【文章內容簡介】 訓練。 換熱器簡介 換熱器概述 換熱器是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設備， 以實現 不同溫度流體間的熱能傳遞， 又稱熱交換器。換熱器是實現化工生產過程中熱量交換和傳遞不可缺少的設備 。 在換熱器中，至少有兩種溫度不同的流體，一種流體溫度較高，放出熱量；另一種流體則溫度較低，吸收熱量。在工程實踐中有時也會存在兩種以上的流體參加換熱，但它的基本原理與前一種情形并無本質上的區(qū)別。 在化工、石油、動力、制冷、食品等行業(yè)中廣泛使用各種換熱器，且它們是上述這些行業(yè)的通用設備，占有十分重要的地位。隨著我國工業(yè)的不斷發(fā)展，對能源利用、開發(fā)和節(jié)約的要求不斷提高，因而對換熱器的要求也日益加強。換熱 器的設計制造結構改進以及傳熱機理的研究十分活躍，一些新型高效換熱器相繼問世。 換熱器的分類 換熱器作為傳熱設備被廣泛用于耗能用量大的領域。隨著節(jié)能技術的飛速發(fā)展，換熱器的種類越來越多。適用于不同介質、不同工況、不同溫度、不同壓力的換熱器，結構型式也不同，換熱器的具體分類如下： 換熱器按傳熱原理可分為： 1）間壁式換熱器 間壁式換熱器是溫度不同的兩種流體在被壁面分開的空間里流動，通過壁化工系畢業(yè)（論文）設計 3 面的導熱和流體在壁表面對流，兩種流體之間進行換熱。 因此又稱表面式換熱器，這類換熱 器應用最廣。間壁式換熱器根據傳熱面的結構不同可分為管式、板面式和其他型式。 2）蓄熱式換熱器 蓄熱式換熱器通過固體物質構成的蓄熱體，把熱量從高溫流體傳遞給低溫流體，熱介質先通過加熱固體物質達到一定溫度后，冷介質再通過固體物質被加熱，使之達到熱量傳遞的目的。蓄熱式換熱器有旋轉式、閥門切換式等。 3）流體連接間接式換熱器 流體連接間接式換熱器，是把兩個表面式換熱器由在其中循環(huán)的熱載體連接起來的換熱器，熱載體在高溫流體換熱器和低溫流體之間循環(huán)，在高溫流體接受熱量，在低溫流 體換熱器把熱量釋放給低溫流體。 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備稱蓄冷器，多用于空氣分離裝置中。如煉焦爐下方預熱空氣的蓄熱室。 4）混合式換熱器 混合式換熱器是通過冷、熱流體的直接接觸、混合進行熱量交換的換熱器，又稱接觸式換熱器。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， 冷水塔 、氣體冷凝器等。 換熱器按用途分為： 1）冷卻器 冷卻 器是把流體冷卻到必要的溫度，但冷卻流體沒有發(fā)生相的變化。 2）加熱器 加熱器是把流體加熱到必要的溫度，但加熱流體沒有發(fā)生相的變化。 3）預熱器 預熱器預先加熱流體，為工序操作提供標準的工藝參數。 4）過熱器 過熱器用于把流體 (工藝氣或蒸汽 )加熱到過熱狀態(tài)。 5）蒸發(fā)器 蒸發(fā)器用于加熱流體，達到沸點以上溫度，使其流體蒸發(fā)，一般有相的變化。 下面我們主要介紹列管式換熱器 。 列管式換熱器分類 列管式換熱器是目前化工及酒精生產上應用最廣的一 種換熱器。