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1、主要内容1、概述2、换热器的分类3、换热器的结构形式4、结垢的危害和清洗5、换热器传热过程的强化6、苯乙烯装置换热器举例7、换热器故障分类 1、概述、概述 换热器是实现热量交换的设备，化工生产需要换热器是实现热量交换的设备，化工生产需要大规模地改变物质的化学性质和物理性质，而这大规模地改变物质的化学性质和物理性质，而这些性质的变化都涉及热能的传递，主要应用在：些性质的变化都涉及热能的传递，主要应用在：（1）化学反应：向反应器提供热量或从反应器移）化学反应：向反应器提供热量或从反应器移走热量；走热量；（2）蒸发、蒸馏、干燥：按一定的速率向这些设）蒸发、蒸馏、干燥：按一定的速率向这些设备输入热量；
2、备输入热量；（3）高温或低温设备：隔热保温，减少热损失；）高温或低温设备：隔热保温，减少热损失；（4）热能的合理利用和废热回收。）热能的合理利用和废热回收。 使用换热设备是为了达到加热或冷却的目的，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流体与需要冷却的流体，如果将那些需要加热的流体与需要冷却的流体，经过换热设备相互换热，既可回收热量，又可降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。低冷却水的消耗。热量传递的方式（1）热传导：依靠物体中微观粒子的热运动，如固体中的传热；（2）热对流：流体质点（微团）发生宏观相对位移而引起的传热现象，对流传热只能发生在流体中，
3、通常把传热表面与接触流体的传热也称为对流传热；（3）热辐射：高温物体以电磁波的形式进行的一种传热现象，热辐射不需要任何介质做媒介；在高温情况下，辐射传热成为主要传热方式。 比较换热设备的指标a) 效率要高。效率高就要求其传热系数大，传热系数是指在单位时间内、单位面积上温度每变化一度所传递的热量。b) 结构紧凑。要使换热设备的结构紧凑就要求其比表面积大，比表面积是指单位体积的换热设备所具有的传热面积，即传热面积与换热设备体积之比。c) 节省材料。要做到此点要求其比重量要小，所谓比重量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。d) 压力降要小。流体在设备中流动阻力小、压力
4、损失就小，节省动力、操作成本降低。e) 要求结构可靠、制造成本低，便于安装、检修、使用周期长。由于要全面满足上述要求是非常困难的，因而产生了各种各样的换热器，以适应各种特定的工艺条件。1）直接接触式换热器(混和式换热器) 冷、热流体直接接触，相互混和传递热量。特点是结构简单，传热效率高。适于冷、热流体允许混和的场合。如凉水塔、洗涤塔、文氏管及喷射冷凝器等。2）蓄热式换热器(回流式换热器、蓄热器) 借助于热容量较大的固体蓄热体，将热量由热流体传给冷流体。当蓄热体与热流体接触时，从热流体处接受热量，蓄热体温度升高，然后与冷流体接触，将热量传递给冷流体，蓄热体温度下降，从而达到换热的目的。特点是结构
5、简单，可耐高温，体积庞大，不能完全避免两种流体的混和。适于高温气体热量的回收或冷却。如回转式空气预热器。3）间壁式换热器(表面式和间接式换热器) 冷、热流体被固体壁面隔开，互不接触，热量由热流体通过壁面传递给冷流体。形式多样，应用广泛。 适于冷、热流体不允许混和的场合。 如各种管壳式、板式结构的换热器。2、换热器的分类2.1 按作用原理分 2.2 按用途分1.加热器：用于把流体加热到所需温度，被加热流体在加热过程中不发生相变。2.预热器：用于流体的预热，以提高整套工艺装置的效率。3.过热器：用于加热饱和蒸汽，使其达到过热状态。4.蒸发器：用于加热液体，使其蒸发汽化。5.再沸器：用于加热已被冷凝
