化工換熱設(shè)備的結(jié)構(gòu)和分類

福田書(shū)屋 2022-08-18 發(fā)布于河南

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化工換熱設(shè)備的結(jié)構(gòu)和分類

化工換熱設(shè)備是在化工生產(chǎn)過(guò)程中即化學(xué)反應(yīng)物中實(shí)現(xiàn)熱能傳遞的設(shè)備，使熱量從溫度較高的流體傳給另一種溫度較低的流體。

在化肥、化工、煉油工業(yè)生產(chǎn)中，常常進(jìn)行著各種不同的換熱過(guò)程，特別是近年開(kāi)發(fā)的各種化工工藝，充分進(jìn)行了熱能的綜合利用，各種型式的高效、節(jié)能換熱設(shè)備不斷推出，應(yīng)用到不同的冷換操作單元中。例如：加熱或冷卻、蒸發(fā)或冷凝。換熱設(shè)備就是在生產(chǎn)過(guò)程即化學(xué)反應(yīng)或物理反應(yīng)中實(shí)現(xiàn)熱能傳遞的設(shè)備，使熱量從溫度較高的流體傳給另一種溫度較低的流體。

根據(jù)生產(chǎn)工藝的不同，為達(dá)到熱量的充分利用和滿足工藝參數(shù)，換熱設(shè)備可以是熱交換器（如兩流體介質(zhì)相互換熱）、冷凝器（如用水蒸汽冷凝）、加熱器（如高溫工藝氣加熱水）、冷卻器（如水或液體氨作冷載體）等。

在化工生產(chǎn)中，換熱設(shè)備不但作為一個(gè)單獨(dú)的化工設(shè)備，而且在其他設(shè)備中也常附有換熱設(shè)備或換熱部分，如蒸餾設(shè)備中的回流冷凝器，蒸發(fā)設(shè)備中的加熱，高低變爐和氨合成塔中觸媒的換熱等，均為重要的不可缺少的化工操作設(shè)備。

化工生產(chǎn)流程中，用于汽－液、汽－氣、氣－氣、液－液之間的換熱設(shè)備，按熱量的授受方式可分為：

① 表面式換熱器；

② 蓄熱式換熱器；

③ 液體間接式換熱器；

④ 直接接觸式換熱器。

表面式換熱器是溫度不同的兩種流體在被壁面分開(kāi)的空間里流動(dòng)，通過(guò)壁面

的導(dǎo)熱和流體在壁表面對(duì)流，兩種流體之間進(jìn)行換熱。表面式換熱器有管殼式、套管式和其他型式的熱交換器。

蓄熱式換熱器是借助于由固體構(gòu)成的蓄熱體，把熱量從高溫流體傳遞給低溫流體，蓄熱體與高溫流體接觸一定時(shí)間，接受和儲(chǔ)蓄了一定熱量，然后與低溫流體接觸一定時(shí)間，把熱量釋放給低溫流體。蓄熱式換熱器有用在一段爐對(duì)流段上的旋轉(zhuǎn)換熱器，回收煙氣溫度用于預(yù)熱燃燒空氣；還有閥門切換式換熱器等。

流體連接間接式換熱器，是把兩個(gè)表面式換熱器由在其中循環(huán)的熱載體連接起來(lái)的換熱器，熱載體在高溫流體熱交換器和低溫流體之間循環(huán)，在高溫流體換熱器接受熱量，在低溫流體換熱器把熱量釋放給低溫流體。

直接接觸式熱交換器是兩種流體直接接觸進(jìn)行換熱的設(shè)備，例如：冷水塔、氣體冷凝器等。另外，換熱器按用途還可分為：

① 加熱器—把流體加熱到必要的溫度，但加熱流體沒(méi)有發(fā)生相的變化。

② 預(yù)熱器—預(yù)先加熱流體，為后序操作提供標(biāo)準(zhǔn)的工藝參數(shù)；

③ 過(guò)熱器—用于把流體（工藝氣或蒸汽）加熱到過(guò)熱狀態(tài)；

④ 蒸發(fā)器—用于加熱流體，達(dá)到沸點(diǎn)以上溫度，使其流體蒸發(fā)，一般有相的變化。

一、化工裝置常用換熱設(shè)備結(jié)構(gòu)、性能和特點(diǎn)

1、管殼式換熱器

① 管殼式換熱器的類型和優(yōu)缺點(diǎn)

常用的管殼式換熱器有固定管板式、浮頭式和“U”形管式。

固定管板式換熱器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低，制造容易，管程清洗檢修方便。殼程清洗困難，管束制造后有溫差應(yīng)力存在，當(dāng)冷熱兩流體的平均溫差較大，或殼體和傳熱管材料熱膨脹系數(shù)相差較大、熱應(yīng)力超過(guò)材質(zhì)的許用應(yīng)力時(shí)，在殼體上應(yīng)設(shè)膨脹節(jié)，由于膨脹節(jié)不能承受較大內(nèi)壓，所以換熱器殼程壓力不能太高。

