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1、换热器的结构管壳式换热器就是具有换热管和壳体的一种换热设备，换热管与管板连接，再用壳体固定。按其 结构型式，主要分为：固定管板式换热器、浮头式换热器、U形管式换热器、填料函式换热器、 方形壳体翅片管换热器等。详细结构如下：固定管板式换热器： 固定管板式换热器结构如上图所示，换热器的两端管板采用焊接方法与壳体连接固定。换热管 可为光管或低翅管。其结构简单，制造成本低，能得到较小的壳体内径，管程可分成多样，壳程 也可用纵向隔板分成多程，规格范围广，故在工程中广泛应用。其缺点是壳侧不便清洗，只能采用化学方法清洗，检修困难，对于较脏或对材料有腐蚀性的介 质不能走壳程。壳体与换热管温差应力较大，当温差应
2、力很大时，可以设置单波或多波膨胀节减 小温差应力浮头式换热器结构如图所示，其一端管板与壳体固定，而另一端的管板可以在壳体内自由浮动。壳体和管束对热膨胀是自由的，故当两种介质的温差较大时，管束与壳体之间不会产生温差应力。 浮头端设计成可拆结构，使管束可以容易地插入或抽出，这样为检修和清洗提供了方便。这种形 式的换热器特别适用于壳体与换热管温差应力较大，而且要求壳程与管程 都要进行清洗的工况。浮头式换热器的缺点是结构复杂，价格较贵，而且浮头端小盖在操作时无法知道泄漏情况，所以装配时一定要注意密封性能U形管式换热器上图为双壳程U形管式换热器。U形管式换热器是将换热管弯成U形，管子两端固定在同一块 管
3、板上。由于换热管可以自由伸缩，所以壳体与换热管无温差应力。因U形管式换热器仅有一 块管板，所以结构较简单，管束可从壳体内抽出，壳侧便于清洗，但管内清洗稍困难，所以管内 介质必须清洁且不易结垢。U形管式换热器一般用于高温高压情况下，尤其是壳体与换热管金属 壁温差较大时。壳程可设置纵向隔板，将壳程分为两程（如图中所示）。上图为填料函式双管程双壳程换热器，填料函式换热器的换热管束可以自由滑动，壳侧介质靠 填料密封。对于一些壳体与管束温差较大，腐蚀严重而需经常更换管束的换热器，可采用填料函 式换热器。它具有浮头换热器的优点，又克服了固定管板式换热器的缺点，结构简单，制造方便， 易于检修清洗。填料函式换
4、热器的缺点：使用直径小；不适于高温、高压条件下；壳程介质不适于易挥发、易 燃、易爆、有毒等介质:方形壳体翅片管换热器0iGlIIIIIIIIIIHIIIIIIIIIIIIHIIIIIIHIIIb 掃 iiiiiiiiiiiiiiiMU和昇 iiiiiiiiiiiii 牌 曹也出Htifti!川!川!山胡!川!川川!川!川!l評!川!川川1影 H4卜删1卄卄卄日4押111丨丨111111丨丨111；盟 ill 川 iiiiiHiiiiiiiiiiiiHiiiiiiHii 曲 ill 川 iiiiiHiiiiiiiiiiiiHiiiiiiHiii 牌 ill 川 iiiiiHiiiiiiiiiii
5、iHiiiiiiHii 鬆 iiiiiiiiiHiiiiiiiiiiiiHiiiiiiHiii 彩如上图所（方形壳体翅片管换热器的壳体为方箱形，其换热管为带翅片的翅片管。换热管可为单） 示排或多排换热管。翅片材料可采用碳钢、不锈钢、 铝或铜材等。翅片的翅高、翅距和翅片厚 度可根据实际工况而定。这种形式的换热器因为采用了翅片管，可大大强化传热面积，所以特别 适用于给热系数较 所以对于压力较低和对压力降要求较壳程流通面积可设计较大，流动阻力较小，低的流体。 小 的流体特别适用。在实际生产中，常常用这种换热器来加热或冷却低压空气。但壳程只能承受较0:二低压力的介质。因为壳体为方箱形，虽然管程可承受高
