换热设备培训.docx

第一部分基础理论 第 1 页 共 16 页第六章换热设备第一节概述一 换热设备在炼油生产中的应用在炼油、化工生产中，绝大多数的工艺过程都有加热、冷却和冷凝的过程，这些过程总称为传 热过程传热过程的进行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 设备据统计，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%,因为绝大部分的化学反应或传质传热过程都与热量的变化密切相关，如反应过程中，有的要放热，有的要吸热，要维持 反应的连续进行，就必须排除多余的热量或补充反应所需的热量；工艺过程中某些废热和余热也需 要加以回收利用，以降低成本另外，生产所得的油品或化工产品，需要将其冷却或冷凝，以便储 存和运输以上这些与热量有关的过程都需要使用换热设备使用换热设备是为了达到加热或冷却的目的，如果将那些需要加热的液体与需要冷却的液体， 经过换热设备相互换热，既可回收热量，又可降低冷却水的消耗综上所述，换热设备是炼油、化 工生产中不可缺少的重要设备换热设备在动力、原子能、冶金及仪器等其他工业部门也有着广泛 的应用二 换热设备的分类（一）按用途分类1. 换热器 两种温度不同的流体进行热量交换，使一种流体降温另一种流体升温，以满 足各自的需要，这种换热设备称为换热器。

2. 冷凝器两种温度不同的流体在进行热量交换过程中，有一种流体是从气态被冷凝成 为液态，但其温度变化并不大，这种换热设备称为冷凝器如塔顶油气经过冷凝器而 变为流体油品，此时冷凝温度并不高，一般多用水作为吸收热量的流体，这部分热量 没有被利用而是散放于环境中3. 重沸器重沸器也叫再沸器，其工作过程与冷凝器相反，即有一种流体被加热而蒸发 成为气体4. 冷却器凡是热量不回收利用，而单纯只是为了使一种流体被冷却的设备称为冷却器 根据其所用冷流体的不同，有水冷却器和空气冷却器，一般都是接在换热器的后面作 为最后将油品降温到可以进入油罐的一种手段5. 加热器凡是利用废热单纯只是为了一种流体被加热而升温的设备称为加热器如管 式加热炉用的空气预热器，就是利用出炉的高温烟气的废热来加热进入炉子燃烧室的 空气，这样也回收了废热是经济的以上是从工艺用用途区分，若从其工作过程而言，习惯上都称其为换热器二）按换热方式分类1 .混合式换热设备 这种换热设备是使温度不同的两种流体直接接触与混合（允许完全混合的流体）的作用来进行热量交换的如凉水塔、蒸汽直接加热的反应器、所流干燥器等2 .蓄热式换热设备 这种换热设备是让不同温度的两种流体先后分别渡过某一种固定填料（多也格子醇、卵石等）的表面，首先是让高温流体渡过固体填料，把热量仁慈给填料并积在其 中，然后停止高温流体再让低温流体流过固体填料，并将蓄积在填料中的热量走，这样在填 料被反复加热和冷却的过程中，使不同温度的两种流体进行热量交换，这种换热设备必须成 对联合使用，即一台通入高温流体时，另一台则通入低温流体，并靠自动阀进行切换，以维 持生产的边疆进行。

蓄热式换热设备结构紧凑、先进集体低，单位体积传热面积大；但不可 避免的出现两种流体的少量混合，造成相互污染适用于气一气间的热量交换3 .间壁式换热设备 这种换热设备是炼油生产中应用最普遍的一种，其特点是不同温度的两种流体被一固体壁面隔开，热量的仁慈通过固体壁面进行按传热面（固体壁面）的形状和结 构性又可分为“管式”和板面式“两类三 评价比较换热设备的指标不同类型的换热设备其性能优劣一般可从如下几方面进行比较1） 效率要高效率高就是要求其传热系数大，传热系数是指在单位时间内、单位传热面积上温度每变化一度所传递热量的多少（2） 结构要紧凑要使换热设备的结构紧凑就要求其比表面积要大，比表面积是指单位 体积的设备所具有的传热面积，即传热面积与设备体积之比3） 节省材料要做节省材料就要求其比重量要小，所谓比重是指单位传热面积所耗用 的金属量，即换热设备总金属用量与传热面积之比第一部分基础理论 第 3 页 共 16 页（4） 压力降要小液体在设备中流动阻力小、压力损失就小，节省动力、操作成本低5） 要求结构可靠、制造成本低，全球安装、检修、使用周期长四 换热设备的工作过程（1） 热量传递方式换热设备工作过程的核心就是热量的传递过程。

热量传递的基本方式有三种，即传导传热、对 流传热和辐射传热传导传热是热量从物体的高温部分沿物体本身传至低温部分的一种传热方式对流传热是靠液体或气体的流动，也就是各分子间相对位置的改变来传递热量的对流传热与传导传热最显著的区别是：通过物质分子间的流动改变其位置从而达到传递热量的 目的，而传导传热物质并不发生流动，热量是沿物质传递的故对流传热是液体间特有的传热方式, 但在对流传热中也不可避免地伴随有传导传热对流传热若只是由于温度不同造成分子间相互位置 改变而传递热量称为自然对流，若不仅有温差且还有外力作用使流体加速混合传递热量称为强制对 流辐射传热是热能不借助任何传递介质，而是以电磁波的形式（称为辐射能）在空间传播，遇到 另一物体时，辐射能被部分或全部吸收转变为热能2） 间壁式换热设备的换热过程在工业生产实际中，三种基本传热方式一般都不是单独存在的，往往是相互伴随、同时出现， 只不过是有些情况下某一种或两种传热方式占主要地位，而在另一些情况下则是另外一种或两种传 热方式占主要地位在温度较低时以辐射方式传递的热量很少，只有在高温时才较为明显在间壁式换热设备中，主要是传导和对流两种传热方式传热速率与传热机种、冷热流体的温度差、传热系数均成正比。

