三种换热器的比较文献综述

吉林化工学院本科毕业设计文献综述

- 1 - 三种常用换热器的比较

摘要:文中对管壳式换热器、板式换热器和板壳式换热器从结构和性能方面进行了简单比较,结果表明:板壳式换热器结合了管壳式换热器高温高压和板式换热器结构紧凑及传热系数高等优点,更具应用前景。

Abstract：both character media pair transistor shelltype heat exchanger, plate-type heat

exchanger and lamella heat exchanger from structure AND performance aspect proceed know

clearly simplicity COMPare, both proven: lamella heat exchanger incorporation know clearly

shell and tube exchanger HTHP and plate-type heat exchanger compact conformation and/or

coefficient of thermal transmission altitude merit, still tool potential application

关键词:管壳式换热器;板式换热器;板壳式换热器

Keyword：shell and tube exchanger; plate-type heat exchanger; lamella heat exchanger

管壳式换热器是目前化工生产上应用最为广泛的一种换热器。它的主要优点是单位体积所具有的传热面积(40～150 m2Pm3 ) 大且传热效果好。此外,结构简单,制造材料也较为广泛,适应性强,尤其是在高温、高压和大型装置中采用更为普遍。板式换热器是一种新型换热器,它的主要优点是结构紧凑,单位容积所提供的传热面积(250～1 000 m2 /

m3 ) 大、材料耗量少、传热系数大,可以任意增减板数以调整

传热面积,另外检修、清洗都很方便,其使用范围日益扩大[1 ] 。板壳式换热器是集板式换热器和管壳式换热器优点于一身的新型换热设备,具有传热效率高、承压耐热及耐腐蚀能力强、密封性能好、安全可靠、结构紧凑、成本较低等优点。本文就结构及性能方面对三种换热器进行比较。

1 总体结构

111 管壳式换热器

管壳式换热器又称列管式换热器,主要由壳体、管束、管板(又称花板) 和封头等部件组成。管壳式换热器的管子是传热元件,管子尺寸的大小对传热有很大的影响。传热管在壳体内有不同的排列方式(有正三角形和正方形排列) 。传热管两端通过焊接或胀接固定在管板上,管板分别焊在外壳的两端,即管板与壳体是刚性连接。沿着管长方向,常常装有一系列垂直于管束的挡板,即折流板。换热器进行换热时,一种流体由连接在管板上的封头的进口管进入,通过平行管束的管内,从另一端封头出口接管流出,称为管程。另一种流体则由壳体的接管进入,在壳体与管束间的空隙处流过,而由另一接管流出,称为壳程。管束的表面积即为传热面积。流体一次通过管程的称为单管程,一次通过壳程的称为单壳程。换热管束可根据需要做成单程、双程或多程[2 ] 。

112 板式换热器 吉林化工学院本科毕业设计文献综述

- 2 - 板式换热器的结构比较简单,它由板片、密封垫片、固定压紧板、活动压紧板、压紧螺柱和螺母、上下导杆、前支柱等零部件组成。压紧板、导杆、压紧装置、前支柱统称为板式换热器的框架。按一定规律排列的所有板片,称为板束。其零部件之少,通用性之高,是任何换热器所不能比拟的。密封垫片粘贴在板片的垫片槽内。粘贴好垫片的板片,按一定的顺序置于固定压紧板和活动压紧板之间,用压紧螺柱将固定压紧板、板片和活动压紧板夹紧。板片被叠压在一起时,板片角隅处的孔形成连续通道或导管,使介质从进口进入板叠,并分布到板片的狭窄道中。因为板片上的密封垫的排列及板片按“A”板和“B”板交替排列,故两种介质交替进入狭窄通道。例如热介质在奇数通道之间,而冷介质在偶数通道之间,从而板片使这两种介质隔开。在大多数情况下,介质按逆向流动。在通过设备流动过程中,较热的介质将一定的热能给予板片,板片立即释放热能,将它传给另一侧较冷的介质。较热的介质温度降低,而较冷的介质温度升高[3 ] 。

板片是板式换热器的核心元件,冷、热流体的换热都发生在板片上,所以它是传热元件,另外它又承受两侧的压力差。板片按波纹的几何形状分有水平平直波纹、人字形波纹、斜波纹等类型。垫片是板式换热器另一个关键的零件。板式换热器的工作温度实质上就是垫片能承受的温度,板式换热器的工作压力也相当程度上受到垫片的制约。板片很薄、刚性差,只能采用弹性材料制作的密封垫片,从板式换热器结构分析,密封周边的长度是换热面积的6～8 倍,超过了任何其他类型的换热器。

113 板壳式换热器

板壳式换热器介于管壳式和板式换热器之间,具有两种换热器的综合优点,国外称为“膜式”或“薄片式”换热器。自1981 年第一台波纹板壳式换热器在法国ELF 石油公司Danges 炼油厂投入使用以来,欧美等发达国家竞相开发研制。板壳式换热器由压力容器外壳与传热板束两部分组成。板壳式换热器的壳体外形与管壳式换热器类似,外壳承受操作介质压力,但没有管壳式换热器上常用的设备大法兰。传热板束由数百个不锈钢波纹板片两两正反焊接而成,悬挂于壳体中。冷流体由设备底部进入板束板程,由设备顶部流出。热流体由设备上侧进入板束壳程,由设备下侧流出两流体在板束中呈全逆流换热。板片流道设计成波纹状,相邻板片走向相反,板片间相互交叉的波纹顶端形成接触点,用以承受冷热流体换热介质的压差。板片流道可根据操作要求和介质的性质,设计成各种当量直径和形状。单台换热面积一般大于800 m2 ,最大已达15 000 m2 。大型板壳式换热器板片单板尺寸大,最大达10 000 mm ×1 200 mm[4 ] ,当板片单片面积达到10 m2 以上时,采用水下爆炸成型[5 ] 。

