一、概述

　　在煉油、化工生產中，絕大多數(shù)的工藝過程都有加熱、冷卻和冷凝的過程，這些過程總稱為換熱過程。傳熱過程的進行需要一定的設備來完成，這些使傳熱過程得以實現(xiàn)的設備就稱之為換熱設備。據統(tǒng)計，在煉油廠中換熱設備的投資占全部工藝設備總投資的35％～40％,因為絕大部分的化學反應或傳質傳熱過程都與熱量的變化密切相關，如反應過程中，有的要放熱，有的要吸熱，要維持反應的連續(xù)進行，就必須排除多余的熱量或補充所需的熱量；工藝過程中某些廢熱或余熱也需要加以回收利用，以降低成本。另外，生產所得的油品或化工產品，需要將其冷卻或冷凝，以便儲存和運輸。以上這些與熱量有關的過程都需要使用換熱設備。使用換熱設備是為了達到加熱或冷卻的目的，如果將那些需要加熱的流體與需要冷卻的流體，經過換熱設備相互換熱，既可回收熱量，又可降低冷卻水的消耗。

　　綜上所述，換熱設備是煉油、化工生產中不可缺少的重要設備。換熱設備在動力、原子能、冶金及食品等其他工業(yè)部門也有著廣泛的應用。

　　二、換熱設備的指標要求

　　1、效率要高。效率高就要求其傳熱系數(shù)大，傳熱系數(shù)是指在單位時間內、單位面積上溫度每變化一度所傳遞的熱量。

　　2、結構緊湊。要使換熱設備的結構緊湊就要求其比表面積大，比表面積是指單位體積的換熱設備所具有的傳熱面積，即傳熱面積與換熱設備體積之比。

　　3、節(jié)省材料。要做到此點要求其比重量要小，所謂比重量是指單位傳熱面積所耗用的金屬量，即換熱設備總金屬用量與傳熱面積之比。

　　4、壓力降要小。流體在設備中流動阻力小、壓力損失就小，節(jié)省動力、操作成本降低。

　　5、要求結構可靠、制造成本低，便于安裝、檢修、使用周期長。

　　由于要**滿足上述要求是非常困難的，因而產生了各種各樣的換熱器，以適應各種特定的工藝條件。

　　三、換熱器的分類

　　換熱設備的分類方法很多，現(xiàn)將幾種常見的分類方法介紹如下：

　　1、按用途分類：分為熱交換器、冷凝器、蒸發(fā)器、加熱器及冷卻器等五類。

　　1）熱交換器：兩種不同溫度的介質進行熱量交換，使一種介質降溫而另一種介質升溫，以滿足各自的需要。

　　2）冷凝器：兩種不同溫度的介質進行熱量交換，其中一種介質由汽態(tài)被冷凝成液態(tài)。

　　3）蒸發(fā)器：與冷凝器的操作剛好相反，兩種 介質中的一種介質由液體被蒸發(fā)成汽體。

　　4）加熱器：只單純的完成一種介質的加熱升溫的操作。

　　5）冷卻器：如果熱量不回收利用，完成用冷卻劑（如水、空氣）來冷卻另外一種介質的操作的換熱器稱為冷卻器。如用空氣作為冷卻劑的換熱器稱為空氣冷卻器，簡稱空冷器。

　　2、按材料分類：分為金屬材料和非金屬材料換熱器。

　　3、按結構分類：分為管殼式換熱器和板式換熱器。

　　1）管殼式換熱器：特點是圓形的外殼中裝有管束。一種介質流經換熱管內的通道及其相貫通部分（稱為殼程）。它可分為:浮頭式換熱器、U型管式換熱器、套管式換熱器、固定管板式換熱器等。

　　2）板式換熱器：它是由壓成各種形狀的薄板組成傳熱面的，冷、熱兩種介質分別在相鄰兩板之間流動。常見的板式換熱器有平板式換熱器、傘板式換熱器、螺旋板式換熱器及板殼式換熱器。

　　板式換熱器的傳熱效率雖然較高，但由于其強度低，密封性能差，故其應用受到了限制。因此，在石油、化工工業(yè)中應用較多的是管殼式換熱器，它已被當成傳統(tǒng)的換熱設備來加以使用。

