管壳式换热器

第7章管壳式换热器第一节管壳式换热器的总体结构第二节管壳式换热器的主要零部件第三节管壳式换热器的选用及设计流程第四节其它形式换热器简介（1）换热器是许多工业部门广泛应用的通用工艺设备。通常，在化工厂的建设中，换热器约占总投资的11％～40％。它的先进性、合理性和运转可靠性将直接影响产品的质量、数量和成本。（2）根据不同的目的，换热器可以是热交换器、加热器、冷却器、蒸发器、冷凝器等。第一节管壳式换热器的总体结构一、概述（3）衡量一台换热器好坏的标准。c.可靠性满足操作条件,强度足够,保证使用寿命b.合理性a.先进性可制造加工，成本可接受传热效率高，流体阻力小，材料省化工生产对换热设备提出的要求是：传热效率高，流体阻力小；强度、刚度、稳定性足够；结构合理，节省材料，成本较低；制造、装拆、检修方便等。（4）任何一种换热器不可能十全十美。板式换热器传热效率高、金属消耗量低，但流体阻力大、强度和刚度差，制造、维修困难。列管式换热器虽在传热效率、紧凑性、金属消耗量等方面均不如板式换热器，但其结构坚固、可靠程度高、适应性强、材料范围广，因而目前仍是石油、化工生产中，尤其是高温、高压和大型换热器的主要结构型式。第一节管壳式换热器的总体结构一、概述管壳式换热器是把换热管束与管板连接后，再用筒体与管箱包起来，形成两个独立的空间：管内通道及与其相贯通的管箱，称为管程空间；换热管外的通道及与其贯通的部分，称为壳程空间。二、管壳式换热器的种类及其结构1列管式换热器的主要结构：壳体、管板、管束、顶盖（封头）、挡板纵向横向2列管式换热器的工作原理：T1t0（环境）TwTt1t2T2列管式ttw列管式换热器列管式换热器的主要类型从结构上分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固定管板式换热器结构图(1)固定管板式换热器带膨胀节的固定管板式换热器结构图(1)固定管板式换热器(1)固定管板式换热器1）、结构特点：两块管板均与壳体相焊接，并加入了热补偿原件——膨胀节。2）、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。3）、缺点：不易清洗壳程，壳体和管束中可能产生较大的热应力。冷热流体温差不能太大（50℃)4）、适用场合：适用于壳程介质清洁，不易结垢，管程需清洗以及温差不大或温差虽大但是壳程压力不大的场合。折流板：提高壳程流体的流速和湍动程度。隔板：增加管程数，提高管内流体流速。流速增加，传热效率提高；但流动的阻力也同时增加。膨胀节的作用：由于两块管板都与壳体固定，当壳体、换热管受热、受压都会发生变形，加入膨胀节减少热应力来吸收热膨胀差。当壳体和管子之间的温差较大(60~70℃)且壳体承受压力不太高时，可采用补偿圈（又称膨胀节）。(2)浮头式换热器浮头式换热器结构图(2)浮头式换热器(2)浮头式换热器浮头结构图1—浮动管板2—浮头钩圈法兰相连3—浮头盖1）结构复杂，制造成本高；2）在壳体直径相同时，排管数量少，换热面积小；3）浮头处发生内漏不易发现；4）换热管束与壳体之间的环隙大，传热效率低；5）管束可以抽出，便于清洗；6）管壳间不产生温差应力，可适用于高温差、粘度大介质换热场合。炼油厂广泛采用！(3)U型管式换热器：(3)U型管式换热器：(3)U形管式换热器U型管式换热器的特点：优点：管子在管壳内自由伸缩，适于冷热流体温差较大的情况；U型换热管可拉出壳外，便于管外清洗；结构简单（只有一块管板，无后管板和浮头），耐高温高压。缺点：管内清洗困难，难于安装折流板；换热管少（等壳径情况下），结构不紧凑。2）、适用场合：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。U型管式换热管箱器结构图U型换热管结构图(4)填料函式换热器1）、结构特点：该换热器的结构与浮头式换热器的结构相似，只是浮头伸到了壳体外，斧头与壳体之间采取填料函式密封。填料函式密封填料函式换热器2）、优点：结构简单，加工制造方便，造价低，管内和管间清洗方便。3）、缺点：填料处易泄漏。4）、适用场合：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。列管式换热器种类优点缺点固定管板式结构较简单，造价较低，相对其它列管式换热器其管板最薄。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。浮头式一端管板固定，另一端管板可在壳体内移动；管壳间不产生温差应力；管束可抽出，便于清洗。结构较复杂，金属耗量较大；浮头处发生内漏时不便检查；管束与管体间隙较大，影响传热。填料函式管束一端可自由膨胀；造价比浮头式低；检修、清洗容易；填函处泄漏能及时发现。壳程内介质有外漏的可能；壳程中不宜处理易挥发、易燃、易爆、有毒的介质。U型管式只有一个管板；管程至少为两程；管束可以抽出清洗；管子可自由膨胀。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。30换热器构件名称1-管箱(A,B,C,D型);2-接管法兰;3-设备法兰;4-管板;5-壳程接管;6-拉杆;7-膨胀节;8-壳体;9-换热管;10-排气管;11-吊耳;12-封头;13-顶丝;14-双头螺柱;15-螺母;16-垫片;17-防冲板;18-折流板或支承板;19-定距管;20-拉杆螺母;21-支座;22-排液管;23-管箱壳体;24-管程接管;25-分程隔板;26-管箱盖根据我们前面学习的内容，请说说序号2、3、8、12、21各代表什么零件？第二节管壳式换热器的主要零部件一、壳体（一）固定管板式换热器中轴向内力分析与计算（二）壳体壁厚的确定提示：本节将介绍管壳式换热器壳体设计、换热管选择、管板、管箱、折流板及其相关联接形式等主要零部件的结构设计等。