《化工设备使用与维护》第三章--换热设备的使用与维护(共18页)

第三章换热设备的使用与维护第一节换热设备工作过程及类型第二节换热设备的结构第三节换热设备的使用与维护第一节换热设备工作过程及类型一、换热设备工作过程(一)热量的传递方式 传导传热 对流传热 辐射传热（二）换热设备的换热过程传热过程可分为三步， 热流体将热量传给固体壁面（对流传热） 热量从壁的热侧传到冷侧（热传导） 热量从壁的冷侧面传给冷流体（对流传热）壁的面积称为传热面，是间壁式换热器的基本尺寸。提高传热速率的方法： 增大传热面积（翅片管、波纹管等） 提高传热系数（增加流速、选择相变温度、选择导热性能好的材料作为换热元件等） 增大冷热流体的温度差（冷热流体逆流等）二、换热设备的类型（一）按用途分类 冷却器：用水或其它冷却介质冷却液体或气体。 冷凝器：冷凝蒸气或混合蒸气。 加热器：用蒸汽或其他高温载热体来加热工艺介质，以提高其温度。 换热器：在两个不同工艺介质之间进行显热交换，即在冷流体被加热的同时，热流体被冷却。 再沸器：用蒸汽或其他高温介质将蒸馏塔底的物料加热至沸腾，以提供蒸馏时所需的热量。 蒸气发生器：用燃料油或气的燃烧加热生产蒸气。 过热器：将水蒸气或其他蒸气加热到饱和温度以上。 废热锅炉：凡是利用生产过程中的废热来产生蒸气的统称为废热锅炉。（二）按换热方式分类1、间壁式换热器间壁式换热的特点是冷、热流体被一固体隔开，分别在壁的两侧流动，不相混合，通过固体壁进行热量传递。2、直接接触式传热直接接触式传热的特点是冷、热两流体在传热器中以直接混合的方式进行热量交换，也称混合式换热。3、蓄热式换热器蓄热式换热器是由热容量较大的蓄热室构成。室中充填耐火砖作为填料，当冷、热流体交替的通过同一室时，就可以通过蓄热室的填料将热流体的热量传递给冷流体，达到两流体换热的目的。（三）按形状分类板面式：管壳式：固定管板式浮头式U形管式填料涵式釜式双套管式套管式蛇管式管 式：板式螺旋板式板翅式伞板式板壳式（三）换热设备性能对比及选择1、换热器的基本要求 热量能有效地从一种流体传递到另一种流体，即传热效率高，单位传热面上能传递的热量多。 换热器的结构能适应所规定的工艺操作条件，运转安全可靠，密封性好，清洗、检修方便，流体阻力小。 要求价格便宜，维护容易，使用时间长。2、换热器性能对比及选择 流体的性质（比热、传热系数、黏度、腐蚀性、热敏性、结垢情况以及是否有磨蚀性颗粒）。 换热介质的流量、操作温度、压力。 随着生产技术的不断发展，换热器适用范围在不断地发展。第二节换热设备的结构一、管壳式换热器的结构类型及特点常用的管壳式换热器有固定管板式、浮头式和U形管式。固定管板式换热器结构简单，造价低，制造容易，管程清洗检修方便。壳程清洗困难，管束制造后有温差应力存在，当冷热两流体的平均温差较大，或壳体和传热管材料热膨胀系数相差较大、热应力超过材质的许用应力时，在壳体上应设膨胀节，由于膨胀节不能承受较大内压，所以换热器壳程压力不能太高。固定管板式换热器适用于两种介质温差不大（一般应低于30），或温差较大但壳程压力不高的条件。浮头式换热器的优点是壳体和管束的温差不受限制，管束清洗和检修较为方便，管程、壳程均容易清扫。缺点是结构复杂，密封要求较高，一旦泄漏在线处理较为困难。一般在温差较大的化工单元操作中设置浮头式换热器。U形管式换热器，克服了固定管板式和浮头式换热器的缺点，但在U 形拐弯处很难清洗干净，更换管子较为困难，特别是管板中心部的U形管，泄漏后只能堵管，要想更换管子必须从管板处全部切除，造成很大浪费。