换热器结构和原理A

精品文档，仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除第一章 概论张延丰 赵亮第一节 换热器在工业中的应用换热器在工、农业的各领域应用十分广泛，在人民生活中传热设备也随处可见，是不可缺少的工艺设备之一。因此冷换设备的研究倍受世界各国政府及研究机构的高度重视，在全世界第一次能源危机爆发以来，各国都在下大力量寻找新的能源及在节约能源上研究新途径，在研究投入大、人力资源配备足的情况下，一批具有代表性的高效换热器和强化传热元件诞生。随着研究的深入，工业应用取得了令人瞩目的成果，得到了大量的回报，如板翅式换热器、大型板壳式换热器和强化沸腾的表面多孔管、T型翅片管、强化冷凝的螺纹管、锯齿管等都得到了国际传热界专家的首肯，社会效益非常显著，大大缓解了能源的紧张状况。国内各研究机构、高等院校对传热理论及高效换热器的研究一直倍受重视，走过了一条引进、消化、吸收、发展、自主开发的过程，已完全从五、六十年代的照搬发展到七十年代消化、吸收过程。进入八十年代以来国内掀起了自主开发传热技术的新趋势，大量的强化传热元件被推向市场，形成第一次传热开发浪潮，到九十年代中期大量的强化传热技术应用于工业装置中，带来了良好的社会效益和经济效益。近几年国内应用的强化传热技术基本上是八十年代中期开发的，由于国内市场较大，使用者多不了解，认为很多技术都是新开发的。在九十年代大量应用的基础上，积累了很多经验，预计在二OO五年以后将会再掀起一次传热技术开发的新高潮。国内八十年代传热技术高潮时期的代表杰作有折流杆换热器、新结构高效换热器、高效重沸器、高效冷凝器、双壳程换热器、板壳式换热器、表面蒸发式空冷器等一批优良的高效换热器。计算机应用的普及大大提高了工作效率，工艺设计技术水平随之提高，HTFS、HTRI软件技术的引进，缩短了国际间传热技术水平的差距，换热流程优化软件物性模拟软件的引进、装置的热强度有了飞跃的提高，已从单套装置的热强度5000 kcal/m2hr提高到6000kcal/m2hr以上，个别已达到7000 kcal/m2hr以上。国内象SW6、Lansys强度软件及新的强化传热技术软件包的开发为上述提供了可靠的保证，目前国内已基本形成自己独特传热技术软件包和开发能力，这些将在未来的十年内使中国步入象HTFS、HTRI具有国际公认水平的技术领域。换热器是一种实现物料之间热量传递的节能设备，在石油、化工、石油化工、冶金、电力、轻工、食品等行业普遍应用的一种工艺设备，在炼油、化工装置中换热器占总设备数量的40%左右，占总投资的3045%。近年来随着节能技术的发展，应用领域不断扩大，高温和低温热能的回收带来了显著的经济效益。目前，在换热设备中，使用量最大的是管壳式换热器，管壳式换热器按用途分为：无相变传热的换热器、有相变传热的冷凝器和重沸器。随着环境保护要求的提高，近年来加氢装置的需求越来越多，如加氢裂化、煤油加氢，汽、柴油加氢和润滑油加氢装置等建设量增加，所需的高温、高压换热器数量随之加大，螺纹锁紧环换热器、密封环换热器、金属垫圈式换热器、密封盖板式换热器技术发展越来越快，不仅在承温、承压上满足装置运行要求，而且在传热与动力消耗上发展较快，同时亦适用于乙烯裂解、化肥中合成氨、聚合和天然气等场合，承压可高达35MPa，承温可达700的使用要求，在这些场合换热器占有的投资占50%以上。在5001200燃气、合成气、烟气使用的石油、化工、乙烯、原子能、航天、化肥等领域的换热器，主要是用特殊材料的废热锅炉，各种结构和用途的废热锅炉的应用回收了大量的热能，如炼油装置燃气系统，温度高达550780，航天发动机燃气系统4501200，化肥中合成气系统6801100，乙烯裂解气650900等场合都采用具有特殊结构的一种管壳式换热器。进入九十年代以来，随着装置大型化的发展要求，大型换热器的使用需求增加，乙烯换热器就是一个例子：换热器直径达2.4m，炼油重整装置进料换热器直径达2.4m，重量达120吨，传热面积已达3300m2，高度达30m。如何提高传热效率，减少振动损失，是一项十分重要的课题，大型化中换热器面积要达到5000，国外已达到8000，这样大面积的换热器制造难度大，使用要求高，安装难度更大，如何解决大型化的难题，经过20年的努力，在传热技术上国内已研制成功的双壳程换热器、大型板壳式换热器，具有强化传热的高效换热器，有效的解决了传热效率低的问题；折流杆换热器的应用有效的克服了管束的振动，延长了管子的寿命，解决了振动损坏，提高了工艺性能，降低了动力消耗，且宜用于较脏的场合。板翅式换热器的发展，使换热器的效率提高到新的水平，结构更紧凑。这种换热器的采用，满足了飞机发动机中间冷却和内燃机车发动机、汽车发动机冷却的需要，由于体积小、重量轻、效率高、可处理二种以上介质的优点，迅速在石油化工、乙烯装置中得到推广应用，在低温场合-185的氮气冷却、-177液态空气冷却、-130150的乙烯冷却、-165的天然气冷却和空分装置的冷却，采用板翅式换热器体积可节省515倍，重量节约2030倍以上，随着铝及铝合金钎焊技术的日趋发展，应用场合及范围将越来越广泛。