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1、换热装置的工艺设计主讲：谭志伟二零一六年秋1 概述换热装置是以传递热量为主要功能的通用机械,通常称为热交换器,简称换热器。换热器在化工、石油、制冷、动力、食品等部门中均有广泛的应用。它们的设计、制造和运行对生产过程起着十分关键的作用。在化工厂的建设中,换热器约占工程总投资的11%;通常,换热器约占炼油及化工装置设备总投资的40%。因此,换热器的设计、制造、结构改进及传热机理研究,在节省投资、降低能耗等方面将发挥日益重要的作用。(1)换热装置的分类根据换热的目的和工艺要求不同,换热器的结构型式必然是五花八门,其分类也是多种多样。①按冷热物料接触方式可分为:直接接触式、蓄热式和间壁式。②
2、按换热器的使用功能又可分为:加热器、冷却器、再沸器、冷凝器、蒸发器、空冷器、凉水塔、废热锅炉等。③按换热器换热面紧凑程度又可分为:紧凑式换热器(换热面积密度>700m2/m3)和非紧凑式换热器(换热面积密度<700m2/m3)。④按流体流动方式又可分为:单程型换热器和多程型换热器。⑤按换热器结构型式又可分为:管式换热器(主要有管壳式、套管式、螺旋盘管式或蛇管式换热器);板式换热器(主要有板式、螺旋板式、伞板式、板壳式换热器);扩展表面式换热器(主要有板翅式和管翅式换热器);蓄热式换热器(主要有回转式和固定格室式换热器);其他(孔块式换热器、空冷器及薄膜式换热器等)。其结构分类详见表1
3、。表3-1 以结构分类的常见换热器及应用场合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℃),管间不能机械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函式外填料函管间容易泄漏,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有蒸发空间,用于再沸和蒸发膜式升膜式多为管壳式结构,每根换热管均有液体分布器,主要用于蒸发浓缩、液体冷却、蒸汽冷凝、吸收或解析降膜式套管式双套管式结构比较复杂,主要用于高温高压场合,或固定床反应器中套
4、管式能逆流操作,用于传热面较小的冷却器、冷凝器或预热器螺旋盘管或蛇管式浸没式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续表3-1 以结构分类的常见换热器及应用场合热管式吸液芯热管用于太阳能热水器,空气预热和冷却,微电子元器件散热等重力热管也称热虹吸式热管,无吸液芯,用于制冷、食品和微电子等振荡热管又称脉动热管、弯曲毛细管热管、自激振荡流热管旋转式热管回收含尘烟气热量,由于旋转离心力作用,受热面上灰尘不易积聚且易于清除板式板式拆洗方便,传热面能调整,主要用于黏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,可回收低温热能伞板式伞形传热板结构
5、紧凑,拆洗方便,通道较小,易堵,要求流体干净板壳式板束类似于管束,可抽出清洗检修,压力不能太高扩展表面式板翅式结构十分紧凑,传热效率高,流体阻力大管翅式适用于气体和液体之间传热,传热效率高,用于化工、动力、空调、制冷工业续表3-1 以结构分类的常见换热器及应用场合蓄热式回转式盘式传热效率高,用于高温烟气冷却等鼓式用于空气预热器等固定格室式紧凑式适用于低温到高温的各种条件非紧凑式可用于高温及腐蚀性气体场合其他孔块式换热器石墨换热器,主要用于两侧均为腐蚀介质换热的场合空冷器或凉水塔自然通风用于空气冷却循环水机械通风用于空气冷却循环水增湿塔用于空气冷却水,同时使空气降温增湿薄膜式刮板薄膜式
6、主要用于蒸发浓缩,适于高黏度、有结晶物料的蒸发离心薄膜式主要用于蒸发浓缩,适于高黏度、有结晶物料的蒸发(2)换热装置的选型传热设备选型时需要考虑的因素是多方面的,主要有:①热负荷及流量大小;②流体的性质;③温度、压力及允许压降范围;④对清洗、维修的要求;⑤设备结构材料、尺寸、重量;⑥价格、使用安全性和寿命等。流体的性质对换热器类型的选择往往会产生重大影响,如流体的物理性质(如比热容、热导率、黏度)、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。如用于硝酸的加热器,流体的强腐蚀性决定了设备的结构材料,限制了可能采用的结构范围。又如对于热敏性大的液体,能否精确控制它在
7、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。流体的清净程度和易否结垢,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。同样,换热介质的流量、工作温度、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,或者流量很大时就不适用了。2 管壳式换热器的工艺设计管壳式换热器(也称列管式换热器)是一种广泛使用的换热设备。管壳式换热器是把
