項(xiàng)目一　管殼式換熱器的操作與養(yǎng)護(hù)

一、操作前準(zhǔn)備知識(shí)

（一）管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)

管殼式換熱器（圖4-1）主要由殼體、換熱管、管板（又稱花板）和管箱（又稱封頭）等部件組成。 換熱管5安裝在殼體1內(nèi)，兩端固定在管板3上，固定的方法一般用脹管器使管子脹大變形而固定在管板的孔中，稱為脹管法。管箱4用螺栓與殼體兩端的法蘭相連，必要時(shí)，可將管箱拆除，以進(jìn)行檢修或清洗。

（二）管殼式換熱器的工作原理

冷熱流體在管程或殼程中流動(dòng)，兩者不相混合，熱量先由熱流體經(jīng)對(duì)流傳熱傳給管壁，再通過熱傳導(dǎo)將熱量傳遞給管壁另一側(cè)，該側(cè)熱量通過冷流體的對(duì)流傳熱進(jìn)行熱交換，把熱量傳遞給冷流體，達(dá)到傳熱的目的。

二、標(biāo)準(zhǔn)操作規(guī)程

（一）開車前的準(zhǔn)備工作

（1）檢查壓力表、溫度計(jì)、安全閥、液位計(jì)是否齊全完好。

（2）檢查螺栓的緊固，以保證壓緊墊片。

（3）檢查與換熱器連接的各閥門開關(guān)是否正確。

（4）投用前的換熱器，應(yīng)按規(guī)定進(jìn)行水壓試驗(yàn)，試壓壓力是設(shè)計(jì)壓力的1.25～1.5倍。試壓時(shí)應(yīng)檢查脹接處、焊口、管箱墊片、連接閥處、小浮頭處有無泄漏，如有泄漏則進(jìn)行處理。試壓完畢后的換熱器，應(yīng)放盡換熱器中的存水，以免引起水擊和汽化而損壞內(nèi)件。

（5）換熱器的主體與附件用法蘭螺栓連接、墊片密封，由于材質(zhì)不同，升溫過程中各部分膨脹不均，易造成法蘭松弛而引起介質(zhì)的泄漏，因此在換熱器開車過程中，應(yīng)進(jìn)行熱緊。

（二）開車操作

（1）開啟冷流體進(jìn)口閥和放空閥，向換熱器注液至規(guī)定液位。

（2）緩慢開啟熱流體閥門，先預(yù)熱后加熱，以防換熱管和殼體密封處溫差過大引起泄漏或損壞。

（3）根據(jù)工藝要求調(diào)節(jié)冷熱流體的流量，使其達(dá)到所需的溫度。

（三）停車

換熱器的停車方法和開車方法相反。應(yīng)先關(guān)熱源后關(guān)冷源、先關(guān)進(jìn)口再關(guān)出口。

（1）停車前先停泵，切斷電源。

（2）停泵后，先緩慢地關(guān)閉熱介質(zhì)進(jìn)口閥門，再關(guān)閉冷介質(zhì)的進(jìn)口閥門。最后關(guān)閉兩介質(zhì)的出口閥門。

（3）打開管線和設(shè)備上的放空閥，放空冷、熱介質(zhì)。

（4）停用完畢后，對(duì)換熱器進(jìn)行壓縮空氣或蒸汽吹掃。吹掃時(shí)，應(yīng)關(guān)閉進(jìn)出口閥，打開放空閥。

三、安全操作注意事項(xiàng)

（1）嚴(yán)禁超溫、超壓操作。

（2）換熱器不得在超過銘牌規(guī)定條件下使用。

（3）檢修前，切斷相連的工藝管路，清除物料并釋放換熱器內(nèi)的壓力。

（4）在投用過程中，換熱器應(yīng)先開冷源再開熱源，先開出口再開進(jìn)口，這是因?yàn)槿绻燃尤霟崃黧w會(huì)造成各部件熱脹，后進(jìn)冷介質(zhì)又會(huì)使各部件急劇收縮，這種劇烈的一脹一縮極易造成密封的泄漏。

（5）嚴(yán)禁盲目改變換熱器結(jié)構(gòu)和材質(zhì)或?qū)缚p不探傷檢查等操作，避免造成換熱器的強(qiáng)度大大降低，導(dǎo)致發(fā)生爆炸事故。

