空冷式换热器结构

1.热交换器：在工程中，将某种流体的热量以一定的传热方式传递给其他流体的设备。

在这种设备内，至少有两种温度不同的流体参与传热。

一种流体温度较高，放出热量;另一种流体温度较低，吸收热量。

2.热交换器按热流体与冷流体的流动方向分：顺流式、逆流式、错流式、混流式3.热交换器按照传送热量的方法分为：间壁式、混合式、蓄热式。

间壁式是最常见的热交换器。

4.热交换器热计算的类型：设计性热计算、校核性热计算5.热容量：W=Mc，代表流体的温度每改变1摄氏度时所需的热量。

6.温度效率P：冷流体的实际吸热量与最大可能的吸热量的比率。

7.修正系数ψ值总是小于或等于1的。

最好使大于0.9，若小于0.75认为不合理8.传热有效度ε：实际传热量Q与最大可能传热量Qmax之比。

ε=Q/Qmax9.在同样的传热单元数时，逆流热交换器的传热有效度总是大于顺流的，且随传热单元数的增加而增加，在顺流热交换器中则与此相反，其传热有效度一般随传热单元数的增加而趋于定值10.工业上的热交换器，流体流动方向多为逆流。

当流体温度高，有化学变化时用顺流11.管壳式热交换器的类型：固定管板式、U型管式、浮头式、填料函式。

12.管子在管板上的固定方法：胀管式、焊接式13.管子排列方式有：等边三角形排列法、同心圆排列法、正方形排列法14.隔板或折流板的作用：为了提高流体的流速和湍流程度，强化壳程流体的传热15.挡管和旁路挡板的作用及安装原因：若在参与换热的流体中，有一部分流体从主流体旁路流出去，例如在浮头式热交换器，由于安装浮头法兰的需要，圆筒内有一圈较大的没有排列管子的间隙，因而促使部分流体由此间隙短路而过，则主流速度及其换热系数都将下降。

而旁路流体未经换热就到达出口处，与主流混合必使流体出口温度达不到预期的数值。

挡管和旁路挡板就是为了防止流体短路而设立的构件。

16.管程数易取偶数，以使流体的进、出口连接管做在同一封头管箱上，便于制造。

17.确定传热系数的三种方法：选用经验数据、实验测定、通过计算18.廷克壳侧流体流动模型，将壳侧流体分为错流、漏流及旁流等几种流路。

换热器设计：一：确定设计方案：1、选择换热器的类型两流体温度变化情况，热流体进口温度130°C，出口温度80°C；冷流体进口温度40°C，出口温度65°C。

该换热器用自来水冷却柴油，油品压力0.9MP，考虑到流体温差较大以及壳程压强0.9MP，初步确定为浮头式的列管式换热器。

2、流动空间及流速的确定由于冷却水容易结垢，为便于清洗，应使水走管程，柴油走壳程。

从热交换角度，柴油走壳程可以与空气进行热交换，增大传热强度。

选用Φ25×2.5 mm的10号碳钢管。

二、确定物性数据定性温度:可取流体进口温度的平均值。

壳程柴油的定性温度为T1=130°C，T2=80°C，t1=40°C，t2=65°CT=(130+80)/2=105(°C)管程水的定性温度为t=(40+65)/2=52.5(°C)已知壳程和管程流体的有关物性数据柴油105°C下的有关物性数据如下:ρ=840 kg/m3密度定压比热容C o=2.15 kJ/（kg·k）导热系数λo=0.122 W/(m·k)粘度µo=6.7×10-4N·s/m2水52.5°C的有关物性数据如下：ρ=988 kg/m3密度iC=4.175 kJ/（kg·k）定压比热容iλ=0.65 W/(m·k)导热系数i粘度 µi =4.9×10-4 N·s/m 2三、计算总传热系数1.热流量m 0=95000(kg/h)Q 0= m 0C o Δt o =95000×2.15×(130-80)=10212500kJ/h=2836.8(kw) 2.平均传热温差m t '∆=(Δt 1-Δt 2 )/ln (Δt 1/Δt 2)=[(130-65)-(80-40)]/ln[(130-65)/(80-40)]=51.5(°C) 其中Δt 1=T 1-t 2，Δt 2=T 2-t 1。

