【正文】 ................. 參 考 文 獻(xiàn) ........................................................... 謝 辭 ................................................................ 1 前 言 換熱器是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設(shè)備，又稱熱交換器。 換熱器的應(yīng)用廣泛，它的主要功能是保證工藝過程對介質(zhì)所要求的特定溫度，同時也是提高能源利用率的主要設(shè)備之一。換熱器既可 是一種單獨(dú)的設(shè)備，如加熱器、冷卻器和凝汽器等；也可是某一工藝設(shè)備的組成部分，如氨合成塔內(nèi)的熱交換器。 在石油、化工、輕工、制藥、能源等工業(yè)生產(chǎn)中，常常需要把低溫流體加熱或者把高溫流體冷卻，把液體汽化成蒸汽或者把蒸汽冷凝成液體。這些過程均和熱量傳遞有著密切聯(lián)系，因而均可以通過換熱器來完成。 換熱器的應(yīng)用及其發(fā)展 它是化工、煉油、動力、食品、輕工、原子能、制藥、機(jī)械及其它許多工業(yè)部門廣泛使用的一種通用設(shè)備。在化工廠中，換熱設(shè)備的投資約占總投資的10%～ 20%；在煉油廠中，約占總投資的 35%～ 40%。 例 如，如煙道氣（約 200～ 300℃）、高爐爐氣（約 1500℃）、需要冷卻的化學(xué)反應(yīng)工藝氣（ 300～ 1000℃）等的余熱，通過余熱鍋爐可生產(chǎn)壓力蒸汽，作為供熱、供氣、發(fā)電和動力的輔助能源，從而提高熱能的總利用率，降低燃料消耗和電耗，提高工業(yè)生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益。 由于制造工藝和科學(xué)水平的限制，早期的換熱器只能采用簡單的結(jié)構(gòu)，而且傳熱面積小、體積大和笨重，如蛇管式換熱器等。隨著制造工藝的發(fā)展，逐步形成一種管殼式換熱器，它不僅單位體積具有較大的傳熱面積，而且傳熱效果也較好，長期以來在工業(yè)生產(chǎn)中成為一種典型的換熱器。 二十世 紀(jì) 20 年代出現(xiàn)板式換熱器，并應(yīng)用于食品工業(yè)。以板代管制成的換熱器，結(jié)構(gòu)緊湊，傳熱效果好，因此陸續(xù)發(fā)展為多種形式。 30 年代初，瑞典首次制成螺旋板換熱器。接著英國用釬焊法制造出一種由銅及其合金材料制成的板翅式換熱器，用于飛機(jī)發(fā)動機(jī)的散熱。 30 年代末，瑞典又制造出第一臺板殼式換熱器，用于紙漿工廠。在此期間，為了解決強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)的換熱問題，人們對新型材料制成的換熱器開始注意。 60 年代左右，由于空間技術(shù)和尖端科學(xué)的迅速發(fā)展，迫切需要各種高效能緊湊型的換熱器，再加上沖壓、釬焊和密封等技術(shù)的發(fā)展，換熱器制造工藝得到進(jìn) 一步完善，從而推動了緊湊型板面式換熱器的蓬勃發(fā)展和廣泛應(yīng)用。 此外，自 60 年代開始，為了適應(yīng)高溫和高壓條件下的換熱和節(jié)能的需要，典型的管殼式換熱器也得到了進(jìn)一步的發(fā)展。 近二三十年來，化工、石油、輕工等過程工業(yè)得到了迅猛發(fā)展。能源緊缺已成為世界性重大問題之一，各工業(yè)部分都在大力發(fā)展大容量、高性能設(shè)備，以減少設(shè)備的投資和運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用。因此，要求提供尺寸小，重量輕、換熱能力大的換熱設(shè)備。特別是 20 世紀(jì) 70 年代的世界能源危機(jī)，加速了當(dāng)代先進(jìn)換熱技術(shù)和節(jié)能技術(shù)的發(fā)展。