用焊接或法蘭連接。內(nèi)管與U形肘管多用法蘭連接,便于傳熱管的清洗和增減。每程傳熱管的有效長度取47米。這種換熱器傳熱面積最高達(dá)18平方米，故適用于小容量換熱。當(dāng)內(nèi)外管壁溫差較大時,可在外管設(shè)置U形膨脹節(jié)或內(nèi)外管間采用填料函滑動密封，以減小溫差應(yīng)力。管子可用鋼、鑄鐵、陶瓷和玻璃等制成，若選材得當(dāng)，它

12、可用于腐蝕性介質(zhì)的換熱。 套管式換熱器的特點優(yōu)點優(yōu)點結(jié)構(gòu)簡單，可利用標(biāo)準(zhǔn)管件。結(jié)構(gòu)簡單，可利用標(biāo)準(zhǔn)管件。兩種流體都可在較高溫度和兩種流體都可在較高溫度和壓力下?lián)Q熱，傳熱系數(shù)大。壓力下?lián)Q熱，傳熱系數(shù)大。傳熱面積可根據(jù)需要增減。傳熱面積可根據(jù)需要增減。缺點缺點單位換熱面積金屬耗量大，單位換熱面積金屬耗量大，價格較高。價格較高。檢修、清洗不便。檢修、清洗不便。3.管殼式換熱器管殼式換熱器(列管式換熱器)圓盤圓盤- -圓環(huán)形折流板圓環(huán)形折流板管殼式換熱器管殼式換熱器是目前用得最為廣泛的一種換熱器，主要是由殼體、傳熱管束、管板、折流板和管箱等部件組成，殼體多為圓筒形，內(nèi)部放置了由許多管子組成的管束，管子

13、的兩端固定在管板上，管子的軸線與殼體的軸線平行。進(jìn)行換熱的冷熱兩種流體，一種在管內(nèi)流動，稱為管程流體;另一種在管外流動，稱為殼程流體。為了增加殼程流體的速度以改善傳熱，在殼體內(nèi)安裝了折流板。折流板可以提高殼程流體速度，迫使流體按規(guī)定路程多次橫向通過管束，增強(qiáng)流體湍流程度。 流體每通過管束一次稱為一個管程；每通過殼體一次稱為一個殼程。圖示為最簡單的單殼程單管程換熱器,簡稱為1-1型換熱器。為提高管內(nèi)流體速度,可在兩端管箱內(nèi)設(shè)置隔板，將全部管子均分成若干組。這樣流體每次只通過部分管子，因而在管束中往返多次，這稱為多管程。同樣，為提高管外流速，也可在殼體內(nèi)安裝縱向擋板，迫使流體多次通過殼體空間，稱為

14、多殼程。多管程與多殼程可配合應(yīng)用。 優(yōu)點優(yōu)點結(jié)構(gòu)堅固，對壓力和溫度的結(jié)構(gòu)堅固，對壓力和溫度的適用范圍大。適用范圍大。管內(nèi)清洗方便，清潔流體宜管內(nèi)清洗方便，清潔流體宜走殼程。走殼程。處理量大。處理量大。缺點缺點傳熱效率、結(jié)構(gòu)緊湊性、傳熱效率、結(jié)構(gòu)緊湊性、單位換熱面積的金屬耗單位換熱面積的金屬耗量等不如新型換熱器。量等不如新型換熱器。管殼式換熱器管殼式換熱器管殼式換熱器的類型管殼式換熱器的類型 由于管內(nèi)外流體的溫度不同，因之換熱器的殼體與管束的溫度也不同。如果兩溫度相差很大，換熱器內(nèi)將產(chǎn)生很大熱應(yīng)力，導(dǎo)致管子彎曲、斷裂，或從管板上拉脫。因此，當(dāng)管束與殼體溫度差超過50時，需采取適當(dāng)補(bǔ)償措施，以消除

15、或減少熱應(yīng)力。根據(jù)所采用的補(bǔ)償措施，管殼式換熱器可分為以下幾種主要類型： (1)固定管板式換熱器固定管板式換熱器; ; （2)浮頭式換熱器浮頭式換熱器; ; （3)U U形管式換熱器形管式換熱器; ; （4)填料函式換熱器填料函式換熱器; ; (1)固定管板式換熱器固定管板式換熱器固定管板式換熱器固定管板式換熱器1封頭；2法蘭；3排氣口；4殼體；5換熱管；6波形膨脹節(jié)；7折流板（或支持板）；8防沖板；9殼程接管；10管板；11管程接管；12隔板；13封頭；14管箱；15排液口；16定距管；17拉桿；18支座；19墊片；20、21螺栓、螺母 固定管板式換熱器固定管板式換熱器 固定管板式換熱器 管

16、束兩端的管板與殼體聯(lián)成一體，結(jié)構(gòu)簡單,但只適用于冷熱流體溫度差不大,且殼程不需機(jī)械清洗時的換熱操作。當(dāng)溫度差稍大而殼程壓力又不太高時，可在殼體上安裝有彈性的補(bǔ)償圈，以減小熱應(yīng)力。 優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、能承受較高的壓力，造價低，管程清洗方便，管子損壞時易于堵管或更換。 缺點：當(dāng)管束與殼體的壁溫或材料的線膨脹系數(shù)相差較大時，殼體和管束中將產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力。固定管板式換熱器 應(yīng)用：這種換熱器適用于殼側(cè)介質(zhì)清潔且不易結(jié)垢并能進(jìn)行清洗，管、殼程兩側(cè)溫差不大或溫差較大但殼側(cè)壓力不高的場合。為減少熱應(yīng)力，通常在固定管板式換熱器中設(shè)置柔性元件伯膨脹節(jié)、撓性管板等人來吸收熱膨脹差。 補(bǔ)償方式：補(bǔ)償圈(或稱膨脹

17、節(jié)) 這種補(bǔ)償方法簡單，但不宜用于兩流體的溫度差太大(應(yīng)不大于70)和殼程壓力大于膨脹節(jié)所能承受的壓力通常最大約1700kPa250psi，則有必要采用浮頭或U型管束， 在固定管板式中，兩端管板均與殼體采用焊接連接、且在固定管板式中，兩端管板均與殼體采用焊接連接、且管板兼作法蘭用，在浮頭式、管板兼作法蘭用，在浮頭式、U U形管式及填料函式換熱器中形管式及填料函式換熱器中采用可拆連接，將管板夾持在殼體法蘭和管箱法蘭之間。采用可拆連接，將管板夾持在殼體法蘭和管箱法蘭之間。管板與殼體連接結(jié)構(gòu)管板與殼體連接結(jié)構(gòu) （2） 浮頭式換熱器浮頭式換熱器浮頭式換熱器浮頭式換熱器1防沖板；2折流板；3浮頭管板；4

