【正文】 換熱器 一、概述 在煉油、化工生產(chǎn)中，絕大多數(shù)的工藝過程都有加熱、冷卻和冷凝的過程，這些過程總稱為換熱過程。傳熱過程的進(jìn)行需要一定的設(shè)備來完成，這些使傳熱過程得以實(shí)現(xiàn)的設(shè)備就稱之為換熱設(shè)備。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在煉油廠中換熱設(shè)備的投資占全部工藝設(shè)備總投資的 35％～ 40％ ,因?yàn)榻^大部分的化學(xué)反應(yīng)或傳質(zhì)傳熱過程都與熱量的變化密切相關(guān)，如反應(yīng)過程中，有的要放熱，有的要吸熱，要維持反應(yīng)的連續(xù)進(jìn)行，就必須排除多余的熱量或補(bǔ)充所需的熱量；工藝過程中某些廢熱或余熱也需要加以回收利用， 以降低成本。另外，生產(chǎn)所得的油品或化工產(chǎn)品，需要將其冷卻或冷凝，以便儲(chǔ)存和運(yùn)輸。以上這些與熱量有關(guān)的過程都需要使用換熱設(shè)備。 使用換熱設(shè)備是為了達(dá)到加熱或冷卻的目的，如果將那些需要加熱的流體與需要冷卻的流體，經(jīng)過換熱設(shè)備相互換熱，既可回收熱量，又可降低冷卻水的消耗。 綜上所述，換熱設(shè)備是煉油、化工生產(chǎn)中不可缺少的重要設(shè)備。換熱設(shè)備在動(dòng)力、原子能、冶金及食品等其他工業(yè)部門也有著廣泛的應(yīng)用。 二、比較換熱設(shè)備的指標(biāo) 1. 效率要高。效率高就要求其傳熱系數(shù)大，傳熱系數(shù)是指在單位時(shí)間內(nèi)、單位面積上溫度每變化一度所傳遞的熱量。 2. 結(jié)構(gòu)緊湊。要使換熱設(shè)備的結(jié)構(gòu)緊湊就要求其比表面積大，比表面積是指單位體積的換熱設(shè)備所具有的傳熱面積，即傳熱面積與換熱設(shè)備體積之比。 3. 節(jié)省材料。要做到此點(diǎn)要求其比重量要小，所謂比重量是指單位傳熱面積所耗用的金屬量，即換熱設(shè)備總金屬用量與傳熱面積之比。 4. 壓力降要小。流體在設(shè)備中流動(dòng)阻力小、壓力損失就小，節(jié)省動(dòng)力、操作成本降低。 5. 要求結(jié)構(gòu)可靠、制造成本低，便于安裝、檢修、使用周期長。 ? 由于要全面滿足上述要求是非常困難的，因而產(chǎn)生了各種各樣的換熱器，以適應(yīng)各種特定的工藝條件。 三、換熱器的分類 換熱設(shè)備的分類方法很多，現(xiàn)將幾種常見的分類方法介紹如下： 按用途分類：分為熱交換器、冷凝器、蒸發(fā)器、加熱器及冷卻器等五類。 1）熱交換器：兩種不同溫度的介質(zhì)進(jìn)行熱量交換，使一種介質(zhì)降溫而另一種介質(zhì)升溫，以滿足各自的需要。 2）冷凝器：兩種不同溫度的介質(zhì)進(jìn)行熱量交換，其中一種介質(zhì)由汽態(tài)被冷凝成液態(tài)。 3）蒸發(fā)器：與冷凝器的操作剛好相反，兩種介質(zhì)中的一種介質(zhì)由液體被蒸發(fā)成汽體。 4）加熱器：只單純的完成一種介質(zhì)的加熱升溫的操作。 5）冷卻器：如果熱量不回收利用，完成用冷卻劑（如水、空氣）來冷卻另外一種介質(zhì)的操作的換熱器稱為冷卻器。如用空氣作為冷卻劑的換熱器稱為空氣冷卻器，簡稱空冷器。 按材料分類：分為金屬材料和非金屬材料換熱器。 按結(jié)構(gòu)分類：分為管殼式換熱器和板式換熱器。 1）管殼式換熱器：特點(diǎn)是圓形的外殼中裝有管束。一種介質(zhì)流經(jīng)換熱管內(nèi)的通道及其相貫通部分（稱為殼程）。它可分為 :浮頭式換熱器、 U型管式換熱器、套管式換熱器、固定管板式換熱器等。 2）板式換熱器：它是由壓成各種形狀的薄板組成傳熱面的，冷、熱兩種介質(zhì)分別在相鄰兩板之間流動(dòng)。常見的板式換熱器有平板式換熱器、傘板式換熱器、螺旋板式換熱器及板殼式換熱器。 ? 板式換熱器的傳熱效率雖然較高，但由于其強(qiáng)度低，密封性能差，故其應(yīng)用受到了限制。因此，在石油、化工工業(yè)中應(yīng)用較多的是管殼式換熱器，它已被當(dāng)成傳統(tǒng)的換熱設(shè)備來加以使用。 四、管殼式換熱器的總體結(jié)構(gòu) 管殼式換熱器的總體結(jié)構(gòu)以及特點(diǎn) 1）浮頭式換熱器 ? 浮頭式換熱器的一端管板是固定的。