世界各國十分重視傳熱強(qiáng)化和熱能回收利用的研究和開發(fā)工 作，開發(fā)適用于不同工業(yè)過程要求的高效能換熱設(shè)備來提高工業(yè)生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益，并取得了豐碩成果。到目前為止，已研究和開發(fā)出多種新的強(qiáng)化傳熱技術(shù)和高效傳熱元件。為了強(qiáng)化傳在研究和發(fā)展熱管的基礎(chǔ)上又創(chuàng)制出熱管式換熱器。 換熱器的分類及其特點(diǎn) 在工業(yè)生產(chǎn)中，由于用途、工作條件和物料特性的不同，出現(xiàn)了各種不同形式和結(jié)構(gòu)的換熱設(shè)備。 按作用原理或傳熱方式分類： 按換熱設(shè)備熱傳遞原理或傳熱方式進(jìn)行分類，可分為以下幾種主要形式。 ⑴ 直接接觸式換熱器 這類換熱器又稱混合式換熱器，它是通過冷、熱流體的直接接觸、混合進(jìn)行熱量 交換的換熱器。如冷卻塔、冷卻冷凝器等。為增加兩流體的接觸面積，以達(dá)到充分換熱，在設(shè)備中常放置填料和柵板，通常采用塔狀結(jié)構(gòu)。直接接觸式換熱器具有傳熱效率高、單位容積提供的傳熱面積大、設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜等優(yōu)點(diǎn)，但僅適用于工藝上允許兩種流體混合的場所。由于兩流體混合換熱后必須及時分離，這類換熱器適合于氣、液兩流體之間的換熱。例如，化工廠和發(fā)電廠所用的涼水塔中，熱水由上往下噴淋，而冷空氣自下而上吸入，在填充物的水膜表面或飛沫及水滴表面，熱水和冷空氣相互接觸進(jìn)行換熱，熱水被冷卻，冷空氣被加熱，然后依靠兩流體本身的 密度差得以及時分離。 ⑵ 蓄熱式換熱器 這類換熱器又稱回?zé)崾綋Q熱器。它是借助于由固體 (如固體調(diào)料或多孔性格子磚等 )構(gòu)成的蓄熱體與熱流體和冷流體交替接觸，把熱量從熱流體傳遞給冷流體的換熱器。在換熱器內(nèi)首先由熱流體通過，把熱量積蓄在蓄熱體中，然后由冷流體通過，由蓄熱體把熱量釋放給冷流體。由于兩種流體交替與蓄熱體接觸，因此不可避免地會使兩種流體少量混合。若兩種流體不允許混合，則不能采用蓄熱式換熱器。蓄熱式換熱器結(jié)構(gòu)緊湊、價格便宜、單體體積傳熱面積大，故較適合用于氣 氣熱交換的場合。如煉焦?fàn)t下方預(yù)熱空氣的蓄熱室。這 類換熱器主要用于回收和利用高溫廢氣的熱量。以回收冷量為目的的同類設(shè)備稱蓄冷器，多用于空氣分離裝置中。 ⑶ 間壁式換熱器 這種換熱器又稱表面式換熱器。它是利用間壁（固體壁面）將進(jìn)行熱交換的冷、熱兩種流體隔開，互不接觸，熱量由熱流體通過間壁傳遞給冷流體的換熱器。間壁式換熱器是工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用最為廣泛的換熱器，其形式多種多樣。 ⑷ 中間載熱體式換熱器 這類換熱器是把兩個間壁式換熱器由在其中循環(huán)的載熱體連接起來的換熱器。載熱體在高溫流體換熱器和低溫流體換熱器之間循環(huán)，在高溫流體換熱器中吸收熱量，在低溫流體換熱器中把熱 量釋放給低溫流體，如熱管式換熱器。 間壁式換熱器分類： 間壁式換熱器根據(jù)傳熱面的結(jié)構(gòu)不同可分為管式、板面式和其他型式。 ○ 1 管式換熱器 這類換熱器都是通過管子壁面進(jìn)行傳熱的換熱器。按傳熱管的結(jié)構(gòu)形式不同大致可以分為蛇管式換熱器、套管式換熱器、管殼式換熱器和纏繞管式換熱器等。 ○ 2 板面式換熱器 此類換熱器都是以板面作為傳熱面，按傳熱板面的結(jié)構(gòu)形式可分分為以下五種：螺旋板式換熱器、板式換熱器、板翅式換熱器、板殼式換熱器和傘板換熱器。 板面式換熱器的傳熱 性能要比管式換熱器優(yōu)越，由于其結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)，使流體能在較低的速度下就達(dá)到湍流狀態(tài)，從而強(qiáng)化了傳熱。