固定管板式換熱器適用于兩種介質(zhì)溫差不大（一般應(yīng)低于30℃），或溫差較大但殼程壓力不高的條件。

浮頭式換熱器的優(yōu)點(diǎn)是殼體和管束的溫差不受限制，管束清洗和檢修較為方便，管程、殼程均容易清掃。缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，密封要求較高，一旦泄漏在線處理較為困難。一般在溫差較大的化工單元操作中設(shè)置浮頭式換熱器。

U形管式換熱器，克服了固定管板式和浮頭式換熱器的缺點(diǎn)，但在U形拐彎處很難清洗干凈，更換管子較為困難，特別是管板中心部的U形管，泄漏后只能堵管，要想更換管子必須從管板處全部切除，造成很大浪費(fèi)。U形管換熱器適用于兩種流體溫差較大，且殼程易結(jié)垢的條件。

② 管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

ⅰ、固定管板式換熱器

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，如圖1所示。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是在殼體中設(shè)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(jìn)出口管直接焊在殼體上，管板外圓周和封頭法蘭用螺栓緊固，管程的進(jìn)出口管直接和封頭焊在一起。管束內(nèi)根據(jù)換熱管的長(zhǎng)度設(shè)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(shù)。應(yīng)用極為廣泛。近年來(lái)，也有設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)出固定管板的撓性管板，即薄管板式換熱器，這是根據(jù)彈性薄圓板理論，在均勻載荷作用下周邊固定支承的圓平板產(chǎn)生的撓度可被看作在管板布管區(qū)的變形，無(wú)論是熱應(yīng)力還是管殼溫差應(yīng)力撓性變形薄管板均能承受，它的應(yīng)用比常規(guī)的固定管板式換熱器更具有優(yōu)點(diǎn)。

圖1 固定管板式換熱器結(jié)構(gòu)圖

1—排氣口 2—封頭 3—法蘭 4—管板 5—排氣口 6—?dú)んw 7—列管 8—支座 9—定距管 10—折流板 11—膨脹節(jié) 12—?dú)んw接管 13—排氣口 14—封頭接管 15—封頭 16—排氣口 17—法蘭 18—管板 19—排液口 20—支座 21—接管 22—排液口 23—入口管

薄管板換熱器用于中壓、大直徑換熱設(shè)備上更有滿意的效果。薄管板的結(jié)構(gòu)一般有三種型式，如圖2。

圖2 薄管板結(jié)構(gòu)

（a）凸面薄管板；（b）平面薄管板；（c）凹面薄管板

ⅱ、浮頭式換熱器

浮頭式換熱器主要由殼體、浮動(dòng)式封頭管箱、管束等部件組成，如圖3所示。它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(nèi)自由移動(dòng)，也就是殼體和管束熱膨脹可自由，故管束和殼體之間沒(méi)有溫差應(yīng)力。一般浮頭設(shè)計(jì)成可拆卸結(jié)構(gòu)，使管束可自由地抽出和裝入。浮頭式換熱器的浮頭也有不同的結(jié)構(gòu)型式，常用的如圖4所示，它是用鉗形環(huán)和螺栓使浮頭和管板密封貼合，以使管內(nèi)和管間流體互不滲漏。這種結(jié)構(gòu)現(xiàn)在用的不多了。根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范，采用了圖5所示結(jié)構(gòu)，即浮頭蓋法蘭直接和鉤圈用螺栓緊固，使浮頭法蘭和活動(dòng)的管板密封貼合，雖然減少了管束的有效傳熱面積，但密封性可靠，整體也較緊湊。

圖3浮頭式換熱器

1—吊環(huán)；2—平蓋板； 3—法蘭；4—接口；5—管線接管； 6—分程板；7—?dú)んw；8—排氣口；9—接管；10—接管；11—封頭；12—接管；13—排氣口；14—接管；15—支座；16—內(nèi)封頭；17—堰板；18—吊耳；19—浮頭襯托；20—浮動(dòng)管板；21—列管；22—折流板；23—定距管；24—支座；25—接管；26—排液口；27—法蘭；28—固定管板；29—法蘭；30—排液口；31—接管；32—管箱

圖4浮頭結(jié)構(gòu)之一

圖5浮頭結(jié)構(gòu)之二

ⅲ、“U”形管式換熱器

U形管式換熱器的結(jié)構(gòu)如圖6所示。結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是換熱管做成U形，兩端固定在同一塊管板上，由于殼體和管子分開(kāi)，可以不考慮熱膨脹，管束可以自由伸縮，不會(huì)因?yàn)榱黧w介質(zhì)溫差而產(chǎn)生溫差應(yīng)力。U形管換熱器只有一塊管板，沒(méi)有浮頭，結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單。管束可以自由抽出和裝入，方便清洗。由于換熱管均做成半徑不等的U形彎，最外層損壞后可更換外，其余的管子損壞只有堵管。同時(shí)和固定管板式換熱器相比，它的管束的中心部分存有空隙，流體很容易走短路，影響了傳熱效果，管板上排列的管子也比固定管板式換熱器少，體積有些龐大。由于U形管曲率半徑不一樣，也增加了制造程序，加上切管長(zhǎng)短不一，流體流動(dòng)狀態(tài)下的分布也不均勻，堵管后更減少了換熱面積。