它主要由殼體、管板、換熱管、封頭、折流擋板等組成。 列管式換熱器又稱為管殼式換熱器，是最典型的間壁式換熱器。 化工系畢業(yè)（論文）設計 4 優(yōu)點：單位體積設備所能提供的傳熱面積大，傳熱效果好，結構堅固，可選用的結構材料范圍寬廣，操作彈性大，大型裝置中普遍采用。 結構：殼體、管束、管板、折流擋板和封頭。 一種流體在管內流動，其行程稱為管程；另一種流體在管外流動，其行程稱為殼程。管束的壁面即為傳熱面。 列管式換熱器 ，按材質分為碳鋼 列管式換熱器 ，不銹鋼列管式換熱器和碳鋼與不銹鋼混合列管式換熱器三種，按形式分為固定管板式、浮頭式、 U 型管式換熱器，按結構分為單管程、雙管程和多管程，傳熱面積 1～ 500m2，可根據用戶需要定制。在進行換熱時，一種流體由封頭的連結管處進入，在管流動，從封頭另一端的出口管流出，這稱之管程；另 種流體由殼體的接管進入，從殼體上的另一接管處流出，這稱為殼程。 列管式換熱器種類很多，目前廣泛使用的按其溫差補償結構來分，主要有以 下幾種：浮頭式換熱器、固定式換熱器、 U 形管換熱器、填料函式換熱器等 1）浮頭式換熱器 浮頭式換熱器兩端的管板，一端不與殼體相連，該端稱浮頭。管子受熱時，管束連同浮頭可以沿軸向自由伸縮，完全消除了溫差應力。 新型浮頭式換熱器浮頭端結構，它包括圓筒、外頭蓋側法蘭、浮頭管板、鉤圈、浮頭蓋、外頭蓋及絲孔、鋼圈等組成，其特征是：在外頭蓋側法蘭內側面設凹型或梯型密封面，并在靠近密封面外側鉆孔并套絲或焊設多個螺桿均布，浮頭處取消鉤圈及相關零部件，浮頭管板密封槽為原凹型槽并另在同一端面開一個以該管板中心為圓心，半徑稍 大于管束外徑的梯型凹槽，且管板分程凹槽只與梯型凹槽相連通，而不與 圖 1 浮頭式換熱器 凹型槽相連通；在凹型和梯型凹槽之間鉆孔并套絲或焊設多個螺桿均布，設浮頭法蘭為凸型和梯型凸臺雙密封，分程隔板與梯型凸臺相通并位于同一端面的寬面法蘭，且凸型和梯型凸臺及分程隔板分別與浮頭管板凹型和梯型凹槽及分程凹槽相對應匹配，該浮頭法蘭與無折邊球面封頭組配焊接為浮頭蓋，其法蘭螺孔與浮頭管板的絲孔或螺桿相組配，用螺栓或螺化工系畢業(yè)（論文）設計 5 帽緊固壓緊浮頭管板凹型和梯型凹槽及分程凹槽及其墊片，該結構必要時可適當加大浮頭管板的厚度和直徑及圓筒的內徑，同 時相應變更加大相關零部件的尺寸；另配置一無外力輔助鋼圈，其圈體內徑大于浮頭管板外徑，鋼圈一端設法蘭與外頭蓋側法蘭內側面凹型或梯型密封面連接并密封，另一端設法蘭或其他結構與浮頭管板原凹型槽及其墊片或外圓密封。 浮頭換熱器的特點： 浮頭式換熱器的一端管板固定在殼體與管箱之間，另一端管板可以在殼體內自由移動，這個特點在現場能看出來。這種換熱器殼體和管束的熱膨脹是自由的，管束可以抽出，便于清洗管間和管內。其缺點是結構復雜，造價高（比固定管板高 20%），在運行中浮頭處發(fā)生泄漏，不易檢查處理。浮頭式換熱器適用于 殼體和管束溫差較大或殼程介質易結垢的條件。 2） 固定管板式換熱器 固定管板式換熱器的兩端管板和殼體制成一體，當兩流體的溫度差較大時，在外殼的適當位置上焊上一個補償圈 （ 或膨脹節(jié)）。當殼體和管束熱膨脹不同時，補償圈發(fā)生緩慢的彈性變形來補償因溫差應力引起的熱膨脹。 