板面式換熱器采用板材制造，在大規(guī)模組織成產(chǎn)時，可降低設(shè)備成本，但其耐壓性能比管式換熱器差。 ○ 3 其他型式換熱器 這類換熱器是指一些具有特殊結(jié)構(gòu)的換熱器，一般是為滿足某些工藝特殊要求而設(shè)計(jì)的，如石墨換熱器、聚四氟乙烯換熱器和熱管換熱器等。 換熱器的防腐維護(hù) 換熱器表面的腐蝕磨損腐蝕介質(zhì)與金屬構(gòu)件的表面，相對運(yùn)動速度較大，導(dǎo)致構(gòu)件局部表面遭受嚴(yán)重的腐蝕損壞，這類腐蝕稱為磨損 腐蝕，簡稱磨損。造成腐蝕損壞的流動介質(zhì)，可以是氣體、液體或含有固體的顆粒、氣泡的氣體等。磨損腐蝕，是高速流體對金屬表面已經(jīng)生成的腐蝕產(chǎn)物的機(jī)械沖刷作用和新裸露金屬表面的腐蝕作用的綜合。 由于石油化工中的生產(chǎn)介質(zhì)，往往具有一定的粘連性。為了防止介質(zhì)沉淀結(jié)垢，要求介質(zhì)流速大于 2 m/s。高速流體，特別是含有固體細(xì)粒、氣泡的高速流體沖刷傳熱面，引起局部表面的壓力可達(dá)數(shù)十兆帕，從而造成了金屬表面的疲勞剝蝕。雖然在設(shè)計(jì)中，為了防止流體進(jìn)入到殼體時，使管子直接受到?jīng)_擊或沖刷，在殼體進(jìn)口處的管束上安裝了防沖板，但由于流體 或是固體顆粒的長時間沖刷，防沖板也會發(fā)生損壞。另外，由于振動或微振動的原因，也常使折流板管孔處受到磨損。磨損腐蝕的外在特征常常呈現(xiàn)馬蹄形的凹槽或深谷形狀，一般按流體的流動方向切入金屬表面。 沉積物引起的電化學(xué)腐蝕 當(dāng)介質(zhì)流動不均或滯留時，很容易在換熱管表面形成沉積物。由于沉積物是不連續(xù)不牢固且不均勻的，在某些部位形成了裂縫和間隙，由于縫內(nèi)外氧的差異而形成了電化學(xué)腐蝕。包括：陽極氧化反應(yīng)，金屬溶解；陰極還原反應(yīng)，還原為 (中性或堿性溶液 )；陰極還原反應(yīng)，還原為 (酸溶液 )；同時，由于腐蝕產(chǎn)物的存在，導(dǎo)致了縫內(nèi)外的 電化學(xué)不均勻性，從而引起了更大的腐蝕。 換熱管水側(cè)的腐蝕 由于換熱器常用水做為熱交換介質(zhì)，因此水的腐蝕不容忽視。水的腐蝕主要是由于水中 pH 值降低、水汽滲透、溶解氧的存在，以及水中有害的陰離子 (Cl， S2等 )侵蝕，而引起的化學(xué)或電化學(xué)腐蝕。因此，換熱管表面防腐要求是：防腐表面具有良好的附著力、導(dǎo)熱性、耐溫變性和較大的硬度。同時要求有優(yōu)良的耐化學(xué)離子侵蝕能力、較高的抗水汽滲透能力和一定的阻垢性。 換熱器腐蝕防護(hù) 犧牲陽極保護(hù)法 （ 1）碳素鋼的電化學(xué)腐蝕。碳素鋼在電解質(zhì)溶液中 (例如水 )會形成微電池。碳素鋼的基 本金相組織為鐵素體 (Fe)和滲碳體 (Fe3C)，其中鐵素體的電極電位較低，而成為微電池的陽極，滲碳體則成為陰極。 （ 2）犧牲陽極保護(hù)法。發(fā)生電化學(xué)腐蝕時，陰陽極之間產(chǎn)生腐蝕電流。采用電極電位比被防腐體低的金屬并與被防腐體接觸，利用低電位金屬的腐蝕電流，作為高電位被防腐體的防腐蝕電流，這種防腐蝕方法稱為犧牲陽極保護(hù)法。犧牲陽極材料的選擇為碳素鋼，碳素鋼的基本金相組織是鐵素體 (Fe)，由表查出比 Fe標(biāo)準(zhǔn)電極電位低的材料。若選擇鋁作為陽極，容易形成氧化膜，反而不產(chǎn)生腐蝕電流。其他材料則比較昂貴，所以選擇鋅作為犧牲 陽極比較合適。 換熱器防腐涂料及其應(yīng)用 一層相當(dāng)薄的金屬涂層和無機(jī)涂層，能夠在金屬和環(huán)境之間提供有效的屏障，這就是這類涂層的主要作用 (除了鋅一類的犧牲涂層外 )。金屬涂層 (或稱鍍層 )的施工方法有：電鍍、火焰噴涂、包鍍、熱浸和蒸汽鍍。無機(jī)涂層的施工方法有：噴涂、滲鍍、或化學(xué)轉(zhuǎn)化。噴涂后通常在高溫烘烤。