新型高效、紧凑式换热器的另一个结构型式板式换热器及板壳式换热器的应用亦不断得到拓展，由于城市集中供热的需求，越来越多的板式换热器得到使用，节省了占地面积，节约了金属耗量。随着城市使集中供热规模越来越大，面积小于1000、使用温度小于200、压力小于2.0MPa的板式换热器已不能适应工况的需要，如山西某城市供热系统200MW的场合，换热面积单台需要3600，这无疑需要大型板壳式换热器，单板面积可达12（板式换热器单板面积国外2.4，国内1.8），单台传热面积可达5000，板壳式换热器承温可达700，承压可达20MPa，取代管壳式换热器，重量可节省1倍左右，占地面积可节省60%，多回收热量可达总热负荷10%以上，节省设备长度近2倍，节约投资10%左右。单套60万吨/年重整装置的立式换热器采用管壳式换热器面积约需3350，重量125T，高度30M，采用板壳式面积约需1800，重量55T，高度13M，每年可节省燃料油600吨，节省操作费用125万元。国产第一台350板壳式换热器，已在中国石油克拉玛依分公司运行1年零2个月；国产3000板壳式换热器亦即将在中国石油乌鲁木齐石化分公司40万吨/年重整装置中应用，结束了我国大型板壳式换热器依赖进口的局面，这一领域技术已达到国际先进水平。螺旋板式换热器目前在石油、化工、冶金、电力中的应用较普遍，结构上已开发出可拆和不可拆两种，作为紧凑式换热器品种之一，主要优点是：占地面积较小，安装方便，材料主要有碳钢、不锈钢、钛及其合金，主要用于设计压力小于2.5MPa，温度小于300的中、低温位的冷却，化工装置中采用较多，食品、医药中较干净的介质多使用这种换热器，如山东铝厂使用6台90的螺旋板换热器取代列管式换热器，节省传热面积390，节省钢材55T，节省占地面积2倍，使用温度小于200。但螺旋板换热器在有应力腐蚀的场合慎重使用，某厂使用的不锈钢螺旋板用于有45ppm氯离子含量的介质中，使用20多天腐蚀开裂，主要是螺旋板焊缝比例大，无法整体固熔处理。另外在介质较脏的场合亦应慎重使用不可拆式螺旋板换热器。随着人民生活水平的提高，牛奶、果汁、明胶用量越来越大，大型多效板式蒸发器的开发，适应了食品加工业的发展。板式蒸发器国内技术状况已达到国际先进水平，板间大量蒸发降温既要满足杀菌作用，同时要达到浓缩和保证蛋白质的营养，它的板片形状较为特殊，结构上与普通板式换热器不同，带有很大的蒸发空间，单台面积可达500，可处理20T/hr的牛奶、果汁等介质。在化肥、天然气液化、乙烯、煤气化装置中，螺旋绕管式换热器被开发于七十年代，应用于制氧等低温过程中。螺纹绕管式换热器结构是芯筒与外筒之间的空间内将传热管按螺旋线形状交替缠绕而成，属盘管换热器之列，相邻两层螺旋状传热的螺旋方向相反，一般分为单层和多层，可同时处理二种以上介质，传热管管程一般采用812的传热管，所以传热面积相对较大，结构紧凑，可达100170m2/m3、承压高2.2MPa，有自行补偿热膨胀性能，单台传热面积可达25000，由于管径较小在用于结垢较重的场合易发生堵塞现象，而且无法机械清洗。在氯碱行业及化工行业中强酸、强碱的强腐蚀场合较多，为了有效的解决强腐蚀的问题，近年来研制成功的列管式石墨换热器、板式石墨换热器、玻璃钢换热器、氟塑料换热器、陶瓷纤维复合换热器等非金属换热器已从耐温、耐压上有所突破，在上述工业装置中得到推广使用，可处理的介质有盐酸、硫酸、醋酸和磷酸等强腐蚀介质，其传热面积最大可达1000，使用温度可达800以内，重量节约2倍，耐压可达2.0 MPa，占地面积节省1/31/4。在低温余热回收系统，热管的应用带来了巨大的社会效率，在烟气余热回收系统，国内普遍采用热管来回收低温热源，达到节能的目的，目前开发的无机热管不仅在工业装置中应用而且适用于家庭热水系统，即方便又节约能源，热管主要是利用小的表面积来传递较大的热量，是六十年代中期发展起来的传热元件，国外五十年代进入民用工业，具有效率高、压降低、结构紧凑等优点。如某厂在一座190104kcal/hr的加热炉回收余热，烟气从399降到168，使空气温度提高230，每小时回收余热25.2104kcal，使加热炉燃料减少15%，获得显著的经济效益。由于我国目前油田多进入中、后期开采，原油中盐、硫含量升高，常减压装置常压塔顶的腐蚀、减压塔顶的腐蚀越来越重，在这些场合碳钢换热器的寿命仅为418个月左右，防腐已从单纯的涂层发展到采用钛材料的防腐，使钛换热器已从原来化工装置的应用发展到炼油装置。国内早期用于炼油常压塔顶的是齐鲁石化公司炼油厂，目前国内多数炼厂已在此场合应用钛换热器来提高换热器的寿命，一般寿命可达510年左右，对长周期运行起到了重大作用。钽和锆换热器近年来发展也较为迅速，在化工工业中得到应用，虽然这些稀有金属价格昂贵，但由于具有特殊的优良性能，耐温、耐蚀好而应用较广，现已开始制定钽和锆压力容器的行业标准，在化工深加工装置中将得到进一步的应用。