连云港正航电力节能技术有限公司
 
 

换热器

换热器,管壳式换热器,列管式换热器

一、换热器用途
  
换热器是液—液、液—汽进行热交换的理想设备。它具有换热效率高、热损失小、结构紧凑轻巧、占地面积小、安装清洗方便、应用范围广泛、使用寿命长等特点。在相同压力损失情况下,板式换热器传热系数比管式换热器高3—5倍,占地面积为管式换热器的1/3,热回收率高达90%以上。
    换热器广泛应用与冶金、石油、化工、食品、制药、船舶、纺织、造纸等行业,是加热、冷却、热回收、快速灭菌的优良设备。
二、换热器结构
   BR型板式换热器系列产品,整机装配有普通式结构(不经常拆洗工况采用)和悬挂式结构(拆洗较频繁的工况采用)两种。普通式结构由人字形波纹板片、密封垫、压紧板、上下定位螺栓、压紧螺栓等主要零件组成。 悬挂式结构由人字形波纹板片、密封垫、固定压紧板、中间板、活动压紧板、支架、上下定位横梁、压紧螺栓等主要零件组成。
三、换热器工作原理及流程
    板式换热器由于板片波纹表面的特殊作用,使流体沿着狭窄弯曲的通道流动其速度的大小方向不断的改变,致使流体在不大的流速下( Rc=200 时),激起了强烈端动,因而加快了流体边界层的破坏,强化了传热过程,有效地提高了传热能力。 并使其具有结构紧凑、金属耗量低、操作灵活性大、热损失小、安装、检查拆洗方便、耐腐性强、使用寿命长等突出优点。
    换热器的流程是由许多板片按一定工艺及需方技术工作要求组装而成的。 组装时 A 板和 B 板交替排列,板片间形成网状通道四个角孔形成分配管和汇合管,密封垫把冷热介质密封在换热器里,同时又合理的将冷热介质分开而不致混合。在通道里面冷热流体间隔流动,可以逆流也可以顺流,在流动过程中冷热流体通过板壁进行热交换。板式换热器的流程组合形式很多,都是采用不同的换向板片和不同组装来实现的,流程组合形式可分为单流程,多流程和汽液交换流程,混合流程形式。

 
板式换热器:
BR可拆式—传热效率高,阻力小,一机多用,使用安全可靠。
HBR全焊式—换热效率高,其密封不采用弹性的非金属材料,故可适用于介质温度为≤400℃,压力≤3.0Mpa的工作场合,安全使用周期长,维护费用低,易清洁。
HBRG改良型—它作为HBR扩展型,结构新颖、美观,其功能除与HBR型相同外,还增加了进口封头法兰,可拆洗;其换热效果,使用寿命比列管式换热器高3倍。
HBRK板壳式—耐高压、流量大、阻力小、外型美观、体积紧凑、安全可靠而且板片可进行化学清洗、机械清洗等特点。
HBRM型—此系列是通过科学的模块组合理论,将HBR、HBRG这两个系列的产品进行组合,具有耐高温、耐高压、热效率高、寿命长、耐腐蚀等特点。
 

ZH高效型水-水(汽-水)热交换器(换热器)

1、概述

   ZH高效型热交换器是利用废汽废水的热量来加热冷却水的一种换热设备。

   加热水由管箱的一侧进入设备经过高效换热管组成的换热面,共四个流程将热量传送给被加热水,使被加热水达到所要求的温度。本系列换热器主要用于电厂站化工锅炉的工业废汽废水余热回收及石油化工环保服务行业,轻工业等汽——液、液——液换热。

2、技术特性:

   型号规格

项目  

ZH-10

ZH-20

ZH-35

ZH-50

ZH-80

管程(被加热水侧)

 

设计压力MPa

0.558

0.558

0.558

0.558

0.558

工作压力MPa

0.558

0.558

0.558

0.558

0.558

设计温度℃

100

100

100

100

100

/出口温度℃

40/50

40/50

40/50

40/50

40/50

流量t/h

50

100

200

300

400

壳程(加热水侧)

 

