固定管板式換熱器

簡介

換熱器按照結構形式可分為：固定管板式換熱器、浮頭式換熱器；U形管換熱器；填料函式換熱器。

固定管板式換熱器由兩端管板和殼體構成。由於其結構簡單，運用比較廣泛。

固定管板式換熱器是一種實現物料之間熱量傳遞的節能設備，是在石油、化工、石油化工、冶金、電力、輕工、食品等行業普遍應用的一種工藝設備。在煉油、化工裝置中換熱器佔總設備數量的40%左右，佔總投資的30%-45%。隨着節能技術的發展，應用領域不斷擴大，利用換熱器進行高温和低温熱能回收帶來了顯著的經濟效益。

固定管板式換熱器管程和殼程中，流過不同温度的流體，通過熱交換完成換熱。當兩流體的温度差較大時，為了避免較高的温差應力，通常在殼程的適當位置上，增加一個補償圈（膨脹節）。當殼體和管束熱膨脹不同時，補償圈發生緩慢的彈性變形來補償因温差應力引起的熱膨脹。

固定管板式換熱器由管箱、殼體、管板、管子等零部件組成，其結構較緊湊，排管較多，在相同直徑下面積較大，製造較簡單。

固定管板式換熱器的結構特點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，管程的進出口管直接和封頭焊在一起，管束內根據換熱管的長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。

固定管板式換熱器結構簡單，製造成本低，管程清洗方便，管程可以分成多程，殼程也可以分成雙程，規格範圍廣，故在工程上廣泛應用。殼程清洗困難，對於較髒或有腐蝕性的介質不宜採用。當膨脹之差較大時，可在殼體上設置膨脹節，以減少因管、殼程温差而產生的熱應力。

固定管板式換熱器的特點是：

1、旁路滲流較小；

2、鍛件使用較少，造價低；

3、無內漏；

4、傳熱面積比浮頭式換熱器大20%～30%。

固定管板式換熱器的缺點是：

1、殼體和管壁的温差較大,當t≥50℃時必須在殼體上設置膨脹節；

2、易產生温差力，管板與管頭之間易產生温差應力而損壞；

3、殼程無法機械清洗；

4、管子腐蝕後連同殼體報廢，設備壽命較低。

固定管板式換熱器的機械設計除了最關鍵的換熱板片以外，還有兩塊牆板，我們稱為框架板和壓力板，框架板為外側不可活動的牆板，壓力板為換熱板片另一側的可用拉桿螺栓調整位置的牆板；數根拉桿螺栓，用來加緊框架板和壓力板；立柱；上下導杆，連接在框架板和立柱之間，用來支撐並給壓力板和換熱半片導向；框架板和立柱上可安裝底腳底腳，用於固定機器。除此以外，還可以有法蘭，過濾器，温度計和壓力計等一系列附件。

在生產過程中，由於熱交換器管板受水分沖刷、氣蝕和微量化學介質的腐蝕，管板焊縫處經常出現滲漏，導致水和化工材料出現混合，生產工藝温度難以控制，致使生成其它產品，嚴重影響產品質量，降低產品等級。冷凝器管板焊縫滲漏後，企業通常利用傳統補焊的方法進行修復，管板內部易產生內應力，且難以消除，致使其它換熱器出現滲漏，企業通過打壓，檢驗設備修復情況，反覆補焊、實驗，2～4人需要幾天時間才能修復完成，使用幾個月後管板焊縫再次出現腐蝕，給企業帶來人力、物力、財力的浪費，生產成本的增加。通過高分子複合材料的耐腐蝕性和抗沖刷性，通過提前對新換熱器的保護，這樣不僅有效治理了新換熱器存在的焊縫和砂眼問題，更避免了使用後化學物質腐蝕換熱器金屬表面和焊接點，在以後的定期維修時，也可以塗抹福世藍高分子複合材料來保護裸露的金屬；即使使用後出現了滲漏現象，也可以通過技術及時修復，避免了長時間的堆焊維修影響生產。正是由於此種精細化的管理，才使得換熱器滲漏問題出現的概率大大降低，不僅降低了換熱器的設備採購成本，更保證了產品質量、生產時間，提高了產品競爭力。

