管壳式换热器

1第六章换热设备6.1概述6.2管壳式换热器6.3传热强化技术过程设备设计6.2.1基本类型6.2.2管壳式换热器结构6.2.3管板设计6.2.4膨胀节设计6.2.5管束振动和防止2过程设备设计教学重点：管壳式换热器结构。教学难点：管板设计、管束振动。6.2管壳式换热器本章重点3管壳式换热器4过程设备设计6.2.1基本类型6.2.1基本类型一、固定管板式二、浮头式三、U形管式四、填料函式五、釜式重沸器5过程设备设计6.2.1基本类型一、固定管板式换热器（a)BEM立式固定管板式换热器结构6双管程固定管板换热器7过程设备设计6.2.1基本类型——适用于壳侧介质清洁且不易结垢并能进行溶解清洗，管、壳程两侧温差不大或温差较大但壳侧压力不高的场合。优点——结构简单、紧凑、能承受较高的压力，造价低，管程清洗方便，管子损坏时易于堵管或更换。缺点——当管束与壳体的壁温或材料的线膨胀系数相差较大时，壳体和管束中将产生较大的热应力。应用为减少热应力，通常在固定管板式换热器中设置柔性元件（如膨胀节、挠性管板等），来吸收热膨胀差。8过程设备设计二、浮头式结构浮头端可自由伸缩，无热应力浮头端6.2.1基本类型9浮头式换热器10过程设备设计优点——管间和管内清洗方便，不会产生热应力；缺点——结构复杂，造价比固定管板式换热器高，设备笨重，材料消耗量大，且浮头端小盖在操作中无法检查，制造时对密封要求较高。应用——壳体和管束之间壁温差较大或壳程介质易结垢的场合。6.2.1基本类型11过程设备设计三、U形管式换热器结构（C）BIUU形管式换热器U形管6.2.1基本类型12U形管式换热器13过程设备设计优点结构比较简单、价格便宜，承压能力强。受弯管曲率半径限制，布管少；管束最内层管间距大，管板利用率低；缺点壳程流体易短路，传热不利。当管子泄漏损坏时，只有外层U形管可更换，内层管只能堵死，坏一根U形管相当于坏两根管，报废率较高。管、壳壁温差较大或壳程介质易结垢需要应用清洗，又不宜采用浮头式和固定管板式的场合。特别适用于管内走清洁而不易结垢的高温、高压、腐蚀性大的物料。6.2.1基本类型14过程设备设计四、填料函式(d)AFP填料函双壳程换热器结构填料函式密封6.2.1基本类型15过程设备设计优点结构较浮头式简单，加工制造方便；节省材料，造价比较低廉;管束从壳体内可抽出;管内、管间都能进行清洗，维修方便。缺点填料处易泄漏。应用4MPa以下，且不适用于易挥发、易燃、易爆、有毒及贵重介质，使用温度受填料的物性限制。注：填料函式换热器现在已很少采用。6.2.1基本类型16过程设备设计五、釜式重沸器(f)蒸发空间结构管束可以为浮头式、U形管式和固定管板式结构6.2.1基本类型17与浮头式、U形管式换热器一样，清洗维修方便；可处理不清洁、易结垢介质，能承受高温、高压（无温差应力）。特点过程设备设计6.2.1基本类型18过程设备设计6.2.2管壳式换热器结构（a)BEM立式固定管板式换热器管程壳程管程19过程设备设计6.2.2管壳式换热器结构管程——与管束中流体相通的空间壳程——换热管外面流体及相通空间（a)BEM立式固定管板式换热器管程壳程管程206.2.2管壳式换热器结构过程设备设计6.2.2.1管程结构6.2.2.2壳程结构一、换热管二、管板三、管箱四、管束分程五、换热管与管板连接21过程设备设计一、换热管1.换热管型式光管强化传热管翅片管（在给热系数低侧）螺旋槽管螺纹管2.换热管尺寸φ19×2、φ25×2.5和φ38×2.5mm无缝钢管φ25×2和φ38×2.5mm不锈钢管标准管长1.5、2.0、3.0、4.5、6.0、9.0m等6.2.2管壳式换热器结构22过程设备设计小管径单位体积传热面积增大、结构紧凑、金属耗量减少、传热系数提高阻力大，不便清洗，易结垢堵塞用于较清洁的流体粘性大或污浊的流体大管径6.2.2管壳式换热器结构23过程设备设计3.