防腐涂层换热器的发展也较为迅速，从80年代中期投资低、防腐效果好的847防腐涂料开始，发展到90年代的901，不仅在冷却水系统成功防腐，而且还具有抗垢性能，Ni-P非金属化学镀层在60以下海水和氯离子的防腐方面也起到了重要的作用，在110以下硫的防腐也发挥了较大的作用，不仅防腐而且起到了耐冲蚀、耐磨作用。随着装置大型化的发展，在66万吨/年乙烯装置、800万吨/年常减压装置、350万吨/年重催装置、计划新建的240万吨/年重整装置中换热器也随之大型化，管壳式换热器国外最大直径已达到4650，国内已达到3200，面积达到7000，重量达到260吨。在换热器大型化过程中，管束的振动是不可忽视的问题，由于核电站换热器的振动破坏的出现，振动损失因此而被重视起来，振动使管子破裂，产生噪音，破坏环境，损坏设备基础和管路。九十年代中期以前，国内换热器应用直径普遍小于1500，但九十年代中后期直径超过1500的换热器应用日增，如燕山乙烯一台直径2000的水冷器，按常规设计壳程介质进口处管束诱导振动指数达到7，大大超过标准规定，如不采取措施将在很短的时间内生产振动损失。美国菲利普斯公司于七十年代开发了折流杆换热器用于换热器大型化，有效的克服了管束的振动，延长了管子的寿命，国内九十年代初期已成功的用于大型化装置中，结果表明不仅克服了振动损失，而且壳程压降降低了1/21/15。目前已在冷凝、沸腾介质的换热器中应用，在压缩机级间冷却场合也得到普遍应用，效果非常明显。随着全球水资源的紧张，空冷式换热器已在石油、化工、冶金、核能、电力行业得到大量的应用。空冷式换热器利用空气作为冷却介质，替代了循环水系统对环境的污染，节能效果非常明显。常用的空冷式换热器有干式空冷器和湿式空冷器，干式空冷器介质温度一般可冷却到环境温度+1520，湿空冷介质温度一般可冷却到高于环境温度+510，九十年代中期以后国内兰州石油机械研究所针对全球气温变暖，环境温度增高，常规空气冷却能力下降的现实，根据凉水塔的原理，开发了表面蒸发式空冷器用于炼油、化工、乙烯、天然气、冶金装置中，可使介质温度冷却至高于环境湿球温度5，即节省占地面积1/2，又节省操作费用67%，目前已在工业中大量推广使用，一年内收回全部投资。新世纪的开始，代表国际领先技术水平的板式空冷器研制成功，结构紧凑、占地面积小（仅为1/4）、重量轻（仅为1/3）、面积大（单台33，可达860）、压降低（用于减顶空冷压降3.23Hg）、投资低（可节省10%），将在工业装置中起到巨大的作用。近年来国内在节能、增效、改进换热器性能，提高传热效率，减少传热面积，降低压降，提高装置热强度等研究取得了显著成绩，流程优化软件技术的发展带来了换热器应用的增多。八十年代常减压装置的换热器用量在70台左右，九十年代换热器用量在90100台，九十年代末至今已超过140台，换热器的大量使用，有效的提高了能源的利用率，使企业成本降低，效益提高。第二节 换热器传热理论换热器传热是温度不同的两种介质之间相互热传递发展的一门学科，根据能量守恒定律，热传递也是一种热能量的平衡。热平衡是换热器传热理论的重要组成部分，主要包括从一种高温介质传递到低温介质的能量和二种介质热损失之和，即高温介质传递给低温介质的热量+高温介质的热损失量=低温介质吸收的热量+低温介质的热损失量。热器热传递过程一般分为三种方式，即传导、对流和辐射，一般换热器热传递经常是三种方式同时存在，但根据不同场合，往往是一种方式占主导，在工业中使用的换热器无论何材料和结构一般三者并存。主要的传热是热介质通过壁传递给冷介质，见图2-1，即热介质先传递给壁，再由壁传递给冷介质，这一过程既有对流又有传导传热，这就是换热器传热的基本理论。作为换热器传热计算方法的理论根据是从热传递量化发展而来的。目前传热计算方法通常采用柯恩法（Kern）和贝尔法（Bell）两种。图2-1柯恩法是五十年代发展起来的，主要是把换热器作为一个整体处理，除了传热以外，同时将流动、温度分布、污垢及结构等问题一并在计算方法中考虑，同时还将两项流理论包括到计算方法中。贝尔法是六十年代初期，经过大量试验基础上引入流路校正系数而研究的一种传热计算方法，是一种半分析方法，贝尔法更精确的解决了换热器壳程的传热计算方法。两种计算方法在传热计算过程中较为常用，但目前多用贝尔法进行传热计算，后来国内又发表了流路分析法，特点是可以计算出各流路条件发生变化时壳程的结构和压降的关系，从而计算出各流路之间的流量分配，使设计者能够更好的分析问题和采取相应的合理措施使换热器的效率更高。传热计算的基本方程式如下：热负荷或热传递量（kcal/hr） 总传热系数（kca/hr）平均温差（）1. 热负荷无相变传热：重量流量（/ hr）比热（kcal/）、分别为热、冷流体温度（），1、2分别表示进、出口有相变传热：汽化式冷凝潜热（kcal/）2. 平均温差（MTD）逆流时： 并流时： 查图可知3. 总传热系数污垢热阻（hr/ kcal）给热系数（kcal/hr）管外表面积（）管内表面积（）换热器的传热计算方法比较复杂，分为无相变传热、有相变传热两个种类，有相变传热有分冷凝传热和沸腾传热两种，各种计算，具体不同，传热计算方法不同，应根据介质的情况、结构情况选择不同的计算公式，计算出合理经济的传热面积和压降，换热器的选型才是最佳。