1．隔離設備系統，並將管板式換熱器裏面的水排放乾淨。

2．採用高壓水清洗管道內存留的淤泥、藻類等雜質後，封閉系統。

3．在隔離閥和交換器間裝上球閥（不小於1英寸=2.54釐米），進水和回水口都應安裝。

4．接上輸送泵和連接導管，使清洗劑從換熱器的底部泵入，從頂部流出。

5．開始向換熱器裏泵入所需要的福世泰克清洗劑（比例可根據具體情況調整）。

6．反覆循環清洗到推薦的清洗時間。隨着循環的進展和沉積物的溶解，反應時產生的氣體也會增多，應隨時通過放氣閥將多餘的空氣排出。隨着空氣的排出，凝汽器內的空間會增大，可加入適當的水，不要一開始就注入大量的水，可能會造成水的溢出。

7． 循環中要定時檢查清洗劑的有效性，可以使用PH 試紙測定。如果溶液保持在PH值2‐3時，那麼清洗劑仍然有效。如果清洗劑的PH 值達到5‐6時，需要再添加適量福世泰克清洗劑。最終溶液的PH值在2‐3時保持30分鐘沒有明顯變化，證明達到了清洗效果。

8． 達到清洗時間後，回收清洗溶液。並用清水反覆沖洗交換器，直到沖洗乾淨至中性，用PH試紙測定PH值6~7。

9． 完成清洗後既可開機運行。也可以打壓試驗，看是否有泄漏現象。如果有泄漏，可以採用高分子複合材料進行修復保護，並且可以大大延長設備的使用壽命。

10. 設備穩定後，記下當前的介質過流量、工作壓力、換熱效率等數據。

11. 比較清洗前和清洗後數值的變化，就可以計算出該企業每個小時所節省的電費、煤費等生產費用及提高的工作效率，這正是企業採用福世泰克技術應用的價值補償。

12．同樣的操作方法也可用於板式、框架式的熱交換器清洗。

13. 如企業需要設備進行鈍化預膜處理，可按以下流程進行操作：將鈍化預膜劑按推薦稀釋比泵入設備中（同時在循環槽內懸掛試片）；按推薦時間循環、浸泡；檢測預膜效果（紅點法或藍點法）；排放；水沖洗乾淨至中性（用PH試紙測定PH值6~7）。

14. 鈍化預膜結束後，最好採用風機等通風設備將系統吹乾，可確保並提升鈍化預膜效果。

夾套式換熱器這種換熱器是在容器外壁安裝夾套製成,結構簡單;但其加熱面受容器壁面限制,傳熱係數也不高.為提高傳熱係數且使釜內液體受熱均勻,可在釜內安裝攪拌器.當夾套中通入冷卻水或無相變的加熱劑時,亦可在夾套中設置螺旋隔板或其它增加湍動的措施,以提高夾套一側的給熱係數.為補充傳熱面的不足,也可在釜內部安裝蛇管. 夾套式換熱器廣泛用於反應過程的加熱和冷卻。

沉浸式蛇管換熱器這種換熱器是將金屬管彎繞成各種與容器相適應的形狀,並沉浸在容器內的液體中.蛇管換熱器的優點是結構簡單,能承受高壓,可用耐腐蝕材料製造;其缺點是容器內液體湍動程度低,管外給熱係數小.為提高傳熱係數,容器內可安裝攪拌器。

噴淋式換熱器這種換熱器是將換熱管成排地固定在鋼架上，熱流體在管內流動,冷卻水 從上方噴淋裝置均勻淋下,故也稱噴淋式冷卻器.噴淋式換熱器的管外是一層湍動程度較高的液膜,管外給熱係數較沉浸式增大很多.另外,這種換熱器大多放置在空氣流通之處,冷卻水的蒸發亦帶走一部分熱量,可起到降低冷卻水温度,增大傳熱推動力的作用.因此,和沉浸式相比,噴淋式換熱器的傳熱效果大有改善。