因此增大传热面积，提高传热 系数，增大冷热流体的温度差都可提高传热速率，但在实际应用中温度差是不能随意改变的，增大 传热面积又会使设备的结构庞大，制造成本加大，而传热系数又与诸多因素不关，所以在吉应全面 南征北战各种因素，综合分析，设计出既能满足工艺要求，结构又紧凑，且成本低廉，效率高的换 热设备一般应从如下几方面考虑1 .增加流体的流速，以增加流体的湍流程度来提高流体的传热系数，但增大流速会增加流体渡 过换热元件时的压力降，使泵的负荷加大，故应将传热系数和压力降综合考虑，采取适宜的流速就流体本身言，粘度越小2 .尽量采用导热性能好的材料作为换热元件在使用过程中，固体壁面上往往会沉淀结垢，这 些污垢的导热系数很低，会大大降低设备的传热 ，所以换热设备要定期进行清扫除垢3 .流体的温度是由工艺条件确定的，所以两种流体的温度差是不可随意增大的，但若使两种流 体在设备中按逆（冷热流体流向相反）方式流动，可使其平均温差大于顺流时的平均温差， 有利于热量的传递4 .可通过在管式换热器中采用翅片管、波纹管和小直径的换热管等方式来增大传热面积，在板 片式换热器中由于传热表面是薄板，更易压制成各种形状，以增大传热面积和增加流体的湍 流状态，提高传热效率。

五 换热设备的选型各种类型的换热设备有其自身的特点，选型时需要考虑的因素也很多如材料、温度、压力， 流体的性质、压力降，设备的用途、制造、安装、检修及经济性等一般就遵循以下原则1 .当高温、高压操作，处理量较大时，强度和结构的可靠性很重要，就选管壳换热2 .对有强腐蚀的液体，就选耐腐蚀材料换热器3 .若操作温度和压力都不高，处理量也不太大，但流体具有腐蚀性要求采用贵重金属材料时， 可选板面式换热器中的新型换热设备，如板片式、板翅式等，因为这些换热器具有传热效率 高、结构紧凑、金属耗量少等突出的优点第二节管壳式换热器一 管壳式换热器的结构类型特点管壳式换热器也称列管式换热器，虽然在传热效率、紧凑性及金属耗油量等方面不如近年来出 现的其他新型换热器其具有结构坚固、可承受较高的压力、制造工艺成熟、适应性强及选票范围广 等优点，目前，仍是炼油厂中应用最广泛的一种间壁式器，按其结构特点有如下几种形式一）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，每根换热管都 第一部分基础理论 第 7页 共 16页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，一般当温度大于 50 C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液体清洁，不易结垢，管程常要清洗，冷热流体温差不太大的场 合二）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边接，另一端管板是活动的，与壳体之间并不 相连，活动管板一侧总称为浮头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 （一般冷流进口与热流出口温差可达 110C）介质易结常需要清洗的场合在炼油厂使用的种类管壳式换热器中浮头式最多三）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，换热管做成 U字形、两端都固定在同一块管板上；管板和壳体之间通过固定在一起这种换热器结构简单、造价低，管束可在壳休 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专任 ；但U形管管内清洗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，管内走清洁不易结垢的高温、高压、腐蚀性较大的 液体的场合四）填料函式换热器填料函式换热器与浮关式很相似，只是浮动管板一端与壳体之间采用填料函密封这种换热器 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，采用填料函式比浮关式和固定管板式更为优 越；但由于填料密封性所限，不适用于壳程液体易挥发、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 采用更少填料函式还有另一种形式，通常称为滑动管板式，它是将填料安置在壳体内部，其性能特点与 填料函式基本相同，但这种结构若在填料处发生泄漏中，则造成两种流体混合明不易被发现，所以 严禁用于两种流体混合后会造成严重事故或损失的场合二 管壳式换热器的分程及流体流程管壳式换热器工作时，和种流体走管内，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形管式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（包括两管程）就需要在管板上设置分程隔板来实 现分程，较常用的是单管程、两管程和四管程壳程有单壳程和双壳程两种，学用单壳程，壳程分 程可通过在壳体中设置纵向挡板来实现冷热流体哪一个走管程，哪 一个走壳程，需要考虑的因素很多难以有统一的定则；但总的要求是首选要有利于传热和防腐，其次是要减少流体流动阻力和结垢，便于清洗等一般可参考如下 原则并结合具体工艺要求确定1 .腐蚀性介质走管程，以免使管程和壳程材质都遭到腐蚀2 .有毒介质走管程，这样泄漏的机会少一些3 .流量小的流体走管程，以便选择理想的流速，流量大的液体宜走壳程4 .高温、高压流体走管程，因管子直径较小可承受较高的压力5 .容易结垢的液体在固定管板式和浮头式换热器中走管程、在 U形管式换热器中走壳程，这样。