《化工設備使用與維護》第三章--換熱設備的使用與維護

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)專心-專注-專業(yè)精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)第三章?lián)Q熱設備的使用與維護第一節(jié)換熱設備工作過程及類型第二節(jié)換熱設備的結(jié)構(gòu)第三節(jié)換熱設備的使用與維護第一節(jié)換熱設備工作過程及類型一、換熱設備工作過程(一)熱量的傳遞方式 傳導傳熱 對流傳熱 輻射傳熱（二）換熱設備的換熱過程傳熱過程可分為三步， 熱流體將熱量傳給固體壁面（對流傳熱） 熱量從壁的熱側(cè)傳到冷側(cè)（熱傳導） 熱量從壁的冷側(cè)面?zhèn)鹘o冷流體（對流傳熱）壁的面積稱為傳熱面，是間壁式換熱器的基本尺寸。提高傳熱速率的方法： 增大傳熱面積（翅片管、波紋管等） 提高傳熱系數(shù)（增加

2、流速、選擇相變溫度、選擇導熱性能好的材料作為換熱元件等） 增大冷熱流體的溫度差（冷熱流體逆流等）二、換熱設備的類型（一）按用途分類 冷卻器：用水或其它冷卻介質(zhì)冷卻液體或氣體。 冷凝器：冷凝蒸氣或混合蒸氣。 加熱器：用蒸汽或其他高溫載熱體來加熱工藝介質(zhì)，以提高其溫度。 換熱器：在兩個不同工藝介質(zhì)之間進行顯熱交換，即在冷流體被加熱的同時，熱流體被冷卻。 再沸器：用蒸汽或其他高溫介質(zhì)將蒸餾塔底的物料加熱至沸騰，以提供蒸餾時所需的熱量。 蒸氣發(fā)生器：用燃料油或氣的燃燒加熱生產(chǎn)蒸氣。 過熱器：將水蒸氣或其他蒸氣加熱到飽和溫度以上。 廢熱鍋爐：凡是利用生產(chǎn)過程中的廢熱來產(chǎn)生蒸氣的統(tǒng)稱為廢熱鍋爐。（二）按換

3、熱方式分類1、間壁式換熱器間壁式換熱的特點是冷、熱流體被一固體隔開，分別在壁的兩側(cè)流動，不相混合，通過固體壁進行熱量傳遞。2、直接接觸式傳熱直接接觸式傳熱的特點是冷、熱兩流體在傳熱器中以直接混合的方式進行熱量交換，也稱混合式換熱。3、蓄熱式換熱器蓄熱式換熱器是由熱容量較大的蓄熱室構(gòu)成。室中充填耐火磚作為填料，當冷、熱流體交替的通過同一室時，就可以通過蓄熱室的填料將熱流體的熱量傳遞給冷流體，達到兩流體換熱的目的。（三）按形狀分類板面式：管殼式：固定管板式浮頭式U形管式填料涵式釜式雙套管式套管式蛇管式管 式：板式螺旋板式板翅式傘板式板殼式（三）換熱設備性能對比及選擇1、換熱器的基本要求 熱量能有效

4、地從一種流體傳遞到另一種流體，即傳熱效率高，單位傳熱面上能傳遞的熱量多。 換熱器的結(jié)構(gòu)能適應所規(guī)定的工藝操作條件，運轉(zhuǎn)安全可靠，密封性好，清洗、檢修方便，流體阻力小。 要求價格便宜，維護容易，使用時間長。2、換熱器性能對比及選擇 流體的性質(zhì)（比熱、傳熱系數(shù)、黏度、腐蝕性、熱敏性、結(jié)垢情況以及是否有磨蝕性顆粒）。 換熱介質(zhì)的流量、操作溫度、壓力。 隨著生產(chǎn)技術的不斷發(fā)展，換熱器適用范圍在不斷地發(fā)展。第二節(jié)換熱設備的結(jié)構(gòu)一、管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)類型及特點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)簡單，造價低，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力存