18、鉤圈；5支耳 浮頭式換熱器 浮頭式換熱器 管束一端的管板可自由浮動，完全消除了熱應(yīng)力;且整個管束可從殼體中抽出,便于機(jī)械清洗和檢修。浮頭式換熱器的應(yīng)用較廣。 優(yōu)點：管間和管內(nèi)清洗方便，不會產(chǎn)生熱應(yīng)力； 缺點：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價比固定管板式換熱器高，設(shè)備笨重，材料消耗量大，且浮頭小蓋在操作中無法檢查，制造時對密封要求較高。 適用于殼體和管束之間溫差較大或殼程介質(zhì)易結(jié)垢的場合。 浮頭結(jié)構(gòu)示意圖浮頭結(jié)構(gòu)示意圖（3） U U形管式換熱器形管式換熱器 U U形管式換熱器形管式換熱器 11中間擋板；中間擋板；2U2U形換熱管；形換熱管；33排氣口；排氣口；44防沖板；防沖板；55分程隔板分程隔板U形管式換熱器

19、 U型管換熱器 每根換熱管皆彎成U形，兩端分別固定在同一管板上下兩區(qū)，借助于管箱內(nèi)的隔板分成進(jìn)出口兩室。此種換熱器完全消除了熱應(yīng)力，結(jié)構(gòu)比浮頭式簡單，但管程不易清洗。 缺點：由于受彎管曲率半徑的限制，其換熱管排布較少，管束最內(nèi)層管間距較大，管板的利用率較低，殼程流體易形成短路，對傳熱不利。當(dāng)管子泄漏損壞時，只有管束外圍處的U形管才便于更換，內(nèi)層換熱管壞了不能更換，只能堵死，而壞一根U形管相當(dāng)于壞兩根管，報廢率較高。U形管式換熱器 結(jié)構(gòu)特點：只有一塊管板，管束由多根U形管組成，管的兩端固定在同一塊管板，管子可以自由伸縮。當(dāng)殼體與U形換熱管有溫差時，不會產(chǎn)生熱應(yīng)力。 優(yōu)點：U形管式換熱器結(jié)構(gòu)比較簡

20、單、價格便宜，承壓能力強(qiáng)。U形管式換熱器 應(yīng)用：適用于管、殼壁溫差較大或殼程介質(zhì)易結(jié)垢需要清洗，又不適宜采用浮頭式和固定管板式的場合。特別適用于管內(nèi)走清潔而不易結(jié)垢的高溫、高壓、腐蝕性大的物料。4）釜式換熱器這種換熱器的殼體直徑一般為管束直徑的1.52.0倍，管束偏置于殼體的下方，液面淹沒管束，使管束上部形成一定的汽液分離空間。此換熱器多用來做蒸發(fā)器、分餾塔的重沸器或簡單的廢熱鍋爐。根據(jù)需要，管束可以是固定管板型、浮頭型或U型管型。浮頭式重沸器浮頭式重沸器11偏心錐殼；偏心錐殼；22堰板；堰板；33液面計接口液面計接口（5） 填料函式換熱器填料函式換熱器 填料函式換熱器填料函式換熱器 11縱向

21、隔板；縱向隔板；22浮動管板；浮動管板；33活套法蘭；活套法蘭；44部分剪切環(huán)；部分剪切環(huán)；55填料壓蓋；填料壓蓋；66填料；填料；77填料函填料函6）螺紋鎖緊環(huán)換熱器螺紋鎖緊環(huán)換熱器，其結(jié)構(gòu)主要由管箱、殼體、管束、管箱蓋、固定環(huán)、螺紋鎖緊環(huán)、壓緊環(huán)、密封裝置等零部件組成。一般設(shè)計壓力820 MPa，設(shè)計溫度300550，材料為2.25Cr-1Mo+347L或15CrMoR+321，是目前高壓換熱器設(shè)計難度高，制造難度大的換熱設(shè)備，螺紋鎖緊環(huán)換熱器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，金屬耗量大，機(jī)加工配合件較多。密封結(jié)構(gòu)密封結(jié)構(gòu)螺紋鎖緊環(huán)螺紋鎖緊環(huán) 1 -管箱殼體；管箱殼體； 2-固定螺栓；固定螺栓； 3-固定螺栓；固

22、定螺栓； 4-管箱蓋；管箱蓋； 5-墊片壓板；墊片壓板； 6-固定環(huán)；固定環(huán)； 7-螺紋鎖緊環(huán)；螺紋鎖緊環(huán)；8-壓緊環(huán)；壓緊環(huán)； 9-管程墊片；管程墊片； 10-壓環(huán)；壓環(huán)； 11-內(nèi)法蘭；內(nèi)法蘭； 12-管程開口接管；管程開口接管； 13-密封裝置；密封裝置； 14-管板；管板； 15-傳熱管；傳熱管； 16-殼體；殼體； 17-殼程開口接管；殼程開口接管；18-殼程墊片；殼程墊片；19-分程隔板；分程隔板； 20-內(nèi)部固定螺栓；內(nèi)部固定螺栓；21-內(nèi)套筒內(nèi)套筒密封結(jié)構(gòu)密封結(jié)構(gòu)螺紋鎖緊環(huán)螺紋鎖緊環(huán)優(yōu)點：、結(jié)構(gòu)上安全可靠； 、耐高溫、高壓，溫度550，壓力20MPa； 、密封性能好； 、結(jié)構(gòu)獨

