摘要：
換熱設備換熱器的分類、結構、規格、型號，介質循環的管程或殼程選擇。一、概述在煉油和化工生產中，大多數工藝過程包括加熱、冷卻和冷凝，這些過... 換熱設備換熱器的分類、結構、規格、型號，介質循環的管程或殼程選擇。
一、概述
在煉油和化工生產中，大多數工藝過程包括加熱、冷卻和冷凝，這些過程總稱為熱交換過程。傳熱過程需要一定的設備來完成，使傳熱過程得以進行的設備稱為換熱設備。據統計，煉油廠換熱設備的投資占所有工藝設備總投資的35% ~ 40%，因為大多數化學反應或傳質傳熱過程都與熱量的變化密切相關。比如在反應的過程中，有的會放出熱量，有的會吸收熱量，為了維持反應的持續進行，需要排除多余的熱量或者補充所需的熱量；過程中的一些余熱或廢熱也需要回收利用，以降低成本。此外，生產的石油或化學產品需要冷卻或冷凝，以便儲存和運輸。這些與熱相關的過程都需要使用熱交換設備。熱交換設備是用來達到加熱或冷卻的目的。如果需要加熱的流體和需要冷卻的流體通過熱交換設備進行熱交換，就可以回收熱量，減少冷卻水的消耗。
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。換熱設備還廣泛應用于電力、原子能、冶金、食品等工業部門。
二、換熱設備的指標要求
1.效率應該很高。高效率需要較大的傳熱系數，傳熱系數是指單位時間單位面積內溫度每變化一次所傳遞的熱量。
2.結構緊湊。為了使換熱器的結構緊湊，要求有較大的比表面積，比表面積是指換熱器單位體積的傳熱面積，即傳熱面積與換熱器體積的比值。
3.節約材料。為此，要求小于重量。所謂比重，是指單位傳熱面積消耗的金屬量，即換熱設備總金屬消耗量與傳熱面積的比值。
4.壓降應該很小。設備內流體的流動阻力小，壓力損失小，節省了電能，降低了運行成本。
5.要求結構可靠、制造成本低、安裝維護方便、使用壽命長。
因為完全滿足上述要求是非常困難的，所以已經生產了各種熱交換器來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 *** 很多，下面介紹幾種常見的分類 *** ：
1.按用途分類：分為換熱器、冷凝器、蒸發器、加熱器、冷卻器五大類。
1)熱交換器：兩種不同溫度的介質進行熱交換，使一種介質冷卻，另一種介質加熱，以滿足各自的需要。
2)冷凝器：兩種不同溫度的介質進行熱交換，其中一種介質由蒸氣冷凝成液體。
3)蒸發器：與冷凝器的運行相反，兩種介質中的一種由液體蒸發為蒸汽。
4)加熱器：只加熱一種介質來提高溫度。
5)冷卻器：如果熱量沒有被回收，用冷卻劑(如水和空氣)冷卻另一種介質的熱交換器稱為冷卻器。例如，使用空氣作為冷卻劑的熱交換器被稱為空氣冷卻器，或簡稱為空氣冷卻器。
2.按材料分類：分為金屬材料和非金屬材料換熱器。
3.按結構分為管殼式換熱器和板式換熱器。
1)管殼式換熱器：其特征在于圓形殼體內安裝有管束。一種介質流經換熱管及其連接部分(稱為殼程)中的通道?？煞譃椋焊☆^換熱器、U型管換熱器、套管式換熱器和固定管板換熱器。
2)板式換熱器：由壓制成各種形狀的薄板組成，冷、熱介質分別在相鄰兩板之間流動。常見的板式換熱器有平板換熱器、傘板式換熱器、螺旋板式換熱器和板殼式換熱器。
板式換熱器雖然傳熱效率高，但由于強度低、密封性能差，其應用受到限制。因此，管殼式換熱器廣泛應用于石油和化工行業，并一直作為傳統的換熱器使用。
四、管殼式換熱器的總體結構
1.管殼式換熱器的總體結構和特點。
1)浮頭換熱器
浮頭式換熱器的一端管板是固定的。它與殼體剛性連接，另一端的管板是活動的，不與殼體連接?；顒庸馨宓囊粋瓤偡Q為浮頭，浮頭換熱器的管束可以從殼體中抽出，管外壁便于清洗，管束可以在殼體內自由膨脹和收縮，不存在溫差應力；但結構復雜，成本高，如果浮頭密封不嚴，兩種流體會混合。浮頭式換熱器適用于冷熱流體溫差大(一般冷流入口與熱流入口溫差可達110)，介質易結垢，需要清洗的場合。在煉油廠使用的各種管殼式換熱器中，浮頭式最多。
活動管板換熱器
2)固定管板式換熱器
這種換熱器結構簡單，重量輕，成本低。在相同的殼體條件下，它可以比其他類型的管殼式換熱器布置更多的傳熱管。但殼體與管層的溫差不能過大，因為溫差過大會產生較大的熱應力，使管子與管板的連接處松動，造成泄漏。此外，由于這種換熱器的管板是固定的，維修、換管或清洗殼體都很困難。這種換熱器適用于殼程介質不易結垢的場合，或者有結垢可以化學清洗；由于溫差的原因，殼壁和管壁之間的膨脹差異很小，或者殼側壓力不高，但膨脹差異很大。
固定管板換熱器
3)U形管熱交換器
這種換熱器不同于固定管板和浮頭式，只有一塊管板。換熱管為U形，兩端固定在同一管板上。管板和殼體通過螺栓固定在一起。這種換熱器結構簡單，成本低，管束可以在殼體內自由膨脹和收縮，不受溫差應力，還可以拔出清洗，省去了一塊管板。然而，很難清潔U形管的內部，并且不方便更換該管。因為U形彎頭的半徑不能太小，所以它不同于其他管殼式換熱器
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 ***
換熱器型號表示 ***
現舉例說明：
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：B *** 1200-2.5/1.0-610-9/25-4Ⅱ
五、管殼式換熱器的主要零部件
（一）換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最常用的是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
（二）管板及換熱管的連接
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
（三）殼體及管板的連接
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 *** ，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－圓環形平板，如圖所示。安裝折流板迫使殼程流體按照規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，由于冷凝傳熱系數與蒸汽在設備中的流動狀態無關，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，但根據現有的設備制造水平似乎太高，可以適當降為更高操作壓的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 *** 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?，開時先開冷后開熱；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。
換熱器的管程和殼程結構設計內容 高壓換熱器管程設計壓力超過35mpa
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