??? 在天然氣工業(yè)中，隨時(shí)隨地都會(huì)遇到熱量傳遞的問題，例如：天然氣在常溫集氣過程中為防止節(jié)流后形成低溫而生成水合物，而需對(duì)天然氣加熱；在低溫集氣站內(nèi)為了降低天然氣的溫度并回收冷量，需對(duì)原料氣與產(chǎn)品氣進(jìn)行換熱；在蒸發(fā)、精餾、干燥等單元操作中，需要按一定速率輸入或輸出熱量以實(shí)現(xiàn)正常的操作等。完成以上功能的設(shè)備稱為加熱換熱設(shè)備(統(tǒng)稱為換熱器)。
??? 換熱器種類繁多，若按其傳熱面的形狀和結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類可分為管型、板型和其他型式換熱器。而管型換熱器又可分為管殼式換熱器、套管式換熱器、蛇管式換熱器；板型換熱器可分為板式換熱器、板翅式換熱器、板殼式換熱器、螺旋板式換熱器。其他型式換熱器是為了滿足一種特殊要求而出現(xiàn)的換熱器，如回轉(zhuǎn)式換熱器、熱管換熱器等。管殼式換熱器若按功能命名又可分為冷凝器、加熱器、再沸器、蒸發(fā)器、過熱器等。以下介紹天然氣行業(yè)中常用的幾種換熱器。
一、管殼式換熱器
圖5-10為一種最簡(jiǎn)單的管殼式換熱器示意圖。如圖所示，它由許多管子組成管束，管束構(gòu)成換熱器的傳熱面。此類換熱器又稱為列管式換熱器。換熱器的管子固定在管板上，而管板又與外殼聯(lián)接在一起。為了增加流體在管外空間的流速，以改善換熱器的傳熱情況，在筒體內(nèi)間隔安裝了許多折流板。換熱器的殼體和兩側(cè)管箱上開有流體的進(jìn)出口，有時(shí)還在其上裝設(shè)有檢查孔，為安置儀表用的接口管、排液孔和排氣孔等。在換熱器中，一種流體從一側(cè)管箱(稱為前管箱)流進(jìn)管子里，經(jīng)另一側(cè)管箱(稱為后管箱)流出(對(duì)奇數(shù)單管程換熱器)，或繞過管箱，流回進(jìn)口側(cè)前管箱流出(對(duì)偶數(shù)單管程換熱器)，這條路徑稱為管程。另一種流體從筒體上的連接管進(jìn)出換熱器殼體，流經(jīng)管束外，這條路徑稱為殼程。圖5-10所示即為二管程、單殼程，工程上稱為1-2型換熱器(1表示殼程數(shù)，2表示管程數(shù))。
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管殼式換熱器是把管子與管板連接，再用殼體固定。根據(jù)其不同的連接與固定方式又可分為固定管板式、釜式浮頭式、U型管式、滑動(dòng)管板式、填料函式等。
??? 1. 固定管板式換熱器
固定管板換熱器的兩端管板，采用焊接方法與殼體連接固定，如圖5-11所示。這種換熱器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；在相同的殼體直徑內(nèi)，排管最多，比較緊湊。由于兩個(gè)管板被換熱管互相支攫，與其他管殼式換熱器相比，管板最薄，不僅造價(jià)低而且每根管子內(nèi)側(cè)都能進(jìn)行清洗。但殼側(cè)清洗較難，不能進(jìn)行機(jī)械清洗，所以宜用于不易結(jié)垢的流體。當(dāng)管束和殼體之間的溫差太大而產(chǎn)生不同的熱膨脹時(shí)，常會(huì)使管子與管板的接口脫開，從而發(fā)生介質(zhì)泄漏。由此可見，這種換熱器適合于溫差不大以及殼程結(jié)垢不嚴(yán)重或能用化學(xué)清洗的場(chǎng)合。由于此類換熱器集中了管殼式換熱器的優(yōu)點(diǎn)，因此應(yīng)用相當(dāng)廣泛。
?2. 浮頭式換熱器
浮頭式換熱器如圖5-12所示。浮頭式換熱器針對(duì)固定管板式換熱器的缺陷在結(jié)構(gòu)上做了改進(jìn)，兩端管板只有一端與殼體固定，而另一端的管板可以在殼體內(nèi)自由移動(dòng)，該端稱為浮頭。這類換熱器殼體和管束對(duì)熱膨脹是自由的，故當(dāng)兩種介質(zhì)溫差較大時(shí)，管束與殼體之間不產(chǎn)生溫差應(yīng)力。浮頭端設(shè)計(jì)成可拆結(jié)構(gòu)，使管束可以容易地插入或抽出(也有設(shè)計(jì)成不可拆的)，這樣為檢修、清洗提供了方便。
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??? 浮頭式換熱器適用于管殼壁間溫差較大，或易于腐蝕和易于結(jié)垢的場(chǎng)合。但這類換熱器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，笨重，造價(jià)約比固定管板式高20%左右，材料消耗大。
3. U型管式換熱器
U型管式換熱器如圖5-13所示，U型管式換熱器僅有一塊管板。它是將管子彎成U型，管子兩端固定在同一塊管板上。由于殼體和管子分開，管束可以自由伸縮，不會(huì)因管壁、殼壁之間的溫度差而產(chǎn)生熱應(yīng)力，熱補(bǔ)償性能好。管程為雙管程，流程較長(zhǎng)，流速較高，傳熱性能好，承壓能力強(qiáng)。因U型管式換熱器僅有一塊管板，且無浮頭，所以結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)比其他換熱器便宜，管束可以從殼體內(nèi)抽出，管外便于清洗，但管內(nèi)清洗困難，所以管內(nèi)的流體必須是清潔及不易結(jié)垢的物料。
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U型管式換熱器，一般使用于高溫高壓的情況下。尤其使用在壓力較高的情況下，在彎管段壁厚要加厚，以彌補(bǔ)彎管后管壁的減薄。
4. 填料函式換熱器
對(duì)于一些腐蝕嚴(yán)重，溫差較大而經(jīng)常要更換管束的垮熱器，采用填料函式換熱器要比浮頭式或固定式換熱器優(yōu)越得多。它具有浮頭式換熱器的優(yōu)點(diǎn)，又克服了固定式換熱器的缺點(diǎn)，結(jié)構(gòu)較浮頭簡(jiǎn)單，制造方便，易于檢修清洗。
填料函式換熱器的管板也僅有一端與殼體固定，另一端采用填料函密封，如圖5-14所示，它的管束也可以自由膨脹，所以也不需考慮由于管壁、殼壁溫度差引起的熱應(yīng)力，且管程和殼程都能清洗，加工制造較浮頭方便，且造價(jià)較低。但由于填料密封處易于泄漏，故殼程壓力不能過高，也不易用于殼程內(nèi)為易揮發(fā)、易燃、易爆和有毒介質(zhì)的場(chǎng)合。
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目前所使用的填料函式換熱器都較小，使用在直徑700mm以下，大直徑填料函式換熱器采用得很少，尤其在操作壓力及溫度較高的條件下就更少。
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