【文章內容簡介】 料技術的發(fā)展同時也提高了換熱器性能，擴大了其使用場合。 （一） 換熱器的材料 材料一般分為金屬材料和非金屬材料，金屬材料又分為黑色金屬和有色金屬。 1. 黑色金屬材料 2. 低合金鋼 一般低合金鋼分為碳鋼和 CrMo 鋼。 CrMo 鋼主要優(yōu)點是度較好， 并且具有高溫下耐氫腐蝕性能，機械性能較好，無氫脆現(xiàn)象，韌性較好，焊接性能也較好。 3. 低溫用鋼 一般指設計溫度 — 20 的鋼材。高合金鋼一般均可用于低溫狀 態(tài)。低合金鋼在低溫狀態(tài)下使用應具有良好的韌性，且金屬組織穩(wěn)定。 4. 高合金鋼 高合金鋼又分馬氏體不銹鋼、鐵素體不銹鋼和奧氏體不銹鋼。 奧氏體不銹鋼有穩(wěn)定的組織，有良好的耐蝕性，低溫性能好，一般適用于 — 50~~— 196 范圍使用，用量較大。 吉林化工學院化工原理課程設計 9 （ 1）銅及銅合金 （ 2）鋁及合金 （ 3）鎳及合金 （二） 換熱器的防腐 換熱器的使用量大，包括在新建項目、改造項目、更新項目中的使用。而在更新項目中，主要是對損壞的換熱器進行更換 。損壞的原因一般由腐蝕造成，據(jù)統(tǒng)計，大概占有 90%以上。全國每年由于腐蝕更換的換熱器投資約 20 億元，為此防腐成為技術發(fā)展的重點。近年來防腐研究經費投入很大，但技術發(fā)展緩慢，效果不明顯。由于石油工業(yè)中的原油開采已進入中后期，石油中含酸值逐年增加，腐蝕逐年加重。再則中東含酸原油進口量猛增，設備防腐的投資業(yè)越來越大。因此，抗腐蝕材料及防腐措施尤為重要。 目前，換熱器防腐有如下幾種措施。 1. 防腐涂層 一般采用非金屬涂層，常用的水冷器有防腐、防垢涂料 847 和 901， 還有 Ni— P 鍍，但在油氣系統(tǒng)使用較多 的是涂陶瓷，現(xiàn)場證明效果較好。但由于換熱管一般可達 6m 長，在長度上吐均勻很難做到。如果有一個點狀缺陷沒涂到腐蝕將會加劇，所以涂均勻是控制質量的重要因素。 2. 金屬涂層 一般有鍍 Ni、鍍 Ti、鍍銅等，工藝效果雖好，但造價昂貴是阻礙使用的障礙。 3. 金屬堆焊 一般采用碳鋼、 CrMo 鋼堆焊不銹鋼較多，用來抗硫化氧和酸腐蝕。該方法造價較低，效果很好，一般化肥、乙烯、煉油中加氫、重整、預加氫使用很多。另外，還有復合板、雙向鋼管用量也較大，效果很好。 4. 緩蝕劑 目前煉油裝置、化工裝置多采用一脫四注的方式較多，效果也較明顯。國外也有露點腐蝕處注水的方式，控制露點腐蝕。 雖然采取了很多措施，但多數(shù)場合收效不大，目前已趨于使用稀有金屬，提高腐蝕技術將是 新世紀的關鍵課題。 換熱器在工、農業(yè)的各領域應用十分廣泛，在日常生活中傳熱設備也隨處可見，是不可缺少的工藝設備之一。因此換熱設備的研究備受世界各國政府及研究機構的高度重視，在全世界第一次能源危機爆發(fā)以來，各國都在下大力量尋找新的能源及在節(jié)約能源上研究新途徑。在研究投入大、 人力資源配備足的情況下，一批具有代表性的換熱器和強化傳熱元件誕生。隨著研究的深入，工業(yè)應用取得了令人矚目的成果，得到了大量的回報，如板翅式換熱器、大型板殼式換熱器和強化沸騰的表面多孔管、 T 行翅片管、強化冷凝的螺紋管、鋸齒管等都得到了國際傳熱界專家的首肯，社會效益非常顯著，大大緩解了能源的緊張狀況。 國內各研究機構、高等院校對傳熱理論及高效換熱器的研究一直非常重視，走過了從引進、吸收、發(fā)展到自主開發(fā)的歷程。