6.2--管壳式换热器

1过程设备设计（下）第五章储存设备(8学时)第六章换热设备(8学时)第七章塔设备(8学时)第八章反应设备(6学时)2第六章换热设备6.1概述6.2管壳式换热器6.3余热锅炉6.4传热强化技术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3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4管壳式换热器56.2.1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6一、固定管板式换热器（a)BEM立式固定管板式换热器㈠、结构7双管程固定管板换热器8——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。⒈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。⒉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。⒊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。9⑴胀接㈡、壳体与管束之间的热应力的产生：⒈管子与管板的连接：工具：胀管结束後：管板孔边缘弹性回复，挤压管端并贴紧。胀管过程发生：管子端部——塑性变形；管板孔边缘——弹性变形。10机械胀接11①优点：工艺简单方便；消除间隙——避免间隙腐蚀。②缺点：温度升高时，管端会发生松驰——泄漏。③适用条件：p≤4.0MPa,t≤350℃。注意：管端硬度＜管板硬度。④保证紧密性的方法：•管板孔开槽；•胀接周边保证清洁；•管子硬度低于管板孔周边硬度。保证管端硬度较低并且低于管板硬度的方法：管端退火处理。选材考虑。12⑵焊接①优点：a.高温高压下能保证连接的紧密性；b.管板孔加工精度要求不高，低于胀接；c.焊接工艺简单；d.压力不高时可用薄管板。。a.除较大振动和缝隙腐蚀场合外，该方法应用广泛;b.薄管板不能胀，只能焊。③应用②缺点：a.存在焊接热应力——应力腐蚀；b.管与孔间有间隙——形成介质死区，间隙腐蚀13⑶.胀焊并用①克服了单纯的焊接及胀接的缺点，主要优点是：A.连接紧密，提高抗疲劳能力；B.消除间隙腐蚀和应力腐蚀；C.提高使用寿命。②施工方式：先胀後焊；先焊後胀。胀接——贴胀；强度胀。焊接——密封焊，强度焊。根据不同情况具体制定施工工艺。14⒊温差应力的产生：Lttottt)(tttAEFLLttsSS)(0壳体的自由伸长量管子的自由伸长量sSsAEFL壳体被拉伸的量为管子被压缩的量为⑴壳体和换热管的变形15SSttssttAEAEttttF11)()(00由以上式子得出如下计算式AFttssAF⑵管子或壳体中的温差轴向力为⑶管子及壳体中产生的温差应力管子中壳体中tAsA——换热管总截面面积——壳体横截面面积167.5.2管子拉脱力的计算——限于管子与管板胀接情况。1.介质压力和温差力对管板的作用：假设管壁温度＞壳壁温度17计算的目的：保证胀接接头的牢固连接和良好的密封性。（否则？）拉脱力定义：管子每平方米胀接周边上所受的力，单位为帕。引起拉脱力的因素为：操作压力和温差力。2024866.0daf管子成正三角形排列2024daf管子成正方形排列:㈢管子拉脱力的计算pq（1）操作压力引起的拉脱力介质压力作用的面积f如图示18ldpfqp0（2）温差力引起的拉脱力：ldddldaqitttt022004)(l—胀拉长度,取管板名义厚度减3㎜;管板名义厚度大于50㎜时取50㎜ta——为每根管壁横截面积则管子每平方米胀接周长上所受到的力tq操作压力作用下每平方米胀接周长上的拉脱力为：tta每根管承受温差力为（3）合拉脱力：两者使管子受力方向相同—取之和；两者使管子受力方向相反—取之差。tpqqqtpqqqtq19（4）拉脱力判据：①计算合拉脱力必须小于许用拉脱力：qq管端不卷边，管板孔不开槽——取2.0MPa。管端卷边或管板孔开槽——取4.0MPa。②许用拉脱力[q]的确定：焊接——钢管、有色金属管ttq5.020㈣温差应力的补偿⑶、改变换热器结构⑵装设挠性构件壳体上安装膨胀节;将直管制成带S形弯的管。如氨合成塔内的冷管：⑴减小壳体与管束间的温度差使传热膜系数大的流体走壳程；壳壁温度低于管壁温度时，对壳体进行保温⒈目的：解决壳体与管束轴向变形的不一致性。或者说，消除壳体与管子间的刚性约束，实现壳体和管子自由伸缩。⒉补偿方法：如采用浮头式，U型管式、填料函式等21二、浮头式1、结构浮头端可自由伸缩，无热应力浮头端22浮头式换热器232、优点——管间和管内清洗方便，不会产生热应力；3、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。4、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。24三、U形管式换热器1、结构（C）BIUU形管式换热器U形管25U形管式换热器261、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；2、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3、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。