第三章换热设备.pptx

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1、第一节 概述二、简介1设计要求：（1）换热效率高、流体阻力小、满足工艺要求；（2）强度足够，结构合理、运行安全可靠（3）便于制造、安装、操作及检修（4）节省材料、成本低，经济合理2任何一种换热器不可能十全十美。例如板式换热器传热效率高、金属消耗量低，但流体阻力大、强度和刚度差，制造、维修困难。而列管式换热器虽在传热效率、紧凑性、金属消耗量等方面均不如板式换热器，但其结构坚固、可靠程度高、适应性强、材料范围广，因而目前仍是石油、化工生产中，尤其是高温、高压和大型换热器的主要结构型式。第1页/共37页第一节 概述3材料：碳钢、低合金钢、不锈钢、铝、铜、钛等及其复合材料；玻璃钢、聚四氟乙 烯、不透性

2、石墨等。4设计规范（1）GB151-1999 管壳式换热器 （2）GB150-1998 钢制压力容器（3）JB/T4735-1997 钢制常压容器第2页/共37页第二节 换热设备分类 一、换热器的分类（一）按作用原理或传热方式分：直接接触式换热器 蓄热式换热器 间壁式换热器 1.直接接触式换热器(混和式换热器)（1）原理：冷、热流体直接接触，相互混和传递热量。（2）特点：传热效率高、单位容积提供的传热面积大、设备结构简单、价格便宜，但仅适合工艺上允许两种流体混合的场合。第3页/共37页第二节 换热设备分类（3）应用：这类换热器的介质通常一种是气体，另一种为液体，主要是以塔设备为主体的传热设备。

3、适于冷热流体不互溶又允许相互混合的场合。如凉水塔、洗涤塔、喷射冷凝器等。例如，化工厂和发电厂所用的凉水塔中，热水由上往下喷淋，而冷空气自下而上吸入，在填充物的水膜表面或飞沫及水滴表面，热水和冷空气相互接触进行换热，热水被冷却，冷空气被加热，然后依靠两流体本身的密度差得以及时分离。第4页/共37页第二节 换热设备分类 2.蓄热式换热器（又称回热式换热器or蓄热器）（1）原理：它是借助于热容量较大的固体（如固体填料或多孔性格子砖等）构成的蓄热体与热流体和冷流体交替接触，把热量从热流体传递给冷流体的换热器。当蓄热体与热流体接触时，从热流体处接受热量，蓄热体温度升高，然后与冷流体接触，将热量传递给冷流

4、体，蓄热体温度下降，从而达到换热的目的。（2）特点：特点是结构简单，可耐高温，体积庞大，不能完全避免两种流体的混和。（3）应用：适于高温气体热量的回收或冷却。若两种流体不允许有混合，则不能采用蓄热式换热器。如空气预热器。第5页/共37页第二节 换热设备分类 3.间壁式换热器（又称表面式换热器or间接式换热器）(1)原理：它是利用间壁（固体壁面）将进行热交换的冷热两种流体隔开，互不接触，热量由热流体通过间壁传递给冷流体的换热器。是工业中应用最为广泛的换热器。第6页/共37页第二节 换热设备分类（2）分类：第7页/共37页第二节 换热设备分类（3）特点：形式多样，应用广泛等。（4）适于冷、热流体不

5、允许混和的场合。（二）按用途分1.加热器：用于把流体加热到所需温度，被加热流体在加热过程中不发生相变。2.预热器：用于流体的预热，以提高整套工艺装置的效率。3.过热器：用于加热饱和蒸汽，使其达到过热状态。4.蒸发器：用于加热液体，使其蒸发汽化。5.再沸器：用于加热已被冷凝的液体，使其再受热汽化。为蒸馏过程专用设备。6.冷却器：用于冷却流体，使其达到所需温度。7.冷凝器：用于冷却凝结性饱和蒸汽，使其放出潜热而凝结液化。第8页/共37页第二节 换热设备分类（三）按所用材料分1.金属材料换热器由金属材料加工制成的换热器。常用的材料有碳钢、合金钢、铜及铜合金、铝及铝合金、钛及钛合金等。因金属材料导热系