從 20 世紀 50~60 年代的照搬發(fā)展到 70 年代消化吸收，進入 80年代以來國內又出現(xiàn)了自主開發(fā)傳熱技術的新趨 勢，大量的強化傳熱原件被推向市場，形成第一次傳熱開發(fā)浪潮。到 90 年代中期，大量的強化傳熱技術應用于工業(yè)裝置中，帶來了良好的吉林化工學院化工原理課程設計 10 社會效益和經濟效益。近幾年國內應用的強化傳熱技術基本上是 80 年代中期開發(fā)的，由于國內市場較大，使用者多不了解，認為很多技術都是新開發(fā)的。在 90 年代大量應用的基礎上，積累了很多經驗，預計在 2020 年以后將會再掀起一次傳熱技術開發(fā)的新高潮。國內 80 年代傳熱技術高潮時期的代表杰作有折流桿換熱器、新結構高效換熱器、高效重沸器、高效冷凝器、雙殼程換熱器、板殼式換熱器、表面蒸發(fā)式空冷器等一批優(yōu)良的高 效換熱器。 計算機應用的普及大大提高了工作效率，工藝設計技術水平隨之提高， HTFS、 HTRI 軟件技術的引進，縮短了國際間傳熱技術水平的差距。換熱流程優(yōu)化軟件和物質模擬軟件的引進使得裝置的熱強度有了飛躍性的提高，已從單套裝置的熱強度 25000kcal / m h 提高到26000kcal / m h以上，個別已達到 27000kcal / m h 以上。國內像 SW Lansys 強度軟件及新的強化傳熱技術軟件包的開發(fā)為上述提供了可靠的保證，目前國內已基本形成自己獨特的傳熱技術軟件包并具有開發(fā)能力，這些將在未來的十年內使中國步入 HTFS、 HTRI 等具有國際公認水平的技術領域。 換熱器是一種實現(xiàn)物料之間熱量傳遞的節(jié)能設備，是在石油、化工、石油化工、冶金、電力、輕工、食品等行業(yè)普遍應用的一種工藝設備。在煉油、化工裝置中換熱器占總設備數(shù)量的40%左右，占總投資的 30%~45%。近年來隨著節(jié)能技術的發(fā)展，應用領域不斷擴大，利用換熱器進行高溫和低溫熱能回收帶來了顯著的經濟效益。目 前，在換熱設備中，使用量最大的是管殼式換熱器。管殼式換熱器按用途分為無相變傳熱的換熱器和有相變傳熱的冷凝器和重沸器。 隨著環(huán)境保護要求的提高，近年來加氫裝置的需求越來越多，如加氫裂化，煤油加氫，汽油、柴油加氫和潤滑油加氫裝置等建設量增加，所需的高溫、高壓換熱器數(shù)量隨之加大。螺紋鎖緊環(huán)換熱器、 Ω密封環(huán)換熱器、金屬墊圈式換熱器、密封蓋板式換熱器技術發(fā)展越來越快、不僅在承溫、承壓上滿足裝置運行要求，而且在傳熱與動力消耗上發(fā)展較快，同時亦適用于乙烯裂解?；手泻铣砂?、聚合和天然氣等場合。在這些場合，可滿足承壓高 達 35MPa，承溫達700℃的使用要求。在這些場合，換熱器占有的投資占 50%以上。 在 500~1200℃燃氣、合成氣、煙氣使用的石油、化工、乙烯、原子能、核能、化肥等領域使用的換熱器主要是用特殊材料制造的廢熱鍋爐，各種結構和用途的廢熱鍋爐的應用回收了大量的熱能。如溫度高達 550~780℃煉油裝置燃氣系統(tǒng)， 450~1200℃的航天發(fā)動機燃氣系統(tǒng)，680~1100℃化肥中合成氣系統(tǒng)， 650~900℃乙烯裂解氣系統(tǒng)都采用具有特殊結構的一種管殼式換熱器。 