U 形管换热器适用于两种流体温差较大，且壳程易结垢的条件。1、固定管板式换热器固定管板式换热器主要有外壳、管板、管束、封头压盖等部件组成，如上图所示。其结构特点是在壳体中设置有管束，管束两端用焊接或胀接的方法将管子固定在管板上，两端管板直接和壳体焊接在一起，壳程的进出口管直接焊在壳体上，管板外圆周和封头法兰用螺栓紧固，管程的进出口管直接和封头焊在一起。管束内根据换热管的长度设置了若干块折流板。这种换热器，管程可以用隔板分成任何程数。应用极为广泛。2、浮头式换热器浮头式换热器主要由壳体、浮动式封头管箱、管束等部件组成，如上图所示。它的一端管板固定在壳体与管箱之间，另一端管板可以在壳体内自由移动，也就是壳体和管束热膨胀可自由，故管束和壳体之间没有温差应力。一般浮头设计成可拆卸结构，使管束可自由地抽出和装入。浮头式换热器的浮头也有不同的结构型式，常用的如图所示，它是用钳形环和螺栓使浮头和管板密封贴合，以使管内和管间流体互不渗漏。这种结构现在用的不多了。根据设计规范，采用了图B 所示结构，即浮头盖法兰直接和钩圈用螺栓紧固，使浮头法兰和活动的管板密封贴合，虽然减少了管束的有效传热面积，但密封性可靠，整体也较紧凑。3、U形管换热器U形管式换热器的结构如上图所示。结构特点是换热管做成U形，两端固定在同一块管板上，由于壳体和管子分开，可以不考虑热膨胀，管束可以自由伸缩，不会因为流体介质温差而产生温差应力。U形管换热器只有一块管板，没有浮头，结构比较简单。管束可以自由抽出和装入，方便清洗。由于换热管均做成半径不等的U形弯，最外层损坏后可更换外，其余的管子损坏只有堵管。同时和固定管板式换热器相比，它的管束的中心部分存有空隙，流体很容易走短路，影响了传热效果，管板上排列的管子也比固定管板式换热器少，体积有些庞大。由于U 形管曲率半径不一样，也增加了制造程序，加上切管长短不一，流体流动状态下的分布也不均匀，堵管后更减少了换热面积。U形管换热器，一般使用于高温高压的场合，在压力高时，须加厚管子弯管段的壁厚。为增加流体介质在壳程内的流速，可在壳体内设置折流板和纵向隔板，以提高传热效果。4、填函式换热器填料函式换热器与浮头式换热器相似，只是浮动管板一端与壳体之间采用填料函密封。这种换热器管束也可以自由伸缩，无温差应力，具有浮头式的优点且结构简单、制造方便、易于检修清洗，特别是对腐蚀严重、温差较大而经常要更换管束的冷却器，采用填料函式比浮头式和固定管板式更为优越；但由于填料密封性所限，不适用于壳程流体易挥发、易燃、易爆及有毒的情况。二、管壳式换热器管程结构1、管板换热器的主要部件之一。选把管板材料时，除要满足机械强度的要求以外，还必须考虑管内和管外的腐蚀性，以及管板与管子材料的电化学兼容性等问题。2、管子管子的选用换热器的管子构成换热器的传热面积，管子的形状对传热和换热器的设计有很大的影响。我国管壳式换热器常用无缝钢管规格长度为：1500mm 、2000mm、2500mm、3000mm、4500mm、5000mm、6000mm、7500mm、9000mm、12000mm碳钢、低合金钢19x2.5 25x2.5 32x3 38x3不锈钢19x2 25x2 32x2.5 38x2.53、管板和管子的连接.胀接:利用胀管器挤压伸入管板孔中的管子端部，使管子发生塑性变形，管板孔同时产生弹性变形，当取出胀管器后管板与管子就产生一定的挤紧压力，达到密封紧固连接的目的。.焊接：在高压高温条件下，连接能保持连接的紧密性。. 胀焊结合4、管子在管板上的排列换热管排列形式换热管的排列应在整个换热器的截面上均匀地分布，要考虑排列紧凑、流体的性质、结构设计以及制造等方面的问题。