6、数大，故此类换热器的传热效率高。2.非金属材料换热器有非金属材料制成的换热器。常用的材料有石墨、玻璃、塑料、陶瓷等。因非金属材料导热系数较小，故此类换热器的传热效率较低。常用于具有腐蚀性的物系。第9页/共37页第二节 换热设备分类 二、间壁式换热器的结构形式（一）夹套式换热器 1.结构：夹套式换热器主要用于反应过程的加热或冷却，是在容器外壁安装夹套制成。2.特点：优点：结构简单。缺点：传热面受容器壁面限制，传热系数小。为提高传热系数且使釜内液体受热均匀，可在釜内安 装搅拌器。也可在釜内安装蛇管。第10页/共37页第二节 换热设备分类（二）管式换热器1.蛇管式换热器（1）沉浸式蛇管换热器a.结构

7、：这种换热器多以金属管子绕成，或制成各种与容器相适应的情况，并沉浸在容器内 第11页/共37页第二节 换热设备分类第12页/共37页第二节 换热设备分类 a.结构：这种换热器多以金属管子绕成，或制成各种与容器相适应的情况，并沉浸在容器内的液体中。两种流体分别在管内外流动通过蛇管表面进行换热。b.特点 优点：结构简单，便于防腐，能承受高压。缺点：由于容器体积比管子的体积大得多,因此管外流体的表面传热系数较小。c.主要用于传热量不大的容器中。为提高传热系数，容器内可安装搅拌器。第13页/共37页第二节 换热设备分类（2）喷淋式蛇管换热器 a.结构：多用于冷却管内的热流体。将蛇管成排地固定于钢架上，

8、被冷却的流体在管内流动，冷却水由管上方的喷淋装置中均匀淋下，故又称喷淋式冷却器。b.特点：优点：传热推动力大，传热效果好，便于检修和清洗。缺点：喷淋不易均匀。c.应用：主要用于管内流体的冷却，常设置在室外空气流通处。1-直管；2-外管；3-水槽；4齿形檐板 第14页/共37页第二节 换热设备分类 2.套管式换热器（1）结构：将两种直径大小不同的直管装成同心套管，并可用U形肘管把管段串联起来，每一段直管称作一程。长约46m，每程的内管依次与下一程的内管用U型弯头连接，外管之间也由管子连通，可同时几排并列，每排与总管相连。第15页/共37页第二节 换热设备分类（2）特点：优点：进行热交换时使一种流

9、体在内管流过，另一种则在套管间的环隙中通过，而且两种流体可始终保持逆流换热。流速高，表面传热系数大，逆流流动，平均温差最大，结构简单，能承受高压，应用方便。缺点：设备结构不紧凑，金属耗用量大。（3）应用：一般用于换热量不大的场合第16页/共37页第二节 换热设备分类 3.列管式换热器列管式换热器又称为管壳式换热器，是最典型的间壁式换热器，历史悠久，占据主导作用。（1）结构：壳体、管束、管板、折流挡板和封头。一种流体在管内流动，其行程称为管程；另一种流体在管外流动，其行程称为壳程。管束的壁面即为传热面。（2）特点：单位体积设备所能提供的传热面积大，传热效果好，结构坚固，可选用的结构材料范围宽广，

10、操作弹性大，大型装置中普遍采用。第17页/共37页第二节 换热设备分类（三）板面式换热器 为了使换热器结构更为紧凑，提高单位体积的传热面积，增加传热效果，以及适应某些工艺过程的需要等，开发了以板状作为传热面积的换热器，称为板面式换热器。板面式换热器的主要优点是：板面式换热器是结构紧凑，占地面积小，传热面积大，节省材料，传热效率高，加热或冷却迅速，可拆开清洗。适用于热敏性物料。因此板面式换热器在食品、医药和石油化工生产中被广泛采用。第18页/共37页第二节 换热设备分类 1.螺旋板式换热器（1）结构：它是由两张互相平行的薄金属板，卷制成同心的螺旋形通道。在其中央设置隔板将两通道隔开，两板间焊有定