23、特； 、殼壁與管束壁溫差大，管束可自由伸縮，吸收膨脹差； 、可拆卸、可清洗； 、耐硫化氫腐蝕缺點：、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計繁瑣； 、重量大，造價高；、零部件較多，密封要求高；、檢修、維修量大。 9）環(huán)高壓換熱器 環(huán)高壓換熱器結(jié)構(gòu)由管箱、殼體、管束、環(huán)等零部件組成，與普通U型管換熱器結(jié)構(gòu)相同，所不同的是密封墊片由環(huán)代替。其原理是：工作狀態(tài)下介質(zhì)進(jìn)入環(huán)中，由于小管子承壓高，故可承受壓力32MPa，由于采用0Cr18Ni11Ti耐溫可達(dá)550，由于操作過程中環(huán)中介質(zhì)存在，故墊片比壓可選擇為零，減少了螺栓預(yù)緊載荷而使螺柱直徑減小，減少螺柱預(yù)緊時管板產(chǎn)生的載荷，減薄了管板的厚度，由此重量低，造價降低。優(yōu)點：、結(jié)

24、構(gòu)簡單，設(shè)計簡單； 、密封安全可靠； 、耐高溫、高壓，溫度550，壓力32MPa； 、結(jié)構(gòu)獨特； 、殼壁與管束壁溫差大，可吸收熱膨脹； 、拆卸方便，可清洗； 、采用流路分析法設(shè)計，傳熱效率提高20%以上；、耐硫化氫腐蝕； 、重量可比螺紋鎖緊環(huán)降低23%，鍛件耗量少，造價節(jié)省21%；、適用于832 MPa壓力的加氫換熱器、合成氨換熱器、化肥裝置廢鍋換熱器、巨毒介質(zhì)換熱器以及絕對保證無泄露的場合。缺點： 環(huán)加工復(fù)雜，要求較高。 管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)及其組成元件管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)及其組成元件 管殼式換熱器流體的流程管殼式換熱器流體的流程 一種流體走管內(nèi)、稱為管程，另一種流體走管外、稱為殼程。管內(nèi)一種流

25、體走管內(nèi)、稱為管程，另一種流體走管外、稱為殼程。管內(nèi)流體從換熱管一端流向另一端一次，稱為一程；對流體從換熱管一端流向另一端一次，稱為一程；對U U形管換熱器，管內(nèi)形管換熱器，管內(nèi)流體從換熱管一端經(jīng)過流體從換熱管一端經(jīng)過U U形彎曲段流向另一端一次，稱為兩形彎曲段流向另一端一次，稱為兩程程. . 管子的排列方式有正三角形排列和正方形排列兩種。在管間距和布管區(qū)均相同的條件下，三角形排列的布管數(shù)較多，而正方形排列的管束在相鄰的兩排管子之間具有一條直線通道，便于用機(jī)械方法清洗管間，三角形排列不具有這種直線通道，因而只適用于清潔的殼程介質(zhì)。 不同的排列方式將會影響到對流傳熱系數(shù)的大小，采用正三角形排列會

26、獲得較高的對流傳熱系數(shù)，而正方形排列的對流傳熱系數(shù)最低。 換熱管的排列形式換熱管的排列形式 管板和管子的連接管板和管子的連接 管板和管子的連接方式有脹接和焊接，對于高管板和管子的連接方式有脹接和焊接，對于高溫高壓下常采用脹、焊并用的方式。溫高壓下常采用脹、焊并用的方式。 脹接脹接 脹接適用于換熱管為碳鋼，管板為碳鋼或低合脹接適用于換熱管為碳鋼，管板為碳鋼或低合金鋼，設(shè)計壓力不超過金鋼，設(shè)計壓力不超過4MPa4MPa、設(shè)計溫度不超過、設(shè)計溫度不超過350350，且無特殊要求的場合。管板的硬度應(yīng)大于，且無特殊要求的場合。管板的硬度應(yīng)大于換熱管的硬度以保證管子發(fā)生塑性變形時管板僅發(fā)換熱管的硬度以保證

27、管子發(fā)生塑性變形時管板僅發(fā)生彈性變形生彈性變形。 焊接焊接 碳鋼或低合碳鋼或低合金鋼，溫度在，溫度在300300以上，大都采用焊接連接以上，大都采用焊接連接：其優(yōu)點：管孔不需開槽，其表面粗糙度要求不高，管子端部不需退火和磨管孔不需開槽，其表面粗糙度要求不高，管子端部不需退火和磨光，制造簡便。強(qiáng)度高，抗拉脫力強(qiáng)，可保證氣密性要求光，制造簡便。強(qiáng)度高，抗拉脫力強(qiáng)，可保證氣密性要求缺點： 管子更換困難，一般都堵死；焊接的殘余應(yīng)力和應(yīng)力集中有可能帶管子更換困難，一般都堵死；焊接的殘余應(yīng)力和應(yīng)力集中有可能帶來應(yīng)力腐蝕與疲勞破壞來應(yīng)力腐蝕與疲勞破壞。管板與換熱管的焊接連接管板與換熱管的焊接連接 脹焊并用：

28、其結(jié)構(gòu)分為兩種 強(qiáng)度脹加密封焊，對脹接的要求是承受管子拉脫力，同時保證連接處的密封，焊接僅起到輔助防漏的作用。 強(qiáng)度焊加貼脹，用焊接保證連接處的強(qiáng)度和密封，貼脹是為了消除換熱管與管孔間的環(huán)隙，防止間隙腐蝕并增強(qiáng)抗疲勞破壞的能力。 管箱管箱 管箱位于殼體兩端，其作用是控制及分配管程流體。管箱位于殼體兩端，其作用是控制及分配管程流體。 管箱結(jié)構(gòu)形式管箱結(jié)構(gòu)形式11隔板；隔板；22管板；管板；33箱蓋箱蓋管箱型式管箱型式管箱型式管箱型式管殼式換熱器的標(biāo)準(zhǔn)管殼式換熱器的標(biāo)準(zhǔn) GB1511999GB1511999管殼式換熱器管殼式換熱器 是由國家技術(shù)監(jiān)督局發(fā)布的關(guān)于管殼式是由國家技術(shù)監(jiān)督局發(fā)布的關(guān)于管殼