5、在，當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、熱應力超過材質(zhì)的許用應力時，在殼體上應設膨脹節(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。缺點是結(jié)構(gòu)復雜，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，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

6、管，要想更換管子必須從管板處全部切除，造成很大浪費。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。1、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，如上圖所示。其結(jié)構(gòu)特點是在殼體中設置有管束，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，管程的進出口管直接和封頭焊在一起。管束內(nèi)根據(jù)換熱管的長度設置了若干塊折流板。這種換熱器，管程可以用隔板分成任何程數(shù)。應用極為廣泛。2、浮頭式換熱器浮頭式換熱器主要由殼體、浮動式封頭管箱、管束等部件組成，如上圖所示。它的一端管板固

7、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，也就是殼體和管束熱膨脹可自由，故管束和殼體之間沒有溫差應力。一般浮頭設計成可拆卸結(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)設計規(guī)范，采用了圖B 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。3、U形管換熱器U形管式換熱器的結(jié)構(gòu)如上圖所示。結(jié)構(gòu)特點是換熱管做成U形，兩端固定在同一塊管板上，由于殼體和管子分開，可以不考慮熱

8、膨脹，管束可以自由伸縮，不會因為流體介質(zhì)溫差而產(chǎn)生溫差應力。U形管換熱器只有一塊管板，沒有浮頭，結(jié)構(gòu)比較簡單。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，加上切管長短不一，流體流動狀態(tài)下的分布也不均勻，堵管后更減少了換熱面積。U形管換熱器，一般使用于高溫高壓的場合，在壓力高時，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

9、內(nèi)設置折流板和縱向隔板，以提高傳熱效果。4、填函式換熱器填料函式換熱器與浮頭式換熱器相似，只是浮動管板一端與殼體之間采用填料函密封。這種換熱器管束也可以自由伸縮，無溫差應力，具有浮頭式的優(yōu)點且結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、易于檢修清洗，特別是對腐蝕嚴重、溫差較大而經(jīng)常要更換管束的冷卻器，采用填料函式比浮頭式和固定管板式更為優(yōu)越；但由于填料密封性所限，不適用于殼程流體易揮發(fā)、易燃、易爆及有毒的情況。二、管殼式換熱器管程結(jié)構(gòu)1、管板換熱器的主要部件之一。選把管板材料時，除要滿足機械強度的要求以外，還必須考慮管內(nèi)和管外的腐蝕性，以及管板與管子材料的電化學兼容性等問題。2、管子管子的選用換熱器的管子構(gòu)成換熱器的

10、傳熱面積，管子的形狀對傳熱和換熱器的設計有很大的影響。我國管殼式換熱器常用無縫鋼管規(guī)格長度為：1500mm 、2000mm、2500mm、3000mm、4500mm、5000mm、6000mm、7500mm、9000mm、12000mm碳鋼、低合金鋼19x2.5 25x2.5 32x3 38x3不銹鋼19x2 25x2 32x2.5 38x2.53、管板和管子的連接 eq oac(,1).脹接:利用脹管器擠壓伸入管板孔中的管子端部，使管子發(fā)生塑性變形，管板孔同時產(chǎn)生彈性變形，當取出脹管器后管板與管子就產(chǎn)生一定的擠緊壓力，達到密封緊固連接的目的。 eq oac(,2).焊接：在高壓高溫條件下，連

11、接能保持連接的緊密性。 eq oac(,3). 脹焊結(jié)合4、管子在管板上的排列換熱管排列形式換熱管的排列應在整個換熱器的截面上均勻地分布，要考慮排列緊湊、流體的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)設計以及制造等方面的問題。a.正三角形和轉(zhuǎn)角正三角形排列b.正方形和轉(zhuǎn)角正方形排列另外，根據(jù)結(jié)構(gòu)要求，采用組合排列，例如在多程換熱器中，每一程中都采用三角形排列法，而在各程之間為了便于安裝隔板則采用正方形排列法，如圖7-17當管子總數(shù)超過127根（相當于層數(shù)6)時，正三角形排列的最外層管子和殼體之間的弓形部分，應配置附加換熱管，從而增大傳熱面積，消除管外空間這部分不利于傳熱的地方。附加換熱管的配置法可參考表7-4；在制氧設備中

