第四章换热器

第四章 换热器 2024/11/25 目标与要求 概述 传热基础知识 思考与练习 列管式换热器 其他形式换热器 列管式换热器的维护检修 盛年不重来,一日难再晨,及时当勉励,岁月不待人。 ——陶渊明 第四章 换热器 2024/11/25 目标与要求 概述 传热基础知识 思考与练习 列管式换热器 其他形式换热器 列管式换热器的维护检修 1、高压容器应用于什么场合？结构设计特点有哪些？ 1、应用于高压环境； 2、封头多用平端盖、筒体结构复杂、密封要求高、维护要求高…… 2、容器除了满足压力外还需满足哪些要求？ 温度、腐蚀、工艺、容积…… 第四章 换热器 2024/11/25 目标与要求 概述 传热基础知识 思考与练习 列管式换热器 其他形式换热器 列管式换热器的维护检修 教学目标 教学要求 了解换热器的结构、功能、类型、维护要求。 能认知换热器结构、类型、工作原理，能对换热器进行维护处理。 第四章 换热器 2024/11/25 目标与要求 概述 传热基础知识 思考与练习 列管式换热器 其他形式换热器 列管式换热器的维护检修 第一节 概述 换热设备的种类很多，按工艺用途可分为加热器、冷却器、蒸发器、冷凝器、再沸器、废热锅炉、热交换热器等。按传热方式可分为混合式、蓄热式及间壁式三大类。 第四章 换热器 2024/11/25 目标与要求 概述 传热基础知识 思考与练习 列管式换热器 其他形式换热器 列管式换热器的维护检修 第一节 概述 一、 混合式换热器 图4-1 凉水塔示意图 混合式换热器又称直接接触式换热器，它是将冷、热流体直接接触，进行热量交换而实现传热的。例如常见的有凉水塔，喷洒式冷却塔、气液混合式冷凝器等。 第四章 换热器 2024/11/25 目标与要求 概述 传热基础知识 思考与练习 列管式换热器 其他形式换热器 列管式换热器的维护检修 第一节 概述 二、蓄热式换热器 蓄热式换热器内部设有蓄热体(一般为耐火砖)，操作时冷热两种流体交替通过蓄热体，当热流体通过时，蓄热体吸收了热流体的热量而升温，热流体放出了热量而降温；当冷流体通过时，蓄热体放出热量而降温，冷流体被加热而升温。这样，利用蓄热体来蓄积和释放热量而达到冷、热两股流体换热的目的。蓄热式换热器分为连续型(回转蓄热型换热器或 “热轮”)和间歇型(固定型或阀门切换型)两种， 图4-2 蓄热式换热器 第四章 换热器 2024/11/25 目标与要求 概述 传热基础知识 思考与练习 列管式换热器 其他形式换热器 列管式换热器的维护检修 第一节 概述 三、间壁式换热器 间壁式换热器是化工生产中应用最广泛的一种形式，亦称表面式换热器或间接式换热器。在这类换热器中，冷、热两股流体被固体壁隔开，通过固体壁面的导热和对流换热进行热量的传递。参加换热的流体不会混合，传热过程连续而稳定地进行。 第四章 换热器 2024/11/25 目标与要求 概述 传热基础知识 思考与练习 列管式换热器 其他形式换热器 列管式换热器的维护检修 第二节 传热基础知识 一、传热基本概念 传热，即热量的传递。 一类： 是要求传热速率高，这样可使完成某一换热任务时所需的设备紧凑，从而降低设备费用； 另一类： 则要求传热速率越低越好，如高温设备及管道的保温、低温设备及管道的隔热等。 第四章 换热器 2024/11/25 目标与要求 概述 传热基础知识 思考与练习 列管式换热器 其他形式换热器 列管式换热器的维护检修 第二节 传热基础知识 二、传热基本方式 根据传热机理不同，传热的基本方式有三种： 1.热传导 热能从一种物体传至与其相接触的另一物体，或从同一物体的一部分传至另一部分，这种传热方式称为导热。 2.热对流 热对流又称对流传热。在流体中，主要是由于流体质点的位移和混合，将热能由一处传至另一处的传热方式称为对流传热。 3.热辐射 热辐射是一种通过电磁波传递能量的过程，某一物体的热能以电磁波形式在空间传播， 第四章 换热器 2024/11/25 目标与要求 概述 传热基础知识 思考与练习 列管式换热器 其他形式换热器 列管式换热器的维护检修 第二节 传热基础知识 三、强化传热的措施 所谓强化传热，就是设法提高换热器的传热速率。