　　四、管殼式換熱器的總體結構

　　1、管殼式換熱器的總體結構以及特點

　　1）浮頭式換熱器

　　浮頭式換熱器的一端管板是固定的。與殼體剛性連接，另一端管板是活動的，與殼體之間并不相連?；顒庸馨逡粋瓤偡Q為浮頭，浮頭式換熱器的管束可從殼體中抽出，故管外壁清洗方便，管束可在殼體中自由伸縮，所以無溫差應力；但結構復雜、造價高，且浮頭處若密封不嚴會造成兩種流體混合。浮頭式換熱器適用于冷熱流體溫差較大（一般冷流進口與熱流進口溫差可達110℃），介質易結垢需要清洗的場合。在煉油廠中使用的各類管殼式換熱器中浮頭式*多。

　　浮頭式換熱器

　　2）固定管板式換熱器

　　這類換熱器的結構簡單，重量輕，造價較低，在相同的殼層情況下，可較其他型式的列管換熱器多排一些傳熱管子。但是殼體與管層之間的流體的溫差不能太大，因溫差太大時，會產生較大的熱應力，使管子與管板結合處松脫而產生泄漏。此外這類換熱器因管板是固定的，所以在檢修，更換管子或清洗殼層時，都比較困難。此換熱器適用于殼程介質不易結垢，或是有結垢但可進行化學清洗的場合；殼壁與管壁因溫度差而引起的膨脹量之差不大，或膨脹差雖大但殼程壓力不高的情況。

　　固定管板式換熱器

　　3）U型管式換熱器

　　這種換熱器不同于固定管板式和浮頭式，只有一塊管板，換熱管作為U字形、兩端都固定在同一塊管板上；管板和殼體之間通過螺栓固定在一起。這種換熱器結構簡單、造價低，管束可在殼體內自由伸縮，無溫差應力，也可將管束抽出清洗且還省了一塊管板；但U形管管內清洗困難且管子更換也不方便，由于U形彎管半徑不能太小，故與其他管殼式換熱器相比布管較少，結構不夠緊湊。它適用于冷熱流體溫差較大、管內走清潔不易結垢的高溫、高壓、腐蝕性較大的流體的場合。

　　U型管換熱器

　　4）釜式換熱器

　　這種換熱器的殼體直徑一般為管束直徑的1.5～2.0倍，管束偏置于殼體的下方，液面淹沒管束，使管束上部形成一定的汽液分離空間。此換熱器多用來做蒸發(fā)器、精餾塔的重沸器或簡單的廢熱鍋爐。根據需要，管束可以是固定管板型、浮頭型或U型管型。

　　2、管殼式換熱器的主要組合部件

　　管殼式換熱器的主要組合部件有前端管箱，殼體和后端結構（包括管束）三部分，詳細分類以及代號（英文字母）如下所示：

　　換熱器結構代號

　　換熱器結構代號

　　3、換熱器型號的表示方法

　　換熱器型號表示方法

　　現(xiàn)舉例說明：

　　1）浮頭式換熱器

　　平蓋管箱，公稱直徑500mm，管程和殼程設計壓力均為1.6MPa，公稱換熱面積54㎡，較高級冷拔換熱管外徑25mm，管長6m，4管程單殼程的浮頭式換熱器。

　　其型號為：AES500-1.6-54-6/25-4Ⅰ

　　2）固定管板式換熱器

　　封頭管箱，公稱直徑700mm，管程設計壓力2.5MPa，殼程設計壓力1.6MPa，公稱換熱面積200 ㎡，較高級冷拔換熱管外徑25mm,管長9m，4管程單殼程的固定管板式換熱器。

　　其型號為：BEM700-2.5/1.6-200-9/25-4Ⅰ

　　3）U型管式換熱器

　　封頭管箱，公稱直徑500mm，管程設計壓力4.0MPa，殼程設計壓力1.6MPa，公稱換熱面積75 ㎡，較高級冷拔換熱管外徑19mm,管長6m，2管程單殼程的U型管式換熱器。

　　其型號為：BIU500-4.0/1.6-75-6/19-2Ⅰ

　　4）釜式重沸器

　　平蓋管箱，管箱內直徑600mm，圓筒內直徑1200mm，管程設計壓力2.5MPa，殼程設計壓力1.0MPa，公稱換熱面積90㎡，普通級冷拔換熱管外徑25mm,管長6m，2管程釜式重沸器。