29、式換熱器的國家標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)是管殼式換熱器換熱器的國家標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)是管殼式換熱器設(shè)計和制造的主要依據(jù)。設(shè)計和制造的主要依據(jù)。 標(biāo)準(zhǔn)代號為標(biāo)準(zhǔn)代號為JBJBT4714T4714472047209292 該標(biāo)準(zhǔn)對浮頭式換熱器和冷凝器、固定該標(biāo)準(zhǔn)對浮頭式換熱器和冷凝器、固定管板式換熱器、立式熱虹吸式重沸器及管板式換熱器、立式熱虹吸式重沸器及U U形管形管式換熱器的具體結(jié)構(gòu)形式、基本參數(shù)及其組式換熱器的具體結(jié)構(gòu)形式、基本參數(shù)及其組合都作了具體的規(guī)定合都作了具體的規(guī)定( (定型定型) )。 固定管板式換熱器的結(jié)構(gòu)殼體及其與管板的連接殼體及其與管板的連接 在殼程進(jìn)口接管處常裝有防沖板或稱緩沖板。在殼程進(jìn)口接

30、管處常裝有防沖板或稱緩沖板。 進(jìn)口接管及防沖板的布置進(jìn)口接管及防沖板的布置 管板換熱器管板的計算所涉及的因素非常多，所以非換熱器管板的計算所涉及的因素非常多，所以非常復(fù)雜，一般采用計算機(jī)計算。常復(fù)雜，一般采用計算機(jī)計算。 管板與殼體的連接以及管板與管箱的密封連接管板與殼體的連接以及管板與管箱的密封連接分別見下圖。分別見下圖。1.折流板作用與結(jié)構(gòu)形式折流板作用與結(jié)構(gòu)形式 作用：折流板是為了提高殼程介質(zhì)流速，強(qiáng)化傳熱；對于臥式換熱器，還有支撐管束的作用。支持板是為了支撐管束，防止產(chǎn)生過大的撓度變形。 結(jié)構(gòu)形式：弓形和圓環(huán)形。缺口面積根據(jù)流速決定。 2.間距折流板間距過大會影響傳熱效果，支持板間距過

31、大會使換熱管產(chǎn)生過大的撓度，其最大間距不得超過GB151的規(guī)定。 3.固定折流板和支持板是用拉桿固定的，拉桿應(yīng)盡量均勻布置在管束的外邊緣，拉桿的數(shù)量與筒體直徑及拉桿直徑有關(guān)。弓形折流板弓形折流板 圓盤圓盤- -圓環(huán)形折流板圓環(huán)形折流板折流板缺口尺寸折流板缺口尺寸 折流板的固定折流板的固定 折流板的固定是通過拉桿和定距管來實現(xiàn)的。折流板的固定是通過拉桿和定距管來實現(xiàn)的。 拉桿結(jié)構(gòu)拉桿結(jié)構(gòu) （二）板式換熱器（二）板式換熱器 由一組幾何結(jié)構(gòu)相同的平行薄平板疊加所組成，冷熱流由一組幾何結(jié)構(gòu)相同的平行薄平板疊加所組成，冷熱流體間隔地在每個通道中流動，其特點是拆卸清洗方便，故適體間隔地在每個通道中流動，其

32、特點是拆卸清洗方便，故適用于含有易結(jié)垢物的流體用于含有易結(jié)垢物的流體。（1）、板式換熱器的優(yōu)點 傳熱系數(shù)高：板式換熱器具有較高的傳熱系數(shù)，一般約為管殼式換熱器的2-5倍。主要原因是流體在管殼式換熱器的殼程中流動時存在著折流板-殼體、折流板-換熱管、管束-殼體之間的旁路，通過這些旁路的流體，沒有充分參與換熱。而板式換熱器，不存在旁路，而且板片的波紋能使流體在較小的流速下產(chǎn)生湍流，湍流效果明顯，(雷諾數(shù)約為200即為湍流)，故能獲得較高的傳熱系數(shù)。 末端溫差?。喊迨綋Q熱器兩種流體可實現(xiàn)純逆流。在管殼式換熱器中，兩種流體分別在殼程和管程內(nèi)流動，總體上是錯流的流動方式，降低了對數(shù)平均溫差。板式換熱器由

33、于可實現(xiàn)溫度交叉，末端溫差可達(dá)到1 ；管殼式換熱器不能實現(xiàn)溫度交叉(即二次側(cè)出口溫度不能高于一次側(cè)的出口溫度)，末端溫差只能達(dá)到5。 污垢系數(shù)低板式換熱器內(nèi)的流體由于劇烈湍動造成對板面的沖刷，同時不銹鋼換熱面光滑，雜質(zhì)不易沉積；因此，板式換熱器的污垢系數(shù)遠(yuǎn)低于管殼式換熱器。板式換熱器的污垢系數(shù)約為管殼式換熱器的1/10。壓降低：板式換熱器板片相互疊放，不存在傳統(tǒng)管式換熱器管間距的限制，因此板式空冷器具有較大的流通面積，一般情況下，在相同換熱面積時板式換熱器流通面積比管式換熱器大5倍，而且板的表面光滑，因而可降低壓力損失。結(jié)構(gòu)緊湊：由于板式空冷器單板換熱面積大，同時就緊湊度指標(biāo)而言，板式換熱器緊

34、湊度約為220m2/m3，遠(yuǎn)大于列管式換熱器的78m2/m3。在換熱量相同時，板式換熱器所需的換熱面積比管殼式換熱器小，其重量約為管殼式的1/5。板式換熱器的占地面積是管殼式換熱器的1/51/10。 容易實現(xiàn)大型化單板面積最大可達(dá)21m2，單臺板式換熱器的面積可達(dá)10000m2。 (2)板式換熱器的缺點承壓能力相對較低焊接板式換熱器是一種新產(chǎn)品，結(jié)構(gòu)還未定型，受壓元件的計算仍在探討之中。目前還沒有成熟的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。按目前的制造水平板式換熱器的最高工作壓力約為4MPa。 不宜用于易堵塞通道的介質(zhì)板式換熱器的板間通道較窄，一般為38mm，當(dāng)換熱介質(zhì)中含有較大的固體顆粒或纖維物質(zhì)時，就容易堵塞板間通道

35、。對這種換熱場合采用焊接板式換熱器是不適宜的。聚丙烯E801板換改造成固定管板內(nèi)管波紋管板式換熱器的結(jié)構(gòu)型式（1）板片的形式板片是板式換熱器的傳熱元件，冷熱流體通過板間形成的流道完成熱交換。為了提高板式換熱器的傳熱效率，通常將板片壓制成不同形狀的波紋。波紋的形式有水平平直波紋、斜波紋豎直波紋、球形波紋、人字形波紋和方形波紋。（2）板片材料選用的基本原則 板片要具有良好的耐腐蝕性 板片材料的選用要考慮進(jìn)入換熱器的介質(zhì)的腐蝕性。特別是要注意氯離子對不銹鋼引起的應(yīng)力開裂腐蝕。一般情況，對于氯離子腐蝕可按下述原則選材： A、當(dāng)介質(zhì)中的氯離子濃度小于50mgL，溫度小于60，可選用304；B、當(dāng)介質(zhì)中的