套管式換熱器套管式換熱器是由直徑不同的直管制成的同心套管,並由U形彎頭連接而成.在這種換熱器中,一種流體走管內,另一種流體走環隙,兩者皆可得到較高的流速,故傳熱係數較大.另外,在套管換熱器中,兩種流體可為純逆流,對數平均推動力較大。套管換熱器結構簡單,能承受高壓,應用亦方便(可根據需要增減管段數目). 特別是由於套管換熱器同時具備傳熱係數大,傳熱推動力大及能夠承受高壓強的優點,在超高壓生產過程(例如操作壓力為3000大氣壓的高壓聚乙烯生產過程)中所用的換熱器幾乎全部是套管式。

板式換熱器：最典型的間壁式換熱器,它在工業上的應用有着悠久的歷史,而且仍在所有換熱器中佔據主導地位。主體結構由換熱板片以及板間的膠條組成。長期在市場佔據主導地位，但是其體積大，換熱效率低，更換膠條價格昂貴（膠條的更換費用大約佔整個過程的1/3-1/2）.主要應用於液體-液體之間的換熱，行業內常稱為水水換熱，其換熱效率在5000w/m2.K。

為提高管外流體給熱係數,通常在殼體內安裝一定數量的橫向折流檔板。折流檔板不僅可防止流體短路,增加流體速度,還迫使流體按規定路徑多次錯流通過管束,使湍動程度大為增加。常用的檔板有圓缺形和圓盤形兩種,前者應用更為廣泛.。

管殼式換熱器管殼式(又稱列管式) 換熱器是管殼式換熱器主要有殼體、管束、管板和封頭等部分組成,殼體多呈圓形,內部裝有平行管束或者螺旋管，,管束兩端固定於管板上。在管殼換熱器內進行換熱的兩種流體,一種在管內流動,其行程稱為管程；一種在管外流動,其行程稱為殼程。管束的壁面即為傳熱面。管子的型號不一，過程一般為直徑16mm 20mm或者25mm三個型號，管壁厚度一般為1mm，1.5mm，2mm以及2.5mm。進口換熱器，直徑最低可以到8mm，壁厚僅為0.6mm。大大提高了換熱效率，在國內市場逐漸推廣開來。管殼式換熱器，螺旋管束設計，可以最大限度的增加湍流效果，加大換熱效率。內部殼層和管層的不對稱設計，最大可以達到4.6倍。這種不對稱設計，決定其在汽-水換熱領域的廣泛應用。最大換熱效率可以達到14000w/m2.k，大大提高生產效率，節約成本。

同時，由於管殼式換熱器多為金屬結構，隨着我國新版GMP的推出，不鏽鋼316L為主體的換熱器，將成為飲料，食品，以及製藥行業的必選。

雙管板換熱器 也稱P型換熱器，是在管殼式換熱器的兩頭各加一個管板，可以有效防止泄漏造成的污染。而國產品牌較少，價格昂貴，一般在10萬元以上，進口可以到幾十萬。符合新版GMP規定，雖價格昂貴，但決定其市場廣闊。

混合式熱交換器是依靠冷、熱流體直接接觸而進行傳熱的，這種傳熱方式避免了傳熱間壁及其兩側的污垢熱阻，只要流體間的接觸情況良好，就有較大的傳熱速率。故凡允許流體相互混合的場合，都可以採用混合式熱交換器，例如氣體的洗滌與冷卻、循環水的冷卻、汽-水之間的混合加熱、蒸汽的冷凝等等。它的應用遍及化工和冶金企業、動力工程、空氣調節工程以及其它許多生產部門中。

按照用途的不同，可將混合式熱交換器分成以下幾種不同的類型：

在這種設備中，用自然通風或機械通風的方法，將生產中已經提高了温度的水進行冷卻降温之後循環使用，以提高系統的經濟效益。例如熱力發電廠或核電站的循環水、合成氨生產中的冷卻水等，經過水冷卻塔降温之後再循環使用，這種方法在實際工程中得到了廣泛的使用。

在工業上用這種設備來洗滌氣體有各種目的，例如用液體吸收氣體混合物中的某些組分，除淨氣體中的灰塵，氣體的增濕或乾燥等。但其最廣泛的用途是冷卻氣體，而冷卻所用的液體以水居多。空調工程中廣泛使用的噴淋室，可以認為是它的一種特殊形式。噴淋室不但可以像氣體洗滌塔一樣對空氣進行冷卻，而且還可對其進行加熱處理。但是，它也有對水質要求高、佔地面積大、水泵耗能多等缺點：所以，在一般建築中，噴淋室已不常使用或僅作為加濕設備使用。但是，在以調節濕度為主要目的的紡織廠、捲煙廠等仍大量使用!

