第16章管壳式换热设备

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1、1,第16章 管壳式换热设备,16.1 概述,换热设备的分类：混合式、蓄热式、间壁式。,换热设备的作用：进行热量交换。在各行业应用极为广泛。,2,混合式换热器,3,蓄热式换热器,4,间壁式换热器,5,间壁式换热器,6,16.2 管壳式换热器的形式,刚性结构：固定管板式,有温差补偿装置：,浮头式,填料函式,U型管式,管壳式（列管式）换热器中冷、热介质分别走管程或壳程，传热面是管壁。管壳式换热器是目前应用最广泛的换热器，已形成了标准化、系列化产品。,带膨胀节的固定管板式,7,16. 2. 1 固定管板式换热器,与有温差补偿装置的相比，结构简单、紧凑，造价低，便于更换管子，管内便于清洗；但管外不能进

2、行机械清洗，管壳间有温差应力。壳体上设置膨胀节可大大减小温差应力。,8,16. 2. 2 U型管式换热器,结构简单，造价低，管束能自由伸缩，管壳间没有温差应力；不能更换管子，管内不便于清洗，管束中心空隙大、排的管子少。适用于管、壳间温差大，管内介质高温、高压、清洁的场合。（合成氨工段的废热锅炉）,9,16. 2. 3 浮头式换热器,管束能自由伸缩，管壳间没有温差应力，管内、管外清洗方便；结构复杂，造价较高，管束与壳体间有较大的环隙，排的管子少。,16. 2. 4 填料函式换热器,管束能自由伸缩，管壳间没有温差应力，管内、管外清洗方便，结构较浮头式简单，造价也较低；但壳程的温度、压力不能太高。,

3、10,16.3 管壳式换热器的结构设计,管壳式换热器的设计包括三部分内容：,工艺计算：求换热面积、壳体直径、换热管长度、根数等。（化原）,结构设计：确定各零部件的型式及各零部件间的连接关系。（本节）,强度计算：校核各零部件及整台换热器是否满足强度及安全要求。,结构设计包括八个方面的内容。,11,16. 3. 1 换热管的选用,包括换热管的材料、规格（管径、管长）两方面。,材料 换热管与管内、管外的两种介质直接接触，因此需根据介质的压力、温度和腐蚀性来选择换热管的材料。 腐蚀性不大的介质用10、20号无缝钢管，低合金16Mn。 酸性腐蚀介质选0Cr18Ni9、0Cr18Ni10Ti等。 氢腐蚀介

4、质选15CrMo。 非金属：石墨、聚四氟乙烯等。,2. 管径 为使换热管内流体达到湍流状态且阻力不太大，管内的流速一般取0.32m/s（液体）、825m/s（气体）。,12,碳钢、低合金钢管：192、252.5、382.5、 573.5 不锈钢管：192、 252、 382.5、 572.5. 不锈钢薄壁焊管： 251 较大直径的管子用于不清洁或粘度较大的流体，以便于清洗和减小流体阻力。较小直径的管子用于清洁流体或压力较高的场合。,在传热面积、流速和其他条件相同的情况下管子直径小，则壳体直径减小，结构紧凑。所以在高压下要选用小直径管。（ 如192、 142、 81.5）,3. 管长 传热面积一

5、定时，管子越长（根数少），则壳体、封头的直径越小、壁厚越薄；但管子过长，清洗、运输、安装都不方便。因此，管长一般不大于6米。管子推荐长度：1、1.5、2、3、4.5、6米。 实际中，要优先满足管径、壳体直径的尺寸，再考虑管长。,13,16. 3. 2 管子在管板上的排列,包括排列方式和间距两方面的内容。,排列方式 正三角形排列可排较多的管子，但管外机械清洗较困难。正方形排列则正好相反。多程换热器采用正方形与三角形的组合排列。,14,15,2. 排列间距 管板上两根换热管的中心距称为管间距P。 管间距小，则换热器结构紧凑，流体流速高且不易走短路，故传热效率高；但流体阻力加大，管板上的应力集中现象

6、也加剧。 正三角形排列P1.25do；正方形排列Pdo+6mm；多程换热器分程隔板两侧的管间距要大些， 具体数值见GB151-1999；管束最外层管子的外壁与壳体内壁间的距离不得小于10mm。,16. 3. 3 换热管管与管板的连接,管子与管板的连接是管壳式换热器中最重要的部分。制造过程中工作量最大，使用过程中最易损坏。要求该部位在承受介质的压力、温度时不漏、不拉脱。,16,胀接,方法：胀管器 爆炸胀接 管子端部塑性变形，管板弹性变形。 最大的优点是无间隙腐蚀。,结构：光孔 孔壁开槽,使用范围及要求： 管板的硬度必须高于管端的硬度，否则管端应退火。 温度不大于300oC，压力不大于4MPa，温

7、度过高，材料发生蠕变，使接头处的残余应力逐渐消失。 管板厚度较小、换热管外径小于14mm时不宜用胀接。 振动剧烈、温度变化过大、严重的应力腐蚀都不宜用胀接。,17,2. 焊接 （实际中用的最多）,焊接的特点： 高温、高压下仍能保证连接的密封性和强度。 对换热管、管板材质的要求低。 可采用较小的管板厚度。（无管板最小厚度的要求） 焊接工艺简便，生产效率高。 焊接接头处易产生裂纹和应力腐蚀。 换热管与管板孔间存在间隙，易造成间隙腐蚀。,18,焊接的结构：,(a)图焊接施工方便，焊接质量容易保证，应用最多。 (b)图介质在换热管进、出口处阻力小，在立式换热器中，停工后管板上不会积液。但焊接质量不易保