36、氯離子濃度小于200mgL，溫度小于60時，可選用316；C、當(dāng)介質(zhì)中的氯離子濃度高于200mgL時，應(yīng)選用高級不銹鋼或鈦合金；板片材料應(yīng)具有耐高溫性能板式換熱器用于高溫條件時，板片材料必須具有耐高溫性能，如用于高溫?zé)煔庥酂峄厥障到y(tǒng)的板式換熱器，煙氣的溫度甚至高達(dá)1000。因此，在板式換熱器的板片材料就應(yīng)考慮與使用溫度相應(yīng)的牌號。氯離子對板片材料選擇的影響氯離子含量6080120130= 10 ppm304304304316= 25 ppm304304316316= 50 ppm304316316Ti= 80 ppm316316316Ti= 150 ppm316316TiTi= 300 ppm

37、TiTiTi板片材料應(yīng)具備良好的加工性能：板式換熱器的板片須通過壓制形成不同的形狀和深度的波紋。因而，對板片材料的金屬延展性有一定的要求。一般情況下，奧氏體不銹鋼都具很高的延展性，冷壓加工性能不會成為問題。用于焊接的板式換熱器的板片材料，還應(yīng)具有良好的焊接性能。墊片材料 、98%98%以上高濃度硫酸以上高濃度硫酸 、非極性礦物油、如泵油、潤滑油等、非極性礦物油、如泵油、潤滑油等、 也可用于食物油、氯水、磷酸鹽也可用于食物油、氯水、磷酸鹽 優(yōu)點優(yōu)點結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕。結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕。流體湍動程度大，強(qiáng)化流體湍動程度大，強(qiáng)化傳熱效果好。傳熱效果好。便于清洗和維修。便于清洗和維修。缺

38、點缺點密封周邊長，易泄漏。密封周邊長，易泄漏。承壓能力低（承壓能力低（P2MPa）。）。流通間距小，流動阻力大，流通間距小，流動阻力大，處理量小，不易用在含顆粒處理量小，不易用在含顆粒介質(zhì)介質(zhì)板式換熱器板式換熱器熱交換公式熱交換公式Q = k * A * LMTDQ = 熱負(fù)荷k = K值傳熱系數(shù) W/mC K值大= 傳熱效率高A = 有效傳熱面積 (m)LMTD= 對數(shù)溫差對數(shù)溫差這是傳熱的動力這是傳熱的動力LMTD 表達(dá)了在換熱器上的溫度分布情況表達(dá)了在換熱器上的溫度分布情況有多少人知道有多少人知道LMTD和它的計算？和它的計算？（2 2）螺旋板式換熱器）螺旋板式換熱器：換熱表面由兩塊金屬

39、板卷制而成，換熱表面由兩塊金屬板卷制而成，螺旋板式換熱器優(yōu)點優(yōu)點結(jié)構(gòu)緊湊，單位體積結(jié)構(gòu)緊湊，單位體積傳熱面積大。傳熱面積大。兩種流體都能以高速流兩種流體都能以高速流動，傳熱效率高。動，傳熱效率高。螺旋流動，有自沖刷作用，螺旋流動，有自沖刷作用，適于處理粘性和易結(jié)垢流體。適于處理粘性和易結(jié)垢流體。缺點缺點承壓能力差（承壓能力差（P1MPa，t500C）損壞后檢修困難。損壞后檢修困難。（3）夾套式換熱器（三）翹片式換熱器（1）板翹式換熱器板翹式換熱器結(jié)構(gòu)：在兩塊平行結(jié)構(gòu)：在兩塊平行的薄金屬板之間，的薄金屬板之間，夾入波紋狀或其形夾入波紋狀或其形狀的金屬翹片，并狀的金屬翹片，并用側(cè)封條將其兩側(cè)用側(cè)封

40、條將其兩側(cè)封死，即構(gòu)成一個封死，即構(gòu)成一個換熱單元。換熱單元。優(yōu)點： 傳熱效率高，傳熱系數(shù)比管殼式換熱器大310倍。 結(jié)構(gòu)緊湊、輕巧，單位體積內(nèi)的傳熱面積約為管殼式換熱器的十幾倍到幾十倍，而相同條件下?lián)Q熱器的重量只有管殼式換熱器的1065%。缺點： 結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價高，流道小，易堵塞，不易清洗，難以檢修。（2）翹片管換熱器 翹片管是在普通金屬管的兩側(cè)安裝個種翹片制成，翹片管是在普通金屬管的兩側(cè)安裝個種翹片制成，即可以增加傳熱面積，又改善了翹片側(cè)流體的湍即可以增加傳熱面積，又改善了翹片側(cè)流體的湍流程度流程度加裝了翅片以后，使空氣側(cè)原有的傳熱面積得到了極大的擴(kuò)展，禰補(bǔ)了空氣側(cè)換熱系數(shù)低的缺點，使傳熱

41、量大大提高 新型高效換熱器技術(shù)新型高效換熱器技術(shù) 就強(qiáng)化傳熱技術(shù)來說，主要是力求使換熱設(shè)備在單位時間內(nèi)、單位傳熱面積傳遞的熱量盡可能增多，從大的方面來說強(qiáng)化途徑不外乎三個：提高傳熱系數(shù)、擴(kuò)大單位傳熱面積、增大傳熱溫差。 1.1 管式換熱器的傳熱強(qiáng)化管式換熱器的傳熱強(qiáng)化 管式換熱器的傳熱強(qiáng)化主要包括管程的強(qiáng)化和殼程的強(qiáng)化。1.1.1管程的傳熱強(qiáng)化管程的傳熱強(qiáng)化管程的強(qiáng)化傳熱通常是對光管進(jìn)行加工得到各種結(jié)構(gòu)的異形管，如螺旋槽紋管、橫槽紋管、波紋管、低螺紋翅片管（螺紋管）、螺旋扁管、多孔表面管、針翅管等，通過這些異形管進(jìn)行傳熱強(qiáng)化。例如： （1）螺旋槽紋管螺旋槽紋管管壁是由光管擠壓而成，如圖 1 所