6、的液体，使其再受热汽化。为蒸馏过程专用设备。6.冷却器：用于冷却流体，使其达到所需温度。7.冷凝器：用于冷却凝结性饱和蒸汽，使其放出潜热而凝结液化。2.3 按传热面形状和结构分1.管式换热器通过管子壁面进行传热的换热器。按传热管的结构形式可分为管壳式换热器、蛇管式换热器、套管式换热器、翅片式换热器等。应用最广。2.板式换热器通过板面进行传热的换热器。按传热板的结构形式可分为平板式、螺旋板式、板翅式、热板式换热器等。3.特殊形式换热器根据工艺特殊要求而设计的具有特殊结构的换热器。如回转式、热管、同流式换热器等。 2.4 按所用材料分1.金属材料换热器由金属材料加工制成的换热器。常用的材料有碳钢、
7、合金钢、铜及铜合金、铝及铝合金、钛及钛合金等。因金属材料导热系数大，故此类换热器的传热效率高。2.非金属材料换热器由非金属材料制成的换热器。常用的材料有石墨、玻璃、塑料、陶瓷等。因非金属材料导热系数较小，故此类换热器的传热效率较低。常用于具有腐蚀性的物系。换热器分类小结换热器分类小结： 按作用原理分：1.直接接触式换热器2.蓄热式换热器(回流式换热器、蓄热器)3.间壁式换热器(表面式和间接式换热器)按用途分：1.加热器2.预热器3.过热器4.蒸发器 5.再沸器6.冷却器7.冷凝器按传热面形状和结构分1.管式换热器2.板式换热器3.特殊形式换热器按作用材料分：1.金属材料换热器2.非金属材料换热
8、器3 换热器的结构形式 3.1 管式换热器的结构形式3.1.1 列管式换热器(管壳式换热器) 它结构紧凑，单位体积所具有的传热面积较大(40150m2/m3)，传热效果好，适应性强，操作弹性大，尤其适用于高温、高压和大型装置中，是管式换热器中应用最普遍的换热器。在列管式换热器中，由于管内外流体温度不同，使管束和壳体的受热程度不同，导致它们的热膨胀程度出现差别。若两流体温差较大，就可能由于热应力而引起设备的变形，管子弯曲甚至破裂，严重时从管板上脱落。因此当两流体的温度差超过50时，就应从结构上考虑热膨胀的影响，采取相应的热补偿措施。根据热补偿方法的不同，列管式换热器分为三种形式： 1.固定管板式
9、换热器 它是将两端管板和壳体连接在一起，因而具有结构简单，造价低廉的优点，但由于壳程清洗和检修困难，管外物料应清洁、不易结垢 。对温差稍大时可在壳体的适当部位焊上补偿圈(或称膨胀节)，通过补偿圈发生弹性变形(拉伸或压缩)来适应外壳和管束不同的膨胀程度。这种补偿方法简单但有限，只适用于两流体温差小于70，壳程流体压强小于0.6MPa的场合。 固定管板换热器的主要特点：该换热器的特点是结构简单、紧凑、没有壳程密封的问题，而且往往是管板兼作法兰。其适用于：a) 管、壳程温差较大，但压力不高的场合(因为温差大，要加膨胀节，而膨胀节耐压能力差)b) 管、壳程温差不大，而压力较高的场合；c) 壳程无法机械
10、清洗，故要求壳程介质干净；或虽会结垢，但通过化学清而能去除的场合；d) 布管多，锻件少，一次性投资低；但不可更换管束，整台设备往往由换热管损坏而更换，故设备运行周期短。使用压力和温度的限制： 由于换热管、管板和壳体焊在一起，故换热管与壳体间的金属壁温差引起的温差应力是其致命的弱点，因为在固定管板换热器的管板温差应力计算中，要校核以下三个方面的应力和力： 按有温差的各种工况算出的壳体轴向应力， 换热管轴向应力， 换热管与管板之间连接拉脱力 三项中有一项不能满足强度条件时，就需设置膨胀节；根据工程经验，当壳体与换热管金属温差(注意不是介质温差)高于50时一般应设置膨胀节，GB16749压力容器用波
11、形膨胀节规定最高使用压力为6.4MPa,再高要用带加强装置的型膨胀节。故带膨胀节的固定管板换热器使用压力不高，而且结构设计和制造也趋于复杂。在壁温差很小无需考虑温差应力时，固定管板式换热器也有使用在很高压力的场合，此时往往管板与管箱或管板与壳体做成整体型式，或者管板、管箱(头盖)和壳体三者成为一个整体，但一般高压用得比较少，而低压力、大直径固定管板式换热器用得很广泛。 2.浮头式换热器 它是将一端管板与壳体相连，而另一端管板不与壳体固定连接，可以沿轴向自由浮动。这种结构不但可完全消除热应力，而且在清洗和检修时整个管束可以从壳体中抽出。因而尽管其结构复杂，造价高，但应用较为普遍。 浮头换热器的主