8、证。,图16.8 焊接结构,19,3. 胀焊并用 综合了胀接和焊接两种方法的优点，但加工成本高。根据加工工艺分为先胀后焊和先焊后胀（各有优缺点）。,胀焊并用适用于： 承受振动或疲劳载荷的场合。 有间隙腐蚀的场合。 采用复合管板的场合。,20,16. 3. 4 管板与壳体的连接,管板与壳体不可拆(焊接)固定管板式换热器用,(a)图管内易清洗，应用较多。(b)图管板受力优于兼作法兰的管板，但管内不易清洗。,图16.9 管板与壳体连接,21,2. 管板与壳体可拆U型管、浮头、填料函换热器,图16.10 管板与壳体可拆结构,22,16. 3. 5 管箱与管束分程,管箱 管箱位于换热器的两端，作用是将管

9、程介质均匀地分布到各换热管中，或把管内介质收集后输送出来。结构见图16-11。,23,2. 管束为什么要分程？ 前已述及，管长一般不超过6m，那么，当所需换热面积较大时，有两个方法： 用两台换热器串联。（一般用在高压情况下） 采用增大壳体直径的办法，使换热管数增加。但这会使管程流速下降，传热系数减小。因此要将管束分程，使流体依次流过各程管子，使流速在前面所述的合适范围内。,24,双管程换热器内的流体流动,25,3. 分程方法 在管箱内设置一定数量的隔板，将管束分为多程。隔板与管箱焊接，与管板用垫片密封（见图16-12）。 常用的程数有1，2，4，6，8，10，12，各程的管子根数要大致相等。,

10、例：2程的分法,26,换热器管箱,27,16. 3. 6 折流板,折流板的作用 在壳程为对流传热的情况下，设置折流板是为了提高壳程介质的流速和扰动程度，强化传热效果，同时折流板对管束起到了支承作用。但在壳程为冷凝或蒸发的情况下，传热系数和流体的流动状态没有关系，这时设置折流板只是为了支承管束。,28,2. 折流板的形式、特点,单弓型折流板,常用的结构，简单、安装方便，多弓型较单弓型死角小、阻力小。,29,弓形,盘-环形,管壳式换热器折流板型式,30,3. 折流板的组装与固定,折流板的外径与筒体内壁之间有间隙，间隙太大，流体会走短路；间隙太小有会给制造带来困难，故间隙要合适。,31,16. 3.

11、 7 防冲挡板与导流筒,防冲挡板的作用：防止进口流体直接冲击管束造成管子的侵蚀和振动。,导流筒的作用： 起防冲挡板的作用。 减少流体滞留区，提高传热效率。,32,过程设备设计,导流筒,33,16. 3. 8 膨胀节,膨胀节是标准件，GB167491997压力容器波形膨胀节。设计时，按标准选取膨胀节后还要校核其应力。常用的膨胀节结构如右图所示。 膨胀节焊接在固定管板式换热器的筒体上，它的形状决定了它受轴向力后容易变形，因此可减小（不能消除）管、壳间的温差应力。,图16.16 波形膨胀节,34,16.4.1 强化传热的原理,16.4 管壳式换热器强化传热,提高总传热系数强化换热系数较小的一侧,扩大

12、换热面积采用小直径管，扩展换热表面,增加平均传热温差 逆流流动 、多股流体流动,增大的途径,提高介质流速,增大介质扰动程度,流体阻力增大,35,16.4.2 管内放置强化传热元件,不改变传热面形状，通过改变换热管内流体流动来强化传热，提高传热效率，简便有效，也有利于传热面积的扩大，且易于对旧设备进行改造，应用广泛。,扭带,螺旋线圈,绕花丝,36,图16.20 a 螺旋槽管 b 横纹槽管,1. 槽管,流体在沟槽或凸起处产生旋涡,增加近壁区的湍流程度,提高对流传热系数,适用于强化管内单相流体的传热、管外蒸汽冷凝、管外液体膜态沸腾。,16.4.3 异形管强化传热,37,2. 波纹管,既能强化管内又能

13、强化管外，传热效率高、不易结垢、热补偿能力好、体积小、重量轻，传热系数是光管的23倍，得到了广泛应用 。,38,3. 缩放管,压力降相同的条件下，缩放管的传热能力比光滑管大70%以上。,39,图16.25 外翅片圆管,翅片管适用于清洁的气体，不适用于高表面张力的液体冷凝、结垢严重、携带大量颗粒、需要机械清洗的场合。,4. 翅片管,40,圆形翅片管,41,5. 螺纹管,主要用于强化管外传热。,42,各种强化管实物,43,改变换热管外形或在管外加翅片,改变壳程折流板结构 、改变管束支承结构,16.4.4 壳程强化传热,途径,1. 改变壳程折流板结构,传统的单弓形折流板,壳程流体易产生流动死区，导致换热面积无法充分利用、易结垢、流体阻力大。 流体横向流过管束，易引起管束振动。,44,图16.28 整圆形折流板,新型的整圆形折流板,壳程流体为平行于换热管的纵向流动，没有死区，传热效果好，阻力小，管束不易振动。,45,消除传热死区，传热系数大。 阻力小，仅为传统弓形折流板的50%以下。 结垢减慢。 消除换热管的局部腐蚀和磨损 。,2. 改变管束支承结构折流杆结构,