2 性能特点

211 传热性能 吉林化工学院本科毕业设计文献综述

- 3 - 板式换热器有较高的传热系数,一般可达12 560～20 934 KJ / m21h·℃[6 ] 。一般情况下,板式换热器总传热系数比管壳式换热器大3～5 倍以上;在相同换热面积时板式换热器流通面积比管壳式换热器大5 倍,压降小;最小传热温差:列管式换热器为3～5 ℃,板式换热器为1～3 ℃。板壳式换热器中的流体流动形式与板式换热器相似,在波纹状通道中流动的流体受到强烈扰动,临界雷诺数只有20～50[7 ] ,在很低的流速下就能达到湍流状态,并且可实现纯逆流换热,所以具有很高的传热效率及热回收率。

212 占地面积及重量

板式换热器结构紧凑,单位体积内的换热面积为管壳式换热器的2～5 倍,而且

不用象管壳式换热器那样要预留出管束的检修场地。紧凑度:管壳式换热器为78 m2 / m3 ,板式换热器为220 m2 / m3 。因此实现同样的换热任务时,板式换热器的占地面积约为管壳式换热器的1/ 5～1/ 10[6 ] 。板式换热器的板片厚度为016～018 mm ,管壳式换热器的换热管厚度为210～215 mm;管壳式换热器的壳体比板式换热器的框架重得多。在完成同样换热任务的情况下,板式换热器所需的换热面积比管壳式换热器的小,即板式换热器的重量轻,大约为管壳式换热器的1/ 5 左右。对于由多个板片组成的板壳式换热器,可在壳体内设置隔板或筋板,使换热器形成蜂窝状结构,因而壳体钢板无需很厚,板壳式换热器平均重量和体积只有管壳式换热器的25 %～40 %。

213 许用压力和温度

管壳式换热器可以用于较高的压力和温度。由于管板与壳体是刚性连接,因此

在较高温度时考虑增加缓解壳体和管束变形不协调的膨胀节。板式换热器是靠垫片密封的,因此板式换热器的许用压力和温度取决于弹性垫片。传统可拆板式换热器最高许用压力为215 MPa ,温度为250℃以下[6 ] 。板壳式换热器由于板片是通过焊接连接的,取代了板式换热器中的弹性垫片,大大提高了换热器所承受的压力和温度,而且密封性能良好。

214 污垢系数

板式换热器由于板间流体的剧烈湍动,杂质不易沉积和不锈钢制造的板面光滑,易清洗,所以板式换热器的污垢系数比管壳式换热器的污垢系数小得多。板壳式换热器由于换热过程处于强烈的湍流状态,高剪切力抑制了板画上污垢的形成,流体在波纹形通道内的停留时间均匀,所以其结垢倾向远低于管壳式换热器。

215 制造成本

板式换热器主要用金属板材,因而原材料的价格比同样金属的管材要低廉,制造过程主要是冲压成型,机加工较少。板片组装时分A、B 两种依次叠加,一般设计板片时,常使A、B 板能在一个冲模冲压出来,组装时只要将A 板倒转180 即成B 板。零件通用性很大,通吉林化工学院本科毕业设计文献综述

- 4 - 用零件可达90 %以上(管壳式换热器只有13 %的零件可以通用) ,大大降低了制造成本。板壳式换热器虽然采用耐腐蚀优质不锈钢材料制造,但其制造成本却与碳钢管壳式换热器相当。

其原因在于: ①板材的轧制过程比无缝管的挤制过程简单,能量消耗低,材料成本也低。②由于板片较薄,按面积算016 mm 厚不锈钢板与4 mm 厚碳钢卷板的材料价格几乎相当,而低于3 mm 厚的钢管。③板壳式换热器的传热效率高于管壳式换热器,完成相同任务换热器的传热面积可减少。④板壳式换热器的模具简单,费用低,只需2 - 3 副模具就可用于常用的规格,初期设备投资少,生产效率高[7 ] 。

216 热损失

板式换热器由于仅仅是板片周围暴露在大气中,热损失仅占总传热量的1 %左右,不需要采用保温层。板壳式换热器虽然波纹板通道内的局部阻力比光滑表面要大,但由于板片数目多,并列的通道数目较多,再加上通道长度较短,所以其阻力损失较小。

217 应用

当介质中无悬浮粒子时,无论从传热系数还是从总费用看,板式换热器都为最佳选择。但是当介质中含有悬浮粒子时,板式换热器易堵塞,传统上用管壳式换热器,其管程流动较理想,但壳程流动的湍流程度太低,导致总传热系数低,投资高。和管壳式换热器一样,板壳式换热器较易清洗,但其传热效率却高得多,因为二侧的传热系数都较高,它的流程可任意选定,其费用比板式换热器高,但比列管式换热器便宜。总的来看,其质价比最高[8 ] 。

3 结语

板式换热器是一种高效紧凑式换热器。由于有传热系数高、压力损失小、结构紧凑、维修方便等技术诸多优点,并且随着结构的改进和大型化制造的提高,已得到越来越广泛的应用;除了高温、高压和特殊介质等条件外,用板式换热器代替管壳式换热器都可取得明显的效果。但是,一般的散装式板式换热器(可拆卸式板式换热器) 由于本身结构的局限性,使用压力不超过215 MPa ,使用温度不超过250 ℃,此外还存在流体与密封垫片的相容性问题。而板壳式换热器结合了板式换热器和管壳式换热器的优点,基本保持了板式换热器结构紧凑,传热系数高的优点,又保留了管壳式换热器能在高温、高压下操作的优点,因而板壳式换热器在电力、石油、化工、冶金、制冷、暖通和环保等工业领域都有广泛应用前景。