空冷式换热器的传热和压降的计算更为复杂，但基本方程式相同。第三节 换热器分类换热器作为传热设备随处可见，在工业中应用非常普及，特别是耗能用量十分大的领域，随着节能技术的飞速发展，换热器的种类开发越来越多，适用于不同介质、不同工况、不同温度、不同压力的换热器，结构和型式亦不同，换热器种类随新型、高效换热器的开发不断更新，具体分类如下：一、 按传热原理分类1. 直接接触式换热器这类换热器的主要工作原理是两种介质经接触而相互传递热量，实现传热，接触面积直接影响到传热量，这类换热器的介质通常是一种是气体，另一种为液体，主要是以塔设备为主体的传热设备，但通常又涉及传质，故很难区分与塔器的关系，通常归口为塔式设备，电厂用凉水塔为最典型的直接接触式换热器。2. 蓄能式换热器（简称蓄能器）这类换热器用量极少，原理是通过一种固体物质，热介质先通过加热固体物质达到一定温度后，冷介质再通过固体物质被加热，使之达到传递热量的目的。3. 板、管式换热器这类换热器用量非常大，占总量的99%以上，原理是热介质通过金属或非金属将热量传递给冷介质的传热设备，这类换热器是我们通常称为管壳式、板式、板翅式或板壳式换热器。二、 按传热种类分类1. 无相变传热一般分为加热器和冷却器。2. 有相变传热一般分为冷凝器和重沸器。重沸器又分为釜式重沸器、虹吸式重沸器、再沸器、蒸发器、蒸汽发生器、废热锅炉。三、 按结构分类1. 浮头式换热器；2. 固定管板式换热器；3. 填料函式换热器；4. U型管式换热器；5. 蛇管式换热器；6. 双壳程换热器；7. 单套管换热器；8. 多套管换热器；9. 外导流筒换热器；10. 折流杆式换热器；11. 热管式换热器；12. 插管式换热器；13. 滑动管板式换热器。四、 按折流板分布分类1. 单弓型换热器；2. 双弓型换热器；3. 三弓型换热器；4. 螺旋弓型换热器。五、 按板状分类1. 螺旋板换热器；2. 板式换热器；3. 板翅式换热器；4. 板壳式换热器；5. 板式蒸发器；6. 板式冷凝器；7. 印刷电路板换热器；8. 穿孔板换热器。六、 按密封型式分此类换热器多用于高温、高压装置中，具体分为：1. 螺旋锁紧环换热器；2. 环换热器；3. 薄膜密封换热器；4. 钢垫圈换热器；5. 密封盖板式换热器；七、 非金属材料分类1. 石墨换热器；2. 氟塑料换热器；3. 陶瓷纤维复合材料换热器；4. 玻璃钢换热器。八、 空冷式换热器分类1. 干式空冷器；2. 湿式空冷器；3. 干湿联合空冷器；4. 电站空冷器；5. 表面蒸发式空冷器；6. 板式空冷器；7. 能量回收空冷器；8. 自然对流空冷器；9. 高压空冷器。九、 按材料分类主要为金属和非金属两大类。金属又可分为低合金钢、高合金钢、低温钢、稀有金属等。十、 按强化传热元件分类1. 螺纹管换热器；2. 波纹管换热器；3. 异型管换热器；4. 表面多孔管换热器；5. 螺旋扁管换热器；6. 螺旋槽管换热器；7. 环槽管换热器；8. 纵槽管换热器；9. 翅管换热器；10. 螺旋绕管式换热器；11. T型翅片管换热器；12. 新结构高效换热器；13. 内插物换热器；14. 锯齿管换热器。换热器的种类繁多，还有按管箱分类等，各种换热器各自适用于某一种工况，为此根据介质、温度、压力、场合不同选择不同种类的换热器，扬长避短，使之带来更大的经济效益。第四节 换热器的结构和使用特点换热器作为节能设备之一，在国民经济中起到非常重要的作用，换热器的结构决定了换热器的性能，性能能否发挥作用取决于设计者如何选择合理结构，任何一个场合都有适应于这个场合特点的结构，要使传热效率提高、能耗下降，就必须了解换热器的结构特点，下面着重介绍典型换热器的结构及使用特点。一、 浮头式换热器图4-1浮头式换热器（见图4-1）是由管箱、壳体、管束、浮头盖、外头盖等零部件组成。最大的特点是管束可以抽出来，管束在使用过程中由温差膨胀而不受壳体约束，不会产生温差应力，其优点是：1. 管束可以抽出清洗管、壳程；2. 介质间温差不受限制；3. 可在高温、高压下工作，一般温度450，压力6.4 MPa；4. 可用于结垢比较严重的场合；5. 可用于管程易腐蚀场合。缺点：1. 小浮头易发生内漏；2. 金属材料耗量大，成本高20%；3. 结构复杂。二、 固定管板式换热器固定管板式换热器（见图4-2）是由管箱、壳体、管板、管子等零部件组成，其结构较紧凑，排管较多，在相同直径情况下面积较大，制造较简单，最后一道壳体与管板的焊缝无法无损检测，其优点是：图4-21. 传热面积比浮头式换热器大2030%；2. 旁路漏流较小；3. 锻件使用较少，成本低20%以上；4. 没有内漏。缺点：1. 壳体和管子壁温差50，大于50必须在壳体上设置膨胀节；2. 管板与管头之间易产生温差应力而损坏；3. 壳程无法机械清洗；4. 管子腐蚀后造成连同壳体报废，壳体部件寿命决定于管子寿命，相对较低。5. 