管壳式换热器

第六章管壳式换热器的机械设计（MechanicalDesignofShellandTubeHeatExchanger）6.1概述换热器是工业部门广泛应用的通用工艺设备。根据不同的目的，换热器可以是热交换器（Heatexchanger）、加热器（Heater）、冷却器（Cooler）、蒸发器（Evaporator）、冷凝器（Condenser）等，结构型式也多种多样，常用的换热器有板式换热器（Plateheatexchanger）、管壳式换热器（Shellandtubeheatexchanger）。管壳式换热器又称列管式换热器。管壳式换热器具有处理能力大适应性强，可靠性高，设计和制造工艺成熟，生产成本低，清洗较为方便等优点，是目前生产中最为广泛使用的一种换热设备。管壳式换热器的设计和选用除了满足规定的化工工艺条件外，还需满足下列各项基本要求：（1）换热效率高；（2）流体流动阻力小，即压力降小；（3）结构可靠，制造成本低；（4）便于安装、检修。6.1.1管壳式换热器的结构及主要零部件换热器构件名称6.1.2管壳式换热器的分类（ClassificationofShellandTubeHeatExchanger）管壳式换热器种类很多，根据换热器所受温差应力以及是否采用温差补偿装置，分为刚性结构和具有温差补偿的两类。常用的管壳式换热器有固定管板式，浮头式，填函式和U型管式。1、固定管板式换热器（Fixedtubeheatexchanger）固定管板式换热器分为刚性结构的固定管板式和带膨胀节的固定管板式两种。换热器壳体和管束通过两端的管板刚性地连在一起。固定管板式换热器带膨胀节的固定管板式换热器优点：换热器结构简单、造价低，每根管子都能单独更换，管内便于清洗缺点：管外清洗困难，管壳间有温差应力存在。当两种介质温差较大时，必须设置膨胀节。固定管板式换热器适用于壳程介质清洁、不易结垢、温差不大和壳程压力不高的场合。2、浮头式换热器（Floatingheadheatexchanger）浮头式换热器中只有一块管板与壳体刚性固定在一起，另一端的管板可在壳体内自由移动。管束和壳体在不同温度下膨胀自由，互不牵连。优点：这种换热器消除了温差应力的影响，可用于温差较大的两种介质的换热。管程和壳程均能承受较高的介质压力。管束可从壳程一端抽出，壳程与管程的清洗均很方便。缺点：由于换热器管束与壳程之间存在较大的环隙，设备的紧凑性差，传热效率较低。结构复杂，浮头部分由活动管板、浮头盖和勾圈组成，浮头处发生内漏不便检查。金属消耗量大，造价也较高。浮头式换热器3、填函式换热器（Fillfunctionheatexchanger）填函式换热器的浮头与壳体间采用填料函进行密封和热补偿。优点：结构简单，造价较浮头式低。检修、清洗容易，填函处的泄漏能及时发现。缺点：壳程受到填料密封的限制，不能承受过高的压力和温度。且壳程内介质有外漏的可能，壳程内不宜处理易挥发、易燃、易爆、有毒的介质。为减少管束与壳体之间的环隙，可采用滑动式管板结构。填函式换热器4、U型管式换热器（U-tubeheatexchanger）换热器的管束弯成U型，U型管两端固定在同一块管板上，在管箱中加有一块隔板。U型管式换热器优点：换热器只有一块管板，结构简单，造价便宜。管束可以抽出清洗，管子可以自由膨胀。缺点：管内不便清洗，管板上布管少，结构不紧凑。管外介质易短路，影响传热效果。内层管子损坏后不易更换。U型管式换热器主要用于管内清洁而不结垢的高温、高压介质。壳层介质适应性强，常用于高压、高温、粘度较大的场合。6.1.3管壳式换热器机械设计内容管壳式换热器的设计，首先根据化工生产工艺条件的要求，通过化工工艺计算，确定换热器的传热面积，同时选择管径。管长，确定管数、管层数和壳层数，然后进行机械设计。机械设计包括：（1）壳体直径的决定和壳体厚度的计算；（2）换热器封头选择，压力容器法兰选择；（3）管板尺寸确定；（4）折流板的选择与计算；（5）管子拉脱力的计算；（6）温差应力计算。