在這種設備中，使壓力較高的流體由噴管噴出，形成很高的速度，低壓流體被引入混合室與射流直接接觸進行傳熱，並一同進入擴散管，在擴散管的出口達到同一壓力和温度後送給用户。

這種設備一般是用水與蒸汽直接接觸的方法使蒸汽冷凝。

蓄熱式換熱器用於進行蓄熱式換熱的設備。內裝固體填充物，用以貯蓄熱量。一般用耐火磚等砌成火格子（有時用金屬波形帶等）。換熱分兩個階段進行。第一階段，熱氣體通過火格子，將熱量傳給火格子而貯蓄起來。第二階段，冷氣體通過火格子，接受火格子所儲蓄的熱量而被加熱。這兩個階段交替進行。通常用兩個蓄熱器交替使用，即當熱氣體進入一器時，冷氣體進入另一器。常用於冶金工業，如鍊鋼平爐的蓄熱室。也用於化學工業，如煤氣爐中的空氣預熱器或燃燒室，人造石油廠中的蓄熱式裂化爐。

蓄熱式換熱器一般用於對介質混合要求比較低的場合。

陶瓷換熱器是一種新型的列管式高温熱能回收裝置，主要成份為碳化硅，可以廣泛用於冶金、機械、建材、化工等行業，直接回收各種工業窯爐排放的850－1400℃高温煙氣餘熱，以獲得高温助燃空氣或工藝氣體。

研製成的這種裝置的換熱元件材料系一種新型碳化硅工程陶瓷，它具有耐高温和抗熱衝擊的優異性能，從 1000 ℃ 風冷至室温，反覆50 次以上不出現裂紋；導熱係數與不鏽鋼等同；在氧化性和酸性介質中具有良好的耐蝕性。在結構上成功地解決了熱補償和較好地解決了氣體密封問題。該裝置傳熱效率高，節能效果顯著，用以預熱助燃空氣或加熱某些過程的工藝氣體，可節約一次能源，燃料節約率可達30 %－55%，並可強化工藝過程，顯著提高生產能力。

陶瓷換熱器的生產工藝與窯具的生產工藝基本相同，導熱性與抗氧化性能是材料的主要應用性能。它的原理是把陶瓷換熱器放置在煙道出口較近，温度較高的地方，不需要摻冷風及高温保護，當窯爐温度1250-1450℃時，煙道出口的温度應是1000-1300℃，陶瓷換熱器回收餘熱可達到450-750℃，將回收到的的熱空氣送進窯爐與燃氣形成混合氣進行燃燒，這樣直接降低生產成本，增加經濟效益。

陶瓷換熱器在金屬換熱器的使用侷限下得到了很好的發展，因為它較好地解決了耐腐蝕，耐高温等課題。它的主要優點是：導熱性能好，高温強度高，抗氧化、抗熱震性能好。壽命長，維修量小，性能可靠穩定，操作簡便。

二十世紀20年代出現板式換熱器，並應用於食品工業。以板代管制成的換熱器，結構緊湊，傳熱效果好，因此陸續發展為多種形式。30年代初，瑞典首次製成螺旋板換熱器。接着英國用釺焊法制造出一種由銅及其合金材料製成的板翅式換熱器，用於飛機發動機的散熱。30年代末，瑞典又製造出第一台板殼式換熱器，用於紙漿工廠。在此期間，為了解決強腐蝕性介質的換熱問題，人們對新型材料製成的換熱器開始注意。