壳程不适用于易结垢场合；三、 U型管换热器U型管换热器（见图4-3）是由管箱、壳体、管束等零部件组成，只需一块管板，重量较轻，同样直径情况下，面积最大，结构较简单、紧凑，在高温、高压下金属耗量最小，目前加氢换热器基本上全部采用U型管换热器，其优点是：图4-31. 管束可抽出来机械清洗；2. 壳体与管壁不受温差限制；3. 可在高温、高压下工作，一般温度500，压力10MPa；4. 可用于壳程结垢比较严重的场合；5. 可用于管程易腐蚀场合。缺点：1. 在U型处易冲蚀，应控制管内流速；2. 管程不适用结垢较重的场合；3. 单管程换热器不适用。4. 不适用于内导流筒，故死区较大。四、 双壳程换热器双壳程换热器（见图4-4），其结构与浮头式换热器、U型管换热器与固定管板换热器相同，所不同的是在管束中心放置一块纵向隔板，折流板被上下隔开，用密封片将壳程一分为二，改变了壳程介质的流动方式，增加了流体的湍流程度，管壳程介质呈纯逆流流动，无温度交叉，除具备相应浮头式换热器和固定管板式换热器优缺点外，还具备如下优点：1. 对数温差校正系数为；2. 传热面积可减少1030%；3. 减少设备数量和金属耗量；4. 传热效率提高；图4-45. 适用于大型化装置；6. 适用于串联台数较多；7. 适用于高温、高压场合。缺点：1. 壳程压降提高4倍；2. 分程隔板与壳体密封片易泄露；3. 壳体直径圆度要求较高；五、 外导流筒换热器外导流筒换热器（见图4-5），其结构与浮头式换热器基本相同，所不同的是壳程进出口接管与导流筒不同，进出口处增加了壳体直径，使流体流动改变，传热管可排满整个壳体，使旁路泄漏和进出口死区减少，效率增加，压降减少。其优点是：1. 进出口压降降低90%以上；2. 进出口处流动死区、旁路漏流减小，可提高传热有效面积7%以上；3. 传热面积在DN3251800系列，增加516%传热面积；4. 进出口处流体分布均匀；5. 总传热效率相应提高1223%；6. 适应与壳程压降要求较小的场合，如减压塔顶冷却器、压缩机级间冷却器、塔顶冷凝、冷却等场合。缺点是：1. 金属耗量增加10%（按相同直径比较）；2. 制造难度加大，外导流筒处焊缝要求100%RT。六、 折流杆换热器折流杆（见图4-6）换热器，其结构与浮头式换热器、U型管式换热器与固定管板式换热器基本相同，其差别是将折流板用折流环所取代，流体流动状态为顺管轴向方向流动（称为顺流），防振动效果最好，压降比折流板低几分之一甚至几十分之一，流体流过杆时形成卡曼涡阶，来实现湍流而强化传热。其优点是：1. 不易发生诱导振动损失；2. 传热死区小，传热效率提高20%以上；3. 压降小；4. 抗垢性能优良；5. 有强化冷凝的机理；6. 适用于换热器大型化，特别是在核电换热器应用；图4-67. 适用于冷凝、沸腾场合的换热器；8. 适用于压缩机级间冷却和烟气预热器。缺点：1. 在低雷诺数Re6000（液相）、Re10000（气相）热效率较低；2. 造价提高35%。七、 新结构高效换热器新结构高效换热器（见图4-7），其结构与浮头式换热器和固定管板换热器基本相同，所不同之处是管束壳程在折流杆基础上开发、研究出，用数块喷射板与折流环组成，特点是流体在低雷诺数区流体流过喷射板时形成环向喷射流而使流体达到湍流状态而实现强化传热，流体流动状态为顺流，压降较低，流动死区小，其优点是：图4-71. 液相传热Re600，气相传热Re3000，传热效率提高25%以上；2. 压降比折流板小1倍以上；3. 适用于带固体颗粒的场合；4. 抗垢性能优良；5. 适用于低温位冷却场合。缺点：1. 不适用于有相变传热；2. 压降比折流杆大。八、 高效重沸器高效重沸器（见图4-9），其结构与釜式重沸器相同，其差别是：换热管采用图4-8T型翅片管，T型翅片管（见图4-8）结构上机械加工形成汽化核心的汽室，从而强化了沸腾传热，这种管子被第六届世界传热学会誉为四中最佳强化传热元件之一，具有抗垢性能好，低温差推动力大的特点，其优点是：1. 有自清洗作用；2. 给热系数比光管提高3.310被以上；3. 总传热系数提高40%以上；4. 节约设备重量25%以上；5. 适用于塔底重沸器、侧线虹吸式重沸器；6. 适用于化工、制冷系统重沸器或再沸器；图4-9图4-87. 抗腐蚀性能良好。缺点：1. 在重油如渣油、原油设备无应用历史；2. 造价上升1015%；3. 不适用于有湿硫化氢场合使用。九、 螺纹管换热器图4-10螺纹管（见图4-10）换热器作为一种强化传热高效换热器，其结构与浮头式换热器、固定管板式换热器和U型管式换热器基本相同，所不同的是管束中的光管由以扩展表面强化传热的螺纹管所替代，可与折流杆、外导流筒、新结构高效换热器组合，是目前强化传热管用量最大，推广较好，使用场合多的强化传热元件，属成熟技术。其优点是：1. 总传热系数可提高30%以上；2. 具有良好的抗腐蚀性能；3. 具有良好的抗垢性能。4. 比光管外表面增加2.5倍以上（以25管子为例）；5. 强化冷凝效果显著，给热系数可提高1倍以上；6. 特别适用于重油系统传热；7. 适合于各种无相变传热。缺点：1. 管内膜系数与管外膜系数之比1.5不能使用；2. 管外雷诺数Re600不能使用；3. 管内压降增加14%；4. 