12、要特点如下：a)可抽式管束，当换热管为正方形或转角正方形排列时，管束可抽出进行管间机械清洗，适用于壳程易结焦及堵塞的工况；b)一端管板夹持，一端内浮头型式可自由浮动，故无需考虑温差应力，可用于大温差的场合；c)浮头结构复杂，影响排管数，加之处于壳程介质内的浮头密封面操作中发生泄漏时很难采取措施；d)压力试验时的试压胎具复杂。 使用压力和温度的限制: 浮头换热器用于炼油行业中较多，内浮头结构限制了使用压力和温度,故一般情况其使用限制为Pmax6.4 MPa; Tmax400（450），对于大直径（DN1200mm），而压力又较高时，浮头端密封结构的设计和制造尤其是浮头内螺柱热松弛始终是个难题，而
13、对壳程为加热介质时，更为突出 。为此防浮头热应力松驰泄漏作为作为重点予以考虑：a) 增大外头盖尺寸，以增加螺栓压紧力；b) 探讨采用波齿垫或浮头螺栓增加防热应力松弛的蝶簧垫片；c) 浮头螺柱的安装因操作时无法热紧，要给予特别的注意。 3.U型管式换热器它是将每根管子都弯成U型状，两端固定在同一管板的两侧，管板用隔板分成两室。这种结构使得每根管子可以自由伸缩，与其它管子和壳体无关，从而解决了热补偿问题。这种换热器结构简单，可用于高温高压，但管程不易清洗，而且因管子需要一定的弯曲半径，故管板的利用率低。U 形管式换热器在换热器中是唯一适用于高温、高压和高温差的换热器,特点如下：a）以U 形换热管尾
14、端的自由浮动解决温差应力，可用于高温差；b）只有一块管板，加之法兰的数量也少，故结构简单而且泄漏点少；c）可以进行抽芯清洗；d）由于弯管Rmim (U形管弯管段的弯曲半径)的限制，分程间距宽，故比固定管板换热器排管略少。e）管程流速太高时，将会对U 形弯管段产生严重的冲蚀，影响寿命，尤其R 小的管子。f）换热管泄漏时，除外圈U 形管外，不能更换，只能堵管。 4.釜式重沸器 釜式重沸器的管程采用U 形或浮头管束（管头试压时，要另配试压壳体），壳程为单（或双）斜锥具有蒸发空间的壳体，一般为管程介质加热壳程介质，故管程的温度和压力比壳体的高，适用于： a) 管、壳程温差大的场合； b) 一般管程压力
15、比壳程高，可采用 T 翅或表面多孔强化传热管； c) 塔底空间较小的场合； d) 汽化率较高的场合(3080%)； e) 重沸工艺介质的液相作为产品或分离要求高的场合； f) 用作蒸汽发生器，对蒸汽品质要求不高安装空间受限制的场合。 5.填料函式换热器 填料函式换热器是另一种浮头式换热器，它的浮动端采用填料密封浮动管板（裙）可在填料函内填料的压力下，自由滑动，以补偿换热管与壳体的膨胀差量。这类结构直径不能太大，压力一般不高于2.5 MPa，且不能用于贵重介质及危害介质，当介质危害不是太大时，也可以采用双填函密封加以弥补，之所以有使用是因其解决温差应力的成本较低。换热器型号的表示方法级换热器管/
16、壳程数，单壳程时写公称长度（），换热管外径（）公称换热面积（）管/壳程设计压力（),压力相等时只写公称直径（），对于釜式重沸器用分数表示，分子为管箱内直径，分母为圆筒内直径。第一个字母代表前端管箱型式第二个字母代表壳体型式第三个字母代表后端结构型式举例说明举例说明1、浮头式换热器平盖管箱，公称直径500mm，管程和壳程设计压力均为1.6MPa，公称换热面积54，较高级冷拔换热管外径25mm，管长6m，4管程单壳程的浮头式换热器，其型号为：AES500-1.6-54-6/25-42、固定管板式换热器封头管箱，公称直径700mm，管程设计压力2.5MPa，壳程设计压力1.6MPa，公称换热面积200 ，较高级冷拔换热管外径25mm,管长9m，4管程单壳程的固定管板式换热器，其型号为：BEM700-2.5/1.6-200-9/25-43、U型管式换热器封头管箱，公称直径500mm，管程设计压力4.0MPa，壳程设计压力1.6MPa，公称换热面积75 ，较高级冷拔换热管外径19mm,管长6m，2管程单壳程的U型管式换热器，其型号为：BIU500-4.0/1.6-75-6/19-2 管壳式换热器