a.正三角形和转角正三角形排列b.正方形和转角正方形排列另外，根据结构要求，采用组合排列，例如在多程换热器中，每一程中都采用三角形排列法，而在各程之间为了便于安装隔板则采用正方形排列法，如图7-17当管子总数超过127根（相当于层数6)时，正三角形排列的最外层管子和壳体之间的弓形部分，应配置附加换热管，从而增大传热面积，消除管外空间这部分不利于传热的地方。附加换热管的配置法可参考表7-4；在制氧设备中，常采用同心圆排列法，结构比较紧凑。管间距：管板上两换热管中心的距离称为管间距。管间距的确定，要考虑管板强度和清洗管子外表面时所需空隙，它与换热管在管板上的固定方法有关。当换热管采用焊接方法固定时，相邻两根管的焊缝太近，就会相互受到热影响，使焊接质量不易保证；而采用胀接法固定时，过小的管间距会造成管板在胀接时由于挤压的作用而发生变形，失去了管子与管板之间的连接力。因而，换热管中心距宜不小于1.26倍的换热管外径管间距数值表3-3换热管中心距离(mm)换热管外径14192532384557换热管中心距离192532404857725、强化传热表面换热器的管子一般都用光管。为了强化传热出现了多种结构形式异形管6、封头和管箱封头与管箱是换热器的主要部件，位于壳体两端，其作用是控制及分配管程流体。当壳体直径较小时，常采用封头（表3-8B)；壳径较大的换热器，大多采用管箱（表3-8A)。7、其它拉杆和定距管的作用就是为固定折流板滑道的作用是减少管束抽出和插入壳体过程中的摩擦力，还能起到支撑管束的作用。三、管壳式换热器壳程结构1、壳体壳体有各种形式，但基本上就是一个圆筒形状的容器，器壁上焊有接管，供壳程液体进入和排出之用。直径小于400mm的壳体（通常用钢管制成，直径大于400mm时都用钢板卷焊而成。两种进口接管和防冲板的布置，分为普通接管（P61图3-12a）与扩大型接管（P61图3-12b）。普通接管必须抽出一些管子，传热面积因而略有减小；扩大型接管防冲板放在扩大部分，不影响管数。导流筒装置，位于管束两端，不仅能起防冲板作用，而且还可以改善两端流体分布，提高传热速率。2、折流板作用：引导壳程流体反复地改变方向作错流流动或其他形式的流动，并可调节折流板间距以获得适宜流速，提高传热速率。另外，折流板还可起到支撑管束的作用。确定折流板间距的原则主要是考虑流体流动，比较理想的是使缺口的流通截面积和通过管束的错流流动截面积大致相等。这样可以减小压降，并且避免或减小“静止”区，从而改善传热效果。板间距不得小于内径的1/5或50mm。另外，还应考虑振动问题。四、管壳式换热器的标准及主要技术参数1、标准体系国家标准GB 151-19991管壳式换热器行业标准JB/T 47174720-922、管壳式换热器的基本参数P6366表3-5 浮头式换热器和冷却器基本参数表3-6 固定管板式换热器基本参数表3-7固定管板式换热器基本参数组合表3-8管壳式换热器部件命名I五、其他类型换热设备简介（一）板面式换热器具有结构紧凑，传热系数大、不用管材、可用于较小温差等优点，但存在结构复杂、承受压力低、设备尺寸受限等缺点。1、螺旋板换热器螺旋板换热器的结构是由两张平行的钢板在专用的卷床上卷制而成，它是具有一对螺旋通道的圆柱体，再加上顶盖和进出口接管而构成的。如上图所示，两种介质分别在两个螺旋通道内作逆向流动，一种介质由一个螺旋通道的中心部分流向周边，而另一种介质则由另一个螺旋通道的周边进入，流向中心再排出。