设计压力MPa

0.558

0.558

0.558

0.558

0.558

工作压力MPa

0.02

0.02

0.02

0.02

0.02

设计温度℃

200

200

200

200

200

/出口温度℃

104

104

104

104

104

换热管

材质

304

304

304

304

304

规格

16×1

16×1

16×1

16×1

16×1

长度

1585

1585

1585

1585

1585

换热面及m2

10

20

35

50

80

设备重量t/h

750

919

1334

1836

2617

 

  3、主要接管表:

序号

型号规格

被加热水进口A

被加热水出口B

加热水进口C

加热水出口D

1

ZH-10

PN1.0 DN80

PN1.0 DN80

PN1.0 DN65

PN1.0 DN65

2

ZH-20

PN1.0 DN100

PN1.0 DN100

PN1.0  DN80

PN1.0  DN80

3

ZH-35

PN1.0 DN150

PN1.0 DN150

PN1.0 DN100

PN1.0 DN100

4

ZH-50

PN1.0 DN200

PN1.0 DN200

PN1.0 DN150

PN1.0 DN150

5

ZH-80

PN1.0 DN250

PN1.0 DN250

PN1.0 DN150

PN1.0 DN150

4、设备附件:

 

ZH-10

ZH-20

ZH-35

ZH-50

ZH-80

压力表

Y-100, 100

P0.245  2.5

P0.245  2.5

P0.245  2.5

P0.245  2.5

P0.245  2.5

数量

1

1

1

1

1

压力表

Y-100, 100

P1.0    2.5

P1.0    2.5

P1.0    2.5

P1.0    2.5

P1.0    2.5

数量

1

1

1

1

1

截止阀

J11T-16

PN1.57   DN15

PN1.57   DN15

PN1.57   DN15

PN1.57   DN15

PN1.57   DN15

数量

2

2

2

2

2

5、订货注意事项:

a、订购设备时应在合同中注明是否需要配件,若未注明将视为不配附件,只供本体

b、表中所列参数只供参考,订货时可根据用户具体要求进行设计调整

换热器按传热方式的不同可分为混合式、蓄热式和间壁式三类。

  混合式换热器是通过冷、热流体的直接接触、混合进行热量交换的换热器,又称接触式换热器。由于两流体混合换热后必须及时分离,这类换热器适合于气、液两流体之间的换热。例如,化工厂和发电厂所用的凉水塔中,热水由上往下喷淋,而冷空气自下而上吸入,在填充物的水膜表面或飞沫及水滴表面,热水和冷空气相互接触进行换热,热水被冷却,冷空气被加热,然后依靠两流体本身的密度差得以及时分离。

  蓄热式换热器是利用冷、热流体交替流经蓄热室中的蓄热体(填料)表面,从而进行热量交换的换热器,如炼焦炉下方预热空气的蓄热室。这类换热器主要用于回收和利用高温废气的热量。以回收冷量为目的的同类设备称蓄冷器,多用于空气分离装置中。

  间壁式换热器的冷、热流体被固体间壁隔开,并通过间壁进行热量交换的换热器,因此又称表面式换热器,这类换热器应用最广。

  间壁式换热器根据传热面的结构不同可分为管式、板面式和其他型式。管式换热器以管子表面作为传热面,包括蛇管式换热器、套管式换热器和管壳式换热器等;板面式换热器以板面作为传热面,包括板式换热器、螺旋板换热器、板翅式换热器、板壳式换热器和伞板换热器等;其他型式换热器是为满足某些特殊要求而设计的换热器,如刮面式换热器、转盘式换热器和空气冷却器等。

  换热器中流体的相对流向一般有顺流和逆流两种。顺流时,入口处两流体的温差最大,并沿传热表面逐渐减小,至出口处温差为最小。逆流时,沿传热表面两流体的温差分布较均匀。在冷、热流体的进出口温度一定的条件下,当两种流体都无相变时,以逆流的平均温差最大顺流最小。

  在完成同样传热量的条件下,采用逆流可使平均温差增大,换热器的传热面积减小;若传热面积不变,采用逆流时可使加热或冷却流体的消耗量降低。前者可节省设备费,后者可节省操作费,故在设计或生产使用中应尽量采用逆流换热。