换热管材料金属材料碳素钢低合金钢不锈钢铜铜镍合金铝合金钛等非金属材料石墨陶瓷聚四氟乙烯等6.2.2管壳式换热器结构24过程设备设计4.换热管排列形式及中心距60°30°90°45°p三角形布管多，但不易清洗；正方形及转角正方形较易清洗管桥强度清洗通道P≥1.25d06.2.2管壳式换热器结构25过程设备设计表6-1常用换热管中心距/mm换热管外径do1214192532384557换热管中心距16192532404857726.2.2管壳式换热器结构26过程设备设计6.2.2管壳式换热器结构27过程设备设计二、管板作用用来排布换热管；将管程和壳程流体分开，避免冷、热流体混合；承受管程、壳程压力和温度的载荷作用。（a)BEM立式固定管板式换热器6.2.2管壳式换热器结构28过程设备设计1.管板材料力学性能介质腐蚀性（及tube-tubesheet间电位差对腐蚀影响）贵重钢板价格流体无腐蚀性或有轻微腐蚀性时，管板采用压力容器用碳素钢或低合金钢板或锻件制造；腐蚀性较强时，用不锈钢、铜、铝、钛等材料，为经济考虑，采用复合钢板或堆焊衬里。6.2.2管壳式换热器结构29过程设备设计2.管板结构厚度——满足强度前提下，尽量减少管板厚度（a)BEM立式固定管板式换热器热应力6.2.2管壳式换热器结构30过程设备设计厚度计算标准GB151《管壳式换热器》美国管式换热器制造商协会标准TEMA西德AD标准厚度“厚管板”——GB151《管壳式换热器》、美国管式换热器制造商协会标准TEMA“薄管板”——西德AD标准8-20mm6.2.2管壳式换热器结构31过程设备设计薄管板平面形椭圆形碟形球形挠性薄管板等目前主要有6.2.2管壳式换热器结构32过程设备设计比较四种用于固定管板换热器的薄管板结构：薄管板贴于法兰表面上，当管程通过腐蚀性介质时，密封槽开在管板上，法兰不与管程介质接触（a）（b）薄管板嵌入法兰内，并将表面车平。不论管程和壳程是否有腐蚀性介质，法兰都会与腐蚀性介质接触，需采用耐腐蚀材料，※而且管板受法兰力距的影响较大6.2.2管壳式换热器结构33过程设备设计●薄管板在法兰下面且与筒体焊接。壳程通入腐蚀性介质时，不必采用耐腐蚀材料；●管板离开了法兰，减小了法兰力矩和变形对管板的影响，降低了管板因法兰引起的应力；●管板与刚度较小的筒体连接，也降低了管板的边缘应力；●是一种较好的结构。（c）6.2.2管壳式换热器结构34过程设备设计（d）●管板与壳体间有一个圆弧过渡连接，并且很薄，管板具有一定弹性，可补偿管束与壳体间的热膨胀；●过渡圆弧可减少管板边缘的应力集中。●该种管板没有法兰力矩的影响。●壳程流体通入腐蚀性介质时，法兰不会受到腐蚀。●挠性薄管板加工比较复杂。挠性薄管板结构6.2.2管壳式换热器结构35过程设备设计图6-16椭圆形管板以椭圆形封头作为管板，与换热器壳体焊接在一起。受力情况比平管板好得多，可以做得很薄，有利于降低热应力；适用于高压、大直径的换热器。6.2.2管壳式换热器结构36过程设备设计用于严格禁止管程与壳程介质互相混合的场合。方法：从短节排出短节圆筒充入高于管程、壳程压力的惰性介质图6-17双管板结构1—空隙2—壳程管板3—短节4—管程管板234112346.2.2管壳式换热器结构37过程设备设计三、管箱作用——流体送入换热管和送出换热器，在多管程结构中，还起到改变流体流向的作用。结构形式决定因素——清洗？管束分程？(a)(b)(c)(d)隔板(a)(b)隔板箱盖（2）（1）(c)隔板箱盖管板(d)隔板(a)（b）(c)(d)图6-17管箱结构形式隔板(a)(b)隔板箱盖（2）（1）(c)隔板箱盖管板(d)隔板(a)（b）(c)(d)图6-17管箱结构形式隔板(a)(b)隔板箱盖（2）（1）(c)隔板箱盖管板(d)隔板(a)（b）(c)(d)图6-17管箱结构形式隔板(a)(b)隔板箱盖（2）（1）(c)隔板箱盖管板(d)隔板(a)（b）(c)(d)图6-17管箱结构形式6.2.2管壳式换热器结构38过程设备设计特点清洗时要拆除管线；该结构适用于较清洁的介质。