第四章换热器4.1概述制氧机的换热器很多。

空气在压缩过程中，为了提高等温效率就需要机壳冷却、级间冷却器、空气液化循环中需设置主换热器。

空分装置的保冷箱中有液化器、过冷器以及精馏系统的主冷凝蒸发器等。

它们的性能直接影响制氧机的经济指标，其可靠性关系着制氧机的安全运行状况。

4.2换热器分类4.2.1换热器原理可分为三大类：1、混合式换热器。

冷、热流体通过直接接触进行热量交换，故亦称直接接触式换热器.如水冷塔、空冷塔。

2、蓄热式换热器。

冷、热流体交替通过传热表面。

当冷流体通过时将冷量（或热量）贮存起来，而后热流体（或冷流体）再将冷量取走。

如蓄冷器。

3、间壁式换热器（亦称间接式换热器）。

冷、热流体被固体传热表面隔开，而热量的传递通过固体传热面而进行。

此类换热器应用十分普遍,在空分装置中所应用的换热器多属于此种类型。

间壁式换热器按其传热面的结构又分为：管式换热器、板式换热器、板翅式换热器等。

4.2.2换热器根据流体状态变化可分为三种：1、传热双方都没有相变。

例如蓄冷器（或可逆式换热器）中是气体与气体之间的传热。

过冷器是气体与液体间的传热。

2、仅有一侧发生相变。

例如液化器是气体与冷凝气体之间的传热。

饱和空气在液化器中放出热量后部分变成液体。

3、传热双方都有相变。

如主冷凝器和辅助冷凝器中气氮放出热量冷凝成液氮、液氧吸收热量蒸发为气氧。

4.3换热器的结构形式及工作原理4.3.1空冷塔的作用及工作原理为了使冷却水与空气充分接触，充分混合，以增大传热面积，强化传热通常采用的是“填料塔”或“筛板塔”。

也有用空心喷淋塔的。

目前我国大型空分设备的空气冷却塔主要采用上段为填料塔，装新型塑料环，下段为筛板塔取得了较好的效果。

顶部的传热温差只有0.5℃，并彻底解决了结垢问题。

其次，在空气冷却塔中，空气和水直接接触，既换热又受到了洗涤，能够清除空气中的灰尘，溶解一些有腐蚀性的杂质气体如H 2S、SO 2、SO 3等，避免板翅式换热器铝合金材质的腐蚀，延长使用寿命。

浅谈换热器设计的一些结构和强度问题雷　勇 余子豪　中国成达工程有限公司　成都　６１００４１摘要　本文结合标准对换热器的部分常见设计问题（例如防短路挡板的设置位置、防冲板的设置条件、换热器进出口的流通面积计算以及法兰的设计等）进行分析总结，给换热器的工程设计提供一定参考。

关键词　压力容器　换热器　结构设计　强度计算雷勇：高级工程师。

２００３年毕业于南京工业大学过程装备与控制工程专业。

主要从事压力容器设计工作。

联系电话：０２８ ６５５３０５２３，Ｅ ｍａｉｌ：ｌｅｉｙｏｎｇ＠ｃｈｅｎｇｄａ ｃｏｍ。

《热交换器》ＧＢ／Ｔ１５１－２０１４［１］是管壳式换热器的设计、制造、检验等方面的通用标准。

本文针对运用该标准进行换热器设计时遇到的部分常见问题进行分析总结，给换热器的工程设计提供一定的参考。

１　防短路结构根据ＧＢ／Ｔ１５１－２０１４要求，短路宽度超过１６ｍｍ时应设置防短路结构，折流板缺口间距小于６个管心距时设置一对旁路挡板，超过６个管心距时每５～７个管心距增设一对旁路挡板；分程隔板槽背面或Ｕ形管式换热器管束中间每隔４～６个管心距设置１根挡管。