  当冷、热流体两者或其中一种有物相变化(沸腾或冷凝)时,由于相变时只放出或吸收汽化潜热,流体本身的温度并无变化,因此流体的进出口温度相等,这时两流体的温差就与流体的流向选择无关了。除顺流和逆流这两种流向外,还有错流和折流等流向。

  在传热过程中,降低间壁式换热器中的热阻,以提高传热系数是一个重要的问题。热阻主要来源于间壁两侧粘滞于传热面上的流体薄层(称为边界层),和换热器使用中在壁两侧形成的污垢层,金属壁的热阻相对较小。

  增加流体的流速和扰动性,可减薄边界层,降低热阻提高给热系数。但增加流体流速会使能量消耗增加,故设计时应在减小热阻和降低能耗之间作合理的协调。为了降低污垢的热阻,可设法延缓污垢的形成,并定期清洗传热面。

一般换热器都用金属材料制成,其中碳素钢和低合金钢大多用于制造中、低压换热器;不锈钢除主要用于不同的耐腐蚀条件外,奥氏体不锈钢还可作为耐高、低温的材料;铜、铝及其合金多用于制造低温换热器;镍合金则用于高温条件下;非金属材料除制作垫片零件外,有些已开始用于制作非金属材料的耐蚀换热器,如石墨换热器、氟塑料换热器和玻璃换热器等。

三、换热器(热交换器)的制造工艺

    1选取换热设备的制造材料及牌号,进行材料的化学成分检验,机械性能合格后,对钢板进行矫形,方法包括手工矫形,机械矫形及火焰矫形。

  备料--划线--切割--边缘加工(探伤)--成型--组对--焊接--焊接质量检验--组装焊接--压力试验

  2质量检验

  化工设备不仅在制造之前对原材料进行检验,而且在制造过程中要随时进行检查。

  质量检验内容和方法:

  设备制造过程中的检验,包括原材料的检验、工序间的检验及压力试验,具体内容如下:

  (1)原材料和设备零件尺寸和几何形状的检验;

  (2)原材料和焊缝的化学成分分析、力学性能分析试验、金相组织检验,总称为破坏试验;

  (3)原材料和焊缝内部缺陷的检验,其检验方法是无损检测,它包括:射线检测、超声波检测、磁粉检测、渗透检测等;

  (4)设备试压,包括:水压试验、介质试验、气密试验等。

  耐压试验和气密性试验:

  制造完工的换热器应对换热器管板的连接接头,管程和壳程进行耐压试验或增加气密性试验,耐压试验包括水压试验和气压试验。换热器一般进行水压试验,但由于结构或支撑原因,不能充灌液体或运行条件不允许残留试验液体时,可采用气压试验。

  如果介质毒性为极度,高度危害或管、壳程之间不允许有微量泄漏时,必须增加气密性试验。换热器压力试验的顺序如下:

  固定管板换热器先进行壳程试压,同时检查换热管与管板连接接头,然后进行管程试压;

  U形管式换热器、釜式重沸器(U形管束)及填料函式换热器先用试验压环进行壳程试压,同时检查接头,然后进行管程试压;

  浮头式换热器、釜式重沸器(浮头式管束)先用试验压环和浮头专用工具进行管头试压,对于釜式重沸器尚应配备管头试压专用壳体,然后进行管程试压,最后进行壳程试压;

  重叠换热器接头试压可单台进行,当各台换热器程间连通时,管程和壳程试压应在重叠组装后进行。

  3、安装:

  安装换热器的基础必须满足以使换热器不发生下沉,或使管道把过大的变形传到传热器的接管上。基础一般分为两种:一种为砖砌的鞍形基础,换热器上没有鞍式支座而直接放在鞍形基础上,换热器与基础不加固定,可以随着热膨胀的需要自由移动。另一种为混凝土基础,换热器通过鞍式支座由地脚螺栓将其与基础牢固的连接起来。

  在安装换热器之前应严格的进行基础质量的检查和验收工作,主要项目如下:基础表面概况;基础标高,平面位置,形状和主要尺寸以及预留孔是否符合实际要求;地脚螺栓的位置是否正确,螺纹情况是否良好,螺帽和垫圈是否齐全;放置垫铁的基础表面是否平整等。