11、距柱以维持通道间距，螺旋板两侧焊有盖板和接管。两流体分别在两通道内流动，通过螺旋板进行换热。螺旋板换热器直径在1.5m之内，板宽2001200mm，板厚24mm，两板间距525mm，见图。一般有一对进出口是设在圆周边上（接管可为切向或径向），而另一对则设在圆鼓的轴心上。第19页/共37页第20页/共37页第二节 换热设备分类（2）分类由于用途不同，螺旋板换热器的流道布置和封盖形式，有以下几种结构形式。I型结构如图（a）所示。两个螺旋流道的两侧完全焊接密封，所以也称为不可拆结构。两流体在流道中均作螺旋流动。冷流体从外向中心，热流体从中心向外周，完全是逆流。由于流体是在单流道中流动，流动分布情况良

12、好。这种形式主要用于液体与液体。II型结构如图（b）所示。在这种型式中，一种流体在螺旋流道中进行螺旋流动，另一种则在另一螺旋流道中进行轴向流动。所以轴向流道的两侧是敞开的，螺旋流道两侧则焊接密封。这种型式适用于两种介质流率差别很大的情况，常用作冷凝器、气体冷却器等。第21页/共37页第二节 换热设备分类 III型结构如图（c）所示，在这种型式中，一种流体是螺旋流动，另一种是轴向流动和螺旋流动的组合。适用于蒸汽的冷凝冷却，蒸汽先进入轴流部分，当冷凝后体积减少时，才转入螺旋流道以进一步冷却。第22页/共37页第二节 换热设备分类第23页/共37页第二节 换热设备分类（3）特点：优点：a.传热效率较

13、高，达管壳式3倍。b.不易结垢和堵塞 由于流速较高且在螺旋形通道中流过，有自行冲刷作用，故流体中的悬浮物不易沉积下来。能利用低温热源 由于流道长而且两流体可达到完全逆流，因而传热温差大，能充分利用温度较低的热源。c.结构紧凑 由于板薄24mm，单位体积的传热面积可达到150500m2/m3。第24页/共37页第二节 换热设备分类 缺点：a.操作压强不能超过2MPa，操作温度在300400以下b.另外因整个换热器焊为一体，一旦损坏检修困难。c.流体阻力较大。因流道长，其间又受定距柱和螺旋流动的影响，流体阻力较大，在同样物料和流速条件下，越比直管要大23倍。(4)应用：适于粘性流体或含有固体颗粒的

14、悬浮液的换热器。目前广泛用于化工、轻工、食品等行业。第25页/共37页第二节 换热设备分类 2.板式换热器板式换热器早于20年代开始用于食品工业，50年代逐渐用于化工及其相近工业部门，现已发展成为一种传热效果较好，结构紧凑的化工换热设备。（1）结构：板式换热器是由一组金属薄板、相邻薄板之间衬以垫片并用框架夹紧组装而成。薄板是矩形板片，其上四角开有圆孔，形成流体通道。冷热流体交替地在板片两侧流过，通过板片进行换热。板片厚度为0.50.3mm，通常压制成各种波纹形状，既增加刚度，又使流体分布均匀，加强湍动，提高传热系数。板片尺寸常见的宽度为2001000mm，高度最大可达2m。两块板片之间的距离通