進入 20 世紀 90年代以來，隨著裝置大型化的發(fā)展要求，大型 換熱器的使用需求增加，乙烯換熱器就是一個例子：換熱器直徑達 ，重量達 120t，傳熱面積已達 3300 ㎡ ，高度達 30m。如何提高傳熱效率，減少振動損失，是兩項十分重要的課題。大型化使得換熱面積要達到 5000㎡ ，國外已達到 8000 ㎡ ，這樣大面積的換熱器制造難度大，使用要求高，安裝難度更大。如何解決大型化的難題，經過 20 年的努力，在傳熱技術上國內已研制成功的雙殼程換熱器、大型板殼式換熱器，具有強化傳熱的高效換熱器，有效地解決了傳熱效率低的問題；折流桿換熱器的應用有效地克服了管束的振動，延長了管子的壽命，解決了 振動損壞，提高了工藝性能，降低了能力消耗，且宜用于較臟的場合。 板翅式換熱器的發(fā)展，使換熱器的效率提高到新的水平，結構更緊湊。這種換熱器的采用，吉林化工學院化工原理課程設計 11 滿足了飛機發(fā)動機中間冷卻和內燃機車發(fā)動機、汽車發(fā)動機冷卻的需要。由于具有體積小、重量輕、效率高、可處理兩種以上介質的優(yōu)點，這種換熱器迅速在石油化工、乙烯裝置中得到推廣應用。在低溫場合（ 185℃的氮氣冷卻、 177℃液態(tài)空氣冷卻、 130~150℃的乙烯冷卻、 165℃的天然氣冷卻和空分裝置的冷卻），采用板翅式換熱器可減少體積 5~15 倍，節(jié)約重量 20~30 倍以上 。隨著鋁及鋁合金釬焊技術的日趨發(fā)展，應用場合及范圍將越來越廣泛。 新型高效、緊湊式換熱器的另一個結構形式 —— 板式換熱器及板殼式換熱器的應用亦不斷得到拓展，由于城市集中供熱的需求，節(jié)約了金屬耗量。隨著城市中集中供熱規(guī)模越來越大，面積小于 1000 2m 、使用溫度小于 200℃、壓力小于 的板式換熱器已不能適應工況的需要。如山西某城市供熱系統(tǒng) 200MW 的場合，換熱面積單臺需要 3600 2m ，這無疑需要大型板殼式換熱器，單板面積可達 212m （板式換熱器單板面積國外 2m ，國內 2m ），單臺傳熱面積可達 5000 2m ，板殼式換熱器承溫可達 700℃，承壓可達 20MPa。用板殼式換熱器取代管殼式換熱器 ，重量可節(jié)省 1倍左右，占地面積可節(jié)省 60%，多回收熱量可達總熱負荷 10%以上，節(jié)省設備長度近 2倍，節(jié)約投資 10%左右。單套 60萬噸 /年重整裝置的立式換熱器采用管殼式換熱器，換熱面積約需 3350 2m ，重量 125t，高度 30m。而采用板殼式換熱器，換熱面積約需 1800 2m ，重量 55t，高度 13m，每年可節(jié)省燃料油 600t，節(jié)省操作費用 125萬元。國產第一臺 350 2m 板殼式換熱器，已在中國石油克拉瑪依分公司運行 1 年零 2個月；國產 3000 2m 板殼式換熱器亦即將在中國石油烏魯木齊石化分公司 40萬噸 /年重整裝置中應用，結束了我國大型板殼式換熱器依賴進口的局面，這一領域技術已達到國際先進水平。 螺旋板式換熱器目前在石油、化工、冶金、電力中的應用較普遍，結構上已開發(fā)出可拆和不可拆兩種。作為緊湊式換熱器品種之一，它的主要優(yōu)點是：占地面積較小，安裝方 便。材料主要有碳鋼、不銹鋼、鈦及其合金，主要用于設計壓力小于 ，溫度小于 300℃的中、低溫位的冷卻，化工裝置中采用較多，食品、醫(yī)藥中較干凈的介質多使用這種換熱器。