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      1. 6第六章 間壁式換熱設備(定稿) - 下載本文

        第六章 間壁式換熱設備

        學習目標

        ①掌握常用的換熱設備結構、原理。 ②熟悉的熱交換方式。 ③熟悉換熱器特點。

        換熱設備是進行各種熱量交換的設備,通常稱做熱交換器或簡稱換熱器。在制藥生產中,許多過程都與熱量傳遞有關。。例如,生產藥品過程中的磺化、硝化、鹵化、縮合等許多化學反應,均需要在適宜的溫度下,才能按所希望的反應方向進行,并減少或避免不良的副反應;在反應器的夾套或蛇管中,通入蒸汽或冷水,進行熱量的輸入或取出;對原料提純或反應后產物的分離、精制的各種操作。如蒸發、結晶、干燥、蒸餾、冷凍等,也都離不開熱量的輸入或取出;此外,生產中的加熱爐、設備和各種管路,常包以絕熱層,來防止熱量的損失或導入,也都屬于熱量傳遞問題。

        由于使用條件的不同,換熱設備有多種形式與結構。如根據換熱目的不同,換熱設備可分為加熱器、冷卻器、冷凝器和再沸器。若按冷、熱流體傳熱方法的不同可分為直接接觸式換熱器(又稱混合換熱器,冷熱流體在器內直接接觸傳熱)、間壁式換熱器(冷熱流體被換熱器器壁隔開傳熱)和蓄熱式換熱器( 熱流體和冷流體交替進入同一換熱器進行傳熱,制藥上應用極少)。

        制藥工業生產中最常用的換熱設備是間壁式換熱器,按換熱面的形狀的不同,可分為管式換熱器(換熱面為管狀的)和板式換熱器(換熱面為板狀的)。一般板式換熱器單位體積的傳熱面積及傳熱系數比管式換熱器大得多,故又被稱做高效換熱器。

        第一節 管殼式換熱器

        管式換熱器通常有蛇管換熱器、套管換熱器。

        一、蛇管換熱器

        蛇管換熱器是最早出現的換熱器,(如圖6-1)為幾種常見的蛇管形狀。它又可分為沉浸式和噴淋式兩種。

        圖6-1 常見的蛇管形狀

        1. 沉浸式蛇管換熱器: 蛇管多用金屬管按容器形狀或生產要求彎繞成各種形狀, 沉浸在容器中,兩種流體分別在管內、外通過管壁進行熱交換。 優點:

        ①結構簡單。 ②操作方便。

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        ③材料面廣。 ④價格低廉。 缺點:

        ①傳熱系數小。 ②所占體積大。

        2. 噴淋式蛇管換熱器:

        圖6-2 噴淋式換熱器

        (如圖6-2所示)冷卻水由位于上方的管子向下均勻噴出,淋在豎直固定的蛇管的外壁上,與管內的流體進行熱交換。通常管內的流體是“下進上出”(由下方的口進,由上方的口出),以與冷卻水呈逆流流動。換熱器通常裝在室外,空氣流動較快可以使管外表面的水蒸發快,吸收更多的熱量。

        與沉浸式相比其優點: ①傳熱系數大。 ②用水量較少。 缺點:

        ①結構笨重。 ②占地面積大。

        二、套管式換熱器

        圖6-3 套管式換熱器

        套管式換熱器(如圖6-3所示)是先用不同直徑的兩種管子制成同心套管,再根據需要將若干個套管由U形管連接而成。傳熱面兩側的流體多采用逆向流動,且流速較快。適用于流量較小、傳熱面積不大及高壓的場合。

        優點:

        ①結構簡單。 ②傳熱面易調。 ③傳熱系數較大

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        缺點:

        ①安裝、檢修工作量大。 ②易泄漏。 ③體積大。

        三、管殼式換熱器

        管殼式換熱器又稱為列管式換熱器,是目前應用最廣泛的一種管式換熱器。雖然同一些新型的換熱器相比,它在傳熱效率、結構緊湊性及金屬材料耗量方面有所不及,但其堅固的結構、耐高溫高壓性能、成熟的制造工藝、較強的適應性及選材范圍廣等優點,使其在工程應用中仍占據主導地位。

        管殼式換熱器主要由殼體、管束、管板、封頭等部件構成。一些小直徑的管子(稱為換熱管)固定在管板上形成一組管束,管束外套有圓筒形薄殼,即殼體。進行熱交換時,一種流體在管內流動,其行程稱為管程;另一種流體在管束與殼體的空隙中流動,稱為殼程。管束的壁面即為傳熱面。由于管束和殼體結構的不同,管殼式換熱器又可以進一步劃分固定管板式、浮頭式、填料函式和U形管式。