（6）嚴(yán)禁操作違章、操作失誤、閥門關(guān)閉、長期不排污等，以免引起超壓爆炸。

四、維護(hù)與保養(yǎng)

（1）應(yīng)定期對(duì)管程、殼程介質(zhì)的溫度及壓降進(jìn)行監(jiān)測，分析換熱器的工作情況。防止介質(zhì)流量、溫度、壓力的急劇變化，超溫、超壓都將引起換熱器的泄漏。

（2）監(jiān)測進(jìn)、出口壓力差變化，可判斷換熱器的結(jié)垢情況、堵塞情況和泄漏情況。高壓流體向低壓流體泄漏，會(huì)使低壓流體壓力上升，高壓介質(zhì)壓降增大，會(huì)產(chǎn)生污染和其他后果。操作時(shí)若發(fā)現(xiàn)壓力驟變，除檢查換熱器本身問題外，還應(yīng)考慮其他因素，如管路是否暢通等。

（3）定時(shí)檢查換熱器有無外漏。換熱器的外漏容易發(fā)現(xiàn)，一般由螺栓松動(dòng)或墊片損壞引起密封面泄漏，或由于設(shè)備的焊接部分有砂眼或裂縫、法蘭接頭及配管連接部分的缺陷等引起，可根據(jù)情況及時(shí)處理。

（4）定時(shí)檢查換熱器有無內(nèi)漏，如因管子腐蝕、磨損引起的減薄和穿孔；因龜裂、腐蝕、震動(dòng)而使擴(kuò)管部分松脫；因與擋板接觸而引起的磨損、穿孔；浮動(dòng)頭蓋的緊固螺栓松開、折斷及這些部分的密封墊片劣化等。換熱器的內(nèi)漏不易發(fā)現(xiàn)，只能通過介質(zhì)溫度、壓力和流量等的變化、出現(xiàn)異聲或震動(dòng)等現(xiàn)象來分析判斷；也可在冷卻水出口管道上接取樣管，定期取樣檢查有無被冷卻的介質(zhì)混入，以判斷冷卻器的內(nèi)漏。換熱器的內(nèi)漏使冷、熱兩種流體混合，從安全方面考慮，應(yīng)立即對(duì)裝置進(jìn)行拆開檢查。

（5）定期檢查地腳螺栓是否松開，水泥基礎(chǔ)是否裂開、脫落，鋼支架腳是否異常變形、損傷劣化。

（6）定期檢查保溫、保冷裝置的外部有無損傷情況，特別是覆在外部的防水層及支腳容易損傷，所以要注意檢查。

（7）定期檢查外面涂料的劣化情況。

（8）定期檢查主體及連接配管有無發(fā)生異常震動(dòng)和異響。如發(fā)生異常情況，則要查明其原因并采取必要的措施。

（9）定期檢查和清除管程和殼程的結(jié)垢，可用機(jī)械法和化學(xué)法清除?；瘜W(xué)除垢后應(yīng)用清水清洗干凈。

（10）使用超聲波等非破壞性的厚度測定方法定期測定換熱器的厚度，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常腐蝕。

（11）冬季停用時(shí)，及時(shí)排放設(shè)備內(nèi)的介質(zhì)。

五、常見故障及處理方法

管殼式換熱器的常見故障及處理方法見表4-1。

續(xù)表　　

六、相關(guān)知識(shí)鏈接

（一）浮頭式換熱器

當(dāng)殼體與管束間的溫差比較大而管束空間也經(jīng)常清洗時(shí)，可以采用浮頭式換熱器，結(jié)構(gòu)如圖4-2所示。換熱器兩端的管板有一端不與殼體相連，可以沿管長方向在殼體內(nèi)自由伸縮（此端稱為浮頭），從而解決熱補(bǔ)償問題。另外一端的管板仍用法蘭與殼體相連接，因此整個(gè)管束可以由殼體中拆卸出來，對(duì)檢修和管內(nèi)、管外的清洗都比較方便，所以浮頭式換熱器的應(yīng)用較為廣泛。但缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，金屬消耗量多，造價(jià)因此也較高。