12、，常采用同心圓排列法，結(jié)構(gòu)比較緊湊。管間距：管板上兩換熱管中心的距離稱為管間距。管間距的確定，要考慮管板強度和清洗管子外表面時所需空隙，它與換熱管在管板上的固定方法有關。當換熱管采用焊接方法固定時，相鄰兩根管的焊縫太近，就會相互受到熱影響，使焊接質(zhì)量不易保證；而采用脹接法固定時，過小的管間距會造成管板在脹接時由于擠壓的作用而發(fā)生變形，失去了管子與管板之間的連接力。因而，換熱管中心距宜不小于1.26倍的換熱管外徑管間距數(shù)值表3-3換熱管中心距離(mm)換熱管外徑14192532384557換熱管中心距離192532404857725、強化傳熱表面換熱器的管子一般都用光管。為了強化傳熱出現(xiàn)了多種結(jié)

13、構(gòu)形式異形管6、封頭和管箱封頭與管箱是換熱器的主要部件，位于殼體兩端，其作用是控制及分配管程流體。當殼體直徑較小時，常采用封頭（表3-8B)；殼徑較大的換熱器，大多采用管箱（表3-8A)。7、其它拉桿和定距管的作用就是為固定折流板滑道的作用是減少管束抽出和插入殼體過程中的摩擦力，還能起到支撐管束的作用。三、管殼式換熱器殼程結(jié)構(gòu)1、殼體殼體有各種形式，但基本上就是一個圓筒形狀的容器，器壁上焊有接管，供殼程液體進入和排出之用。直徑小于400mm的殼體（通常用鋼管制成，直徑大于400mm時都用鋼板卷焊而成。兩種進口接管和防沖板的布置，分為普通接管（P61圖3-12a）與擴大型接管（P61圖3-12b

14、）。普通接管必須抽出一些管子，傳熱面積因而略有減??；擴大型接管防沖板放在擴大部分，不影響管數(shù)。導流筒裝置，位于管束兩端，不僅能起防沖板作用，而且還可以改善兩端流體分布，提高傳熱速率。2、折流板作用：引導殼程流體反復地改變方向作錯流流動或其他形式的流動，并可調(diào)節(jié)折流板間距以獲得適宜流速，提高傳熱速率。另外，折流板還可起到支撐管束的作用。確定折流板間距的原則主要是考慮流體流動，比較理想的是使缺口的流通截面積和通過管束的錯流流動截面積大致相等。這樣可以減小壓降，并且避免或減小“靜止”區(qū)，從而改善傳熱效果。板間距不得小于內(nèi)徑的1/5或50mm。另外，還應考慮振動問題。四、管殼式換熱器的標準及主要技術參

15、數(shù)1、標準體系國家標準GB 151-19991管殼式換熱器行業(yè)標準JB/T 47174720-922、管殼式換熱器的基本參數(shù)P6366表3-5 浮頭式換熱器和冷卻器基本參數(shù)表3-6 固定管板式換熱器基本參數(shù)表3-7固定管板式換熱器基本參數(shù)組合表3-8管殼式換熱器部件命名I五、其他類型換熱設備簡介（一）板面式換熱器具有結(jié)構(gòu)緊湊，傳熱系數(shù)大、不用管材、可用于較小溫差等優(yōu)點，但存在結(jié)構(gòu)復雜、承受壓力低、設備尺寸受限等缺點。1、螺旋板換熱器螺旋板換熱器的結(jié)構(gòu)是由兩張平行的鋼板在專用的卷床上卷制而成，它是具有一對螺旋通道的圓柱體，再加上頂蓋和進出口接管而構(gòu)成的。如上圖所示，兩種介質(zhì)分別在兩個螺旋通道內(nèi)作