15、常为46mm左右。第26页/共37页第二节 换热设备分类第27页/共37页第二节 换热设备分类（2）特点：优点：传热系数大。由于流体在板片间流动湍动程度高，而且板片厚度又薄，故传热系数大。结构紧凑。单位体积设备提供的传热面积大，体积可具有250以上的传热面积，甚至高达1000，而列管式换热器一般约为40150之间。操作灵活性大。可以进行多段操作或几种操作，只需在适当位置安设中间隔板，便可使一台设备顶几台的用途。又可根据需要调节板片数目以增减传热面积，或以调节流道长短的办法，适应冷热流体流量和温度变化的要求，均较方便。金属材料消耗量低。主要是板片很薄，一般为12mm，金属耗量较之列管式约可减少一

16、半以上。板片加工制造比较容易，检修清洗也较方便。第28页/共37页第二节 换热设备分类 缺点：允许操作压力比较低。一般低于1.5Mpa，最高不超过2.0Mpa。因受垫圈种类和垫圈沟槽结构的限制，压力过高容易渗漏。同时也受板片刚度的限制。操作温度不能太高。因受垫片耐热性能的限制，如合成橡胶垫圈不超过130，压缩石棉垫圈应低于250。处理量不大。因板间距离仅几个毫米，流通截面较小，而流速又不大。第29页/共37页第二节 换热设备分类 3.板翅式换热器板翅式换热器是一种传热效果好，更为紧凑的板式换热器。过去由于焊接技术的限制，制造成本较高，仅限用于宇航、电子、原子能等少数部门，作为散热冷却器。现已逐

17、渐在石油化工、天然气液化、气体分离等部门中应用，获得良好效果。（1）结构：由平隔板和各种型式的翅片构成板束组装而成。在两块平行薄金属板（平隔板）间，夹入波纹状或其他形状的翅片，两边以侧条密封，即组成为一个单元体。冷热两种流体分别流过间隔排列的冷流层和热流层进行热量传递。各个单元体又以不同的叠积适当排列，并用钎焊固定，成为常用的逆流或错流式板翅式换热器组装件，或称为板束。再将带有集流进出口的集流箱焊接到板束上，就成为板翅式换热器。第30页/共37页第二节 换热设备分类错 流 逆 流 第31页/共37页第二节 换热设备分类（2）翅片型式：光直型翅片、锯齿型翅片和多孔型翅片三种。第32页/共37页第

18、二节 换热设备分类（3）特点：优点：传热效率高，为管壳式的310，单位体积内传热面积大。由于各种形状的翅片，在不同程度上都对促进湍流和破坏滞流底层起着显著作用；加以翅片和平隔板是以完善的钎焊相连接的，冷热流体之间的换热不仅以平隔板为直接传热面，而且大部分热量经由翅片传递，因此极大地提高了传热效果。强度高，因波形翅片既是传热表面，又是隔板之间的有力支撑，所以承受压力可达5.0Mpa左右。而铝合金材料热导率高，在零度以下操作时，延性和抗拉强度可提高2050%，因此，操作温度范围宽广，可用于换热、冷凝和蒸发。缺点：制造工艺复杂、要求严格、难以清洗与维修。（4）应用：适于冷凝与蒸发，特别适于低温与超低

19、温操作。广泛用于电力厂、热力循环、发动机厂以及废热回收、空调、深冷、电子等工.第33页/共37页第二节 换热设备分类4.板壳式换热器（1）结构：与列管式换热器的重要区别是以板束代替管束。板束的基本元件是将条状钢板滚压成一定形状然后焊接而成。板束元件可以紧密排列、结构紧凑，单位体积提供的换热面为列管式的3.5倍以上。为保证板束充满圆形壳体，板束元件的宽度应该与元件在壳体内所占弦长相当。与圆管相比，板束元件的当量直径较小，表面传热系数也较大。第34页/共37页第二节 换热设备分类（2）特点优点：结构紧凑、传热系数高的特点，而且结构坚固，能承受很高的压力和温度，较好地解决了高效紧凑与耐温抗压的矛盾。目前，板壳式换热器最高操作压力可达6.4MPa，最高温度可达800。缺点：制造工艺复杂，焊接要求高。第35页/共37页第二节 换热设备分类5.伞板式换热器第36页/共37页感谢您的观看！第37页/共37页