27四、填料函式(d)AFP填料函双壳程换热器1、结构填料函式密封281、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。2、缺点填料处易泄漏。3、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。29五、釜式重沸器(f)蒸发空间1、结构管束可以为浮头式、U形管式和固定管板式结构30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）。2、特点316.2.2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326.2.2.1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33一、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34⑴小管径①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②阻力大，不便清洗，易结垢堵塞③用于较清洁的流体粘性大或污浊的流体⑵大管径353.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换热管选材原则：应根据压力、温度、介质的腐蚀性等因素确定364.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≥1.25d037表6-1常用换热管中心距/mm换热管外径do1214192532384557换热管中心距1619253240485772386.2.2管壳式换热器结构39二、管板1、作用⑴用来排布换热管；⑵将管程和壳程流体分开，避免冷、热流体混合；⑶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402、选择管板材料的考虑因素⑴力学性能⑵介质腐蚀性（及tube-tubesheet间电位差对腐蚀影响）⑶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。413、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42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8-20mm43三、管箱1、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)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44a、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)45换热器管箱46清洗时不要拆除管线；缺点是用材较多。b、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)47C、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)48四、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1、分程原因492、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506.2.2.2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51一、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。⑴焊接在拉杆、定距管、I折流板上⑵焊接在圆筒上⑶用U型螺栓固定在换热管上固定形式⑴减少流体滞留区，改善两端流体的分布，增加换热管的有效换热长度，提高传热效率；⑵起防冲挡板的作用。52二、折流板1.作用⑴提高壳程流体流速，增加湍动程度；使壳程流体垂直冲刷管束，提高壳程传热系数；⑵减少结垢。2.结构形式（见图）弓形圆盘-圆环形堰形折流板(b)双弓形水平竖直转角（a）单弓形（C）三弓形（d）四弓形53弓形缺口高度h应使流体流过缺口时与横向流过管束时的流速相近缺口大小用弓形弦高占壳体内直径的百分比来表示，如单弓形折流板，h一般取0.20～0.45Di，最常用0.25Di。3.弓形缺口及通液口设置⑴壳程为单相清洁液体时，折流板缺口上下布置通液口通气口54（2）卧式换热器的壳程介质为气液相共存或液体中含有固体颗粒时，折流板缺口应垂直左右布置，并在折流板最低处开通液口通液口图6-21折流板缺口布置55折流板缺口垂直左右布置56过程设备设计6.2.2管壳式换热器结构折流板574.折流板布置位置：管束两端的折流板尽量靠近进出口接管间距：Lmin不小于0.2Di，且不小于50mm；Lmax不大于Di；（a)BEM立式固定管板式换热器58折流板上管孔与换热管的间隙以及折流板与壳体内壁之间的间隙：过大——泄露严重，不利传热；易引起振动。过小——安装困难。当换热管的无支撑跨距超过了标准中规定值时，必须设置一定数量的支撑板，按照折流板处理。（a)BEM立式固定管板式换热器595.折流板的固定⑴、换热管外径≤14mm时——点焊结构⑵、换热管外径＞14mm时——拉杆-定距管结构dndnd+1d点焊dndnd+1d点焊dndn图6-22拉杆结构60三、折流杆作用——管束支撑结