不适用于CrMo钢场合。十、 表面蒸发式空冷器图4-11表面蒸发式空冷器（见图4-11），其结构由水箱、光管管束、喷淋除雾、预冷、风机等零部件组成，是一种将水冷与空冷，传热与传质过程融为一体，且兼有两者之长的新型、高效冷却设备，具有结构紧凑、传热效率高、投资省、操作费用低、安装维护方便、占地面积小等特点，适用于炼油、化工、冶金、制冷、轻工、电力等行业，其原理是管外水膜的蒸发强化传热，即从目前普通空冷的显热传热升华为潜热传热。其优点是：1. 可使介质冷却至环境湿球温度+5；2. 占地面积节省1倍以上；3. 操作费用节省35.5%；4. 投资费用节省15%；5. 传热效率提高40%以上；6. 适用于温度170，压力20MPa的场合；7. 节水、节电效果显著；8. 特别适合于目前全球气温变暖、水源紧张的情况；9. 适应于常减压、气分、催化、烷基化、酮苯、丙烷、乙烯、重整、加氢、天然气等装置塔顶及侧线的冷凝冷却场合。缺点：1. 必须采用软化水；2.压降500时可达湍流状态，因而比管壳式换热器传热效率高1倍以上。其优点是：1. 传热效率高，比管壳式换热器高1倍以上；2. 结构紧凑，单位体积传热面积180 m2/m3；3. 结构可靠；4. 不易污塞；5. 成本低；6. 适用温度300，压力2.5MPa；7. 适用于化工、较轻介质的场合。缺点：1. 焊缝较长，易泄露，易产生应力腐蚀；2. 易结垢场合严禁使用。十六、 螺纹锁紧环换热器螺纹锁紧环换热器（见图4-17），其结构主要由管箱、壳体、管束、管箱盖、固定环、螺纹锁紧环、压紧环、密封装置等零部件组成。一般设计压力820 MPa，设计温度300550，材料为2.25Cr-1Mo+347L或15 CrMoR+321，是目前高压换热器设计难度高，制造难度大的换热设备，过去国内一直靠进口，价格高、周期长，花费大量的外汇，目前国内已有三个制造厂生产，但螺纹锁紧环换热器结构复杂，金属耗量大，机加工配合件较多。其优点是：图4-171. 结构上安全可靠；2. 耐高温、高压，温度550，压力20MPa；3. 密封性能好；4. 结构独特；5. 壳壁与管束壁温差大，管束可自由伸缩，吸收膨胀差；6. 可拆卸、可清洗；7. 耐硫化氢腐蚀。缺点：1. 结构复杂，设计繁琐；2. 重量大，造价高；3. 零部件较多，密封要求高；4. 检修、维修量大。十七、 环高压换热器图4-18环高压换热器（见图4-18），其结构由管箱、壳体、管束、环等零部件组成，与普通U型管换热器结构相同，所不同的是密封垫片由环代替。其原理是：工作状态下介质进入环中，由于小管子承压高，故可承受压力32MPa，由于采用0Cr18Ni11Ti耐温可达550，由于操作过程中环中介质存在，故垫片比压可选择为零，减少了螺栓预紧载荷而使螺柱直径减小，减少螺柱预紧时管板产生的载荷，减薄了管板的厚度，由此重量低，造价降低，如120万吨/年柴油加氢装置五台换热器可降低造价近300万元。其优点是：1. 结构简单，设计简单；2. 密封安全可靠；3. 耐高温、高压，温度550，压力32MPa；4. 结构独特；5. 壳壁与管束壁温差大，可吸收热膨胀；6. 拆卸方便，可清洗；7. 采用流路分析法设计，传热效率提高20%以上；8. 耐硫化氢腐蚀；9. 重量可比螺纹锁紧环降低23%，锻件耗量少；10. 造价节省21%；11. 适用于832 MPa压力的加氢换热器、合成氨换热器、化肥装置废锅换热器、巨毒介质换热器以及绝对保证无泄露的场合。缺点：1. 环加工复杂，要求较高。第五节 换热器的材料及防腐换热器的材料牌号较多，选用换热器的材料一般考虑的因素主要从结构、制造工艺、强度、压力、介质、腐蚀、安全性能方面来考虑，材料选择不当将会造成安全性能下降或失效，寿命降低。经济、合理、安全选用材料将是设计者首要考虑的因素，近年来大量研制成功的新材料用于换热器中，一些材料的进口使高温、高压、换热器性能提高（如1.25Cr 0.5MoSi 2.25Cr-1Mo等），对使用者带来了显著的经济效益，同时在标准的更新中也淘汰了一些低性能的材料、材料技术的发展同时也带来换热器性能和使用场合的提高和扩大。一、 换热器的材料材料一般分为金属材料和非金属材料，金属材料又分为黑色金属和有色金属，下面将介绍常用材料的牌号及性能。1. 黑色金属材料1）壳体用板材一般选用工艺性能良好、焊接性能好的镇静钢，如：Q235-B Q235-C，20R，目前标准取消Q235-A和Q235-A.F沸腾钢。2）锻件一般选用20锻件，35锻件很少使用原因是可焊性较差、易产生裂纹。3）管材一般选用10、20、20G。2、低合金钢一般低合金钢选用分为碳钢和CrMo钢、CrMo钢主要是高温强度较高，并具有高温下耐氢腐蚀，机械性能较好、无氢脆现象、韧性较好、焊接性能较好。1）壳体用板材，一般采用16MnR、16MnRH、15MnVR、15MnVNR、15CrMoR、15CrMoRH、18MnMoNnR、1.25Cr0.5MoSi、2.25Cr-1Mo。