换热器安全技术.docx

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换热器安全技术

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KG-AO-6002-60

换热器安全技术

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　　换热的类型，除前面介绍的按换热方法不同分为间壁式换热器、直接接触式换热器、蓄热式换热器3种外。

还可按其他方式进行分类。

　　一、按换热器的用途分类

（1）加热器 加热器用于把流体加热到所需的温度，被加热流体在加热过程中不发生相变。

（2）预热器 预热器用于流体的预热，以提高整套工艺装置的效率。

　　（3）过热器 过热器用于加热饱和蒸汽，使其达到过热状态。

　　（4）蒸发器 蒸发器用于加热液体，使之蒸发汽化。

　　（5）再沸器 再沸器是蒸馏过程的专用设备，用于加热已冷凝的液体，使之再受热汽化。

　　（6）冷却器 冷却器用于冷却流体，使之达到所需要的温度。

　　（7）冷凝器 冷凝器用于冷凝饱和蒸汽，使之放出潜热而凝结液化。

　　二、按换热器传热面形状和结构分类

（1）管式换热器 管式换热器通过管子壁面进行传热，按传热管的结构不同，可分为列管式换热管、套管式换热器、蛇管式换热器和翅片管式换热器等几种。

管式换热器应用最广。

（2）板式换热器 板式换热器通过板面进行传热，按传热板的结构形式，可分为平板式换热器、螺旋板式换热器、板翅式换热器和热板式换热器。

　　（3）特殊形式换热器 这类换热器是指根据工艺特殊的要求而设计的具有特殊结构的换热器。

如回转式换热器、热管式换热器等。

　　三、 按换热器所用材料分类

（1）金属材料换热器 金属材料换热器是由金属材料制成，常用金属材料有碳钢、合金钢、铜及铜合金、铝及铝合金、钛及钛合金等。

由于金属材料的热导率较大，故该类换热器的传热效率较高，生产中用到的主要是金属材料换热器。

（2）非金属材料换热器 非金属材料换热器由非金属材料制成，常用非金屑材料有石墨、玻璃、塑料以及陶瓷等。

该类换热器主要用于具有腐蚀性的物料由于非金属材料的热导率较小，所以其传热效率较低。

　　四、 换热器结构与性能特点

（一） 管式换热器

（1）列管换热器 列管换热器又称管壳式换热器，是一种通用的标准换热设备。

它具有结构简单、单位体积换热面积大、坚固耐用、用材广泛、清洗方便适用性强等优点，在生产中得到广泛应用，在换热设备中占主导地位。

列管式换热器根据结构特点分为以下几种。

　　1）固定管板式换热器 图9—6展示了其详细结构。

此种换热器的结构特点是两块管板分别焊壳体的两端，管束两端固定在两管板上，其优点是结构简单、紧凑、管内便于清洗。

其缺点是壳程不能进行机械清洗，且当壳体与换热管的温差较大（大于50℃）时，产生的温差应力（又叫热应力）具有破坏性。

需在壳体上设置膨胀节，受膨胀节强度限制壳程不能太高。

固定管板式换热器适用于壳方流体清洁不结垢，两流体温差不大或温差较大但壳程压力不高的场合。

　　2）浮头式换热器 浮头式换热器的结构如图9—?