从传热基本方程Q＝KAΔtm可以看出，增大传热面积A，提高传热推动力Δtm，以及提高传热系数K都可以达到强化传热的目的，但应从技术经济的角度进行具体分析，提高哪个因素更有利。 1.增大传热面积 2.提高传热平均温度差 3.提高传热系数 第四章 换热器 2024/11/25 目标与要求 概述 传热基础知识 思考与练习 列管式换热器 其他形式换热器 列管式换热器的维护检修 第三节 列管式换热器 列管式换热器是目前化工生产中应用最为广泛的一种换热器。其具有结构简单，技术成熟，制造容易，适应性强，处理量大，操作方便，运行安全可靠等优点，尤其在高温、高压和大型装置中使用更为普遍。但其传热效率、设备的紧凑性及单位传热面积的金属消耗量等不及某些新型换热器。 第四章 换热器 2024/11/25 目标与要求 概述 传热基础知识 思考与练习 列管式换热器 其他形式换热器 列管式换热器的维护检修 第三节 列管式换热器 一、列管式换热器类型 列管式换热器种类很多，根据结构特点的不同可分为固定管板式换热器、浮头式、U形管式和填料函式等。固定管板式又有带膨胀节的和不带膨胀节的两种。 1、固定管板式换热器 图4-4 固定管板式换热器 ？两张图的差异 第四章 换热器 2024/11/25 目标与要求 概述 传热基础知识 思考与练习 列管式换热器 其他形式换热器 列管式换热器的维护检修 第三节 列管式换热器 一、列管式换热器类型 列管式换热器种类很多，根据结构特点的不同可分为固定管板式换热器、浮头式、U形管式和填料函式等。固定管板式又有带膨胀节的和不带膨胀节的两种。 2、浮头式换热器 适用于较高温差和压差条件下工作。 第四章 换热器 2024/11/25 目标与要求 概述 传热基础知识 思考与练习 列管式换热器 其他形式换热器 列管式换热器的维护检修 第三节 列管式换热器 一、列管式换热器类型 列管式换热器种类很多，根据结构特点的不同可分为固定管板式换热器、浮头式、U形管式和填料函式等。固定管板式又有带膨胀节的和不带膨胀节的两种。 3、填料函式换热器 适用于温差较大、腐蚀较严重且需经常更换管束下工作。 图4-7 填料函式换热器 第四章 换热器 2024/11/25 目标与要求 概述 传热基础知识 思考与练习 列管式换热器 其他形式换热器 列管式换热器的维护检修 第三节 列管式换热器 一、列管式换热器类型 列管式换热器种类很多，根据结构特点的不同可分为固定管板式换热器、浮头式、U形管式和填料函式等。固定管板式又有带膨胀节的和不带膨胀节的两种。 4、U型管式换热器 适用于管内介质清洁，不易结垢且两种介质温差较大或高温高压下工作。 第四章 换热器 2024/11/25 目标与要求 概述 传热基础知识 思考与练习 列管式换热器 其他形式换热器 列管式换热器的维护检修 第三节 列管式换热器 二、列管式换热器主要部件及结构 1、壳体 换热器的壳体一般为一长圆筒，圆筒的公称直径以400mm为基数，以100mm为进级档，根据实际情况也可采用50mm为进级档。当直径小于等于400mm时，可采用无缝钢管制造。其厚度确定根据管间压力、直径大小和温差来决定，壳体的材质根据腐蚀情况而定。 第四章 换热器 2024/11/25 目标与要求 概述 传热基础知识 思考与练习 列管式换热器 其他形式换热器 列管式换热器的维护检修 第三节 列管式换热器 二、列管式换热器主要部件及结构 2、换热管 管壳式换热器所用碳素钢、低合金钢钢管的规格常用φ19×2mm和φ25×2.5mm两种；不锈钢钢管规格常用φ19×2mm和φ25×2mm两种。选择管子直径要考虑换热介质在管内的流速、流量、流体的性质(粘度、污浊度)等。 第四章 换热器 2024/11/25 目标与要求 概述 传热基础知识 思考与练习 列管式换热器 其他形式换热器 列管式换热器的维护检修 第三节 列管式换热器 二、列管式换热器主要部件及结构 2、换热管 换热器的管子一般采用光管，光管结构简单容易制造，但传热系数较低，为了强化传热效果，可采用异形管作换热器的管子，如图4-9所示。