为起到防短路的作用，以上挡板均应设置在折流板重叠区，见图１；不应设置在折流板缺口区，见图２。

２　防冲板设置防冲板的作用是防止进入换热器的流体对换热管直接产生冲蚀、腐蚀作用。

通常气液混合物的冲蚀能力比气体或液体的冲蚀能力更强，在气液混合物中，气体的流速比较快，液滴夹杂在气体里对于设备表面冲击力就比较大［２］。

对金属表面产生的磨蚀通常来自于液体或者夹杂着固体的气固混合物。

由于腐蚀流体和金属表面间的相对运动，引起金属的加速破坏或腐蚀，这类腐蚀常与金属表面上的湍流强度有关。

湍流使金属表面液体的搅动比层流时更为剧烈，使金属与介质的接触更为频繁，故通常叫做湍流腐蚀。

湍流腐蚀实际上是一种机械磨耗和腐蚀共同作用的结果［３］。

图１　旁路挡板设在折流板重叠区图２　旁路挡板设在折流板缺口区磨蚀的外表特征是槽、沟、波纹、圆孔和山谷形，还常常显示有方向性。

表面式蒸发空气冷却器的研究现状摘要：蒸发式空气冷却器将管式换热器与空气冷却塔合为一体，利用管外水膜的蒸发及与空气换热带走热量，能显著提高管外传热强度。

与传统的水冷式和风冷式换热器相比，其结构紧凑，占地面积小，传热效率高，节水节能，操作稳定，在石油化工、电力、冶金等行业具有广阔的应用前景。

关键词：蒸发式空气冷却器；干式；湿式；前言：表面蒸发式空冷器是由光管组成的一种空冷装置。

它的主要原理是利用冷却水显热和管束外水膜的蒸发（汽化潜热）换热带走大量热量，借以把管内流体的温度降低到接近大气温度或低于大气温度。

1.蒸发式空气冷却器的特点1.1蒸发式空气冷却器的结构特点它在结构方面具有以下特点：管式换热器与冷却塔组装在一起，不再单独设置循环冷却水系统，占地面积大大减少，结构十分紧凑；换热盘管采用光管，设备一次性费用大大降低；属空冷器范畴，具有操作费用低的优点；循环冷却水在装置中循环使用，大大节约了水量，且封闭性很强，因此没有污染；盘管使用光管，空气在里面通过阻力比较小，因此风机所需要的功率就随之降低；循环水喷洒在盘管管束上，有利于减缓盘管的结垢，提高盘管传热效率，从而也降低了操作工的维护强度和设备的维修费用。

1.2蒸发式空气冷却器的传热特点表面蒸发式空冷器一般不适用于高温物流的冷却与冷凝,只适用于低温工艺物流的冷却与冷凝，一般要求温度低于80℃，高温物流需要设置预冷管束，对于低温工艺物流可冷却到接近环境湿球温度（40℃以下）。

表面蒸发式空冷器利用冷却水与空气显热和管束外水膜的蒸发（汽化潜热）换热带走热量，由于水有很高的汽化潜热，能极大地强化管外传热强度，比起干式和湿式空冷器，其总体传热效率要大得多。

蒸发空冷的冷却好坏与空气被增湿降温的程度密切相关，空气被增湿降温的越好，空冷器冷却效果就越好，并且热物流可以被冷却到低于环境温度。

2.蒸发式空气冷却器的应用表面蒸发式空冷器之所以能够慢慢取代传统的干式空冷器和湿式空冷器，原因不仅体现在其投资较少、节省空间、操作稳定和维护方便，而且更大的优势是体现在节能节水方面。

三、高压空冷器（一）高压空冷器的工作特长和材料选择（1）高压空冷器的作用及工作环境特点加氢的反应产物从反应器流出后经3－5台高压换热器换热后到达高压空冷器，在此被进一步冷却，使温度降低到50℃左右。

然后进入高压分离器进行气液分离。

高压空冷器的工作特点是：正常操作时温度不高（200℃以下），但遇紧急放空时，会有大量未经充分换热的高温气体（＞200℃）在短时间内通过空冷器。

因此要求空冷器翅片管具有良好的抗冲击性能。

（2）高压空冷器的材料选择介质进入空冷器时温度一般已降到200℃以下。

在这一温度下，氢气对一般碳钢已无明显腐蚀作用，所以大部分高压空冷器的管束用材均为碳钢。

氢腐蚀是氢气在高温下对钢材造成损伤的长期累积过程。

因此即使有短时的高温（＞红D℃）油气通过空冷器（紧急放空时），也不会对碳钢管束造成威胁。

但也有些加氢流程会出现一些中温操作的空冷器，其正常操作温度大于240℃。

此时碳钢已不能抵抗氢腐蚀。

因而应选取抗氢腐蚀性更好的CrMo钢来制作管箱和基管。

但对在苛刻工况下的空冷器管箱和换热管，也有些国外公司采用双相不锈钢或Incolloy825等耐腐蚀性更强的材料。

（二）空冷器翅片管的特点及适用范围五种典型的翅片管见图5－4－6所示。

由于这五种翅片管的加工方式不同，使翅片与基管的贴紧程度不同，造成间隙热阻不同，抵抗热疲劳的能力也就不同，最终是长周期运行后的传热性能下降程度有所不同。

为了使翅片管长期使用后仍能保持较好的传热性能，各国规范都对不同种翅片管的使用温度上限作出了规定。

我国“空冷式换热器”标准GB 15386中规定的翅片管最高使用温度见表5－4－3。

表5－4－3各种形式翅片管的最高使用温度所谓热疲劳就是我们经常看到的翅片松脱于基管。

空冷器的翅片是为了加大传热管的外表面积而设臵的。

采用铝作翅片是因为铝的传热性能好，且具有良好的延展性，便于加工成型。

顾名思义，缠绕式翅片管就是将铝翅片缠绕在钢管外面。

为了进一步加强铝翅片与基管的贴紧度而在缠绕的铝翅片根部挤压滚花，就形成了滚花缠绕式翅片管（KL型）。