60年代左右，由於空間技術和尖端科學的迅速發展，迫切需要各種高效能緊湊型的換熱器，再加上衝壓、釺焊和密封等技術的發展，換熱器製造工藝得到進一步完善，從而推動了緊湊型板面式換熱器的蓬勃發展和廣泛應用。此外，自60年代開始，為了適應高温和高壓條件下的換熱和節能的需要，典型的管殼式換熱器也得到了進一步的發展。70年代中期，為了強化傳熱，在研究和發展熱管的基礎上又創制出熱管式換熱器。

換熱器按傳熱方式的不同可分為混合式、蓄熱式和間壁式三類。

混合式換熱器是通過冷、熱流體的直接接觸、混合進行熱量交換的換熱器，又稱接觸式換熱器。由於兩流體混合換熱後必須及時分離，這類換熱器適合於氣、液兩流體之間的換熱。例如，化工廠和發電廠所用的涼水塔中，熱水由上往下噴淋，而冷空氣自下而上吸入，在填充物的水膜表面或飛沫及水滴表面，熱水和冷空氣相互接觸進行換熱，熱水被冷卻，冷空氣被加熱，然後依靠兩流體本身的密度差得以及時分離。

蓄熱式換熱器是利用冷、熱流體交替流經蓄熱室中的蓄熱體(填料)表面，從而進行熱量交換的換熱器，如煉焦爐下方預熱空氣的蓄熱室。這類換熱器主要用於回收和利用高温廢氣的熱量。以回收冷量為目的的同類設備稱蓄冷器，多用於空氣分離裝置中。

間壁式換熱器的冷、熱流體被固體間壁隔開，並通過間壁進行熱量交換的換熱器，因此又稱表面式換熱器，這類換熱器應用最廣。

間壁式換熱器根據傳熱面的結構不同可分為管式、板面式和其他型式。管式換熱器以管子表面作為傳熱面，包括蛇管式換熱器、套管式換熱器和管殼式換熱器等；板面式換熱器以板面作為傳熱面，包括板式換熱器、螺旋板換熱器、板翅式換熱器、板殼式換熱器和傘板換熱器等；其他型式換熱器是為滿足某些特殊要求而設計的換熱器，如刮面式換熱器、轉盤式換熱器和空氣冷卻器等。

換熱器中流體的相對流向一般有順流和逆流兩種。順流時，入口處兩流體的温差最大，並沿傳熱表面逐漸減小，至出口處温差為最小。逆流時，沿傳熱表面兩流體的温差分佈較均勻。在冷、熱流體的進出口温度一定的條件下，當兩種流體都無相變時，以逆流的平均温差最大順流最小。

在完成同樣傳熱量的條件下，採用逆流可使平均温差增大，換熱器的傳熱面積減小；若傳熱面積不變，採用逆流時可使加熱或冷卻流體的消耗量降低。前者可節省設備費，後者可節省操作費，故在設計或生產使用中應儘量採用逆流換熱。

當冷、熱流體兩者或其中一種有物相變化(沸騰或冷凝)時，由於相變時只放出或吸收汽化潛熱，流體本身的温度並無變化，因此流體的進出口温度相等，這時兩流體的温差就與流體的流向選擇無關了。除順流和逆流這兩種流向外，還有錯流和折流等流向。

在傳熱過程中，降低間壁式換熱器中的熱阻，以提高傳熱係數是一個重要的問題。熱阻主要來源於間壁兩側粘滯於傳熱面上的流體薄層(稱為邊界層)，和換熱器使用中在壁兩側形成的污垢層，金屬壁的熱阻相對較小。

增加流體的流速和擾動性，可減薄邊界層，降低熱阻提高給熱係數。但增加流體流速會使能量消耗增加，故設計時應在減小熱阻和降低能耗之間作合理的協調。為了降低污垢的熱阻，可設法延緩污垢的形成，並定期清洗傳熱面。

一般換熱器都用金屬材料製成，其中碳素鋼和低合金鋼大多用於製造中、低壓換熱器；不鏽鋼除主要用於不同的耐腐蝕條件外，奧氏體不鏽鋼還可作為耐高、低温的材料；銅、鋁及其合金多用於製造低温換熱器；鎳合金則用於高温條件下；非金屬材料除製作墊片零件外，有些已開始用於製作非金屬材料的耐蝕換熱器，如石墨換熱器、氟塑料換熱器和玻璃換熱器等。