42、示，有單頭和多頭之分，其管內(nèi)強(qiáng)化傳熱主要由兩種流動方式?jīng)Q定：一是螺旋槽近壁處流動的限制作用，使管內(nèi)流體做整體螺旋運動產(chǎn)生的局部二次流動；二是螺旋槽所導(dǎo)致的形體阻力，產(chǎn)生逆向壓力梯度使邊界層分離。螺旋槽紋管具有雙面強(qiáng)化傳熱的作用，適用于對流、沸騰和冷凝等工況，抗污垢性能高于光管，傳熱性能較光管高 24 倍。 （2）橫槽紋管 如圖 2 所示，其強(qiáng)化機(jī)理為：當(dāng)管內(nèi)流體流經(jīng)橫向環(huán)肋時，管壁附近形成軸向漩渦，增加了邊界 層的擾動，使邊界層分離，有利于熱量的傳遞。當(dāng)漩渦將要消失時流體又經(jīng)過下一個橫向環(huán)肋，因此不斷產(chǎn)生渦流，保持了穩(wěn)定的強(qiáng)化傳熱作用。研究和實際應(yīng)用證明：橫槽紋管與單頭螺旋槽紋管比較，在相同流

43、速下，流體阻力要大一些，傳熱性能好些，其應(yīng)用場合與螺旋槽紋管相同。 （3）波紋管 對波紋管按流體力學(xué)觀點分析：在波峰處流體速度降低，靜壓增加，在波谷處流速增加，靜壓降低。流體的流動在反復(fù) 圖3 波鼓形波紋管 圖4 梯形波紋管圖5 縮放管 圖6 波節(jié)管 改變軸向壓力梯度下進(jìn)行，產(chǎn)生了劇烈的漩渦，沖刷流體的邊界層，使邊界層減薄。因此用波紋 管做換熱管從理論上講：由于波節(jié)的存在，增加了對管內(nèi)流體流動的擾動，使波紋管具有較好的傳熱效果，但流動特性不如光管的好。在低雷諾數(shù)下，波紋管的換熱與阻力性能比明顯好于光管；在高雷諾數(shù)下，波紋管與光管的換熱與阻力性能比非常接近。波紋管的波形大致可分為以下幾類：波鼓形

44、、梯形、縮放形和波節(jié)形，詳細(xì)結(jié)構(gòu)分別見圖 36。 （4）翅片管 圖7 低螺紋翅片管 圖8 變形翅片管 翅片管是一種外壁帶肋的管子，肋的截面形狀有矩形、鋸齒形、三角形、T 型、E 型、花瓣型等等，這種管子有助于擴(kuò)大傳熱面積，促進(jìn)流體的湍流，一般用于以殼程熱阻為主的情況。當(dāng)殼程熱阻為管程 2 倍以上時，使用翅片管是合適的。但不能用來處理容易結(jié)焦的介質(zhì)，其中低螺紋翅片管（圖7）和變形翅片管（圖 8）的翅化率一般小3， 用于管內(nèi)介質(zhì)給熱系數(shù)比管外介質(zhì) 給熱系數(shù)大于 2 倍以上的情況時 可以提高傳熱系數(shù) 30%左右。圖7 低螺紋翅片管圖8 變形翅片管（5）螺旋扁管 螺旋扁管（圖 9）的獨特結(jié)構(gòu)使流體在管

45、內(nèi)處于螺旋流動，促進(jìn)湍流程度。實驗研究表明：螺旋扁管管內(nèi)膜傳熱系數(shù)通常比普通圓管大幅度提高，在低雷諾數(shù)時最為明顯，達(dá) 23 倍；隨著雷諾數(shù)的增大，通常也可提高傳熱系數(shù) 50%以上。 （6）表面多孔管 （7）針翅管 針翅管（圖 10）既擴(kuò)大了傳熱面，又可造成流體的強(qiáng)烈擾動，極大地強(qiáng)化傳熱，而且壓降不大，并可籍針翅互相支撐而取消折流支撐板（桿），大大節(jié)省支撐板材料，可代替光管和螺紋管作為油品換熱器的換熱管，也是低傳熱膜系數(shù)、高粘度介質(zhì)和含塵高溫?zé)煔獾睦硐雮鳠峁?，可用于油品等縱向流管束換熱和煙氣鍋爐或余熱回收中。1.1.2 殼程的傳熱強(qiáng)化 在管殼式換熱器中，管束支撐結(jié)構(gòu)的主要作用是：支撐管束，使殼程

46、流體產(chǎn)生期望的流型和流速，阻止管子因流體誘導(dǎo)振動而發(fā)生失效。因此，管束支撐結(jié)構(gòu)是殼程內(nèi)的關(guān)鍵部件，直接影響著換熱器殼程的流體流動和傳熱性能。管束支撐結(jié)構(gòu)經(jīng)過多年的研究、應(yīng)用和發(fā)展，概括起來有 3 種類型： （1）橫流式支撐，如傳統(tǒng)的弓形折流板，使殼程流體呈橫向流動； （2）縱流式支撐，如折流桿式等新型支撐，使殼程流體呈縱向流動； （3）螺旋流式支撐，如螺旋折流板，使殼程流體呈螺旋流動，分別見圖 1113。其中，傳統(tǒng)的管殼式換熱器殼程流體橫向沖刷管束傳熱效率較低，流動阻力大，常發(fā)生流體誘導(dǎo)振動而導(dǎo)致破壞。圖5-1 折流圈的示意圖1殼體； 2折流圈； 3折流桿dbi、db0、d0分別為折流圈的內(nèi)徑

47、、外徑和殼體內(nèi)徑 圖5-2 折流圈籠和管板的組裝圖 為解決換熱管束的振動問題，美國菲利浦石油公司在 20 世紀(jì) 70 年代開發(fā)了折流桿式換熱器，該換熱器不僅解決了振動問題，而且由于殼側(cè)流體的縱向流動使折流桿換熱器比傳統(tǒng)的弓形折流板換熱器傳熱系數(shù)提高 30%左右，殼程壓降減少 50%。由于流體在殼程中作縱向流動是管殼式換熱器中最理想的流動形式，因此近年來又開發(fā)出了一些新型縱流式換熱器，圖 14 中列舉了幾種常見的整圓形折流板，如矩形孔折流板，梅花孔折流板等。這種異型折流板性能特點是： （1）能有效地支撐管束，從而避免管束發(fā)生流體誘導(dǎo)振動（“大管孔”式除外）； （2）孔板截面積小于殼程流通面積，因