　　其型號為：AKT-600/1200-2.5/1.0-90-6/25-2Ⅱ

　　5）浮頭式冷凝器

　　封頭管箱，公稱直徑1200mm，管程設計壓力2.5MPa，殼程設計壓力1.0MPa，公稱換熱面積610㎡，普通級冷拔換熱管外徑25mm,管長9m，4管程單殼程的浮頭式冷凝器。

　　其型號為：BJS1200-2.5/1.0-610-9/25-4Ⅱ

　　五、管殼式換熱器的主要零部件

　?。ㄒ唬Q熱管及在管板上的排列方式

　　換熱管是管殼式換熱器的傳熱元件，它直接與兩種介質接觸，所以換熱管的形狀和尺寸對傳熱有很大的影響。小管徑利于承受壓力，因而管壁較薄且在相同的殼徑內可以排列較多的管子，使換熱器單位體積的傳熱面積增大、結垢緊湊，單位傳熱面積金屬耗量少，傳熱效率也稍高一些，但制造麻煩，且小直徑管子易結垢，不易清洗。所以一般對清潔流體用小直徑管子，粘性較大的或污染的流體采用大直徑管子。我國管殼式換熱器常用換熱管為：碳鋼、低合金鋼管有Φ19×2、 Φ25×2.5、 Φ38×3、 Φ57×3.5；不銹鋼管有Φ25×2、 Φ38×2.5。

　　在相同的傳熱面積的情況下，換熱管越長則殼體、封頭的直徑和壁厚就越小，經濟性越好；但換熱管過長，經濟效果不再顯著且清洗、運輸、安裝都不太方便。換熱管的長度規(guī)格有1.5、2.0、3.0、4.5、6.0、7.5、9.0、12.0m，在煉油廠所用的換熱器中*常用的是6m管長。換熱管一般都用光管，為了強化傳熱，也可用螺紋管、帶釘管及翅片管。

　　換熱管在管板上的排列形式有正三角形、轉角正三角形、正方形和轉角正方形等。如圖所示。三角形排管多，結構緊湊，但管外清洗不方便；正方形排管少，結構不夠緊湊，但管外清洗較方便。一般在固定管板式換熱器中多用三角形排列，浮頭式換熱器多用正方形排列。

　　換熱管排列方式

　?。ǘ┕馨寮皳Q熱管的連接

　　管板一般采用圓形平板，在板上開孔并裝設換熱管，在多管程換熱器中管板上還設置分程隔板。管板還起分隔管程和殼程空間，避免冷熱流體混合的作用。管板與換熱管間可采用脹接、焊接或二者并用的連接方式。

　　管板與換熱管的脹接連接是利用管子與管板材料的硬度差（選材時管板材料硬度要高于管子材料硬度），使管子在管孔中在脹管器的作用下直徑擴大并產生塑性變形，而管板只產生彈性變形，在脹管后管板在彈性恢復力的作用下與管子外表面緊緊貼合在一起，達到密封和緊固連接的目的，如圖所示。脹接連接結構簡單、便于管子更換與修補，但不宜在高溫、高壓下工作。隨著溫度和壓力增高，脹接的密封性和牢固性將逐漸下降。

　　換熱管與管板脹接

　　焊接連接是將換熱管的端部與管板焊在一起，這種連接形式工藝簡單、不受管子與管板材料硬度的限制，而且在高溫、高壓下仍能保持良好的連接密封性和牢固性，所以在高溫、高壓下甚至某些壓力并不太高的場合都使用焊接連接，如圖所示。焊接連接的缺點是只在管子端部與管板焊死，而沿管板厚度方向的大部分管段其外壁與管板之間存在環(huán)行間隙，在這些間隙中流體不流動，及易造成“間隙腐蝕”，為消除間隙可采用脹接和焊接并用的連接方式。

　　換熱管與管板焊接

　?。ㄈんw及管板的連接

　　管殼式換熱器的殼體都是圓筒形的，直徑較小時用無縫鋼管制作，直徑較大時用鋼板卷制焊接而成；殼體所用材料及要求與一般的壓力容器相同。不同類型的管殼式換熱器其殼體與管板的連接方式不同，在固定管板式換熱器中，兩端管板均與殼體采用焊接連接，這種連接稱為管板與殼體的不可拆連接；根據管板是否兼作法蘭其結構不同，如圖所示，多數(shù)情況下采用管板兼作法蘭的結構。在浮頭式、U形管式換熱器中固定端的管板與殼體采用可拆連接，將管板夾持在殼體法蘭與管箱法蘭之間，這樣便于管束從殼體中抽出進行清洗和維修，如圖所示。