6、压介质，其缺点：这种换热器的金属 消耗量大，制造成本较高。而管束采用方形布管。往往将壳体做成圆形，在实际生产装置中, 为提高壳程的耐压能力，附图结构可参见下面一我左图为制厂设计气造的空却段间冷视器的剖换图。该管热器的方束采用的形排列，翅片管度管束长。 3.7m 为壳为提高压体的承壳能力，圆体采用直筒形，径 900mm 。换热管为紫铜整体轧制翅片管，翅片外径36mm,翅片根径为20mm，换热管内径16mm，公0.5mm,换热总面积为440m翅片间距2.5mm,翅片厚度为 空气条件：流量： 30000Nm3/h温度： 100-40oC工作压力： 0.1MPa压降:150mm水柱总热负荷:59700
7、0kcal/h管壳式换热器主要由换热管束、壳体、管箱、分程隔板、支座等组成。换热管束包括换热管、管 板、折流板、支持板、拉杆、定距管等。换热管可为普通光管，也可为带翅片的翅片管，翅片管 有单金属整体轧制翅片管、双金属轧制翅片管、绕片式翅片管、叠片式翅片管等，材料有碳钢、 低合金钢、不锈钢、铜材、铝材、钛材等。壳体一般为圆筒形，也可为方形。管箱有椭圆封头管 箱、球形封头管箱和平盖管箱等。分程隔板可将管程及壳程介质分成多程，以满足工艺需要。管壳式换热器在结构设计时，必须考虑许多因素，例如传热条件、材料、介质压力、温度、管 壳程壁温温差、介质结垢情况、流体性质以及检修和清洗条件等等，从而确定一种适合
8、的结构形 式。对于同一种形式的换热器，由于各种不同工况，往往采用的结构并不相同。在工程设计中， 应按其特定的条件进行分析设计，以满足工艺需要。换热面积的计算在管壳式换热器的设计中，确定了一种换热器的结构形式后，首先必须确定的一个重要因素是有 效换热面积，换热面积的多少决定了换热器的大小。如果换热面积太小，使工艺过程不能实现， 使换热器介质出口温度不能得到有效控制。如果换热面积太大，不仅造成材料的浪费，增加投资， 而且增大了换热器的体积，使其占据过多的空间。计算换热面积的一个重要参数是总传热系数，它包括冷热介质的给热系数、介质的污垢系数和 金属壁的传热系数。其中计算较为复杂的是介质的给热系数。介
9、质的给热系数不仅与介质的物性 有关，而且与介质的流动状态有关。介质的流动状态是由换热器的结构决定的，如果换热器的结 构作很小改动，将引起介质流动状态作较大的变化。在一个换热器中，同一种介质的温度是不断 变化的，所以在换热器中的不同位置，同一种介质的热力学数据因温度的不同而不同。在实际计 算中，往往将一种介质分成许多个温度区域，在不同的温度区域，对介质的热力学数据作相应的 计算。在换热器的设计过程中，换热面积的确定是最为关键的一步，它不仅需要计算方法正确严 密，而且各种参数必须十分精确。换热器的分析计算过程是一个动态的计算过程，往往须不断地调整换热器的结构参数。而管 壳式换热器的结构参数很多，其
10、中一项的改变将会使计算结果产生很大变化，所以需要不断的反 复，不仅要使换热面积满足需要，而且还应兼顾到其它许多因素，例如介质阻力情况等等。 流体阻力的计算在管壳式换热器的分析设计中，流体的阻力计算是极为重要的，流体的，衡平力压的统系个整到 响影仅不它，数参的键关为较是程过艺工于对力阻 而且对于节能降耗也起到重要的作用。在实际生产中，常常由于流体阻力不适而使工艺过程难以 实现。在管壳式换热器中，流体的阻力包括壳程流体的阻力及管程流体的阻力。壳程流体阻力包括介质进口管、出口管、换热管间、折流板缺口等处阻力。介质进出口管阻 力可以通过改变进出口管的大小来进行调节。换热管间的介质阻力可以通过改变换热管