2）换热管一般选用16Mn、15MnV、12CrMo、15CrMo、12Cr2Mo、1Cr5Mo、12Cr1MoVG、08Cr2ClMoV、09Cr2AlMoV，1.25Cr0.5MoSi、2.25Cr-1Mo。3）锻件一般选用16Mn、20MnMo、15MnV、20MnMoNb、15CrMo、35CrMo、12Cr1Mo、12Cr2Mo1、1Cr5Mo、1.25Cr0.5MoSi、2.25Cr-1Mo。3、低温用钢低温用钢一般指设计温度-20的钢、高合金钢一般均可用于低温状态，这里主要介绍低合金钢，在低温状态下使用，它们均有良好的韧性、金属组织稳定。1）壳体用板材一般选用16MnDR、07MnNiCrMoVDR、09Mn2VDR、09MnNiDR、15MoNiDR。2）传热管一般选用16Mn、09MnD。3）锻件选用16MnD、09Mn2VD、09MnNiD、16MnMoD、20MnMoD、08MnNiCrMoD、10Ni3MoVD。4、高合金钢高合金钢又分马氏体不锈钢，对铁离子、亚硫酸气体、硫化氢和环烷酸具有抗腐蚀作用，由于马氏体组织热处理有淬硬性、焊接性能较差、易产生裂纹。铁素不锈钢对氧化性酸、硝酸、碱性溶液、无氯温水、苯和洗涤剂有良好的耐蚀性，但焊接性能差、易产生裂纹。奥氏体不锈钢有稳定的组织，有良好的耐蚀性，低温性能好一般适用于-50-196范围使用，用量较大。为此选用高合金钢应根据不同介质和温度，选用不同组织的不锈钢，一般选用牌号为：1）壳体板材：0Cr13Al、0Cr13、0Cr18Ni9、0Cr18Ni10Ti、0Cr17Ni14Mo2、0Cr18Ni12Mo2Ti、0Cr19Ni13Mo3、00Cr19Ni10、00Cr17Ni14Mo2、00Cr19Ni13Mo3、00Cr18Ni5Mo3Si2。2）传热管：0Cr13、0Cr18Ni9、0Cr18Ni10Ti、0Cr17Ni12Mo2、0Cr18Ni12Mo2Ti、0Cr19Ni13Mo3、00Cr19Ni10、00Cr17Ni14Mo2、00Cr19Ni13Mo3。3）锻件：0Cr13、0Cr18Ni9、0Cr18Ni10Ti、0Cr17Ni14Mo2、00Cr19Ni10、00Cr17Ni14Mo2、00Cr18Ni5Mo3Si2。5、有色金属及合金1）铜及铜合金铜又分为紫铜和黄铜（也称海军铜），由于具有良好的导热性、塑性好，低温冲击韧性好，在深冷中应用较多，紫铜在空气预热器中使用较多。黄铜在稀硫酸、亚硫酸、中等浓度的盐酸、醋酸、氢氟酸、苯性碱中抗腐蚀良好、如在海水冷却器中应用较普遍。海军铜牌号一般为H62、H65、H70-1、H70Sn-1。2）铝及合金铝在大气中形成致密的氧化保护膜，故在中性溶液、弱酸中稳定性好、铝镁合金在海水冷却器中使用有良好的抗蚀性。3）镍及合金镍有很高的强度和塑性，在碱及碱液中形成氧化膜而具有良好的抗腐蚀性能，在盐酸、氯气、有机酸中耐腐蚀较好，抗高温可达900。6、稀有金属钛、钽和锆及其合金具有很强的耐腐蚀性，但价格昂贵，使用量很小，目前常减压装置常压塔顶冷却器和空冷器钛使用较多，来延长寿命。7、非金属材料非金属材料来制造换热器主要材料有石墨、玻璃钢、陶瓷纤维复合材料、氟塑料等，用于强腐蚀介质的场合，如硝酸、浓硫酸、盐酸、荷性碱、过氧化物等场合，由于管壁热阻较高，所以传热效率较低，强度低、耐温耐压低、抗冲击性能较差。二、 换热器的防腐换热器的使用量大，包括新建项目、改造项目、更新项目，而在更新项目中，主要是由于换热器的损坏造成，损坏的原因一般由腐蚀造成的，据统计大概占有90%以上。全国每年由于腐蚀更换的换热器投资约20亿元，为此防腐成为技术发展的重点，近年来防腐研究经费投入很大，但技术发展缓慢，效果不明显。由于石油工业、原油开采进入中后期，含酸值逐年增加，腐蚀逐年加重，再则中东含酸原油进口量猛增，设备防腐的投资也越来越大，抗腐蚀材料及防腐措施尤为重要，目前换热器防腐有如下几种措施：1、防腐涂层一般采用非金属涂层，常用的水冷器有防腐、防垢涂料847和901，还有Ni-P镀，但在油气系统使用效果较好的是涂陶瓷，现场证明效果较好，但由于换热管一般6米长、在长度上涂均匀很难做到，如果有一个点状缺陷没涂到腐蚀将会加剧，所以涂均匀是控制质量的重要因素。2、金属涂层一般有镀Ni、锌Ti、镀铜等，工艺效果虽好，但造价昂贵是阻碍使用的障碍。3、金属堆焊一般采用碳钢、CrMo钢堆焊不锈钢较多，用来抗硫化氧和酸腐蚀，造价较低，效果很好，一般化肥、乙烯、炼油中加氢、重整、预加氢使用很多，另外还有复合板、双向钢管用量也较大、效果较好。4、缓蚀剂目前炼油装置、化工装置多采用一脱四注的方式较多，效果也较明显，国外也有露点腐蚀处注水的方式，控制露点腐蚀。虽然采取了很多措施，但多数场合收效不大，目前已趋于使用稀有金属现状，提高腐蚀技术将是新世际的关键课题。第六节 换热器研究现状及发展动向八十年代以来换热器技术飞速发展，带来了能源利用率的提高，各种新型、高效换热器的相继开发与应用，带来了巨大的社会经济效益，市场经济的发展、私有化比例的加大，降低成本已成为企业追求的最终目标，因而节能设备的研究与开发倍受瞩目。