（二）U形管式換熱器

U形管式換熱器的每根管子都彎成U形，管子的兩端分別安裝在同一固定管板的兩側(cè)，并用隔板將封頭隔成兩室。由于每根管子都可以自由伸縮，且與其他管子和外殼無關(guān)，故即使殼體與管子間的溫差很大時(shí)，也可使用。缺點(diǎn)是管內(nèi)的清洗比較困難。

（三）板式換熱器

板式換熱器具有傳熱效果好、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，是新型換熱器的一種。在溫度不太高和壓力不太大的情況下，應(yīng)用板式換熱器比較有利。

1.普通板式換熱器

板式換熱器由傳熱板片、密封墊片和壓緊裝置三部分組成，詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖4-3所示。作為傳熱面的板片可以用不同的金屬（如不銹鋼、黃銅、鋁合金等）薄板壓制成型。由于板片厚度一般僅為0.5～3mm，其剛度不夠，通常將板片壓制成各種槽形或波紋形的表面。這樣不僅增強(qiáng)了剛度以防板片受壓時(shí)變形，而且也增強(qiáng)了流體的湍動(dòng)程度，并加大了傳熱面積。每片板的四個(gè)角各開一個(gè)孔，板片周邊與孔的周圍壓有密封墊片槽。密封墊片也是板式換熱器的重要組成部分，一般由各種橡膠、壓縮石棉或合成樹脂制成。裝置時(shí)先用黏結(jié)劑將墊片粘牢在板片密封槽中，孔的周圍部分槽中根據(jù)流體流動(dòng)的需要來放置墊片，從而起到允許或阻止流體進(jìn)入板面之間的通道的作用。將若干塊板片按換熱要求依次排列在支架上，由壓板借壓緊螺桿壓緊后，相鄰板間就形成了流體的通道。借助板片四角的孔口與墊圈的恰當(dāng)布置，使冷、熱流體分別在同一板片兩側(cè)的通道中流過并進(jìn)行傳熱。除兩端的板外，每一板片都是傳熱面。采用不同厚度的墊片，可以調(diào)節(jié)通道的寬窄。板片數(shù)目可以根據(jù)工藝條件的變化而增減。

板式換熱器的主要優(yōu)點(diǎn)：①傳熱系數(shù)高；②結(jié)構(gòu)緊湊，單位體積設(shè)備提供的傳熱面積大；③操作靈活性大；④金屬消耗量低；⑤板片加工制造，以及檢修、清洗都比較方便。

板式換熱器的主要缺點(diǎn)：①允許的操作壓力比較低；②操作溫度不能太高；③處理量不大。

2.螺旋板式換熱器

螺旋板式換熱器如圖4-4所示。由兩張薄板平行卷制而成，如此形成兩個(gè)相互隔開的螺旋形通道。兩板之間焊有定距柱用于保持其間的距離，同時(shí)可增強(qiáng)螺旋板的剛度。在換熱器中心裝有隔板，使兩個(gè)螺旋通道分隔開。在頂部和底部有蓋板或封頭，以及兩流體的出入口接管。一般由一對(duì)進(jìn)出口位于圓周邊上，而另一對(duì)進(jìn)出口則設(shè)在圓鼓的軸心上。冷熱兩流體以螺旋板為傳熱面分別在板片兩邊的通道內(nèi)做逆流流動(dòng)并進(jìn)行換熱。

螺旋板式換熱器的主要優(yōu)點(diǎn)：①傳熱系數(shù)高；②不易結(jié)垢和堵塞；③可在較小的溫差下進(jìn)行操作，能充分利用溫度較低的熱源；④結(jié)構(gòu)緊湊，制作簡便。