11、间的介质 流通面积来进行调节，例如改变换热管的布管形式，改变壳体直径，改变折流板间距等。折流板 缺口处的介质阻力可以通过改变折流板缺口高度来进行调节。管程流体的阻力包括介质进出口管、换热管内、管箱等处阻力。介质进出口管阻力可以通过 改变进出口管的大小来进行调节。换热管内的介质阻力可以通过改变换热管的数量，换热管的长 度，换热管的直径以及管程数等来进行调节。管箱处的介质阻力可以通过改变管箱处的介质流通 面积来进行调节。换热器中流体的阻力计算，应分别计算出换热器内部各处的流体阻力。只有掌握了介质阻力 的分布情况，才能够通过有效调整换热器各处的结构尺寸来改变介质的阻力，从而满足工艺要求。 管束震动分
12、析对于管壳式换热器，一个容易被忽视的问题是换热管的振动。而换热管束的振动往往是换热管破坏的主要原因，使换热器过早报废。引起换热管振动的因素很多，也较复杂。当介质流量接近使换热管产生共振的临界流量时，将引起换热管束产生较大的振动。另外换热器内部介质的局部湍流、涡流也会引起换热管振动。换热管振动的位置较广，可以是某两个折流板间的所有换热管同时 产生振动，或只有几排换热管产生振动。也可能是在介质进口或出口 端的某些换热管产生振动。总之，换热管的振动可能发生在换热管束 的任何一处或多处。换热器的管束振动分析，就是要确定换热管的振动位置以及振动性 质，了解引起换热管产生振动的原因，从而消除换热管器热换变
13、改过 通以，可多很有法方的动振管热换除。消动振的 的结构尺寸来改变换热管束的固有频率或流体的流动状态，从而消除 换热管的振动。或者在换热管束的振动部位增加局部支撑板，来约束 换热管的振动。换热器网络分析在一个工程系统中，往往不是对单一的某台换热器进行分析，常常是对由多个换热器组成的网络 进行联合计算，其间还有一些其它设备（例如：阀门、混合、分离等设备）。下图为一个简单的 换热器网络。对一个换热器网络应进行综合的考虑并进行系统的分析。在一个工程系统中，往往不是对单一的某台换热器进行分析，常常是对由多个换热器组成的网络 进行联合计算，其间还有一些其它设备（例如：阀门、混合、分离等设备）。下图为一个
14、简单的 换热器网络。对一个换热器网络应进行综合的考虑并进行系统的分析。.换热器强度计算确定了换热器的结构及尺寸以后，必须对换热器的所有受压元件进行强度计算。因为管壳式换热 器一般用于压力介质的工况，所以换热器的壳体大多为压力容器，必须按照压力容器的标准进行 计算和设计，对于钢制的换热器，我国一般按照GB150钢制压力容器标准进行设计，或者 美国 ASME 标准进行设计。对于其它一些受压元件，例如管板、折流板等，可以按照我国的 GB151管壳式换热器或者美国TEMA标准进行设计。对于其它材料的换热器，例如钛材、 铜材等应按照相应的标准进行设计。下面提供一氮气冷却器的受压元件强度计算，以供参考。该
15、换热器为U形。0.6MPa力压计设 程壳，3.8MPa力压计设程管，500mm径直体壳，器热换式管.下：度计算如详细强壳程筒体强度计算：氮气冷却器（U形管式换热器）筒体计算计算条件 筒体简图PMPa0.60计算压力t C ? 100.00设计温度cDmm500.00内径）（板材）材料16MnR（热轧MPa 170.00试验温度许用应力 ? ? ?MPa 170.00 设计温度许用应力 ? ? ?MPa 试验温度下屈服点 ?345.00Cmm 0.00钢板负偏差Cmm 腐蚀裕量s11.00 0. 85焊接接头系数 ?2厚度及重量计算mm计算厚度=1.04 = ?C- C= 7.00 - =mm ?有效厚度？ ？名义厚度=21en8.00mm481.06 重量 Kg压力试验时应力校核 液压试验压力试验类型MPa 试验压力卩=1.20.750二T? ? ? 0.90 ?MPa= 310.50 压力试验允许通过?sT? 的应力水平 ?MPaT试验压力下.=?=31.95 圆筒的应力T? ? 校核条件? ? ?TT合格 校核结果压力及应力计算MPa最大允许工作压力设计温度下计算应力21.73 =t=? MPa?t? ? 144.50