常用的有翅片管、螺旋槽纹管、横纹管等。异形管制造困难。 图4-9 异形管 第四章 换热器 2024/11/25 目标与要求 概述 传热基础知识 思考与练习 列管式换热器 其他形式换热器 列管式换热器的维护检修 第三节 列管式换热器 二、列管式换热器主要部件及结构 3、管板与换热管的连接 1）、管板 管板的作用是固定管束，连接壳体和端盖，分隔管程、壳程空间，避免冷、热流体的混合。 图4-10 圆形厚管板 第四章 换热器 2024/11/25 目标与要求 概述 传热基础知识 思考与练习 列管式换热器 其他形式换热器 列管式换热器的维护检修 第三节 列管式换热器 二、列管式换热器主要部件及结构 3、管板与换热管的连接 2）、管板与换热管的连接 管子与管板间的连接必须保证管子和管板连接牢固，密封可靠。常用的连接方法有胀接、焊接和胀焊结合等。 ① 胀接 胀接方法是将管子的一端退火后，用砂纸去掉表面污物和锈皮，装入管板孔内，在胀管器强力滚子的压力作用下，管径增大，产生塑性变形，从而使管端外表面与管板孔内表面紧紧地挤压在一起，达到紧固和密封的目的。 图4-11 胀管示意图 第四章 换热器 2024/11/25 目标与要求 概述 传热基础知识 思考与练习 列管式换热器 其他形式换热器 列管式换热器的维护检修 第三节 列管式换热器 二、列管式换热器主要部件及结构 3、管板与换热管的连接 2）、管板与换热管的连接 管子与管板间的连接必须保证管子和管板连接牢固，密封可靠。常用的连接方法有胀接、焊接和胀焊结合等。 ② 焊接 对于高温高压以及易燃易爆的介质，管子与管板的连接多采用焊接方法，因为焊接法比胀接法具有更大的优点：方法简单，不易泄漏，在高温、高压下仍能保证连接的紧密性；管板孔加工要求低，同时焊接工艺也比胀管工艺简便，且在压力不太高时可使用较薄的管板，因此焊接法应用广泛。由于在焊接接头处管端与管板孔之间有间隙，易腐蚀，因此焊接法不适用于有较大振动及有间隙腐蚀的场合。 第四章 换热器 2024/11/25 目标与要求 概述 传热基础知识 思考与练习 列管式换热器 其他形式换热器 列管式换热器的维护检修 第三节 列管式换热器 二、列管式换热器主要部件及结构 3、管板与换热管的连接 2）、管板与换热管的连接 管子与管板间的连接必须保证管子和管板连接牢固，密封可靠。常用的连接方法有胀接、焊接和胀焊结合等。 ③ 胀焊结合 单独采用胀接或单独采用焊接均有一定的局限性。为此，出现了胀接加焊接的形式。其结构有两种形式，一是强度胀加密封焊，胀接承载并保证密封，焊接仅是辅助性防漏；二是强度焊加贴胀，焊接承载并保证密封，贴胀是为了消除间隙。采用焊胀结合结构可以消除间隙，提高使用寿命。适用于密封性能要求较高，承受疲劳或振动载荷，有间隙腐蚀的场合。从加工工艺过程来看，可以先焊后胀，也可以先胀后焊，各有利弊，目前尚无统一的规定，一般趋向于先焊后胀。目前这种方法已得到比较广泛的应用。 第四章 换热器 2024/11/25 目标与要求 概述 传热基础知识 思考与练习 列管式换热器 其他形式换热器 列管式换热器的维护检修 第三节 列管式换热器 二、列管式换热器主要部件及结构 4、管板与壳体的连接 管壳式换热器管板与壳体的连接结构可分为可拆式和不可拆式两大类。 不可拆式： 图4-14 兼作法兰的管板与壳体的连接结构 图4-15 不兼作法兰的管板与壳体的连接结构 第四章 换热器 2024/11/25 目标与要求 概述 传热基础知识 思考与练习 列管式换热器 其他形式换热器 列管式换热器的维护检修 第三节 列管式换热器 二、列管式换热器主要部件及结构 4、管板与壳体的连接 管壳式换热器管板与壳体的连接结构可分为可拆式和不可拆式两大类。 