16、逆向流動，一種介質(zhì)由一個螺旋通道的中心部分流向周邊，而另一種介質(zhì)則由另一個螺旋通道的周邊進入，流向中心再排出。優(yōu)點：結(jié)構(gòu)緊湊、不用管材、傳熱系數(shù)大、可完全逆流操作、可在較小溫差下傳熱、有自身沖刷防污垢沉積等。缺點：阻力比較大、檢修和清洗比較困難，操作的壓力和尺寸大小也受到一定的限制。型：螺旋本體的兩個端面全部焊死，其缺點是不能進行機械清洗或檢修。型：將兩個螺旋通道的一個端面交錯地焊死，則兩個通道均可以進行清洗，但由于各有一端是敞開的，所以兩個端面需要加上可以拆卸的頂蓋密封。型：只有一種介質(zhì)是沿螺旋通道向由中心流向周邊，而另一介質(zhì)是作軸向流動。2、板式換熱器板式換熱器是由一組長方形的薄金屬傳熱板

17、片構(gòu)成，用框架將板片夾緊組裝于支架上。兩個相鄰板片的邊緣襯以墊片（各種橡膠或壓縮石棉等制成）壓緊。板片四角有圓孔，形成流體的通道。冷熱流體交替地在板片兩側(cè)流過，通過板片進行換熱。板面式換熱器優(yōu)缺點：優(yōu)點：傳熱系數(shù)比較高，結(jié)構(gòu)緊湊，操作靈活性大，清洗、檢修方便，且面積可調(diào)整缺點：操作壓力不能太高，操作溫度受墊片耐熱性限制，操作溫度不能太高。處理量比較小。板式換熱器流路P69圖3-211、并流2、串流3、混流混流流路示意圖板式換熱器的特點：體積小，占地面積少。傳熱效率高，可使在低速下強化傳熱。組裝方便，當增加換熱面積時，只多裝板片，進出口管口方位不需變動。熱損失小，不需保溫，熱損失只為1%左右。拆

18、卸、清洗方便，檢修容易在現(xiàn)場進行。特別對于易結(jié)垢的介質(zhì)，板片隨時拆下清洗。使用壽命長。一組板式換熱器，一般可使用58 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。板式換熱器的缺點是密封周邊較長，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)垢必須拆開清洗。3、板翅式換熱器板翅式換熱器的結(jié)構(gòu)型式很多，下圖為其中一種，在兩塊平隔板之間放一波紋板狀的金屬導熱翅片，兩邊用側(cè)條密封，構(gòu)成單元體。板翅式換熱器的特點： 傳熱效率高。 結(jié)構(gòu)緊湊。 輕巧而堅固。 適應性強。 流道小。（二）空冷器1、空冷器的形式和構(gòu)造 按通風方式：送風式和抽吸式 按翅片加工

19、方式：纏繞式、鑲嵌式、套接式、焊接式和整體式 按管束安裝方式：斜頂式、水平式、立式、圓環(huán)式2、空冷器的優(yōu)缺點：P73（三）套管式換熱器基本傳熱單元由傳熱管和同心的外殼套管組成。根據(jù)傳熱面的大小，可用U形肘管把許多管段串聯(lián)起來。特點： 結(jié)構(gòu)簡單，傳熱面積可以自由調(diào)節(jié)。 適當?shù)剡x擇內(nèi)、外管徑，可以使流體獲得理想的流速，傳熱系數(shù)高，并可以保證逆流。 內(nèi)外管直徑都較小，可用于高溫、高壓場合。 傳熱面除了采用光滑管外，還可以采用翅片管，以強化管間的傳熱。 傳熱管可以采用耐蝕的高硅鐵管、陶瓷管、玻璃管，以及不透性石墨管。 接頭較多，容易發(fā)生泄漏，在傳熱面積較大時，占的空間較大，造價較高。（四）熱管換熱器熱