螺旋板式換熱器的主要缺點(diǎn)：①操作壓力和溫度不能太高；②不易檢修；③阻力損失較大。

3.板翅式換熱器

板翅式換熱器是一種輕巧、緊湊、高效的換熱器，由若干基本元件和集流箱等部分組成?；驹怯筛鞣N形狀的翅片、平隔板、側(cè)封條組裝而成。在兩塊平行薄金屬板（平隔板）間，夾入波紋狀的翅片，兩邊以側(cè)封條密封，即組成一個(gè)基本元件（單元件）。根據(jù)工藝要求，將各單元件進(jìn)行不同的疊積或適當(dāng)排列，并用釬焊焊成一體，得到的組裝件稱為芯部或板束。 常用的是逆流和錯(cuò)流式換熱器組裝件，然后再將帶有流體進(jìn)出口的集流箱焊接到板束上，就組成了完整的板翅式換熱器，我國目前最常用的翅片形式主要有光直形翅片、鋸齒形翅片和多孔形翅片三種，結(jié)構(gòu)如圖4-5所示。

板翅式換熱器的特點(diǎn)：①結(jié)構(gòu)緊湊，適應(yīng)性強(qiáng)；②傳動(dòng)系數(shù)大；③制造工藝比較復(fù)雜，清洗和檢修困難。

七、拓展知識(shí)鏈接

（一）管殼式換熱器的選用

在選用管殼式換熱器時(shí)，一般說流體的處理量和它們的物性是已知的，其進(jìn)、出口溫度由工藝要求決定，然而，冷熱兩流體的流向，哪個(gè)走管內(nèi)、哪個(gè)走管外尚待確定。在使用過程中應(yīng)注意流程、流速的選擇。

（1）不潔凈或易于分解結(jié)垢的物料應(yīng)當(dāng)流經(jīng)易于清洗的一側(cè)。對(duì)于直管管束，上述物料一般應(yīng)走管內(nèi)，但當(dāng)管束可以拆出清洗時(shí)，也可以走管外。

（2）需要提高流速以增大其對(duì)流系數(shù)的流體應(yīng)當(dāng)走管內(nèi)，因?yàn)楣軆?nèi)截面積通常比管間的截面積小，而且易于采用多管程以增大流速。

（3）具有腐蝕性的物料應(yīng)走管內(nèi)，這樣可以用普通材料制造殼體，僅僅管子、管板和封頭要采用耐蝕材料。

（4）壓力高的物料走管內(nèi)，這樣外殼可以不承受高壓。

（5）溫度很高（或很低）的物料應(yīng)走管內(nèi)以減少熱量（或冷量）的散失。如果為了更好地散熱，也可以讓高溫的物料走殼程。

（6）蒸汽一般通入殼程，因?yàn)檫@樣便于排出冷凝液，而且蒸汽較清潔，其對(duì)流傳熱系數(shù)又與流速關(guān)系較小。

（7）黏度大的流體一般在殼程空間流過，低流速下可以達(dá)到湍流，有利于提高管外流體的對(duì)流傳熱系數(shù)。

以上各點(diǎn)常常不可能同時(shí)滿足，而且有時(shí)還會(huì)互相矛盾，故應(yīng)根據(jù)具體情況，抓住主要矛盾，做出適宜的決定。

流體在管程或殼程中的流速，不僅直接影響對(duì)流傳熱系數(shù)的數(shù)值，而且影響污垢熱阻。從而影響總傳熱系數(shù)的大小。特別對(duì)于含有泥沙等較易沉積顆粒的流體，流速過低甚至可能導(dǎo)致管路堵塞，嚴(yán)重影響設(shè)備的使用。但增大流速又會(huì)使壓力損失顯著增大，因此選擇適宜的流速十分重要。管殼式換熱器內(nèi)常用的流速范圍見表4-2。

（二）傳熱相關(guān)計(jì)算

1.熱負(fù)荷Q的計(jì)算

在工程上，把單位時(shí)間內(nèi)需要移出或輸入的熱量叫作熱負(fù)荷。如果沒有熱損失，熱負(fù)荷就是傳熱速率。在換熱器中，管道內(nèi)部空間稱為管程，管道夾套空間稱為殼程。通常熱流體作管程，冷流體走殼程。當(dāng)兩種流體分別通過管程和殼程時(shí)，即發(fā)生熱交換過程。高溫流體對(duì)間壁傳遞熱量，間壁通過熱傳導(dǎo)將熱量從高溫側(cè)傳遞到低溫側(cè)，低溫側(cè)間壁將熱量通過對(duì)流傳熱傳遞給冷流體。