优点：结构紧凑、不用管材、传热系数大、可完全逆流操作、可在较小温差下传热、有自身冲刷防污垢沉积等。缺点：阻力比较大、检修和清洗比较困难，操作的压力和尺寸大小也受到一定的限制。型：螺旋本体的两个端面全部焊死，其缺点是不能进行机械清洗或检修。型：将两个螺旋通道的一个端面交错地焊死，则两个通道均可以进行清洗，但由于各有一端是敞开的，所以两个端面需要加上可以拆卸的顶盖密封。型：只有一种介质是沿螺旋通道向由中心流向周边，而另一介质是作轴向流动。2、板式换热器板式换热器是由一组长方形的薄金属传热板片构成，用框架将板片夹紧组装于支架上。两个相邻板片的边缘衬以垫片（各种橡胶或压缩石棉等制成）压紧。板片四角有圆孔，形成流体的通道。冷热流体交替地在板片两侧流过，通过板片进行换热。板面式换热器优缺点：优点：传热系数比较高，结构紧凑，操作灵活性大，清洗、检修方便，且面积可调整缺点：操作压力不能太高，操作温度受垫片耐热性限制，操作温度不能太高。处理量比较小。板式换热器流路P69图3-211、并流2、串流3、混流混流流路示意图板式换热器的特点：体积小，占地面积少。传热效率高，可使在低速下强化传热。组装方便，当增加换热面积时，只多装板片，进出口管口方位不需变动。热损失小，不需保温，热损失只为1%左右。拆卸、清洗方便，检修容易在现场进行。特别对于易结垢的介质，板片随时拆下清洗。使用寿命长。一组板式换热器，一般可使用58 年，而后常因橡胶板条老化而泄漏，拆下后重新粘结板条，组装板片可继续使用。板式换热器的缺点是密封周边较长，容易泄漏，使用温度只能低于150，承受压差较小，处理量较小，一旦发现板片结垢必须拆开清洗。3、板翅式换热器板翅式换热器的结构型式很多，下图为其中一种，在两块平隔板之间放一波纹板状的金属导热翅片，两边用侧条密封，构成单元体。板翅式换热器的特点： 传热效率高。 结构紧凑。 轻巧而坚固。 适应性强。 流道小。（二）空冷器1、空冷器的形式和构造 按通风方式：送风式和抽吸式 按翅片加工方式：缠绕式、镶嵌式、套接式、焊接式和整体式 按管束安装方式：斜顶式、水平式、立式、圆环式2、空冷器的优缺点：P73（三）套管式换热器基本传热单元由传热管和同心的外壳套管组成。根据传热面的大小，可用U形肘管把许多管段串联起来。特点： 结构简单，传热面积可以自由调节。 适当地选择内、外管径，可以使流体获得理想的流速，传热系数高，并可以保证逆流。 内外管直径都较小，可用于高温、高压场合。 传热面除了采用光滑管外，还可以采用翅片管，以强化管间的传热。 传热管可以采用耐蚀的高硅铁管、陶瓷管、玻璃管，以及不透性石墨管。 接头较多，容易发生泄漏，在传热面积较大时，占的空间较大，造价较高。（四）热管换热器热管是60年代中期发展起来堵塞一种新型传热元件。它是由一根抽除不凝性气体的密封金属管内充以一定量的某种工作液体而成。工作液体在热端吸收热量而沸腾汽化，产生的蒸汽流至冷端冷凝放出潜热，冷凝液回至热端，再次沸腾汽化。如此反复循环，热量不断从热端传至冷端。冷凝液的回流可以通过不同的方法（如毛细管作用、重力、离心力）来实现，目前应用最广的方法是将具有毛细结构的吸液芯装在管的内壁，利用毛细管的作用是冷凝液由冷端回流至热端采用不同的工作液体（氨、水、汞等）。热管可以在很宽的温度范围内使用。热管的传热特点是热管中的热量传递通过沸腾汽化、蒸汽流动和蒸汽冷凝三步进行，由于沸腾和冷凝的对流传热强度都很大，两端管表面比管截面大很多，而蒸汽流动阻力损失又较小，因此热管两端温差可以很小，即能在很小的温差下传递很大的热流量。与热管截面相同的金属壁面的导热能力比较，热管的导热能力可达最良好的金属导热体的103104倍。