6.2管壳式换热器的结构设计（ShellandTubeHeatExchangerDesign）6.2.1管子的选用（Selectionofpipe）1、管子直径的选择（Choiceofpipediameter）换热管直径的确定要考虑管内介质的物性和管内流速、流量。为了提高传热效率，通常要求管内流体呈湍流，故一般要求管径较小；而且采用小直径的管子，换热器单位体积的换热面积大些，设备较紧凑。但制造较麻烦，容易结垢，不易清洗，适用于较清洁的流体。粘度大或污浊的流体，宜选用大直径的管子。常用的碳钢和低合金钢无缝钢管的规格有Ø19×2、Ø25×2.5、Ø32×3、Ø38×3、不锈钢常采用Ø25×2、Ø38×2.5。2、管子材料的选择（Choiceofpipematerial）管子材料应根据设计压力、温度、介质的腐蚀等条件来选择，在满足以上条件的前提下，尽量选择导热性能好的材料，对于一般介质，可选用普通碳素钢，特别是10、20号无缝钢管。3、管子长度的选择（Choiceofpipelength）管子长度主要根据工艺计算和整个换热器的几何尺寸的布局来确定，管子越长，换热器单位材料消耗越低。但管子不能太长，否则对流体产生较大阻力，维修、清洗、运输、安装都不方便，管子本身受力也不好。常用管长规格为1.5、2、2.5、3、4.5、5、6、7.5、9、12m等。4、管子型式的选择（Choosethetypeofpipe）管子一般都用光管，因为其结构简单、制造方便，但它强化传热的性能不足。为了强化传热，可选用特殊型式的管子：a）扁平管b）椭圆管c）凹槽扁平管d）波纹管几种异形管a）焊接外翅片管b）整体式外翅片管c）镶嵌式外翅片管d）整体式内外翅片管纵向翅片管径向翅片管螺纹管6.2.2管子与管板的连接（ConnectionofTubeandTubePlate）管子与管板间的连接是管壳式换热器设计和制造中的主要问题之一。要求连接处有足够的结合力，工作时气密性要好。常用的连接方法有胀接、焊接和胀焊结合。1、胀接（Expansion）胀接是利用胀管器挤压伸入管板孔中的管子端部，使管子发生塑性变形，管板孔同时产生弹性变形。当取掉胀管器后，管板孔弹性收缩，管板与管子间就产生一定的挤紧压力而紧密地贴在一起，达到密封、紧固、连接的目的。缺点：胀接结构随温度的升高，管子或管板材料会产生高温蠕变，使接头处应力松弛或逐渐消失，使连接处发生泄漏，造成连接失效。因此胀接结构只适用于温度不超过300℃、压力不超过4MPa的场合。采用胀接型式，管板的硬度必须高于管端硬度。通常对管端作退火处理，以降低其硬度后进行胀接。同时为提高管子与管板的连接质量，也可在管板孔内开一个或二个环形槽。胀接长度取（1）两倍换热管外径；（2）50mm；（3）管板厚度减3mm三者中的最小值。胀管前后的示意图管板孔内开环形槽2、焊接（Welding）管子与管板间采用焊接连接优点：连接结构简单、适用范围广；管板的加工要求低、生产过程简单、生产效率高；管子与管板选材要求简化、管端不须退火；在压力不高的场合可使用较薄的管板。缺点：焊接接头处产生的热应力可能造成应力腐蚀和破裂；管子与管板间存在着间隙，这些间隙中的介质会形成死区，造成间隙腐蚀。焊接间隙管板孔上不开坡口管板孔上开60°坡口管子头部不突出管板孔的四周开沟槽3、胀焊并用（ExpansionandWelding）由于单独采用胀接或单独采用焊接均有一定的局限性，为此出现了胀接加焊接的型式。根据加工次序可分为：先胀后焊和先焊后胀两种形式。采用这种连接结构可以消除间隙，增加抗热疲劳的性能，适用于高温、高压的换热设备。6.2.3管板结构（TubePlateStructure）1、管子在管板上的排列（Arrangementoftube）管壳式换热器的管子在管板上的布置不单只考虑设备的紧凑性，还要考虑流体的性质、结构设计以及加工制造方面的情况。常用正三角形排列、转角三角债排列、正方形排列、转角正方形排列。