  基础验收完毕后,在安装换热器之前在基础上放垫铁,安放垫铁处的基础表面必须铲平,使两者能很好的接触。垫铁厚度可以调整,使换热器能达到设计的水平高度。垫铁放置后可增加换热器在基础上的稳定性,并将其重量通过垫铁均匀地传递到基础上去。垫铁可分为平垫铁、斜垫铁和开口垫铁。其中,斜垫铁必须成对使用。地脚螺栓两侧均应有垫铁,垫铁的安装不应妨碍换热器的热膨胀。

  换热器就位后需用水平仪对换热器找平,这样可使各接管都能在不受力的情况下连接管道。找平后,斜垫铁可与芝座焊牢,但不得与下面的平垫铁或滑板焊死。当两个以上重叠式换热器安装时,应在下部换热器找正完毕,并且地脚螺栓充分固定后,再安装上部换热器。可抽管束换热器安装前应抽芯检查,清扫,抽管束时应注意保护密封面和折流板。移动和起吊管束时应将管束放置在专用的支承结构上,以避免损伤换热管。

  根据换热器的形式,应在换热器的两端留有足够的空间来满足条件(操作)清洗、维修的需要。浮头式换热器的固定头盖端应留有足够的空间以便能从壳体内抽出管束,外头盖端必须也留出一米以上的位置以便装拆外头盖和浮头盖。

固定管板式换热器的两端应留出足够的空间以便能抽出和更换管子。并且,用机械法清洗管内时。两端都可以对管子进行刷洗操作。U形管式换热器的固定头盖应留出足够的空间以便抽出管束,也可在其相对的一端留出足够的空间以便能拆卸壳体。 换热器不得在超过铭牌规定的条件下运行。应经常对管,壳程介质的温度及压降进行监督,分析换热管的泄漏和结垢情况。管壳式换热器就是利用管子使其内外的物料进行热交换、冷却、冷凝、加热及蒸发等过程,与其他设备相比较,其余腐蚀介质接触的表面积就显得非常大,发生腐蚀穿孔结合处松弛泄漏的危险性很高,因此对换热器的防腐蚀和防泄漏的方法也比其他设备要多加考虑,当换热器用蒸汽来加热或用水来冷却时,水中的溶解物在加热后,大部分溶解度都会有所提高,而硫酸钙类型的物质则几乎没有变化。冷却水经常循环使用,由于水的蒸发,使盐类浓缩,产生沉积或污垢。又因水中含有腐蚀性溶解气体及氯离子等引起设备腐蚀,腐蚀与结垢交替进行,激化了钢材的腐蚀。因此必须经过清洗来改善换热器的性能。由于清洗的困难程度是随着垢层厚度或沉积的增加而迅速增大的,所以清洗间隔时间不宜过长,应根据生产装置的特点,换热介质的性质,腐蚀速度及运行周期等情况定期进行检查,修理及清洗。

 

四、换热器(热交换器)的材料及防腐

换热器的可用材料牌号较多,选用换热器的材料一般考虑的因素主要从结构、制造工艺、强度、压力、介质、腐蚀、安全性能方面来考虑。材料选择不当将会造成安全性能下降或失效,寿命降低。经济、合理、安全将是设计者选用材料首要考虑的因素。近年来,大量研制成功的的新材料用于换热器中。一些进口材料的使用使换热器性能有显著提高(如1.25Cr0.5MoSi2.25Cr-1Mo等),给使用者带来了显著的经济效益。同时,在标准的更新中也淘汰了一些低性能,扩大了其使用场合。

(一)换热器的材料

材料一般分为金属材料和非金属材料,金属材料又分为黑色金属和有色金属。下面介绍几种常用材料的牌号及性能。

1、黑色金属材料

1)壳体用板材一般选用工艺性能良好、焊接性能好的镇静钢,如:Q235-BQ235-C20R,目前国内标准已取消Q235-AQ235-A.F沸腾钢。

2)锻件一般选用20锻件,35锻件很少使用,原因是可焊性较差、易产生裂纹。

3)管材一般选用102020G

2、低合金钢

   一般低合金钢分为碳钢和CrMo钢。CrMo钢主要优点是高温强度较好,并且具有高温相爱耐氢腐蚀性能,机械性能较好,无氢脆现象,韧性较好,焊接性能也较好。

1)壳体板材一般采用16MnR16MnRH15MnVR15CrMoR15CrMoRH18MnMoNbR1.25Cr0.5MoSi2.25Cr-1Mo

2)换热管一般选用16Mn15MnV12CrMo15CrMo12Cr2Mo1Cr5Mo12Cr1MoVG09Cr2A1MoV1.25Cr0.5MoSi2.25Cr-1Mo