48、而可以調(diào)節(jié)殼程流體速度； （3）各種形式的孔對流體具有“射流作用”，射流流體速度高且直接沖刷管外壁，因而能增加流體湍流度，減薄管壁液體的邊界層，因而有效強(qiáng)化了殼程傳熱，適用于中、低粘度流體且雷諾數(shù)不太大的場合。而螺旋折流板換熱器又可分為單螺旋折流板換熱器和雙螺旋折流板換熱器。螺旋折流板換熱器與常規(guī)折流板相互平行布置方式不同， 它的折流板相互形成一種螺旋形結(jié)構(gòu)， 每個折流板與殼程流體的流動方向 成一定的使殼程流體做螺旋運動， 能減少管板與殼體之間 易結(jié)垢的死角， 從而提高了換熱效率。 螺旋流換熱器的強(qiáng)化傳熱機(jī)理為螺旋通道內(nèi)的流型減弱了邊界層的形成，從而使傳熱系數(shù)有較大增加。相對于弓形折流板，螺旋

49、折流板消除了弓形折流板的返混現(xiàn)象，從而提高有效傳熱溫差，防止流動誘導(dǎo)振動；在相同流速時，殼程流動壓降小；基本不存在流動與傳熱死區(qū)，不易結(jié)垢，適宜于處理含固體顆粒、粉塵、泥沙等流體。對于低雷諾數(shù)下（Re1000）的傳熱，螺旋折流板效果更為突出。在螺旋折流板換熱器中，螺旋角（即殼側(cè)介質(zhì)流動方向與管束橫截面之間的夾角）將直接影響殼側(cè)流體的流動及傳熱性能1。六、 換熱器中流動引起振動的分析1、流動誘發(fā)振動基本原理 換熱管是換熱器中細(xì)長的彈性元件，流體流人和流過管子引發(fā)振動是自然結(jié)果。在大多數(shù)換熱器中，振動的強(qiáng)度很低，不會造成問題。當(dāng)振動強(qiáng)度增加到會引起某些機(jī)械部件損壞時，振動就成問題了。換熱管根據(jù)不同

50、的結(jié)構(gòu)和材料，呈現(xiàn)不同的振動頻率稱作自然頻率。這種振動強(qiáng)度用管子周期性運動來表示，從波峰到波峰運動的程度叫振幅。隨流速的增加使得振幅增加，當(dāng)誘發(fā)頻率與自然頻率一致時，會產(chǎn)生共振。管子在大振幅下長期振動導(dǎo)致管子的機(jī)械破壞。機(jī)械損壞有幾種不同的機(jī)理而發(fā)生： 如果振動的振幅大到足以使相鄰管子彼此撞擊或撞擊殼體，管壁就會隨時間磨薄，最終開裂。管子撞擊會在其中部產(chǎn)生菱形的磨損，即發(fā)生碰撞損壞。 管子損壞的部位在穿過擋板的地方，為擋板損壞。因為折流板管孔比管外徑約大0.81.2mm，振動中的管子被擋板切割，會使管壁減薄，直到泄漏。 由于疲勞而發(fā)生機(jī)械損壞，管子的重復(fù)彎曲會導(dǎo)致管材斷裂。疲勞損壞還會因腐蝕和

51、沖蝕而加快。 管接頭損壞是管子與管板之間的接頭處，振動使脹接接頭脫開。即便是焊接方式，也發(fā)現(xiàn)伸出管板的管子，因管孔銳邊對管壁的切割作用而造成損壞。 當(dāng)殼程介質(zhì)為水蒸氣或氣體時，過大的操作噪聲在管箱內(nèi)可能引起聲振動。其特點是單調(diào)低頻的強(qiáng)烈噪聲。 流動誘發(fā)振動的激振機(jī)理通常分為：漩渦分離或流動的周期性；湍流抖振；流體彈性不穩(wěn)定性和聲激振動。前三者當(dāng)激振頻率與管子頻率同步就產(chǎn)生振動響應(yīng)。在流體橫流速度低于流體彈性不穩(wěn)定臨界速度時，不會發(fā)生流體彈性不穩(wěn)定振動。達(dá)到和超過臨界速度，就會發(fā)生不穩(wěn)定性振動狀態(tài)。 管接頭損壞是管子與管板之間的接頭處，振動使脹接接頭脫開。即便是焊接方式，也發(fā)現(xiàn)伸出管板的管子，因

52、管孔銳邊對管壁的切割作用而造成損壞。 當(dāng)殼程介質(zhì)為水蒸氣或氣體時，過大的操作噪聲在管箱內(nèi)可能引起聲振動。其特點是單調(diào)低頻的強(qiáng)烈噪聲。 流動誘發(fā)振動的激振機(jī)理通常分為：漩渦分離或流動的周期性；湍流抖振；流體彈性不穩(wěn)定性和聲激振動。前三者當(dāng)激振頻率與管子頻率同步就產(chǎn)生振動響應(yīng)。在流體橫流速度低于流體彈性不穩(wěn)定臨界速度時，不會發(fā)生流體彈性不穩(wěn)定振動。達(dá)到和超過臨界速度，就會發(fā)生不穩(wěn)定性振動狀態(tài)。 2、影響管子振動的參數(shù)（1）、管子的自然頻率（2）、外殼聲振（3）、流速3、流動誘發(fā)振動問題可能的解決方法3.1可能做的設(shè)計修改（1）、降低殼程流速 如果殼程流率是固定的，可通過增大管心距來降低速度。在設(shè)計

53、壓力降為約束條件時，這種處理很有吸引力，但是會使殼徑增加。（2）、改變管子布置角度 改變管子布置角度可以降低速度和物流誘導(dǎo)振動的激發(fā)頻率，但是傳熱與壓力降會有所改變。（3）、增加管子的自然頻率 最為有效的方法是減少最長的末端支撐的長度。例如將TEMA規(guī)范中標(biāo)準(zhǔn)跨距長度最低值減少20，就可增加自然頻率50以上。改變管子材質(zhì)和增加壁厚也會起一定作用，但是不會大幅度地增加自然頻率。在制作管束期間，管子由于過軋而處于壓縮狀態(tài)，造成自然頻率減少。對控制U形管換熱器彎頭區(qū)的振動，在管子間打入棒、板或楔子來防止移動，也可增加自然頻率，這些都是防止振動的有效措施。（4）、降低接管處的速度 可增加接管尺寸來降低