可拆式： 第四章 换热器 2024/11/25 目标与要求 概述 传热基础知识 思考与练习 列管式换热器 其他形式换热器 列管式换热器的维护检修 第三节 列管式换热器 二、列管式换热器主要部件及结构 5、折流板及其他挡板 1）、折流板 为了提高壳程内流体的传热效率，在壳程内设置了折流板，迫使流体按规定路径多次横向流过管束，折流板还起支持换热管的作用。 图4-18 多弓形折流板 第四章 换热器 2024/11/25 目标与要求 概述 传热基础知识 思考与练习 列管式换热器 其他形式换热器 列管式换热器的维护检修 第三节 列管式换热器 二、列管式换热器主要部件及结构 5、折流板及其他挡板 1）、折流板 折流板的安装固定是通过拉杆和定距管来实现的。 图4-20 折流板的固定 第四章 换热器 2024/11/25 目标与要求 概述 传热基础知识 思考与练习 列管式换热器 其他形式换热器 列管式换热器的维护检修 第三节 列管式换热器 二、列管式换热器主要部件及结构 5、折流板及其他挡板 2）、防冲挡板和导流筒 在介质进口处的管束，经常受到流体介质的冲刷，容易产生侵蚀和振动，所以为了保护管束常将壳程接管的入口处加以扩大，把接管做成喇叭形，如图4-21所示以起缓冲作用，或在壳体进口处设置防冲挡板和导流筒。 图4-21 缓冲接管 图4-22 防冲挡板 第四章 换热器 2024/11/25 目标与要求 概述 传热基础知识 思考与练习 列管式换热器 其他形式换热器 列管式换热器的维护检修 第三节 列管式换热器 二、列管式换热器主要部件及结构 6、管箱与接管 图4-24 管箱结构型式 1）、管箱 换热器管内流体进出口的空间称为管箱(或称分配室)。它位于换热器的两端，作用是把从管道输送来的流体均匀地分布到各换热管，或把管内流体汇集到一起输送出去，还兼有封头作用。其结构主要以换热器是否需要清洗或管束是否需要分程等因素来决定。 第四章 换热器 2024/11/25 目标与要求 概述 传热基础知识 思考与练习 列管式换热器 其他形式换热器 列管式换热器的维护检修 第三节 列管式换热器 二、列管式换热器主要部件及结构 6、管箱与接管 2）、接管 接管是冷热流体的进出口。对接管的一般要求：接管内端面应与壳体内表面平齐；接管应尽量沿壳体的径向或轴向设置；接管与外部管线可采用焊接连接或法兰连接；设计温度高于或等于300℃时，必须采用整体法兰。 图4-25 壳程接管 第四章 换热器 2024/11/25 目标与要求 概述 传热基础知识 思考与练习 列管式换热器 其他形式换热器 列管式换热器的维护检修 第三节 列管式换热器 二、列管式换热器主要部件及结构 7、膨胀节 当壳壁与管壁温差比较大时，有可能在温差应力与内压产生的应力共同作用下，使圆筒或换热管中的轴向应力超过许用值，这时若仍选用固定管板式换热器，则要设置膨胀节。 图4-26 膨胀节的结构型式 第四章 换热器 2024/11/25 目标与要求 概述 传热基础知识 思考与练习 列管式换热器 其他形式换热器 列管式换热器的维护检修 第三节 列管式换热器 三、列管式换热器标准 为了保证质量，降低成本，我国制订了换热器系列技术标准，标准里规定了各类换热器的基本参数和结构形式，备有标准施工图，供各单位选用。这些标准系列总结了我国换热器设计和制造的经验，反映了我国换热器设计水平，在工程设计中应尽量采用标准系列。其中GB 151《钢制管壳式换热器》应用较广。 第四章 换热器 2024/11/25 目标与要求 概述 传热基础知识 思考与练习 列管式换热器 其他形式换热器 列管式换热器的维护检修 第四节 其他形式换热器 一、沉浸式换热器 图4-27 沉浸式换热器 第四章 换热器 2024/11/25 目标与要求 概述 传热基础知识 思考与练习 列管式换热器 其他形式换热器 列管式换热器的维护检修 第四节 其他形式换热器 二、喷淋式换热器 图4-28 喷淋式换热器 第四章 换热器 2024/11/25 目标与要求 概述 传热基础知识 思考与练习 列管式换热器 其他形式换热器 列管式换热器的维护检修 第四节 其他形式换热器 三、套管式换热器 图4-29 