3)锻件一般选用16Mn20MnMo15MnV20MnMoNb15CrMo35CrMo12Cr1Mo12Cr2Mo11Cr5Mo1.25Cr0.5MoSi2.25Cr-1Mo

3、低温用钢

   低温用钢一般指设计温度≤-20℃的钢材。高合金钢一般均可用于低温状态。低合金钢在低温状态下使用应具有良好的韧性,且金属组织稳定。

1)壳体用板材一般选用16MnDR09Mn2VDR07MnNiCrMoVDR09MnNiDR15MoNiDR

2)传热管一般选用16Mn09MnD

3)锻件选用16MnD09Mn2VD09MnNiD16MnMoD20MnMoD08MnNiCrMoD10Ni3MoVD

4、高合金钢

   高合金钢又分为马氏体不锈钢、铁素体不锈钢和奥氏体不锈钢。马氏体不锈钢对铁离子、亚硫酸气体、硫化氢和环烷酸具有抗腐蚀作用。但马氏体组织热处理有淬硬性、焊接性能较差、易产生裂纹。铁素体不锈钢对氧化性酸、硝酸、碱性溶液、无氯温水、苯和洗涤剂有良好的耐蚀性,但焊接性能差、易产生裂纹。奥氏体不锈钢有稳定的组织、有良好的耐蚀性,低温性能好,一般使用于-50~-196℃范围使用,用量较大。为此选用高合金钢应根据不同介质和温度,选用不同组织的不锈钢,一般选用牌号如下。

1)壳体板材选用0Cr13A10Cr130Cr18Ni90Cr18Ni10Ti0Cr17Ni14Mo20Cr18Ni12Mo2Ti0Cr19Ni13Mo300Cr19Ni1000Cr17Ni14Mo200Cr19Ni13Mo300Cr18Ni5Mo3Si2

2)传热管选用0Cr130Cr18Ni90Cr18Ni10Ti0Cr17Ni12Mo20Cr18Ni12Mo2Ti0Cr19Ni13Mo300Cr19Ni1000Cr17Ni14Mo200Cr19Ni13Mo3

3)锻件选用0Cr130Cr18Ni90Cr18Ni10Ti0Cr17Ni14Mo200Cr19Ni1000Cr17Ni14Mo200Cr18Ni5Mo3Si2

5、有色金属及合金

1)铜及铜合金

     铜又分为紫铜和黄铜(也称为海军铜),由于具有良好的导热性、塑性好,低温冲击韧性好,在深冷中应用较多。紫铜在空气预热器中使用较多。黄铜在稀硫酸、亚硫酸、中等浓度的盐酸、醋酸、氢氟酸、苯性碱中抗腐蚀良好,因此,海水冷却器中应用较普遍。

     海军铜牌号一般为H62H65H70-1H70Sn-1

2)铝及合金

     铝在大气中形成致密的氧化保护膜,故在中性溶液、弱酸中稳定性良好,铝镁合金在海水冷却器中使用有良好的抗蚀性。

3)镍及合金

     镍有很高的强度和韧性,在碱及碱液中形成氧化膜而具有良好的抗腐蚀性能,在盐酸、氯气、有机酸中耐腐蚀性较好,抗高温可达900.