所示。

其结构特点是两端管板之一不与壳体固定连接。

可以在壳体内沿轴向自由伸缩，该端称为浮头。

此种换热器的优点是当换热管与壳体有温差存在，壳体或换热管膨胀时，互不约束，不会产生温差应力；管束可以从管内抽出，便于管内和管间的清洗。

其缺点是结构复杂，用材量大，造价高。

浮头式换热器适用于壳体温差较大或壳程流体容易结垢的场合。

　　3）U形管式换热器 U形管式换热器的结构如图9—8所示，其结构特点是只有一个管板，管子成U形，管子两端固定在同一管板上。

管束可以自由伸缩，当壳体与管子有温差时，不会产生温差应力。

U形管式换热器的优点是结构简单，只有一个管板，密封面少，运行可靠，造价低，管间清洗较方便。

其缺点是管内清洗较困难，可排管子数目较少，管束最内层管间距大，壳程易短路。

U形管式换热器适用于管、壳程温差较大或壳程介质是易结垢而管程介质不易结垢的场合。

　　4）填料函式换热器 填料函式换热器的结构如图9—9所示。

其结构特点是管板上只有一端与壳体固定，另一端采用填料函密封。

管束可以自由伸缩，不会产生温差应力。

该换热器的优点是结构较浮头式换热器简单，造价低；管束可以从壳体内抽出，管、壳程均能进行清洗。

其缺点是填料耐压不高，一般小于4.0MPa；壳程介质可能通过填料函外漏。

填料函式换热器适用于管、壳程温差较大或介质结垢需经常清洗且壳程压力不高的场合。

　　5）釜式换热器 釜式换热器的结构如图9—10所示。

其结构特点是在壳体上部设置蒸发空间。

管束可以为固定管板式、浮头式或U形管式。

釜式换热器清洗方便，并能承受高温、高压。

它适用于液—汽（气）式换热（其中液体沸腾汽化），可作为简单的废热锅炉。

（2）套管换热器 套管换热器是由两种直径不同的管套在一起组成同心套管，然后将若干段这样的套管连接而成，其结构如图9—11所示。

每一段套管称为一程，程数可根据所需传热面积的多少而增减。

　　套管换热器的优点是结构简单，能耐高压，传热面积可根据需要增减。

其缺点是单位传热面积的金属耗量大，管子接头多，检修清洗不方便。

此类换热器适用于高温，高压及流量较小的场合。

　　（3）蛇管换热器 蛇管换热器根据操作方式不同，分为沉浸式和喷淋式两类。

　　1）沉浸式蛇管换热器 此种换热器通常以金属管弯绕而成，制成适应窗口的形状，沉浸在容器内的液体中，管内流体与容器内液体隔着管壁进行换热。

几种常用的蛇管形状如图9—12所示。

此类换热器的优点是结构简单，造价低廉，便于防腐，能承受高压。

其缺点是管外对流传热系数小，常需加搅拌装置，以提高传热系数。

　　2）喷淋式蛇管换热器 喷淋式蛇管换热器的结构如图9—13所示。

此类换热器常用于用冷却水冷却管内热流体。

各排蛇管均垂直地固定在支架上，蛇管排数根据所需传热面积的多少而定。

热流体自下部总管流入各排蛇管，从上部流出再汇入总管。

冷却水由蛇管上方的喷淋装置均匀地喷洒在各排蛇管上，并沿着管外表面淋下，该装置通常置于室外通风处，冷却水在空气中汽化时，可以带走部分热量，以提高冷却效果。

与沉浸式蛇管换热器相比，喷淋式蛇管换热器具有检修清洗方便、传热效果好等优点。

　　（4）翅片管换热器 翅片管换热器又称管翅式换热器，其结构特点是在换热管的外表面或内表面或同时装有许多翅片。

常用翅片有纵向和横向两类，如图9—14所示。

　　化工生产中常遇到气体的加热或冷却问题，因气体的对流传热系数较小，所以当换热的另一方为液体或发生相变时，换热器的传热热阻主要在气体一侧。

此时，在气体一侧设置翅片，既可增大传热面积，又可增加气体的湍动程度，减少气体侧的热阻，提高了传热效率。

一般当两流体的对流传热系数之比超过3:

1时，可采用翅片换热器。

工业上常用翅片换热器作为空气冷却器，用空气代替水，不仅可在缺水地区使用，即使在水源充足的地方也较经济。

（二） 板式换热器

（1）夹套换热器 夹套换热器的结构如图9—15所示。

它由一个装在容器外部的夹套构成，容器内的物料和夹套内的加热剂或冷却剂隔着器壁进行换热，器壁就是换热器的传递面。

其优点是结构简单，容易制造，可与反应器或窗口构成一个整体。

其缺点是传热面积小；器内流体处于自然对流状态，传热效率低；夹套内部清洗困难。

夹套内的加热剂和冷却剂一般只能使用不易结垢的水蒸气、冷却水和氨等。

夹套内通蒸汽时，应从上部进入，冷凝水从底部排出；夹套内通液体载热体时，应从底部进入，从上部流出。

　　制造夹套换热器时，由于夹套会进行水压强度试验，因此要防止夹套制造中底部连管高出造成夹套底部积水（液），热载体进入夹套时汽化发生爆炸。

（2）平板式换热器 平板式换热器简称板式换热器，其结构如图9—16所示。

它是由若干长方形薄金属板叠加排列，夹紧组装于支架上构成。

两相邻板的边缘衬有垫片，压紧后板间形成流体通道。

每块板的四个角上各开一个孔，借助于垫片的配合，使两流体分别从同一块板的两侧流过，通过板面进行换热。

除了两端的两板面外，每一块板面都是传热面，可根据所需传热面积的变化，增减板的数量，板片是板式换热器的核心部件。

为使液体均匀流动，增大传热面积，促使流体湍动，常将板面冲压成各种凹凸的波纹状，常见的波纹形状有水平波纹、人字形波纹和圆弧形波纹等，如图9—17所示。

　　板式换热器的优点是结构紧凑，单位体积设备提供的传热面积大；组装灵活，可随时增减板数；板面波纹使液体湍动程度增强，从而具有较高的传热效率，装拆方便，有利于清洗和维修。

其缺点是处理量小，受垫片材料性能的限制操作压力和温度不能过高。

此类换热器适用于需要经常清洗、工作环境要求十分紧凑、操作压力在2．5MPa以下，温度在35～200℃的场合。

　　（3）螺旋板式换热器 螺旋板式换热器的结构如图9—18所示。

它是由焊在中心隔板上的两块金属薄板卷制而成，两薄板之间形成螺旋形通道，两板之间焊有—定数量的定距撑以维持通道间距，两端用盖板焊死。

两流体分别在两通道内流动隔着薄板进行换热。

其中一种流体由外层的一个通道流人，顺着螺旋通道流向中心，最后由中心的接管流出；另一种流体则由中心的另一个通道流入，沿螺旋通道反方向向外流动，最后由外层接管流出。

两流体在换热器内作逆流流动。

　　螺旋板式换热器结构紧凑；单位体积设备提供的传热面积大，约为列管换热器的3倍；流体在换热器内作严格的逆流流动，可在较小的温差下操作，能充分利用低温能源；由于流向不断改变，且允许选用较高流速，故传热系数大，约为列管换热器的1—2倍，又由于流速较高，同时有惯性离心力作用，污垢不易沉积。

其缺点是制造和检修都比较困难；流动阻力大，在同样物料和流速下，其流动阻力约为直管的3～4倍，操作压强和温度不能太高，一般压强在2MPa以下，温度则不能超过400℃。

　　（4）板翅式换热器 板翅式换热器为单元体叠加结构，其基本单元体由翅片、隔板及封条组成，如图9—”（a）所示。

翅片上下放置隔板，两侧边缘由封条密封，并用钎焊焊牢，即构成一个翅片单元体。

将一定数量的单元体组合起来，并进行适当排列，然后焊在带有进出口的集流箱上，便可构成具有逆流、错流或错逆流等多种形式的换热器，如图9—19（b）、（c）、（d）所示。

　　板翅式换热器的优点是结构紧凑，单位体积设备具有的传热面积大；一般用铝合金制造，轻巧牢固；由于翅片促进了流体湍动，其传热系数很高；由于所用铝合金材料，在低温和超低温下仍具有较好的导热性和抗拉强度，故可在--273—200~C范围内使用；同时因翅片对隔板有支撑作用，其允许操作压力也较高，可达5MPa。