因此它特别适用于低温差传热以及某些等温性要求较高的场合。热管的这种传热特性为器（或室）内外的传热强化提供了极有利的手段。例如器两侧均为气体的情况，通过器壁装热管，增加热管两端的长度，并在管外装翅片，就可以大大加速器内外的传热。此外，热管还具有结构简单，使用寿命长，工作可靠，应用范围广等优点。热管最初主要应用于宇航和电子工业部门，近年来在很多领域都受到了广泛的重视，尤其在工业余热的利用上取得了很好的效果。第三节换热设备的使用与维护一、换热器的日常维护换热设备的运转周期应和生产装置的生产周期一致，为了保证换热设备的正常运转，满足生产装置的要求，除定期进行检查、检验外，日常的维护和修理也是不可缺少的。安装要求：换热器安装前，首先进行水压试验，其试验压力为生产操作压力的1.25 倍。试压时保压30 分钟，视其压力不降即为合格。做气密性试验时，其试验压力为最大工作压力的1.05 倍，涂肥皂溶液检查不冒气泡为合格。全部仪表按要求准备并校核好。全部阀门检查试压，按要求备齐。全部管道应检查并试压，清除管道内氧化皮等杂物，如属腐蚀性介质，则需采取防腐蚀措施。管道阀门试压按其操作压力的1.5 倍进行试压。 地脚螺栓应在换热器安放到基础之后，再进行灌浆。 换热器的基础载荷，以充满液体的总重量为计算依据。 介质中含有固体颗粒，纤维状物质或杂质多，浊度大时，应当在换热器前面安装过滤器。每种介质安装2台过滤器，交换使用，滤网的开孔率不小于80%。 换热器的接管，应避免承受管道传来的拉力、振动力和冲击力等。 换热器外廓离墙壁尺寸，一般应不小于800mm。设备以安装在室内为宜，这样既清洁又方便拆洗、装配与修理。二、换热器的试压和检修顺序(以浮头式换热器为例）1.准备吹扫工具拆除浮头端外封头、管箱及法兰拆除浮头端内封头抽管束检查清扫。2.准备垫片、盲板及试压机具安装管束安装管箱、安装假浮头（做临时封头用）、壳体法兰加盲板向壳程注水装配试压管线试压（一）检查胀管口及换热管拆假浮头、安装浮头端内封头及盲板盖。3.管箱法兰加盲板向管程注水、装配试压管线试压（二）检查浮头端垫片及管束安装浮头端外封头向壳程注水试压（三）检查壳体密封拆除盲板、填写检修卡。试压（一）的目的是检查换热管是否有破裂、胀接口是否有渗漏。试压（二）的目的是检查安装质量，主要是检查浮头端内封头垫片及管束。试压（三）则是设备整体试压，主要检查浮头端外封头的安装质量。(1)整体试压首先将板片一侧的工作介质通道，出入口短管法兰盘，用盲板或阀门封闭，装满水（通道内气体放净）。然后在板片另一侧的工作介质通道出口短管法兰盘上，加一个带放气短管的盲板，在试压侧装上压力表。这时在入口短管法兰盘注水处注水。打开放气短管阀门、直至通道内气体排净（见水冒出为止），关闭放气阀门。打开试压泵出口阀门，开泵（电动、手动），加压至额定压力值时，保压30 分钟，压力不降即为合格。用同样的方法，再试另一侧通道的压力。其水压试验压力应为操作压力的1.25 倍。(2)单面试压向所试一侧工作介质的通道注水，另一侧通道不注水。其试验压力为最大操作压力。单面试压必须严格控制保压时间与压力，一般保压不超过20 分钟，其压力也不允许超过最大操作压力，否则换热板片变形太大，将损坏板片与密封垫片。(3)气密试验按板式换热器的设计和使用要求进行水压试验后，试验压力为操作压力的1.05 倍进行气密试验。用肥皂溶剂注入板束周边，不冒气泡为合格。三、换热器的清洗（风扫、水洗、汽扫、化学洗清和机械清洗）几种常见的清洗方法：酸洗法机械清洗法高压水冲洗法海绵球清洗法