固定管板式換熱器主要有外殼、管板、管束、封頭壓蓋等部件組成。固定管板式換熱器的結構特點是在殼體中設置有管束，管束兩端用焊接或脹接的方法將管子固定在管板上，兩端管板直接和殼體焊接在一起，殼程的進出口管直接焊在殼體上，管板 圖 2 固定管板式換熱器 外圓周和封頭法蘭用螺栓緊固，管程的進出口管直接和封頭焊在一起，管束內根據換熱管的長度設置了若干塊折流板。這種換熱器管程可以用隔板分成任何程數。 這類換熱器的結構比較簡單、緊湊、造價便宜，但 殼程清洗困難，對于較臟或有腐蝕性的介質不宜采用。 此種換熱器管束連接在管板上，管板分別焊在外殼兩端，并在其上連接有頂蓋，頂蓋和殼體裝有流體進出口接管。通常在管外裝置一系列垂直于管束的擋板。同時管子和管板與外殼的連接都是剛性化工系畢業(yè)（論文）設計 6 的，而管內管外是兩種不同溫度的流體。因此，當管壁與殼壁溫差較大時，由于兩者的熱膨脹不同，產生了很大的 溫差應力，以至管子扭彎或使管子從管板上松脫，甚至毀壞換熱器。 為了克服溫差應力必須有溫差補償裝置，一般在管壁與殼壁溫度相差 50℃以上時，為安全起見，換熱器應有溫差補償裝置。但補償裝置（膨脹節(jié)）只能用在殼壁與管壁溫差低于 60～ 70℃ 和殼程流體壓強不高的情況。一般殼程壓強超過 時由于補償圈過厚，難以伸縮，失去溫差補償的作用，就應考慮其他結構。 固定管板式換熱器的特點 旁路滲流較??； 造價低； 無內漏； 固定管板式換熱器的缺點是，殼體和管壁的溫差較大，易產生溫差力，殼程無法清洗，管子腐蝕后連同殼體報 廢，設備壽命較低，不適用于殼程易結垢場合。 3） U 型管式換熱器 圖 3 U 型管換熱器 這類換熱器只有一個管板，管程至少為兩程，管束可以抽出清洗，管子可以自由膨脹。其缺點是管子內壁清洗困難，管子更換困難，管板上排列的管子少。 4）填料函式換熱器： 這類換熱器管束一端可以自由膨脹，結構比浮頭式簡單，造價也比浮頭式低。但殼程內介質有外漏的可能，殼程中不應處理易揮發(fā)、易燃、易爆和有毒的介質。 課題簡介 換熱器是在工業(yè)生產中實現物料之間熱量傳遞過程的一種設備，故又稱熱交換器。它是化工、煉油、動力和原子能 及許多工業(yè)部門廣泛應用的一種通用化工系畢業(yè)（論文）設計 7 設備，是保證工藝流程和條件，利用二次能源實現余熱回收和節(jié)約能源的主要設備。在化工廠換熱器約占總投資的 1020%；由于工藝流程不同，生產中往往進行著加熱、冷卻、蒸發(fā)或冷凝等過程。通過換熱器熱量從溫度較高的流體傳遞給溫度較低的流體，以滿足工藝需求。 U 型管式換熱器 換熱設備有多種多樣的形式，每種結構形式的換熱設備都有其本身的結構特點和工作特性，有些結構形式，在某中情況下使用是好的，但是，在另外的情況下，卻不太適合，或就根本不能使用。根據管殼式換熱器的結構特點，可分為固定管板式、浮頭式、 U型管式和填料函式四類。 U型管式管式換熱器的典型結構如圖 11 所示， U形管式換熱器僅有一個管板，管子兩端均固定于同一管板上 。 此類換熱器的特點是管束可以自由伸縮，不會因管殼之間的溫差而產生熱應力，熱補償性能好；管程為雙管程，流程較長，流速較高，傳熱性能較好；承壓能力強；管束可從殼體內抽出，便于檢修和清洗，且結構簡單，造價便宜。 