正三角形排列的管子当壳程为清洁、不结垢的流体时，宜选用正三角形排列。壳程流体粘度较大或易结垢需定期清洗壳程时，一般采用正方形排列。多程换热器，常采用正三角形和正方形组合排列方法，以便安排隔板位置。对于直径较大、管子较多，按正三角形排列管子总数超过127根时必须在管束周围的弓形空间尽量再配置附加换热管。正方形排列的管子组合排列法2、管间距（Tubespacing）管板上两换热管中心的距离称为管间距。确定管间距既要考虑结构紧凑性、传热效率，又要考虑管板强度和清洗空间以及管子在管板上固定的影响。对于正三角形排列，管间距应大于等于管子直径的1.25倍，且不小于d0+6mm。最外层换热管的管壁与壳体内壁间的距离不得小于10mm。换热管中心距(mm)3、管板受力及其设计方法列管式换热器的管板一般采用平管板，在圆平板上开孔装设管束，管板又与壳体相连。管板所受的载荷除管程与壳程压力之外，还承受管壁与壳壁的温差引起的变形不协调而产生的温差应力。影响管板应力大小有以下因素：（1）管板自身的直径、厚度、材料强度、使用温度等对管板应力有显著的影响。（2）管束对管板的支撑作用。（3）管孔对管板强度和刚度削弱的影响。（4）管板周边支承形式的影响。（5）温度对管板的影响。我国《管壳式换热器》（GB151-1999）采用以下的设计方法进行管板厚度计算：将管束当作弹性支承，而管板则作为放置于该弹性基础上的圆平板，然后根据载荷大小、管束的刚度及周边的支撑情况来确定管板的弯曲应力并进行强度计算。通常可以根据管板的公称压力从《钢制列管式固定管板换热器结构设计手册》中直接查取管板的尺寸。6.2.4管板与壳体的连接结构（Connectingoftubeplateandshell）管壳式换热器管板与壳体的连接结构分为可拆式和不可拆式两大类。固定管板式换热器的管板和壳体间采用不可拆的焊接连接，而浮头式、U型管式和填函式换热器的管板与壳体间需采用可拆结构。1、固定管板式换热器管板与壳体的连接兼作法兰时管板与壳体的连接结构不兼作法兰时管板与壳体的连接结构2、浮头式、U型管式和填函式换热器的管板与壳体的连接由于浮头式、U型管式和填函式换热器的管束要从壳体中抽出，以便进行清洗，故需将管板做成可拆连接。管板与壳体可拆结构6.2.5管箱与管程分程（Tubeboxandtubesplit）1、管箱与分程隔板换热器管内流体进出口的空间称为管箱。管箱位于换热器的两端，将介质均匀地分布到各换热管中，或将管内流体汇集后输送出来。为了便于清洗、检修管子，管箱应采用可拆结构。固定管板换热器是利用管箱来实现管束分程。在换热器一端或两端管箱内分别安置一定数量的隔板，将换热器做成多管程。分程隔板有单层和双层两种。单层隔板与管板的密封双层隔板与管板的密封2、管程分程管程分层布置，尽量做到各程的流速基本相同，使各程管数大致相等。常用的管程数有1、2、4、6、8、10、12等。常用管程分程图6.2.6挡板与导流筒（Baffleanddrafttube）壳程接管的结构设计直接影响换热器的传热效率与使用寿命。当介质为蒸气或高速流体进入壳程时，入口处的管子将受到很大冲击，甚至发生震动。为了保护管束，通常在入口处设立导流筒或挡板。导流筒还可以使加热蒸气或流体从靠近管板处进入管间，充分利用传热面积。导流筒挡板6.2.7折流板和支撑板（Baffleandsupportplate）折流板的作用是提高壳程内液体速度和加强湍流程度，同时还起支撑换热管的作用。折流板和支撑板的常用形式有弓形、圆盘-圆环形和带扇形切口三种。弓形折流板圆盘-圆环形折流板带扇形切口的折流板折流板和支撑板的固定是通过拉杆和定距管来实现的。拉杆是一根两端皆有螺纹的长杆，一端拧入管板，折流板就穿在拉杆上，各板之间则以套在拉杆上的定距管来保持板间距离，最后一块折流板可用螺母拧在拉杆上予以固定。折流板的组装6.3管壳式换热器的强度计算（Strengthdesingofshellandtubeheatex