套管式换热器 第四章 换热器 2024/11/25 目标与要求 概述 传热基础知识 思考与练习 列管式换热器 其他形式换热器 列管式换热器的维护检修 第四节 其他形式换热器 四、夹套式换热器 第四章 换热器 2024/11/25 目标与要求 概述 传热基础知识 思考与练习 列管式换热器 其他形式换热器 列管式换热器的维护检修 第四节 其他形式换热器 五、平板式换热器 图4-31 板式换热器 第四章 换热器 2024/11/25 目标与要求 概述 传热基础知识 思考与练习 列管式换热器 其他形式换热器 列管式换热器的维护检修 第四节 其他形式换热器 六、螺旋板式换热器 图4-32 螺旋板式换热器 （a） （b） （c） 第四章 换热器 2024/11/25 目标与要求 概述 传热基础知识 思考与练习 列管式换热器 其他形式换热器 列管式换热器的维护检修 第四节 其他形式换热器 七、热管式换热器 图4-33 热管的结构原理 热管金属件 第四章 换热器 2024/11/25 目标与要求 概述 传热基础知识 思考与练习 列管式换热器 其他形式换热器 列管式换热器的维护检修 第五节 列管式换热器的维护检修 列管式换热器在使用过程中，容易发生故障的零件是管子。介质对管子的冲刷、腐蚀等作用都可能造成管子的损坏，因此应经常对换热器进行检查，以便及时发现故障，并采取相应的措施进行修理。列管式换热器最常见的故障有管壁积垢、管子泄露和振动等。 第四章 换热器 2024/11/25 目标与要求 概述 传热基础知识 思考与练习 列管式换热器 其他形式换热器 列管式换热器的维护检修 第五节 列管式换热器的维护检修 一、管壁积垢的清除 在列管式换热器管子的内外壁上，由于介质的经常存在，很容易形成一层积垢。积垢的形成会直接降低换热器的换热效率，因而，应及时进行清除。对管子内壁积垢的清除方法，可采用机械法和化学除垢法进行修理。 第四章 换热器 2024/11/25 目标与要求 概述 传热基础知识 思考与练习 列管式换热器 其他形式换热器 列管式换热器的维护检修 第五节 列管式换热器的维护检修 二、管子泄漏的修理 1、对少量管子泄漏的修理方法 如果管束中仅有一根或几根管子泄漏时，一般对换热器的换热效率并无太大影响，实际修理时可用锥形金属塞在管子的两端敲紧并焊牢，从而将损坏的管子堵死不用。锥形金属塞的锥度一般为3°~5°，塞子大头直径应稍大于胀管部分的内径。 2、对较多管子泄漏的修理方法 如果损坏泄漏的管子较多，超过了总管数的10%，此时若采用堵塞法修理将会极大的影响到换热设备的换热效率降低换热设备的换热效果。因此应采用更换管子的方法进行修理。 第四章 换热器 2024/11/25 目标与要求 概述 传热基础知识 思考与练习 列管式换热器 其他形式换热器 列管式换热器的维护检修 第五节 列管式换热器的维护检修 三、管子振动的修理 管子振动也是换热器常见故障的一种形式。其产生原因主要是由于管子与折流板间隙过大，加上介质脉冲性流动引起的。其后果会使管端连接处松动，使管子与折流板接触处产生磨损，从而导致泄露，降低管子使用寿命。 第四章 换热器 2024/11/25 目标与要求 概述 传热基础知识 思考与练习 列管式换热器 其他形式换热器 列管式换热器的维护检修 思考题 1、什么叫换热器？换热器是如何进行分类的？ 2、间壁式换热器的种类和特点有哪些？ 3、传热的方式有哪几种，其传热机理如何？工业用换热方式有哪些？ 4、强化传热的措施有哪些？具体如何实行？ 5、列管式换热器按结构分为哪几种？各有什么特点？ 6、管子在管板上有哪些排列方式？各用于什么场合？ 7、管子与管板的连接方式有哪几种？ 8、管板怎样与壳体连接？ 9、拆流板有何作用？有哪些结构？它是如何安装的？ 10、管箱的作用及其结构形式有哪些？ 11、膨胀节的作用是什么？结构如何？ 12、除列管式换热器外，还有哪些其它形式的换热器？它们的结构如何？各有什么特点？ 13、列管式换热器的常见故障有哪些？其检修方法怎样？ $$