缺點是 管內清洗不便，管束中間部分的管子難以更換，又因最內層管子彎曲半徑不能太小，在管板中心部分布管不緊 湊 ，所以管子數不能太多，且管束中心部分存在間隙，使殼程流體 易于短路而影響殼程換熱。此外，為了彌補彎管后管壁的減薄，直管部分需用壁較厚的管子。這就影響了它的使用場合，僅宜用于管殼壁溫相差較大，或殼程介質易結垢而管程介質清潔及不易結垢，高溫、高壓、腐蝕性強的情形。 圖 11 U型管換熱器結構簡圖 換熱器選型 換熱器選型時，需要考慮的因素很多，主要是流體的性質；壓力、溫度及允許壓力降的范圍；對清洗、維修的要求；材料價格；使用壽命等。 流體的種類、導熱率、粘度等物理性質，以及腐蝕性、熱敏性等化學性質，對換熱器選型有很大的影響。而在本設計中是環(huán)氧乙烷與冷 卻水熱交換，由于環(huán)氧乙烷溫度較高，而且處理量大、易腐蝕。綜合考慮，本設計選用 U 型管式化工系畢業(yè)（論文）設計 8 換熱器。 工藝簡述 設計內容 換熱器的選型 傳熱設備的類型很多，各種形式的都有它特定的應用范圍，某一種場合下性能很好的換熱器 ,如果換到另一種的場合中，則傳熱效果和性能都有很大的改變，因此，針對具體情況正確的選者換熱器的類型。是很重要的很復雜的工作。 選型時。需要考慮的因素是多方面的，主要是： 流體的性質。 流量及熱負荷。 操作的溫度，壓力及允許的壓降范圍。 對清洗。維護的要求。 設備的 結構材料，尺寸及空間的限制。 價格。 介質流動空間的確定 在換熱器中，哪一種流體流經管程，哪一種流體流過殼程，可以考慮以下幾點作為選擇的一般原則： ① 不潔凈或者容易分解的結垢的物料應當流過容易清洗的一面，對于直管管束，上述的物料一般應該走管內，但當管束可以拆出清洗時，也可以走管外。 ② 需要提高流動速度用來增大對流傳導系數的流體走管內，因為管內截面積通常都比管面的小，而且容易采用多管程以提高流體的速度。 ③ 具有腐蝕性的物料走管內，這樣可以用普通的材料制造殼體，僅僅管子，管板和封頭要采用耐腐蝕性的 材料。 ④ 壓力高的物料走管內，這樣外殼可以不用承受高壓。 ⑤ 溫度高的物料應該走管內用來減少熱量的損失。 ⑥ 蒸汽一般通入殼程，因為這樣方便排出冷液。而且蒸汽比較清潔，其對于流體傳熱系數與流速關系小。 ⑦ 粘度大的流體一般在殼程空間流動。 當上述個點不能同時滿足時，或者互相矛盾時。根據具體的情況，抓住重要的方面作出適宜的選擇。 介質流動方向的選擇 由公式 Q=KA178。 △ tm 可以看出在熱負荷 Q總傳熱系數 K一定的情況下。換熱器的換熱面積 A 的大小與平均溫度之差 △ tm成反比，即平均溫度越大，則所需的傳熱面積越小 ，在兩流體的進出口溫度都確定的情況下選擇合適的介質流動化工系畢業(yè)（論文）設計 9 方式很重要的。 平均溫度之差為流體在換熱器的兩端溫度之差的對數平均植，一般流體流動有逆流和并流兩種方式： 并流時： tm 并 △ tm逆 由 A=Q/K△ tm 得： A并 A逆， 由比較可以看出 ,當兩流體的進出口都已確定時 ,逆流的平均溫差大于并流的平均溫差 .所以 ,單位傳熱量時 ,逆流所需的傳熱面積比并流所需的小 . 逆流的另一優(yōu)點是可以節(jié)約冷卻或加熱劑的用量 ,因為并流時 t 總是低于T,而逆流是 ,t 卻可以高于