54、速度。如果有防沖板，需要保證離開防沖板邊緣的速度不過分高。分布器是降低進(jìn)入管束流體流速的最有效辦法。 （5）、改變折流板的類型 折流板類型的改變往往可以解決振動問題，折流桿換熱器和螺旋折流板換熱器，已經(jīng)成功地解決了低壓力降換熱器中的振動問題。國內(nèi)皆已開發(fā)成功，在工業(yè)生產(chǎn)中正逐步擴(kuò)大應(yīng)用。 3.2現(xiàn)場發(fā)生振動問題可能的解決方法 首先要確定振動是由于殼程流體流動引起的，還是從某個外源誘發(fā)的。如果肯定是物流誘導(dǎo)，有以下解決方法供參考。 (1)堵塞泄漏管 不管泄漏是什么原因在造成的，對泄漏管臨時的解決辦法就是在管頭打入堵頭，以封閉泄漏管。 (2)降低殼程流率 降低殼程流率可以使物流引導(dǎo)的振動停止。這種

55、處理只有在操作允許的范圍內(nèi)，才可行。 (3)插入棒、鋼絲和楔子來加強(qiáng)管束 在管子之間插入繞帶和打人楔子來限制管束移動，就可以增加換熱器的自然頻率。在U形管換熱器的U形彎頭處，經(jīng)常使用這種方法。 (4)拆下窗口區(qū)的管子，形成旁路 這樣可以降低橫流速度，足以控制振動。不過需要核實傳熱與壓力降的性能是否符合需求。 (5)更換防振動管束。管束腐蝕一、換熱器管束腐蝕的原因 造成換熱器管束腐蝕的原因主要有一下幾個方面：1 均勻腐蝕：在整個暴露于介質(zhì)的表面上,或者在較大的面積上產(chǎn)生的,宏觀上均勻的腐蝕破壞叫均勻腐蝕。2 接觸腐蝕：兩種電位不同的金屬或合金互相接觸,并浸于電解質(zhì)溶解質(zhì)溶液中,它們之間就有電流通

56、過,電位正的金屬腐蝕速度降低,電位負(fù)的金屬腐蝕速度增加。3 選擇性腐蝕：合金中某一元素由于腐蝕,優(yōu)先進(jìn)入介質(zhì)的現(xiàn)象稱為選擇性腐蝕。4 孔蝕：集中在金屬表面?zhèn)€別小點上深度較大的腐蝕稱為孔蝕,或稱小孔腐蝕、點蝕。5 縫隙腐蝕：在金屬表面的縫隙和被覆蓋的部位會產(chǎn)生劇烈的縫隙腐蝕。6 沖刷腐蝕：沖刷腐蝕是由于介質(zhì)和金屬表面之間的相對運動而使腐 蝕過程加速的一種腐蝕。 7 晶間腐蝕：晶間腐蝕是優(yōu)先腐蝕金屬或合金的晶界和晶界附近區(qū)域,而晶粒本身腐蝕比較小的一種腐蝕。 8 應(yīng)力腐蝕破裂(SCC)和腐蝕疲勞：SCC是在一定的金屬一介質(zhì)體系內(nèi),由于腐蝕和拉應(yīng)力的共同作用造成的材料斷裂。 9 氫破壞：金屬在電解質(zhì)

57、溶液中,由于腐蝕、酸洗、陰極保護(hù)或電鍍,可以產(chǎn)生因滲氫而引起的破壞。換熱器的選材防腐根據(jù)不同的腐蝕環(huán)境和設(shè)備運行要求，并結(jié)合防腐蝕措施的價格、壽命、性能比來采用最合理、最經(jīng)濟(jì)的防腐措施，保證安全生產(chǎn)，提高經(jīng)濟(jì)效益。其選材原則如下8（僅供參考）：受高溫?zé)嵊碗p側(cè)硫化物和堿腐蝕的換熱器，考慮長周期運行和性能價格比較可以采用的防腐措施順序是：1Cr18Ni9Ti、316L、12Cr2AlMoV、08Cr2AlMo。每年新上的換熱器可優(yōu)先選用316L、1Cr18Ni9Ti，選用的比例各2050%，逐臺更換，也可試用化學(xué)鍍Ni-P防腐、12Cr2AlMoV、08Cr2AlMo材料。受高溫?zé)嵊碗p側(cè)硫化物、C

58、l-、堿腐蝕的換熱器，考慮長周期運行和性能價格比較可以采用的防腐措施順序是：12Cr2AlMoV、08Cr2AlMo。每年新上的換熱器選用的比例各2050%，逐臺更換，也可試用滲鋁防腐。受高溫?zé)嵊?、工藝介質(zhì)和蒸汽雙側(cè)腐蝕的重沸器，考慮長周期運行和性能價格比較可以采用的防腐的防腐措施順序是：在沒有Cl-離子腐蝕的環(huán)境中選用1Cr18Ni9Ti，在有Cl-離子腐蝕的環(huán)境，根據(jù)Cl-離子含量可選用316L或雙相不銹鋼。二、換熱器管束泄漏的預(yù)判1、根據(jù)溫度差來進(jìn)行判斷 溫度是換熱器運行中的主要控制指標(biāo)，從換熱器進(jìn)出口流體溫度變化的情況可分析換熱器的換熱效果，判斷換熱器傳熱效率的高低，主要在傳熱系數(shù)上，傳熱系數(shù)低其效率也低，由進(jìn)出口的溫度可決定對換熱器進(jìn)行檢查和清洗。2、壓力 換熱器列管若干結(jié)垢嚴(yán)重，則阻力增大，所以日常要對換熱器的進(jìn)出口壓差進(jìn)行測定和檢驗，特別對高壓流體的換熱器更要特別重視，如果列管泄露，高壓流體一定向低壓側(cè)泄漏，造成低壓側(cè)壓力上升較快，甚至超壓。所以必須解體檢修或堵管。3、振動