20、管是60年代中期發(fā)展起來堵塞一種新型傳熱元件。它是由一根抽除不凝性氣體的密封金屬管內(nèi)充以一定量的某種工作液體而成。工作液體在熱端吸收熱量而沸騰汽化，產(chǎn)生的蒸汽流至冷端冷凝放出潛熱，冷凝液回至熱端，再次沸騰汽化。如此反復循環(huán)，熱量不斷從熱端傳至冷端。冷凝液的回流可以通過不同的方法（如毛細管作用、重力、離心力）來實現(xiàn)，目前應用最廣的方法是將具有毛細結(jié)構(gòu)的吸液芯裝在管的內(nèi)壁，利用毛細管的作用是冷凝液由冷端回流至熱端采用不同的工作液體（氨、水、汞等）。熱管可以在很寬的溫度范圍內(nèi)使用。熱管的傳熱特點是熱管中的熱量傳遞通過沸騰汽化、蒸汽流動和蒸汽冷凝三步進行，由于沸騰和冷凝的對流傳熱強度都很大，兩端管表面

21、比管截面大很多，而蒸汽流動阻力損失又較小，因此熱管兩端溫差可以很小，即能在很小的溫差下傳遞很大的熱流量。與熱管截面相同的金屬壁面的導熱能力比較，熱管的導熱能力可達最良好的金屬導熱體的103104倍。因此它特別適用于低溫差傳熱以及某些等溫性要求較高的場合。熱管的這種傳熱特性為器（或室）內(nèi)外的傳熱強化提供了極有利的手段。例如器兩側(cè)均為氣體的情況，通過器壁裝熱管，增加熱管兩端的長度，并在管外裝翅片，就可以大大加速器內(nèi)外的傳熱。此外，熱管還具有結(jié)構(gòu)簡單，使用壽命長，工作可靠，應用范圍廣等優(yōu)點。熱管最初主要應用于宇航和電子工業(yè)部門，近年來在很多領域都受到了廣泛的重視，尤其在工業(yè)余熱的利用上取得了很好的效

22、果。第三節(jié)換熱設備的使用與維護一、換熱器的日常維護換熱設備的運轉(zhuǎn)周期應和生產(chǎn)裝置的生產(chǎn)周期一致，為了保證換熱設備的正常運轉(zhuǎn)，滿足生產(chǎn)裝置的要求，除定期進行檢查、檢驗外，日常的維護和修理也是不可缺少的。安裝要求：換熱器安裝前，首先進行水壓試驗，其試驗壓力為生產(chǎn)操作壓力的1.25 倍。試壓時保壓30 分鐘，視其壓力不降即為合格。做氣密性試驗時，其試驗壓力為最大工作壓力的1.05 倍，涂肥皂溶液檢查不冒氣泡為合格。全部儀表按要求準備并校核好。全部閥門檢查試壓，按要求備齊。全部管道應檢查并試壓，清除管道內(nèi)氧化皮等雜物，如屬腐蝕性介質(zhì)，則需采取防腐蝕措施。管道閥門試壓按其操作壓力的1.5 倍進行試壓。 地腳螺栓應在換熱器安放到基礎之后，再進行灌漿。 換熱器的基礎載荷，以充滿液體的總重量為計算依據(jù)。 介質(zhì)中含有固體顆粒，纖維狀物質(zhì)或雜質(zhì)多，濁度大時，應當在換熱器前面安裝過濾器。每種介質(zhì)安裝2臺過濾器，交換使用，濾網(wǎng)的開孔率不小于80%。 換熱器的接管，應避免承受管道傳來的拉力、振動力和沖擊力等。 換熱器外廓離墻壁尺寸，一般應不小于800mm。 eq oac(,11)設備以安裝在室內(nèi)為宜，這樣既清潔又方便拆洗、裝配與修理。二、換熱器的試壓和檢修順序(以浮頭式換熱器為例）1.準備吹掃