圖6 U形管式換熱器

1—吊耳；2—蓋板；3—法蘭；4—接管；5—接管；6—隔板；7—接管；8—短管；9—?dú)んw；10—折流板；11—擋板；12—拉桿；13—列管；14—放氣管；15—封頭；16—接管；17—支座；18—支座；19—接管；20—短管；21—法蘭；22—管板;23—接管；24—接管；25—管箱

U形管換熱器，一般使用于高溫高壓的場(chǎng)合，在壓力高時(shí)，須加厚管子彎管段的壁厚。為增加流體介質(zhì)在殼程內(nèi)的流速，可在殼體內(nèi)設(shè)置折流板和縱向隔板，以提高傳熱效果。

2、板式換熱器

板式換熱器是一種高效換熱器，在工廠應(yīng)用中有傘板換熱器和平板換熱器，化工裝置中常用后一種。工作原理如圖7。

板式換熱器的特點(diǎn):

① 體積小，占地面積少。

② 傳熱效率高，可使在低速下強(qiáng)化傳熱。

圖7 板式換熱器工作原理圖

③ 組裝方便，當(dāng)增加換熱面積時(shí)，只多裝板片，進(jìn)出口管口方位不需變動(dòng)。

④ 熱損失小，不需保溫，熱損失只為1％左右。

⑤ 拆卸、清洗方便，檢修容易在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行。特別對(duì)于易結(jié)垢的介質(zhì)，板片隨時(shí)拆下清洗。

⑥ 使用壽命長(zhǎng)。一組板式換熱器，一般可使用5～8年，而后常因橡膠板條老化而泄漏，拆下后重新粘結(jié)板條，組裝板片可繼續(xù)使用。

⑦ 板式換熱器的缺點(diǎn)是密封周邊較長(zhǎng)，容易泄漏，使用溫度只能低于150℃，承受壓差較小，處理量較小，一旦發(fā)現(xiàn)板片結(jié)垢必須拆開(kāi)清洗。

板式換熱器的結(jié)構(gòu)及部件性能：

板式換熱器的整體結(jié)構(gòu)如圖8，主要有傳熱板片、密封板條、兩端壓板、固定螺栓、支架、進(jìn)出口管等部件組成。

圖8 板式換熱器結(jié)構(gòu)圖

1—固定板；2—進(jìn)口；3—孔；4—支架；5—螺栓；6—孔；7—螺桿；8—夾緊螺栓；9—螺母；10—防松螺母；11—下導(dǎo)桿；12—立柱；13—緊固壓板；14—上滑桿；15—板片；16—膠墊；17—板片；18—壓緊板

① 傳熱板片傳熱板片是換熱器主要起換熱作用的元件，一般波紋做成人字形，但A板和B板人字相反，如圖9。按照流體介質(zhì)的不同，傳熱板片的材質(zhì)也不一樣，大多采用不銹鋼和鈦材制作而成。制作工藝為平板沖壓，大多壓成矩形板片。

② 密封板條

板式換熱器的泄漏多是因?yàn)槊芊獍鍡l壓制錯(cuò)位或者老化引起的，所以在開(kāi)始組裝或者解體時(shí)必須選擇合適的密封板條，以適用流體介質(zhì)的性能。一般選用乙丙膠、丁腈橡膠、氯丁橡膠等，然后用401號(hào)粘結(jié)劑粘牢固化后組裝。對(duì)于使用的密封板條應(yīng)有嚴(yán)格的技術(shù)要求，例如：耐溫、彈性好，抗大氣腐蝕、抗陽(yáng)光紫外線、抗老化等性能。

③ 端蓋

兩端蓋主要是夾緊壓住所有的傳熱板片，保證流體介質(zhì)不泄漏，一般為碳素，端蓋應(yīng)平滑，不應(yīng)有變形、腐蝕、銹蝕等缺陷。

④ 固定螺栓

固定螺栓一般是通桿螺紋，預(yù)緊螺栓時(shí)，一定用力矩扳手，使固定板片的力均勻。螺紋裸露部分，一定用塑料套管保護(hù)，防止銹蝕。

⑤ 支架

支架是掛傳換板片的，對(duì)于不同型號(hào)的換熱器，支架的高度、長(zhǎng)度也不一樣，同時(shí)，支架下部有和基礎(chǔ)固定的螺栓。吊裝和安裝換熱器時(shí)，嚴(yán)格選擇吊點(diǎn)，防止支架變形。

⑥ 進(jìn)出口管

進(jìn)出口管和兩端壓蓋聯(lián)在一起，值得注意的是在進(jìn)出口管內(nèi)襯有橡膠襯套，安裝時(shí)不能被外部壓變形，否則很容易造成泄漏。

圖9 傳熱板片

1—人字形板片；2—密封板條

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