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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、-130~150℃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5~15倍,重量节约20~30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㎡,国内㎡),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,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Φ8~Φ12的传热管,所以传热面积相对较大,结构紧凑,可达100~170m2/m3、承压高≤,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MPa,占地面积节省1/3~1/4。
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190×
104kcal/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×
104kcal,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4~18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5~10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Ф4650,国内已达到Ф3200,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Ф1500,但九十年代中后期直径超过Ф1500的换热器应用日增,如燕山乙烯一台直径Ф2000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1/2~1/15。
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+15~20℃,湿空冷介质温度一般可冷却到高于环境温度+5~10℃,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3×
3,可达860㎡)、压降低(用于减顶空冷压降㎜Hg)、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90~100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/㎡·
—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.Ω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。
一十、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
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<
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4-2
1.传热面积比浮头式换热器大20~30%;
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。
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:
1.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;
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10~30%;
3.减少设备数量和金属耗量;
4.传热效率提高;
5.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。
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DN325~1800系列,增加5~16%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12~23%;
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
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