其缺点是易堵塞，流动阻力大；清洗检修困难。

故要求介质洁净，同时对铝不腐蚀。

　　（5）热板式换热器 热板式换热器是一种新型高效换热器，其基本单元为热板，热板结构如图9—20所示。

这是将两层或多层金属平板点焊或滚焊成各种图形，并将边缘焊接密封成一体。

平板之间在高压下充气形成空间，得到最佳流动状态的流道形式。

各层金属板厚度可以相等，也可以不相等，板数可以为双层，也可以为多层，这样就构成了多种热板传热表面形式。

热板式换热器具有流动阻力小，传热效率高，根据需要可做成各种开关等优点，可用于加热、保温、干燥、冷凝等多种场合。

作为一种新型换热器，具有广阔的应用前景。

　　（三） 热管换热器

　　热管换热器是用一种称为热管的新型换热元件组合而成的换热装置。

热管的种类很多，但其基本结构和工作原理基本相同。

以吸液芯热管为例，如图9—21所示，在一根密闭的金属管内充以适量的工作液，紧靠管子内壁处装有金属丝网或纤维等多孔物质，称为吸液芯。

全管沿轴向分3段：

蒸发段（又称热端）、绝热段（又称蒸汽输送段）和冷凝段（又称冷端）。

当热流体从管外流过时，热量通过管壁传给工作液，使其汽化，蒸汽沿管子的轴向流动，在冷端向冷流体放出潜热而凝结，冷凝液在吸液芯内流回热端，再从热流体处吸收热量而汽化。

如此反复循环，热量便不断地从热流体传给冷流体。

　　热管按冷凝液循环方式分为吸液芯热管、重力热管和离心热管3种，吸液芯热管的冷凝液依靠毛细管力回到热端，重力热管的冷凝液是靠重力流回热端，离心热管的冷凝液则依靠离心力流回热端。

　　热管按工作液的工作温度范围分为4种：

深冷热管，在200K以下工作,工作液有氮、氢、氖、甲烷、乙烷等；低温热管，在200—550K范围内工作，工作液有氟里昂、氨、丙酮、乙醇、水等；中温热管，在550～750K范围内工作，工作液有导热姆A、水银、铯、水、钾钠混合液等；高温热管，在?

50K以上范围内工作，工作液有钾、钠、锂、银等。

　　目前使用的热管换热器多为箱式结构，如图9—22所示。

把一组热管合成一个箱形，中间用隔板分为热、冷两个流体通道，一般热管外壁上装有翅片，以强化传热效果。

　　热管换热器的传热特点是热量传递汽化、蒸汽流动和冷凝三步进行，由于汽化和冷凝的对流强度都很大，蒸汽的流动阻力又较小，因此热管的传热热阻很小，即使在两端温度差很小的情况下，也能传递很大的热流量。

因此，它特别适用于低温差传热的场合。

热管换热器具有传热能力大，结构简单、工作可靠等优点，展现出很广阔的应用前景。

图9—23为热管换热器的两个应用实例。

　　五、 换热器安全运行分析

　　为了保证换热器长久正常运转，必须正确操作和使用换热器，并重视对设备的维护、保养和检修，将预防性维护摆在首位，强调安全预防，减少任何可能发生的事故，这就要求我们掌握换热器的基本操作方法、运行特点和维护经验。