如不考慮間壁上的熱損失，根據(jù)能量守恒定律，在單位時(shí)間內(nèi)，熱流體放出的熱量應(yīng)等于冷流體吸收的熱量，亦即等于傳熱速率。即：

Q放=Q吸=Q

① 無相變的熱負(fù)荷：若兩流體均無相變化，則

Q=WhCph（T1-T2）=WcCpc（t2-t1）

② 有相變的熱負(fù)荷：若有相變，如液體沸騰、蒸汽冷凝等，則

Q=Whγ=WcCpc（t2-t1）

式中　Wh、Wc——高溫流體和低溫流體的質(zhì)量流量，kg/s；

  　　Cph、Cpc——高溫流體和低溫流體的定壓比熱容，J/（kg·K）；

　    　 　　　γ——飽和蒸汽的冷凝潛熱，在數(shù)值上等于液體的汽化潛熱，J/kg。

2.總傳熱系數(shù)的計(jì)算

高溫流體在管程流動(dòng)，低溫流體在殼程流動(dòng)，假設(shè)殼程為圓管，且管程內(nèi)壁直徑為di，管程外壁直徑為do，管壁厚度為b，則總熱阻是兩次對(duì)流傳熱阻力與一次熱傳導(dǎo)阻力之和：

R=Ri+Rd+Ro

根據(jù)熱阻的定義可得：

式中，K為總傳熱系數(shù)，W/（m2· ℃）。

以外表面積為基準(zhǔn)的總傳熱系數(shù)計(jì)算公式為：

若換熱器表面有污垢，對(duì)傳熱會(huì)產(chǎn)生附加熱阻，稱為污垢熱阻，用Rsi和Rso分別表示內(nèi)、外壁的污垢熱阻。因存在污垢熱阻，總傳熱系數(shù)表達(dá)式應(yīng)修改為：

3.總傳熱速率方程

冷、熱流體通過間壁的傳熱是三個(gè)環(huán)節(jié)的串聯(lián)過程。對(duì)于定態(tài)傳熱，總傳熱速率與換熱器的傳熱面積成正比，與換熱器的平均溫度差和換熱器的總傳熱系數(shù)成正比。總傳熱速率方程式為：

Q=KSΔtm

式中　K——總傳熱系數(shù)，W/（m2· ℃）；

　　　S——傳熱面積，m2；

   　 Δtm——傳熱平均溫度差，℃。

4.傳熱平均溫度差Δtm的計(jì)算

根據(jù)兩流體沿?fù)Q熱壁面流動(dòng)時(shí)各點(diǎn)溫度的變化，冷熱流體之間的平均溫度之差可以分為恒溫傳熱和變溫傳熱兩種情況。

（1）恒溫傳熱平均溫度差的計(jì)算方法　若換熱器間壁兩側(cè)都有相變化，冷熱流體所進(jìn)行的熱交換就是恒溫傳熱。冷熱流體不隨傳熱時(shí)間、管道長短變化而改變。兩者之間的溫差在任何時(shí)間、任何位置都相等。即：

Δtm=T-t

（2）變溫傳熱平均溫度差的計(jì)算方法　間壁一側(cè)或兩側(cè)流體的溫度隨傳熱壁面位置的改變而變化，與傳熱時(shí)間無關(guān)，稱為定態(tài)變溫?fù)Q熱；如果流體的溫度隨換熱器壁面和傳熱時(shí)間而改變，稱為非定態(tài)換熱。制藥生產(chǎn)過程中的換熱基本上是定態(tài)變溫?fù)Q熱。

對(duì)于間壁換熱，冷熱流體相對(duì)流動(dòng)方式有并流、逆流、錯(cuò)流、折流等多種形式。不同形式的流動(dòng)，冷熱兩流體的平均溫度差不盡相同。下面只介紹并流與逆流的傳熱平均溫度差的計(jì)算方法。

設(shè)熱流體的進(jìn)口溫度為T1，出口溫度為T2，冷流體的進(jìn)口溫度為t1，出口溫度為t2。Δt1和Δt2分別是冷熱流體進(jìn)口溫度差和出口溫度差，取較大值為Δt2，則并流和逆流時(shí)的傳熱平均溫度差可用下式計(jì)算：

Δtm=