與殼體剛性連接，另一端管板是活動(dòng)的，與殼體之間并不相連?；顒?dòng)管板一側(cè)總稱為浮頭，浮頭式換熱器的管束可從殼體中抽出，故管外壁清洗方便，管束可在殼體中自由伸縮，所以無溫差應(yīng)力；但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)高，且浮頭處若密封不嚴(yán)會(huì)造成兩種流體混合。浮頭式換熱器適用于冷熱流體溫差較大（一般冷流進(jìn)口與熱流進(jìn)口溫差可達(dá) 110℃ ），介質(zhì)易結(jié)垢需要清洗的場合。在煉油廠中使用的各類管殼式換熱器中浮頭式最多。 ?總體結(jié)構(gòu)圖 浮頭式換熱器和冷凝器，可采用內(nèi)導(dǎo)流或外導(dǎo)流結(jié)構(gòu)， 管內(nèi)均可承受高壓。 內(nèi)導(dǎo)流換熱器結(jié)構(gòu)圖 外導(dǎo)流換熱器結(jié)構(gòu)圖 內(nèi)導(dǎo)流筒與外導(dǎo)流筒換熱器的區(qū)別 Ⅰ 、內(nèi)導(dǎo)流筒換熱器是在換熱器的殼程筒體內(nèi)設(shè)置了內(nèi)導(dǎo)流筒使換熱器的前或后端未加導(dǎo)流筒前難以利用換熱的換熱管得以充分利用，從而增大換熱器的有效換熱面積。 Ⅱ 、外導(dǎo)流式換熱器是在原換熱器的殼程筒體上增加一個(gè)放大筒節(jié)用以擴(kuò)散殼程流體，并使流體從換熱器殼程的兩端進(jìn)入殼程，從而避免了在換熱器布管時(shí)考慮布管弓形的高，而使增加了同規(guī)格上換熱器的布管數(shù)目并有效利用了換熱器前后端的換熱管從而增大了有效換熱面積。 2）固定管板式換熱器 ? 這類換熱器的結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，造價(jià)較低，在相同的殼層情況下，可較其他型式的列管換熱器多排一些傳熱管子。但是殼體與管程之間的流體的溫差不能太大，因溫差太大時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，使管子與管板結(jié)合處松脫而產(chǎn)生泄漏。此外這類換熱器因管板是固定的，所以在檢修，更換管子或清洗殼層時(shí)，都比較困難。此換熱器適用于殼程介質(zhì)不易結(jié)垢，或是有結(jié)垢但可進(jìn)行化學(xué)清洗的場合；殼壁與管壁因溫度差而引起的膨脹量之差不大，或膨脹差雖大但殼程壓力不高的情況。 ? 總體結(jié)構(gòu)圖 3） U型管式換熱器 ? 這種換熱器不同于固定管板式和浮頭式，只有一塊管板，換熱管作為 U字形、兩端都固定在同一塊管板上；管板和殼體之間通過螺栓固定在一起。這種換熱器結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)低，管束可在殼體內(nèi)自由伸縮，無溫差應(yīng)力，也可將管束抽出清洗且還省了一塊管板；但 U形管管內(nèi)清洗困難且管子更換也不方便，由于 U形彎管半徑不能太小，故與其他管殼式換熱器相比布管較少，結(jié)構(gòu)不夠緊湊。它適用于冷熱流體溫差較大、管內(nèi)走清潔不易結(jié)垢的高溫、高壓、腐蝕性較大的流體的場合。 ? 總體結(jié)構(gòu)圖 4）釜式換熱器 ? 這種換熱器的殼體直徑一般為管束直徑的 ～ 倍，管束偏置于殼體的下方，液面淹沒管束，使管束上部形成一定的汽液分離空間。此換熱器多用來做蒸發(fā)器、分餾塔的重沸器或簡單的廢熱鍋爐。根據(jù)需要，管束可以是固定管板型、浮頭型或 U型管型。 5）折流桿管殼式換熱器 折流桿換熱器主要特點(diǎn)是：殼程不再設(shè)置折流板，而由折流桿組成的折流圈來代替折流板，既對(duì)管子起支撐作用，又對(duì)流體起擾動(dòng)作用，藉以達(dá)到強(qiáng)化傳熱的目的。 折流桿管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：折流桿換熱器的核心部分是由一系列焊有折流桿的折流圈組成折流圈籠。圖 51為折流圈的示意圖。圖 52則為折流圈籠和管板的組裝圖。 圖 51 折流圈的示意圖 1— 殼體； 2— 折流圈； 3— 折流桿 dbi、 db0、 d0— 分別為折流圈的內(nèi)徑、外徑和殼體內(nèi)徑 圖 52 折流圈籠和管板的組裝圖 從以上兩圖可以看出折流桿是均勻地焊在折流圈上，每一個(gè)折流圈側(cè)相隔一定的距離，按一定排列分別焊