        1. 固定管板式換熱器

        (圖6-4 具有補償圈和折流擋板的四程列管換熱器)

        它主要是由殼體、管束、管板、管箱及折流板等組成,管束和管板是剛性連接在一起的。所謂“固定管板”是指管板和殼體之間也是剛性連接在一起,相互之間無相對移動。(如圖6-4所示)。這種換熱器結構簡單、制造方便、造價較低;在相同直徑的殼體內可排列較多的換熱管,而且每根換熱管都可單獨進行更換和管內清洗;但管外壁清洗較困難。當兩種流體的溫差較大時,會在殼壁和管壁中產生溫差應力,一般當溫差大于50℃時就應考慮在殼體上設置膨脹節(補償圈)以減小或消除溫差應力。適用于殼程流體清潔,不易結垢,管程常要清洗,冷熱流體溫差不太大的場合。

        優點:結構簡單、緊湊、能承受較高的壓力,造價低,管程清洗方便,管子損壞時易于堵管或更換。

        缺點:不易清洗殼程,殼體和管束中可能產生較大熱應力。 2. 浮頭式換熱器

        圖6-5 浮頭式換熱器

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        浮頭式換熱器的一端管板是固定的,與殼體剛性連接,另一端管板是活動的,與殼體之間并不相連,其結構(如圖6-5所示)。活動管板一側總稱為浮頭,浮頭式換熱器的管束可從殼體中抽出,故管外壁清洗方便,管束可在殼體中自由伸縮,所以無溫差應力。但結構復雜、造價高,浮頭處若密封不嚴會造成兩種流體混合且不易察覺。適用于冷熱流體溫差較大,介質易結垢常需要清洗的場合。

        3. U形管式換熱器

        圖6-6 U型管換熱器

        U形管式換熱器不同于固定管板式和浮頭式,只有一塊管板,換熱管作成U字形、兩端都固定在同一塊管板上;管板和殼體之間通過螺栓固定在一起,其結構(如圖6-6所示)。這種換熱器結構簡單、造價低,管束可在殼體內自由伸縮,無溫差力,也可將管束抽出清洗且還節省了一塊管板;但U形管管內清洗困難且管子更換也不方便,由于U形彎管半徑不能太小,故與其他管殼式換熱器相比布管較少,結構不夠緊湊。

        U形管式換熱器適用于冷熱流體溫差較大、管內走清潔不結垢的高溫、高壓、腐蝕性較大的流體的場合。

        4.填料函式換熱器

        圖6-7 填料函式換熱器

        1—縱向隔板;2—浮動管板;3—活套法蘭;4—部分剪切環;

        5—填料壓蓋;6—填料;7—填料函

        填料函式換熱器與浮頭式很相似,只是浮動管板一端與殼體之間采用填料函密封,(如圖6-7所示)。這種換熱器管束也可自由伸縮、無溫差應力,具有浮頭式的優點且結構簡單、制造方便、易于檢修清洗,特別是對腐蝕嚴重、溫差較大而經常要更換管束的冷卻器,采用填料函式比浮頭式和固定管板式更為優越;但由于填料密封性所限,不適用于殼程流體易揮發、易燃、易爆及有毒的情況。目前所使用的填料函式換熱器直徑大多在700mm以下,大直徑的用得很少,尤其在操作壓力及溫度較高的條件下采用更少。

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        第二節 板式換熱器

        板式換熱器是針對管式換熱器單位體積的傳熱面積小、結構不緊湊、傳熱系數不高的不足之處,研制、開發出來的一類換熱器,它使傳熱操作大為改觀。

        板面式換熱器包括螺旋板式換熱器、平板式換熱器、傘板式換熱器和板殼式換熱器等。

        一、螺旋板式換熱器

        圖6-8 螺旋板式換熱器

        螺旋板式換熱器是在中心隔板上焊接兩張平行的鋼板并卷制成兩個相互隔離的螺旋體通道,側面由端蓋封住并連接有各種接管(如圖6-8所示)。一種流體由一個通道的外層管口進入向中心流動,并從中心處的管口流出;另一種流體則從另一個通道的中心處管口進入向外層流動,并從外層管口流出。

        螺旋板式換熱器的優點: ①傳熱效率高。 ②結構緊湊。 ③不易堵塞。 缺點:

        ①加工質量要求高。 ②檢修和清洗困難。 ③不耐高溫和高壓。

        二、平板式和傘板式換熱器

        圖6-9 人字形波紋板片

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