隔板(a)(b)隔板箱盖（2）（1）(c)隔板箱盖管板(d)隔板(a)（b）(c)(d)图6-17管箱结构形式(a)6.2.2管壳式换热器结构39换热器管箱40过程设备设计清洗时不要拆除管线；缺点是用材较多。特点隔板(a)(b)隔板箱盖（2）（1）(c)隔板箱盖管板(d)隔板(a)（b）(c)(d)图6-17管箱结构形式(b)6.2.2管壳式换热器结构41过程设备设计特点检查、清洗不方便很少使用隔板(a)(b)隔板箱盖（2）（1）(c)隔板箱盖管板(d)隔板(a)（b）(c)(d)图6-17管箱结构形式（1）（2）(c)6.2.2管壳式换热器结构42过程设备设计特点设置多层隔板的管箱结构隔板(a)(b)隔板箱盖（2）（1）(c)隔板箱盖管板(d)隔板(a)（b）(c)(d)图6-17管箱结构形式(d)6.2.2管壳式换热器结构43过程设备设计四、管束分程管内流动的流体从管子的一端流到另一端，称为一个管程换热面积要变大管数增加流速下降传热系数下降多管程管子加长6.2.2管壳式换热器结构44过程设备设计管束分程布置图图序管箱隔板介质返回侧隔板管程数流动顺序214612123414231432213546146325bacdefg每程管数大致相同，温差不超过20℃左右为好流向6.2.2管壳式换热器结构45过程设备设计五、换热管与管板连接强度胀强度焊胀焊并用1.强度胀保证换热管与管板连接的密封性能及抗拉脱强度的胀接设计压力≤4.0MPa；设计温度≤300℃；操作中无剧烈振动、无过大温度波动，及无明显应力腐蚀等场合。应用6.2.2管壳式换热器结构46338300300K3003386K33863003300K贴胀过程设备设计结构用于δ≤25mm的场合用于δ＞25mm的场合用于厚管板及避免晶间腐蚀的场合图6-18强度胀接管孔结构6.2.2管壳式换热器结构300l47过程设备设计非均匀胀接均匀胀接胀接机理方法管子硬度一般须低于管板硬度，若达不到，可进行管头退火处理6.2.2管壳式换热器结构48过程设备设计液压胀接接头6.2.2管壳式换热器结构49过程设备设计6.2.2管壳式换热器结构液压胀接50过程设备设计6.2.2管壳式换热器结构机械胀接51过程设备设计2.强度焊保证换热管与管板连接的密封性能及抗拉脱强度的焊接。用于整体管板用于复合管板图6-20强度焊接管孔结构6.2.2管壳式换热器结构52过程设备设计优点焊接结构强度高，抗拉脱力强度高。高温下也能保证连接处的密封性能和抗拉脱能力。泄露处可补焊和更换。焊后，管子与管板中存在残余热应力和应力集中，运行时可能引起应力腐蚀与疲劳；缝隙腐蚀。缺点除较大振动和缝隙腐蚀场合外，该方法应用广泛;薄管板不能胀，只能焊。应用6.2.2管壳式换热器结构53过程设备设计3.胀焊并用主要有强度胀+密封焊、强度焊+贴胀、强度焊+强度胀等不仅能提高连接处的抗疲劳性能，而且还可消除应力腐蚀和缝隙腐蚀，提高使用寿命应用：密封性能要求较高；承受振动和疲劳载荷；有缝隙腐蚀；需使用复合管板等的场合6.2.2管壳式换热器结构54过程设备设计6.2.2管壳式换热器结构切除管子端部55过程设备设计课堂讨论关于先焊还是先胀的讨论机械胀接——先焊后胀液压胀接——先胀后焊6.2.2管壳式换热器结构56第六章换热设备6.1概述6.2管壳式换热器6.3传热强化技术过程设备设计6.2.1基本类型6.2.2管壳式换热器结构6.2.3管板设计6.2.4膨胀节设计6.2.5管束振动和防止57过程设备设计6.2.2.2壳程结构一、壳体二、折流板三、折流杆四、防短路结构五、壳程分程6.2.2管壳式换热器结构58过程设备设计一、壳体1.接管2.防冲挡板3.导流筒焊在壳体上，供壳程流体进、出。防止进口流体直接冲击管束造成管子的侵蚀和振动，在壳程进口接管处安装，也叫缓冲板。焊接在拉杆、定距管、I折流板上焊接在圆筒上用U型螺栓固定在换热管上固定形式减少流体滞留区，改善两端流体的分布，增加换热管的