列管式换热器

　　在化工企业中列管式换热器的类型很多，如板式，套管式，蜗壳式，列管式。其中列管式换热器虽在热效率、紧凑性、金属消耗量等方面均不如板式换热器，但它却具有结构坚固、可靠程度高、适应性强、材料范围广等特点，因此成为石油、化工生产中，尤其是高温、高压和大型换热器的主要结构形式。列管式换热器主要有固定管板式换热器、浮头式换热器、填函式换热器和U型管式换热器，而其中固定管板式换热器由于结构简单，造价低，因此应用最普遍。

　　固定管板式换热器

　　这类换热器操作简单、便宜。最大的缺点是管外侧清洗困难，因而多用于壳侧流体清洁，不易结垢或污垢容易化学处理的场合。当壳壁与壳壁温度相差较大时，由于两者的热膨胀不同，产生了很大的温差应力，以致管子扭弯或使管子从管板上松脱，甚至毁坏整个换热器，因此，一般管壁与壳壁温度相差50℃以上时，换热器应有温差补偿装置，图为具有温差补偿圈(或称膨胀节)的固定管板式换热器。一般这种装置只能用在壳壁与管壁温差低于60~70℃和壳程流体压强不高的情况。壳程压强超过6×105Pa时，由于补偿圈过厚，难以伸缩，失去温差补偿作用，就应考虑采用其他结构。

　　完善的换热器在设计和选型时应满足以下各项基本要求：

　　(1)合理地实现所规定的工艺条件：可以从：①增大传热系数②提高平均温差③妥善布置传热面等三个方面具体着手。

　　(2)安全可靠 换热器是压力容器，在进行强度、刚度、温差应力以及疲劳寿命计算时，应

　　遵循我国《钢制石油化工压力容器设计规定》和《钢制管壳式换热器设计规定》等有关规定与标准。

　　(3)有利于安装操作与维修 直立设备的安装费往往低于水平或倾斜的设备。设备与部件应便于运输与拆卸，在厂房移动时不会受到楼梯、梁、柱的妨碍，根据需要可添置气、液排放口，检查孔与敷设保温层。

　　(4)经济合理 评价换热器的最终指标是：在一定时间内(通常1年内的)固定费用(设备的购置费、安装费等)与操作费(动力费、清洗费、维修费)等的总和为最小。在设计或选型时，如果有几种换热器都能完成生产任务的需要，这一标准就尤为重要了。

　　一、板式换热器优化设计方向

　　板式换热器技术日益幼稚，近年来。其传热效率高，体积小，重量轻，污垢系数低，装配方便，板片品种多，适用范围广，供热行业得到广泛应用。板式换热器按组装方式分为可拆式、焊接式、钎焊式、板壳式等。由于可拆式板式换热器便于装配清洗，增减换热器面积灵活，供热工程中使用较多。可拆式板式换热器受橡胶密封垫耐热温度的限制，适用于水一水传热。本文对提高可拆式板式换热器效能的优化设计进行研究。

　　应通过技术经济比拟后确定。提高换热器的传热效率和降低换热器的阻力应同时考虑，提高板式换热器的效能是一个综合经济效益问题。而且应合理选用板片材质和橡胶密封垫材质及安装方法，保证设备平安运行，延长设备使用寿命。

　　二、板式换热器优化设计方法

　　2.1提高传热效率

　　冷热流体通过换热器板片传热，板式换热器是问壁传热式换热器。流体与板片直接接触，传热方式为热传导和对流传热。提高板式换热器传热效率的关键是提高传热系数和对数平均温差。

　　减小污垢层热阻:① 提高换热器传热系数只有同时提高板片冷热两侧的外表传热系数。选用热导率高的板片，减小板片的厚度，才有效提高换热器的传热系数。

　　a.提高板片的外表传热系数

　　外表传热系数与板片波纹的几何结构以及介质的流动状态有关。板片的波形包括人字形、平直形、球形等。经过多年的研究和实验发现，由于板式换热器的波纹能使流体在较小的流速下产生湍流 雷诺数一 150时 因此能获得较高的外表传热系数。波纹断面形状为三角形 正弦形外表传热系数最大，压力降较小，受压时应力分布均匀，但加工困难,人字形板片具有较高的外表传热系数，且波纹的夹角越大，板间流道内介质流速越高，外表传热系数越大。

　　b.减小污垢层热阻

　　传热系数降低约 10%因此，减小换热器的污垢层热阻的关键是防止板片结垢。板片结垢厚度为 1mm时。必需注意监测换热器冷热两侧的水质，防止板片结垢，并防止水中杂物附着在板片上。有些供热单位为防止盗水及钢件腐蚀，供热介质中添加药剂，因此必需注意水质和黏 剂引起杂物沾污换热器板片。如果水中有黏性杂物，应采用专用过滤器进行处理。选用药剂时，宜选择无黏性的药剂。

　　c.选用热导率高的板片

　　热导率约 14. 4W/mK强度高，板片材质可选择奥氏体不锈钢、钛合金、铜合金等。不锈钢的导热性能好。冲压性能好，不易被氧化，价格比钛合金和铜合金低，供热工程中使用最多，但其耐氯离子腐蚀的能力差。

　　d.减小板片厚度

　　与换热器的承压能力有关。板片加厚，板片的设计厚度与其耐腐蚀性能无关。能提高换热器的承压能力。采用人字形板片组合时，相邻板片互相倒置，波纹相互接触，形成了密度大、分布均匀的支点，板片角孑 L及边缘密封结构已逐步完善，使换热器具有很好的承压能力。国产可拆式板式换热器最大承压能力已达到2.5MPa板片厚度对传热系数影响很大，厚度减小 0.1mm对称型板式换热器的总传热系数约增加 600W/mK非对称型约增加 500W/mK¨ 满足换热器承压能力的前提下，应尽量选用较小的板片厚度。