（一）换热器的操作

（1）换热器的正常使用

　　①投产前应检查压力表、温度计、液位计以及有关阀门是否齐全好用。

　　②输进蒸汽前先打开冷凝水排放阀门，排除积水和污垢；打开放空阀，排除空气和其他不凝性气体。

　　③换热器投产时，要先通人冷流体，缓慢或数次通人热流体，做到先预热后加热，切忌骤冷骤热，以免换热器受到损坏，影响其使用寿命。

　　④进入换热器的冷热流体如果含有大颗粒固体杂质和纤维质，一定要提前过滤和清除（特别是对板式换热器），防止堵塞通道。

　　⑤经常检查两种流体的进出口温度和压力，发现温度、压力超出正常范围或有超出正常范围的趋势时，要立即查出原因，采取措施，使之恢复正常。

　　⑥定期分析流体的成分，以确定有无内漏，以便及时处理；对列管换热器进行堵管或换管，对板式换热器修补或更换板片。

　　⑦定期检查换热器有无渗漏、外壳有无变形以及有无振动，若有应及时处理。

　　⑧定期排放不凝性气体和冷凝液，定期进行清洗。

（2）具体操作要点 化工生产中对物料进行加热（沸腾）、冷却（冷凝），由于加热剂、冷却剂等的不同，换热器具体的操作要点也有所不同，下面分别予以介绍。

　　①蒸汽加热 蒸汽加热必须不断排除冷凝水，否则积于换热器中，部分或全部变为无相变传热，传热速率下降。

同时还必须及时排放不凝性气体。

因为不凝性气体的存在使蒸汽冷凝的给热系数大大降低。

　　②热水加热 热水加热，一般温度不高，加热速度慢，操作稳定，只要定期排放不凝性气体，就能保证正常操作。

　　③烟道气加热 烟道气一般用于生产蒸汽或加热、汽化液体、烟道气的温度较高，且温度不易调节，在操作过程中，必须时时注意被加热物料的液位、流量和蒸汽产量，还必须做到定期排污。

　　④导热油加热 导热油加热的特点是温度高（可达400℃）、黏度较大、热稳定性差、易燃、温度调节困难，操作时必须严格控制进出口温度，定期检查进出管口及介质流道是否结垢，做到定期排污，定期放空，过滤或更换导热油。

　　⑤水和空气冷却 操作时注意根据季节变化调节水和空气的用量，用水冷却时，还要注意定期清洗。

　　⑥冷冻盐水冷却 其特点是温度低，腐蚀性较大，在操作时应严格控制进出口的温度防止结晶堵塞介质通道，要定期放空和排污。

　　⑦冷凝 冷凝操作需要注意的是，定期排放蒸汽侧的不凝性气体，特别是减压条件下不凝性气体的排放。

（二） 换热器的维护和保养

（1）换热器的常见故障与维修方法

　　1）列管换热器的维护和保养

　　①保持设备外部整洁、保温层和油漆完好。

　　②保持压力表、温度计、安全阀和液位计等仪表和附件的齐全、灵敏和准确。

　　③发现阀门和法兰连接处渗漏时，应及时处理。

　　④开停换热器时，不要将阀门开得太猛，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，使局部焊缝开裂或管子连接口松弛。

　　⑤尽可能减少换热器的开停次数，停止使用时，应将换热器内的液体清洗放净，防止冻裂和腐蚀。

　　⑥定期测量换热器的壳体厚度，一般两年一次。

　　列管换热器的常见故障及其处理方法见表9—3。

　　列管换热器的故障50％以上是由于管子引起的，下面简单介绍一卞更换管子，堵塞管子和对管子进行补胀（或补焊）的具体方法。

　　当管子出现渗漏时，就必须更换管子，对胀接管，须先钻孔，除掉胀管头，拔出坏管，然后换上新管进行胀接，最好对周围不要更换的管子也能稍稍胀一下，注意换下坏管时，不能碰伤管板的管孔，同时在胀接新管时，要清除管孔的残留异物，否则可能产生渗漏；对焊接管，须用专用工具将焊缝进行清除，拔出环管，换上新管进行焊接。

　　更换管子的工作是比较麻烦的，因此当只有个别管子损坏时，可用管堵将两端堵死，管堵材料的硬度不能高于管子的硬度，堵死的管子数量不能超过换热器该管程总管数的10％。

　　管子胀口或焊口处发生渗漏时，有时不需换管，只需进行补胀或补焊，补胀时应考虑到胀管应力对周围管子的影响，所以对周围管子也要轻轻胀一下；补焊时，一般须先清除焊缝再重新焊接，需要应急时，也可直接对渗漏处进行补焊，但只适用于低压设备。