金屬涂層往往顯現(xiàn)出一些可變形性，而無機(jī)涂層則很脆，兩種涂層都必須具有完全隔離的作用，如果存在微孔或其他缺陷，則由于電偶效應(yīng)，將引起金屬局部腐蝕的加速。 CH784 防腐涂料系環(huán)氧氨基涂料，其特點(diǎn)是：耐腐蝕性能好，耐 大多數(shù)酸堿，耐水，耐溶劑，耐溫可達(dá) 200℃；漆膜物理機(jī)械性能好，硬度大，表面光滑，附著力強(qiáng)，抗沖擊，抗摩擦。因此，對水中不溶物摩擦力小，水垢及雜質(zhì)被流動的冷卻水帶走，不易附著管壁。漆膜有明顯防腐阻垢作用； CH784 防腐涂料底漆面漆含有金屬顏料，導(dǎo)熱系數(shù)大，漆層薄 80~250μ m。漆層熱阻只有 104M2h℃／ kcal，不生銹不結(jié)垢，增加水的流速，提高換熱效果。 由于水質(zhì)腐蝕，很多工廠改用不銹鋼、銅合金、鈦合金換熱器，但造價昂貴。用碳鋼換熱器涂防腐涂層，其費(fèi)用僅為不銹鋼換熱器的 1/4～ 1/5，為鈦換 熱器的1/11，使用期可達(dá) 10 年。 CH784 防腐涂料及其應(yīng)用 （ 1） CH784 防腐涂料試制。 CH784 防腐涂料系環(huán)氧胺基涂料，國外為SakaphenCH784。其特點(diǎn)是：，酸堿、耐油、耐水、耐溶劑、耐熱、耐磨、導(dǎo)熱，抗沖擊，堅(jiān)硬光滑，抗水蒸氣，附著力好。熱固化型耐溫 150～ 200℃， CH784涂料是單包裝，施工方便，加熱固化，可制成淡色漆。 CH784 防腐涂料的主要成膜物質(zhì)是環(huán)氧樹脂。一般用 609 或 607 環(huán)氧樹脂，環(huán)氧與胺基樹脂成分以 7∶3 為佳。 施工工藝要求 （ 1）設(shè)備噴砂除銹、除油，露出金 屬本色；（ 2）涂層厚度 ——— 換熱器涂層厚度是關(guān)鍵指標(biāo)，要求既達(dá)到防腐目的，又能滿足增熱要求，一般涂層厚為 80～250μ m。漆層過厚，會影響傳熱，漆膜發(fā)脆； （ 3）施工方式多為浸泡式或利用換熱器本身作殼體，用泵循環(huán)來涂管內(nèi)壁，管外壁利用浸泡方法； （ 4）涂層次數(shù) ——— 底漆 2 層，面漆 4 層，每層厚度 25～ 40μ m； （ 5）加熱方法 ——— 涂層表面干后，進(jìn)烘房加熱固化。從 80℃開始升溫，徐徐升高至 160℃恒溫 2 h，然后自然降溫； （ 6）漆層質(zhì)量要求 ——— 平整光滑，無麻點(diǎn)、針孔、裂紋、漏涂，厚度均勻。 所有化工裝置中 ，換熱器的腐蝕形態(tài)比較接近，因此可以將腐蝕類型分為：沉積物引起的電化學(xué)腐蝕；負(fù)荷應(yīng)力、熱應(yīng)力引起的應(yīng)力腐蝕；入口處流速較高磨損腐蝕；溶解氧腐蝕和材質(zhì)問題。另外，根據(jù)換熱器的腐蝕狀態(tài)、現(xiàn)場的實(shí)際條件，采用不同的防腐措施。 2 設(shè)計(jì)說明 殼程結(jié)構(gòu)的選材與選型 殼體 殼體一般是一個圓筒，在殼壁上焊有接管，供殼程流體進(jìn)入和排出之用。本 次設(shè)計(jì)的殼體采用 Q345R 板材 。 折流板 在管殼式換熱器中，對流傳熱是主要傳熱方式之一。為了提高換熱器殼程內(nèi)流體的流速，加強(qiáng)流體的湍流程度，可在殼 體內(nèi)安裝折流板，以增加殼程流體對流傳熱系數(shù)，改善傳熱效果，同時減少結(jié)垢。在臥式換熱器中，折流板還起支承管束的作用。本設(shè)計(jì)中的折流板材料選用 Q235B。 臥式容器的殼程為單相清潔流體時，折流板缺口水平上下布置，若氣體 中含有少量液體時，應(yīng)在缺口朝上的折流板的最低處開通液口，如圖 21（ a）；若液體中含有少量氣體時，則應(yīng)該缺口朝下的折流板最高處開通氣口，如圖 21（ b）；若殼程介質(zhì)為氣、液相共存或液體含有固體物料時，折流板缺口應(yīng)垂直左右布置，并在折流板最低處開通液口，如圖 21（ c） 圖 21 折 流板缺口布置 拉桿 拉桿能夠起到固定折流板和支持板的作用，其結(jié)構(gòu)如圖 22 所示。拉桿材料采用