能源的日趋紧张、全球环境气温的不断升高、环境保护要求的提高，给换热器及空冷式换热器、高温、高压换热器带来了日益广阔的应用前景，在地热、太阳能、核能、余热回收、风能的利用上，各国政府、民间研究机构和企业都加大了投入资金力度，主要表现在下列几个方面：一、 研究机构及研究现状1.美国传热研究公司（Heat Transfer Research Inc.）即HTRI于1962年发起组建的一个国际性、非赢利的合作研究机构，会员数百家，遍及全球，取得了大量的研究成果，积累了换热器设计的丰富经验，在传热机理、两相流、振动、污垢、模拟及测试技术方面作出了巨大贡献。近年来在计算机应用软件开发发展很快，网络优化软件、各种换热器工艺设计软件计算精度准确，不仅节省了人力，提高了效率，而且提高了技术经济性能。目前国内有近二十家成为HTRI会员。2.英国传热及流体服务中心（Heat Transfer and Fluid Flow Service）即HTFS，于1967年成立，隶属于英国原子能管理局，会员数百家，长期从事传热与流体课题的研究，所积累的经验和研究成果不仅广泛用于原子能工业，而且用于一般工业，它最大特点是与各大学和企业合作，进行专门的课题研究，研究成果显著。在传热与流体计算上更精确，开发的HTFS、TASC各类换热器微机计算软件备受欢迎，国内有三十多家企业成为会员。3.国内各研究机构和高等院校研究成果不断推陈出新，在强化传热元件方面华南理工大学相继开发出表面多孔管、螺旋槽管、波纹管、纵横管等；天津大学在流路分析法、振动等方面研究成果显著；清华大学在板片传热方面研究深入；西安交大在板翅式换热器研究方面已取得初步成果；重庆建工学院开发出翅管换热器；在强度软件方面化工技术中心站开发出SW6；在液压胀管方面江苏化工学院开发出液压胀管器；作为换热器起家的兰州石油机械研究所率先开发出板式换热器、板式冷凝器、板式蒸发器、螺旋板换热器、板壳式换热器、螺纹管换热器、折流杆换热器、外导流筒换热器、高效重沸器、新结构高效换热器、环高压换热器、表面蒸发空冷器、板式空冷器等一批实用价值的系列高效换热器，近年来在强度软件上开发出Lansys PV，在CAD软件上开发出浮头式换热器Lansys HF、U型管式换热器Lansys HU等系列CAD软件含标准图2000余套；中国石化工程建设公司与兰州石油化工机器厂联合开发出螺纹锁紧环换热器；西交大、兰州五院、宁夏化工厂合作开发出螺旋绕管式换热器，这些技术成果为国民经济的快速发展，为中国炼油、化工工业的发展起到了决定作用，也使中国的传热技术水平步入国际先进水平。二、 换热器研究及发展动向1. 物性模拟研究换热器传热与流体流动计算的准确性，取决于物性模拟的准确性，一直为传热界重点研究课题之一，特别是两相流物性的模拟，两相流的物性基础。来源于实验室实际工况的模拟，这洽洽与实际工况差别的体现，实验室模拟实际工况很复杂，准确性主要体现与实际工况的差别，纯组份基本上准确，但油气的组成就与实际工况相差较大，特别是带有固体颗粒的流体模拟更复杂，为此带来的物性模拟在实验手段更加先进，测试更加准确的情况下准确率更高，为此换热器计算更精、材料更节省，物性模拟将代表换热器的经济技术水平。2. 分析设计的研究分析设计是近代发展的一门新兴学科，美国ANSYS软件技术一直处于国际领先技术，通过分析设计可以得到流体的流动分布场，也可以将温度场模拟出来，这无疑给流路分析法技术带来发展，同时也给常规强度计算带来更准确、更便捷的手段。在超常规强度计算中，可模拟出应力的分布图，使之无法得到的计算结果，方便、快捷、准确的得到，使换热器更加安全可靠。这一技术随着计算机应用的发展，将带来技术水平的飞跃，将会逐步取代强度试验，摆脱实验室繁重的劳动强度。3. 大型化及能耗研究换热器将随装置的大型化而大型化，直径将超过5m，传热面积将达到单位10000，紧凑型换热器将受欢迎，板壳式换热器、折流杆换热器、板翅式换热器、板式空冷器将得到发展，振动损失将逐渐克服，高温、高压、安全、可靠的换热器结构将朝着结构简单、制造方便、重量轻发展。随着全球水资源的紧张，循环水将被新的冷却介质取代，循环将被新型、高效的空冷器所取代。保温绝热技术的发展，热量损失将减少到目前的50%以下。4. 强化技术研究各种新型、高效换热器将逐步取代现有常规产品，电场动力效应强化传热技术、添加物强化沸腾传热技术、通入惰性气体强化传热技术、滴状冷凝技术、微生物传热技术、磁场动力传热技术将会在新的世纪得到研究和发展，同心管换热器、高温喷流式换热器、印刷线路板换热器、穿孔板换热器、微尺度换热器、微通道换热器、流化床换热器、新能源换热将在工业领域及其它领域得到研究和应用。5. 新材料研究材料将朝着强度高、制造工艺简单、防腐效果好、重量轻的方向发展，随着稀有金属价格的下降，钛、钽、锆等稀有金属使用量将扩大，CrMo钢材料将实现不预热和后热的方向发展。6. 控制结垢及腐蚀的研究国内污垢数据基本上是六十年代至七十年代从国外照搬，四十年来污垢研究技术发展缓慢，随着节能、增效要求的提高，污垢研究将会受到国家的重视和投入，通过对污垢形成的机理、生长速度、印象