　　管板兼做管箱法蘭

　　管板與管箱焊接

　　管板夾持在殼體法蘭與管箱法蘭之間

　　（四）管箱

　　管箱的作用是將進入管程的流體均勻分布到各換熱管，把管內流體匯集在一起送出換熱器。在多管程換熱器中，管箱還可通過設置隔板起分隔作用。管箱結構如圖所示，其中圖（a）適用較清潔的介質，因檢查管子及清洗時只能將管箱整體拆下，故不太方便；圖（b）在管箱上裝有平蓋，只要將平蓋拆下即可進行清洗和檢查，所以工程應用較多，但材料消耗多；圖（c）是將管箱與管板焊成一體，這種結構密封性好，但管箱不能單獨拆下，檢修、清洗都不方便，實際應用較少。

　　管箱結構

　　（五）折流板

　　折流板是設置在殼體內與管束垂直的弓形或圓盤－圓環(huán)形平板，如圖所示。安裝折流板迫使殼程流體按照規(guī)定的路徑多次橫向穿過管束，既提高了流速又增加了湍流速度，改善了傳熱效果，在臥式換熱器中折流板還可起到支撐管束的作用。但在冷凝器中，由于冷凝傳熱系數(shù)與蒸汽在設備中的流動狀態(tài)無關，因此不需要設置折流板。

　　折流板

　　六、管殼式換熱器流體通過管程或殼程的選擇

　　1、流體經過換熱器時應走管程還是走殼程，需要考慮多方面因素，不能提出一定的規(guī)則。但總的原則是有利傳熱、防止腐蝕、減少阻力、不易結垢、便于清掃。

　　2、腐蝕性介質走管程，以免使管程和殼程材質都遭到腐蝕。

　　3、有毒介質走管程，這樣泄漏的機會就少一些。

　　4、流量小的流體走管程，以便選擇理想的流速，流量大的流體宜走殼程。

　　5、高溫、高壓流體走管程，因管子直徑較小可承受較高的壓力。

　　6、容易結垢的流體在固定管板式和浮頭式換熱器中走管程，在U形管式換熱器中走殼程，這樣便于清洗和除垢；若是在冷卻器中，一般是冷卻水走管程、被冷卻流體走殼程。

　　7、流體的流向對傳熱也有較大的影響，為充分利用同一介質冷熱對流的原理，以提高傳熱效率和減少動力消耗，無論管程還是殼程，當流體被加熱或蒸發(fā)時，流向應由下向上；當流體被冷卻或冷凝時應由上向下。

　　七、換熱設備的操作

　　無論是冷凝、冷卻器還是加熱器，換熱器的操作必須抓住兩個主要問題，即防止漏油與正確開停。

　　1、防止漏油：

　　為防止換熱器因安裝不好而漏油，在開工前必須試壓（用熱水或水蒸汽）。試驗壓力一般應是公稱壓力的1.5倍，但根據現(xiàn)有的設備制造水平似乎太高，可以適當降為*高操作壓的1.25～1.5倍。試壓時重點檢查法蘭接合面和脹口是否漏，檢查內漏的方法是重點觀察壓力降的變化。

　　2、正確開停：

　　為了延長換熱器壽命和保證平穩(wěn)操作，必須正確地開停和切換換熱器，使用和切換時應先通冷流（油、水）后通熱流（油、水蒸汽）同時打開放空閥排除器內氣體后關閉放空閥。某些重油換熱器為避免初通入時，重油凝死，故要先通入水蒸汽預熱和掃通，再進行正常切換啟用。停換熱器時，先關熱流，后關冷流，同時進行掃線放油排空?？傊_時先開冷后開熱；關時先關熱后關冷，其目的都是為了使換熱器逐漸升溫（或降溫），避免由于突然升溫（或降溫）而使換熱器熱脹冷縮，引起漏油或遭到破壞。

部分內容來源于網絡，僅用于學習分享，如發(fā)現(xiàn)有侵權，請及時聯(lián)系刪除，謝謝。