如山東鋁廠使用 6臺 90 2m 的螺旋板換熱器取代列管式換熱器，節(jié)省傳熱面積 390 2m ，節(jié)省鋼材 55t，節(jié)省占地面積 2倍，使用溫度小于 200℃。但螺旋板換熱器在有應力腐蝕的場合應慎重使用。某廠使用的不銹鋼螺 旋板用于有 45181。L/L 氯離子含量的介質中，使用 20 多天即腐蝕開裂，主要是螺旋板焊縫比例大，無法進行整體固熔處理。另外，在介質較臟的場合亦應慎重使用不可拆式螺旋板換熱器。 隨著人民生活水平的提高，牛奶、果汁、明膠用量越來越大，大型多效板式蒸發(fā)器的開發(fā)適應了食品加工業(yè)的發(fā)展。板式蒸發(fā)器國內技術已達到國際先進水平，板間大量蒸發(fā)降溫既要滿足殺菌作用，同時要達到濃縮和保證蛋白質的營養(yǎng)。它的板片形狀較為特殊，結構上與普通板式換熱器不同，帶有很大的蒸發(fā)空間，單臺按面積可達 50 2m ，可處理 20t/h 的牛奶、果汁等介質。 吉林化工學院化工原理課程設計 12 在化肥、天然氣液化、乙烯、煤氣化裝置中，螺旋管式換熱器開發(fā)于 70 年代，應用于制氧等低溫過程中。螺紋繞管式換熱器結構式芯筒與外筒之間的空間內將傳熱管按螺旋線形狀交替纏繞而成，屬盤管換熱器之列。相鄰兩層螺旋狀產熱的螺旋防線相反，一般分為單層和多層，可同時處理兩種以上介質。傳熱管管程一般采用Φ 8~Φ 12 的傳熱管，所以傳熱面積相對較大，結構緊湊，可達 100~170 2m / 3m 。該換熱器承壓 ≤ ，有自行補償熱膨脹性能，單臺傳熱面積可達 25000 2m .由于管徑較小，在用于結垢較重的場合易發(fā)生堵塞現(xiàn)象，而且無法機械清洗。 在氯堿行業(yè)及化工行業(yè)中強酸、強堿的強腐蝕場合較多，為了有效解決強腐蝕的問題，近年來研制成功的列管式石墨換熱器、板式石墨換熱器、玻璃鋼換熱器、氟塑料換熱器、陶瓷纖維復合換熱器等非金屬換熱器已在耐溫、耐壓上有所突破， 在上述工業(yè)裝置中得到推廣使用。可處理的介質有鹽酸、硫酸、醋酸和磷酸等強腐蝕介質，其傳熱面積最大可達 1000 2m ，使用溫度可達 800℃以內，重量節(jié)約 2倍，耐壓可達 占地面積節(jié)省189。 ~188。 在低溫余熱回收系統(tǒng)，熱管的應用帶來了巨大的社會效率，在煙氣余熱回收系統(tǒng)，國內普遍采用熱管來回收低溫熱源，達到節(jié)能的目的。目前開發(fā)的無機熱管不僅在工業(yè)裝置中應用，而且適用于家庭熱水系統(tǒng)，既方便有節(jié)約能源。熱管主要是利用小的表面積來傳遞較大的熱量，是 20 世紀 60 年代中期發(fā)展起來的傳熱元件。國外 50 年代進入民用工業(yè)，具有效率高、壓降低、結構緊湊等優(yōu)點。如某廠在一座 190104kcal/h 的加熱爐回收余熱，煙氣從 399℃降到 168℃，使空氣溫度提高 230℃，每小時回收余熱 104kcal/h，使加熱爐燃料減少 15%，獲得顯著的經濟效益。 由于我國目前油田多進入中、后期開采，原油中鹽、硫含量升高，常減壓裝置常壓塔頂及減壓塔頂?shù)母g越來越嚴重。在這些場合，碳鋼換熱器的壽命僅為 4~18 個月左右，防腐已從單純的圖層發(fā)展到采用鈦材料的防腐，使鈦換熱器 已從原來的化工裝置的應用發(fā)展到煉油裝置。國內早期用于煉油常壓塔頂?shù)氖驱R魯石化公司煉油廠，目前國內多數(shù)煉廠已在此場合應用鈦換熱器來提高換熱器的壽命，