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    化工知識必看!換熱設備的結構和分類(lèi)
    2023-05-06 14:33:20 來(lái)源:新浪網(wǎng)

      化工換熱設備是在化工生產(chǎn)過(guò)程中即化學(xué)反應物中實(shí)現熱能傳遞的設備,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(zhù)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、節能換熱設備不斷推出,應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。換熱設備就是在生產(chǎn)過(guò)程即化學(xué)反應或物理反應中實(shí)現熱能傳遞的設備,使熱量從溫度較高的流體傳給另一種溫度較低的流體。

      根據生產(chǎn)工藝的不同,為達到熱量的充分利用和滿(mǎn)足工藝參數,換熱設備可以是熱交換器(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,換熱設備不但作為一個(gè)單獨的化工設備,而且在其他設備中也常附有換熱設備或換熱部分,如蒸餾設備中的回流冷凝器,蒸發(fā)設備中的加熱,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備?;どa(chǎn)流程中,用于汽-液、汽-氣、氣-氣、液-液之間的換熱設備,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;

     ?、?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

      的導熱和流體在壁表面對流,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流段上的旋轉換熱器,回收煙氣溫度用于預熱燃燒空氣;還有閥門(mén)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 預熱器—預先加熱流體,為后序操作提供標準的工藝參數;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備結構、性能和特點(diǎn)1、管殼式換熱器① 管殼式換熱器的類(lèi)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構簡(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力存在,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相差較大、熱應力超過(guò)材質(zhì)的許用應力時(shí),在殼體上應設膨脹節,由于膨脹節不能承受較大內壓,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(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)是結構復雜,密封要求較高,一旦泄漏在線(xiàn)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(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。U形管換熱器適用于兩種流體溫差較大,且殼程易結垢的條件。② 管殼式換熱器的結構特點(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。其結構特點(diǎn)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(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。管束內根據換熱管的長(cháng)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。應用極為廣泛。近年來(lái),也有設計開(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的變形,無(wú)論是熱應力還是管殼溫差應力撓性變形薄管板均能承受,它的應用比常規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構圖1—排氣口   2—封頭   3—法蘭    4—管板    5—排氣口    6—殼體    7—列管     8—支座      9—定距管  10—折流板   11—膨脹節  12—殼體接管   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、大直徑換熱設備上更有滿(mǎn)意的效果。薄管板的結構一般有三種型式,如圖2。

      

      圖2 薄管板結構(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)有溫差應力。一般浮頭設計成可拆卸結構,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構型式,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,以使管內和管間流體互不滲漏。這種結構現在用的不多了。根據設計規范,采用了圖5所示結構,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(xiàn)接管;  6—分程板;7—殼體;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浮頭結構之一

      

      圖5浮頭結構之二ⅲ、“U”形管式換熱器U形管式換熱器的結構如圖6所示。結構特點(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(méi)有浮頭,結構比較簡(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(cháng)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—殼體;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)在殼程內的流速,可在殼體內設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(chǎng)應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,可使在低速下強化傳熱。

      

      圖7  板式換熱器工作原理圖③ 組裝方便,當增加換熱面積時(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,檢修容易在現場(chǎng)進(jìn)行。特別對于易結垢的介質(zhì),板片隨時(shí)拆下清洗。⑥ 使用壽命長(cháng)。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,拆下后重新粘結板條,組裝板片可繼續使用。⑦ 板式換熱器的缺點(diǎn)是密封周邊較長(cháng),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)現板片結垢必須拆開(kāi)清洗。板式換熱器的結構及部件性能:板式換熱器的整體結構如圖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 板式換熱器結構圖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為密封板條壓制錯位或者老化引起的,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號粘結劑粘牢固化后組裝。對于使用的密封板條應有嚴格的技術(shù)要求,例如:耐溫、彈性好,抗大氣腐蝕、抗陽(yáng)光紫外線(xiàn)、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,端蓋應平滑,不應有變形、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,防止銹蝕。⑤ 支架支架是掛傳換板片的,對于不同型號的換熱器,支架的高度、長(cháng)度也不一樣,同時(shí),支架下部有和基礎固定的螺栓。吊裝和安裝換熱器時(shí),嚴格選擇吊點(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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