6、稀有金属

   钛、钽和锆及其合金具有很强的耐腐蚀性,但价格昂贵,使用量很小。目前常减压装置常压塔顶冷却器和空冷器对钛使用较多,以延长设备寿命。

7、非金属材料

   用来制造换热器的非金属材料主要有石墨、玻璃钢、陶瓷纤维复合材料、氟塑料等。非金属材料主要用于强腐蚀介质的场合,如有硝酸、浓硫酸、盐酸、苛性碱、过氧化物等介质的场合。由于管壁热阻较高,所以传热效率较低,且强底低,耐温耐压低,抗冲击性能也较差。

(二)换热器的防腐

     换热器使用量大、包括在新建项目、改造项目、更新项目中的使用。而在更新项目中,主要是对损坏的换热器进行更换。损坏的原因一般有腐蚀造成,据统计,大概占有90%以上。全国每年由于腐蚀更换的换热器投资约20亿美元,为此防腐成为技术发展的重点。近年来防腐研究经费投入很大,但技术发展缓慢,效果不明显。由于石油工业中的原油开采已进入中后期,石油中含酸值逐年增加,腐蚀逐年加重。再则中东含酸原油进口量猛增,设备防腐的投资也越来越大。因此,抗腐蚀材料及防腐措施尤为重要。目前,换热器防腐有如下几种措施。

1、防腐涂层    一般采用非金属涂层,常用的水冷器有防腐、防垢涂料847901,还有Ni-P镀,但在油气系统使用较多的是涂陶瓷,现场证明效果较好。但由于换热管一般可达6m长,在长度上涂均匀很难做到。如果有一个点状缺陷没涂到腐蚀将会加剧,所以涂均匀是控制质量的重要因素。

2、金属涂层    一般有镀Ni、镀Ti、镀铜等,工艺效果虽好,但造价昂贵是阻碍使用的障碍。

3、金属堆焊    一般采用碳钢、CrMo钢堆焊不锈钢较多,用来抗硫化氧和酸腐蚀。该方法造价较低,效果很好,一般化肥、乙烯、炼油中加氢、重整、预加氢使用很多。另外,还有复合板、双向钢管用量也较大,效果较好。

4、缓蚀剂      目前炼油装置、化工装置多采用一脱四注的方式较多,效果也较明显。国外也有露点腐蚀处注水的方式,控制露点腐蚀。

虽然采用了很多措施,但多数场合收效不大,目前已趋于使用稀有金属,提高腐蚀技术将是新世纪的关键课题。

 

五、热管问题在热管换热器应用中分析及对策 

 

热管换热器的核心元件是热管。热管是一种新型相变高效传热元件,其独特的传热特性引起了人们的极大兴趣,应用领域从空间扩大到地面,从工业扩展到民用。然而,在热管技术蓬勃发展的今天,其在工业应用中仍然存在一些问题,会限制热管技术的使用和深入发展。笔者对这些问题进行了研究,并提出了合理的解 早期的热管研究人员就注意到了管壳材料与工质的化学相容性问题,早期工业应用的热管一般采用铜材管壁或钢铜复合管,产品成本很高,限制了热管技术在工业上的广泛应用。钢水热管以其成本低、强度高、制造工艺简单及适应温度范围广得到了大家的认同,在工业上得到广泛的应用,然而钢 水热管的使用寿命不足0.5,无法满足工业应用的要求。通过多年的研究人们认识到, 水热管中存在着化学反应和电化学反应,这是一种不可避免也不可能消除的金属腐蚀过程,只能抑制或延缓,因此, 水热管相容性问题的对策只能是延长热管的使用寿命。  
   
由于管材与工质的化学不相容性,使得钢 水热管内部发生腐蚀产生不凝气体氢气。氢气越多,换热效果越不好,氢气积聚到一定程度可以使热管完全丧失传热功能。 气相换热的热管换热器热管外都采用加肋强化传热,翅片形式多选用穿片或螺旋形缠绕片,这些翅片结构紧凑,肋化比高,效果明显,但缺点是极易积灰结垢。对于高粉尘流体,即使翅片间距取1220mm,在某些情况下也会出现严重积灰。对于高含尘流体,目前趋向于选择以下2种结构。  
    
 (1)轴对称单列纵向直肋翅片 该翅片结构简单,制作方便,相对肋化比低,不易积灰。如果将翅片做成不等高,即降低背后翅片高度,可进一步减少积灰。目前此结构的热管换热器已投入工业应用效果较好。 
  
  (2)钉头管 钉头管作为换热设备的传热元件一般多用于粘结性积灰部位。例如,在燃油加热炉的对流室中,为了减少热管换热器的积灰堵塞,将钉头管制成的热管空气预热器用于以高含硫油为燃料的常减压加热炉中,投用多年无积灰堵塞现象。 

 

 
 

 

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