换热器基础知识概述

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  摘 要:换热器是化工、石油、制药及能源等行业中应用相当广泛的单元设备之一,关于换热器的一些基础知识必须要掌握,包括换热器的分类、运行步骤以及常见故障和处理方法等,并对我国换热器的发展作出了展望。
  关键词:换热器;基础知识;分类;处理方法
  在工程中,将某种流体的热量以一定的传热方式传递给其它流体的设备,称为换热器。又称热交换器。换热器是化工、石油、动力、食品及其它许多工业部门的通用设备,在生产中占有重要地位。主要用途适用于加热、冷却、蒸发、冷凝、干燥等方面,因其使用的条件不同,其容量、压力、温度等变动范围较大,为了适应不同的用途,故要采用各种形式及结构的换热器。
  一、换热器的分类和说明
  1.按用途可分为:
  (1)加热器:把流体加热到必要的温度,但加热流体没有发生相的变化。
  (2)预热器:预先加热流体,为后工序操作提供标准的工艺参数。
  (3)过热器:用于把流体(工艺气或蒸汽)加热到过热状态。
  (4)蒸发器:用于加热流体,达到沸点以上温度,使其液体蒸发,一般有相的变化。
  (5)再沸器:用于使装置中冷凝了的液体再度加热,使其蒸发。
  (6)深冷器:用于把流体冷却到0℃以下的低温状态。
  (7)冷却器:用于把流体冷却到工艺要求的温度。
  (8)冷凝器:用于冷却凝结性气体,使其流体凝结液化。
  (9)全凝器:使凝结性气体全部冷凝为液体。
  2.按换热方式可分为:
  (1)间壁式换热器:把温度不同的两种流体在被壁面分开的空间里流动,通过壁面的导热和流体在壁表面对流,使两种流体之间进行换热。间壁式换热器可使参加换热的流体不会混合,在传递过程中可稳定地进行。其传热面大多采用导热性较好的金属制作而成,也有些出于防腐等需要,使用非金属,如石墨,聚四乙烯等制作而成,是工业制造行业中最为广泛使用的一种换热器。
  间壁式换热器又可分为夹套式换热器、沉浸式蛇管换热器、喷淋式换热器、套管式换热器等几种[1]。
  (2)蓄热式换热器:也被称作回热式换热器,是指冷热流体通过交替作用,与由固体制成的蓄热体相接触,当热流体通过的时候,将热量积蓄在蓄热体中,然后让冷流体通过,把热量带走。蓄热式换热器由于其结构紧凑,价格相对便宜,单位体积传热面积大,因此在气-气热交换中被广泛应用,如石油化工生产中的原料气转化和空气余热转化。
  (3)混合式换热器: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一种是气体,另一种为液体,主要是以凉水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,化工厂和发电厂用凉水塔为最典型的混合式换热器。
  3.按结构和材料可分为:
  (1)管壳换热器:套管式、管壳式、沉浸式、喷淋式、翅片式等;
  (2)板式换热器:夹套式、平板式、板式、螺旋板式、翅片板式、板壳式等;
  (3)新型材料换热器:石墨、聚四氟乙烯、玻璃钢、钛材、锆材换热器等;
  (4)热管式换热器:多室回转式、离心式、重力热管式、离心热管式等。
  总之,换热器的种类繁多,各种换热器各自使用与某一种工况,为此应根据介质、温度、压力、使用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。
  二、换热器的运行操作步骤
  (1)换热器开车前应检查压力表、温度计、液位计以及相关闸门是否正常。
  (2)输送加热蒸汽前,先打开冷凝水排放闸门,排除积水和污垢;打开放空阀,排除空气及其他不凝性气体。
  (3)换热器开车时,要先通入冷流体,缓慢或数次通入热流体,做到先预热、后加热,切忌骤冷骤热。开、停换热器时,不要将闸门开得太猛,否则容易造成管子和壳体受到冲击,以及局部骤然胀缩,产生热应力,是局部焊缝开裂或管子连接口松动、脱落。
  (4)若进入换热器的流体不清洁,需提前过滤、清除,防止都塞通道。
  (5)换热器使用期间,需要巡回检查冷、热流体的进、出口的温度和压力,控制在正常工艺指标内。
  (6)定期分析流体的成分,以确定换热器有无内漏,以便及时处理。
  (7)巡回检查换热器的闸门、封头、法兰连接处有无渗漏,以便及时处理。
  (8)换热器定期进行除垢、清洗。
  三、换热器常见故障及处理方法
  1.传热速率下降:
  (1)列管结垢:清洗管子;(2)壳体内不凝气或冷凝液增多:排放不凝气和冷凝液;(3)列管、管路或闸门堵塞:检查清理。
  2.振动:
  (1)壳程介质流动过快:调节流量;(2)管路振动所致:加固管路;(3)管束与折流板的结构不合理:改进设计;(4)机座刚度不够:加固机座。
  3.管板与壳体连接处开裂:
  (1)焊接质量不好:清除补焊;(2)外壳歪斜,连接管线拉力或推力过大:重新调整找正;(3)腐蚀严重,外壳壁厚减薄:鉴定后修补。
  4.管束、胀口渗漏:
  (1)管子被折流板磨破:堵管或换管;(2)壳体和管束温差过大:补胀或焊接;(3)管口腐蚀或胀(焊)接质量差:换管或补胀(焊)。
  四、流体流经管程或壳程的选择原则[2]
  (1)不清洁或易结垢的流体,宜走容易清洗的一侧;(2)腐蚀性流体宜走管程,以免壳体和管束同时被腐蚀;(3)压力高的流体宜走管程,以避免制造耐高压的壳体 ;(4)饱和蒸汽宜走壳程,以便于排出冷凝液;(5)对流传热系数明显小的流体宜走管内,以便于提高流速;(6)被冷却的流体宜走管程,便于散热,增强冷却效果;(7)有毒流体宜走管程,使向环境泄露机会减少;(8)粘度大的液体或流量小的流体宜走壳程,因有折流挡板的作用,流速和流向不断改变,在低Re(Re<100)下可达到湍流;(9)两流体温度差较大时,对于固定板式换热器,宜将对流传热系数大的流体走壳程,以减小管壁与壳体的温度差,减小温度应力。在具体选择时,上述各点常不能同时兼顾,应视实际情况抓住主要矛盾。例如首先考虑流体的压力、防腐蚀和清洗等的要求,然后再校核对流传热系数和压力降,以便作出恰当的选择。
  五、结语
  目前,我国是世界最重要换热、散热、冷却设备市场,据统计[3],在现代化学工业中所用换热器的投资大约占设备总投资的 30%,在炼油厂中换热器约占全部工艺设备的 40%,海水淡化工艺装置则几乎全部是由换热器组成的。世界各国在换热器理论研究、新技术和新产品开发方面已经进入高层次的探索阶段,涉及领域很广,虽然近年来我国加大了对各种换热器的研发,但在一些高效换热器领域方面与发达国家还存在一定差距。因此,我国应借鉴国外先进换热器技术,努力赶上国际先进水平。
  参考文献
  [1]李海平.工業用换热器选型[J].工业科技,2013(3):21-22.
  [2]夏清,贾绍义著.化工原理(下册)[M].2版.天津:天津大学出版社,2011.
  [3]支浩,汤慧萍,朱纪磊.换热器的研究发展现状[J].化工进展,2009(38):338-342.
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