　　② 提高对数平均温差

　　逆流时对数平均温差最大，板式换热器流型有逆流、顺流和混合流型 既有逆流又有顺流 相同工况下。顺流时最小，混合流型介于二者之问。提高换热器对数平均温差的方法为尽可能采用逆流或接近逆流的混合流型，尽可能提高热侧流体的温度，降低冷侧流体的温度。

　　③ 进出口管位置的确定

　　为检修方便，对于单流程布置的板式换热器。流体进出口管应尽可能安排在换热器固定端板一侧。介质的温差越大，流体的自然对流越强，形成的滞留带的影响越明显，因此介质进出口位置应按热流体上进下出，冷流体下进上出布置，以减小滞留带的影响，提高传热效率。

　　2. 2降低换热器阻力的方法

　　可提高传热系数，提高板问流道内介质的平均流速。减小换热器面积。但提高流速，将加大换热器的阻力，提高循环泵的耗电量和设备造价。循环泵的功耗与介质流速的3次方成正比，通过提高流速获得稍高的传热系数不经济。当冷热介质流量比拟大时，可采用以下方法降低换热器的阻力，并保证有较高的传热系数。

　　① 采用热混合板

　　板片按人字形波纹的夹角分为硬板 H和软板 L夹角 一般为 120左右 大于 90为硬板，热混合板的板片两面波纹几何结构相同。夹角 一般为 70左右 小于 90为软板。热混合板硬板的外表传热系数高，流体阻力大，软板则相反。硬板和软板进行组合，可组成高 HH中 HL低 LL3种特性的流道，满足不同工况的需求。

　　采用热混合板比采用对称型单流程的换热器可减少板片面积。热混合板冷热两侧的角孔直径通常相等，冷热介质流量比拟大时。冷热介质流量比过大时，冷介质一侧的角孑 L压力损失很大。另外，热混合板设计技术难以实现精确匹配，往往导致节省板片面积有限。因此，冷热介质流量比过大时不宜采用热混合板。

　　② 采用非对称型板式换热器

　　形成冷热流道流通截面积相等的板式换热器。非对称型 不等截面积型 板式换热器根据冷热流体的传热特性和压力降要求，对称型板式换热器由板片两面波纹几何结构相同的板片组成。改变板片两面波形几何结构，形成冷热流道流通截面积不等的板式换热器，宽流道一侧的角孑 L直径较大。非对称型板式换热器的传热系数下降微小，且压力降大幅减小。冷热介质流量比拟大时，采用非对称型单流程比采用对称型单流程的换热器可减少板片面积 15%一 3O%

　　③ 采用多流程组合

　　可以采用多流程组合安排，当冷热介质流量较大时。小流量一侧采用较多的流程，以提高流速，获得较高的传热系数。大流量一侧采用较少的流程，以降低换热器阻力。多流程组合呈现混合流型，平均传热温差稍低。采用多流程组合的板式换热器的固定端板和活动端板均有接管，检修时工作量大。

　　④ 设换热器旁通管

　　可在大流量一侧换热器进出口之问设旁通管，当冷热介质流量比拟大时。减少进入换热器流量，降低阻力。为便于调节，旁通管上应装置调节阀。该方式应采用逆流安排，使冷介质出换热器的温度较高，保证换热器入口合流后的冷介质温度能达到设计要求。设换热器旁通管可保证换热器有较高的传热系数，降低换热器阻力，但调节略繁。

　　⑤ 板式换热器形式的选择

　　阻力以不大于 100kPa为宜。根据不同冷热介质流量比，换热器板间流道内介质平均流速以 0. 30. 6ms为宜。可参照表 1选用不同形式的板式换热器，表中非对称型板式换热器流道截面积比为 2采用对称型或非对称型、单流程或多流程板式换热器，均可设置换热器旁通管，但应经详细的热力计算。

　　2. 3橡胶密封垫材质及安装方式

　　① 材质的选择

　　冷热介质对橡胶密封垫均无腐蚀性。选用橡胶密封垫材质的关键是耐温和密封性能，水一水换热器中。橡胶密封垫材质可按文献选用。

　　② 装置方式的选择

　　将橡胶密封垫用胶水粘接在板片密封槽内。卡扣式是换热器组装时，橡胶密封垫常用装置方式为粘接式、卡扣式。粘接式是换热器组装时。利用橡胶密封垫和板片边缘的卡扣结构，将橡胶密封垫固定在板片密封槽内。由于卡扣式装置工作量很小，换热器装配时橡胶密封垫损坏率低，而且不存在胶水中可能含有的氯离子造成对板片的腐蚀，因此使用较多。

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