　　2）板式换热器的维护和保养

　　①保持设备整洁、油漆完好，紧固螺栓的螺纹部分应涂防锈油并加外罩，防止生锈和粘结灰尘。

　　②保持压力表、温度计灵敏、准确、阀门和法兰无渗漏。

　　③定期清理和切换过滤器，预防换热器堵塞。

　　④组装板式换热器时，螺栓的拧紧要对称进行，松紧适宜。

　　板式换热器的主要故障和处理方法见表9—4。

（2）换热器的清洗 换热器经过一段时间的运行。

传热面上会产生污垢，使传热系数大大降低而影响传热效率，因此必须定期对换热器进行清洗，由于清洗的困难程度随着垢层厚度的增加而迅速增大，所以清洗间隔时间不宜过长。

　　换热器的清洗不外手化学靖洗和机械清洗两种方法，对清洗方法的选定应根据换热器的形式、污垢的类型等情况而定。

一般化学清洗适用于结构较复杂的情况，如列管换热器管间、U形管内的清洗，由于清洗剂一般呈酸性，对设备多少会有一些腐蚀。

机械清洗常用于坚硬的垢层、结焦或其他沉积物，但只能清洗工具能够到达之处，如列管换热器的管内（卸下封头），喷淋式蛇管换热器的外壁、板式换热器（拆开后），常用的清洗工具有刮刀、竹板、钢丝刷、尼龙刷等。

另外，还可以用高压水进行清洗。

　　1）化学清洗（酸洗法） 酸洗法常用盐酸配制酸洗溶液，由于酸能腐蚀钢铁，在酸洗溶液中须加入一定数量的缓蚀剂，以抑制对基体的腐蚀（酸洗溶液的配制方法参阅有关资料）。

　　酸洗法的具体操作方法有两种。

其一为重力法，借助于重力，将酸洗溶液缓慢注入设备，直至灌满，这种方法的优点是简单、耗能少，但效果差、时间长其二为强制循环法，依靠酸泵使酸洗溶液通过换热器并不断循环，这种方法的优点是清洗效果好，时间相对较短，缺点是需要酸泵，较复杂。

　　进行酸洗时，要注意以下几点：

其一，对酸洗溶液的成分和酸洗的时间必须控制好，原则上要求既要保证清洗效果又尽量减少对设备的腐蚀；其二，酸洗前检查换热器各部位是否有渗漏，如果有，应采取措施消除；其三，在配制酸洗溶液和酸洗过程中，要注意安全，需穿戴口罩、防护服、橡胶手套，并防止酸液溅入眼中。

　　2）机械清洗 对列管换热器管内的清洗，通常用钢丝刷，具体做法是用一根圆棒或圆管，一端焊上与列管内径相同的圆形钢丝刷，清洗时，一边旋转一边推进，通常，用圆管比用圆棒要好，因为圆管向前推进时，清洗下来的污垢可以从圆管中退出。

注意，对不锈钢管不能用钢丝刷而要用尼龙刷，对板式换热器也只能用竹板或尼龙刷，切忌用刮刀和钢丝刷。

　　3）高压水清洗 采用高压泵喷出高压水进行清洗，既能清洗机械清洗不能到达的地方，又避免了化学清洗带来的腐蚀，因此，也不失为一种好的清洗方法。

这种方法适用于清洗列管换热器的管间，也可用于清洗板式换热器。

冲洗板式换热器中的板片时，注意将板片垫平，以防变形。

　　在许多工业生产过程，例如蒸馏、干燥、蒸发、结晶、反应和冶金等，均需要根据具体的工艺要求，对物料进行加热或冷却来维持一定的温度。

对于化学反应来讲，为了使反应能达到预定要求；更需要严格控制一定的反应温度，这也要靠冷却或加热才能实现。

传热过程是工业生产过程中极其重要的组成部分，因此对传热设备的控制也就显得格外重要。

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