（一）固定管板式换热器中轴向内力分析与计算壳体与管束通过管板刚性连接在一起，它与一般容器壳体不同之处是，在确定其厚度时要验算其轴向应力。截面法：力平衡变形协调方程(Es≈Eb)∴1.由介质内压引起的轴向力从计算结果可以看出，固定管板式换热器的壳体，在承受介质内压时，由于有管束的帮助，其轴向应力比一般容器还要小，所以由内压引起的轴向应力在总的轴向应力中占的比例很小，主要需要考虑的是下面要讨论的热应力。壳体与管壁内轴向应力的计算（一）固定管板式换热器中轴向内力分析与计算2.由管束与壳体温差引起的热应力(a)(b)(c)LstsssAEFLssstttAEFLAEFLt=t(tt一t0)Ls=s(ts一t0)Lsstt0ss0tt11)()(AEAEttttFssttAFAF；35温差应力的产生：LttLttsSSottt)()(0sSstttAEFLAEFL2.由管束与壳体温差引起的热应力36ssttSSttssttAFAFAEAEttttF壳壁内温差应力：管壁内温差应力温差轴向力:11)()(0037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382）.拉脱力的计算计算的目的：保证胀接接头的牢固连接和良好的密封性。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。（1）操作压力引起的拉脱力qp:介质压力作用的面积f如图示39介质压力p，取管程压力和壳程压力两者中的较大者。管子外径为d0；管子胀接长度为l。则拉脱力为：ldpfqp0（2）温差力引起的拉脱力qt：每根管承受温差力为σt×at。则拉脱力为：ldddldaqitttt022004)(（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。40（4）拉脱力判据：计算合拉脱力必须小于许用拉脱力：q＜[q]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。许用拉脱力[q]的确定：414243443）温差应力的补偿目的：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。补偿方法：a.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。b.装设挠性构件壳体上安装膨胀节；（见书P217图7-38）将直管制成带S形弯的管。如氨合成塔内的冷管：45c.采用壳体与管束自由伸缩的结构（1）填料函式换热器46填料函结构之三47（2）浮头式换热器48浮头式换热器结构之二49d.套管式结构如三十万吨合成氨装置中的废热锅炉；50氨合成塔中双套管式触煤筐冷管结构514)膨胀节结构及设置——装在固定管板式换热器上的挠性元件。a.膨胀节的作用及结构形式：作用：对管子与壳体的膨胀变形差进行补偿，以消除或减小温差应力；b.结构形式：(1）平板焊接膨胀节；(2）波形膨胀节；52(3)夹壳式膨胀节(4)波纹管53c.必须设置膨胀节的条件：满足下述条件之一者：。管子拉脱力且壳壁应力管壁应力壳壁应力qq4);03);22);2)1tsBttd.膨胀节的选用及安装依据标准：GB16749-1997《压力容器波形膨胀节》安装注意：1）与壳体对接焊，保证焊透；2）要进行无损探伤；3）最低点设置排液孔。当壳体受轴向拉伸时，其强度条件：（二）.壳体壁厚的确定1.设计按压力容器壁厚计算公式计算2.校核轴向应力（介质应力与热应力）公式？tsTsNs][2注：σs为壳体应力，并非屈服极限换热器壳体的公称直径以400mm为基数，以100mm为进级挡。和卷制容器筒体稍有不同的是，必要时也可采用50mm为进级挡。DN不大于400mm的壳体，可以用钢管制作。换热器壳体最小壁厚远大于一般容器，其规定见表16—2。二、管束1、换热管的尺寸、规格及材料换热管换热管是管壳式换热器的传热元件，主要通过管壁的内外面进行传热，所以换热管的形状、尺寸和材料，对传热有很大的影响。小管径且管壁较薄的管子在相同的壳径内可以排列较多的管子，使换热器单位体积的传热面积增大、结构紧凑，单位传热面积金属耗量少，传热效率也稍高一些，但制造麻烦，且易结垢，不易清洗。换热管材料由压力、温度、介质的腐蚀性能决定。主要有碳素钢、合金钢、铜、钛、塑料、石墨等。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管子选用，要注意——单位传热面积的金属耗量，传热效果，结构紧凑，清洗及结垢等等因素。一般对清洁流体用小直径管子，粘性较大的或污染的流体采用大直径管子。我国管壳式换热器常用换热管为：碳钢、低合金钢管（外径×壁厚）：Φ19×2、Φ25×2.5、Φ38×3、Φ57×3.5；不锈钢管Φ25×2、Φ38×2.5。长度规格：1、1.5、2.0、2.5、3.0、4.5、6.0、7.5、9.0、12.0m，在炼油厂所用的换热器中最常用的是6m管长。换热管一般都用光管，为了强化传热，也可用螺纹管、带钉管及翅片管。换热器的长度与公称直径之比（L/D），一般为4～25，常用的为6～10，立式换热器多为4～6。2、换热管在管板上的排列方式有正三角形、转角正三角形、正方形和转角正方形、同心圆等。如图所示。流体流动方向流体流动方向正三角形转角正三角形（1）三角形排列正三角形排列的管束正三角形最普遍，因为在相同的管板面积上排管最多，结构紧凑，同一板上管子比正方形多排10%左右，但管外清洗不方便；适用于壳程介质污垢少，且不需要进行机械清洗的场合。管板焊接管口流体流动方向流体流动方向正方形转角正方形正方形排管少，结构不够紧凑,但管外清洗较方便。一般在固定管板式换热器中多用三角形排列，浮头式换热器、填料函式换热器中多用正方形排列。换热管排列图（2）正方形排列正三角形与转角正方形排列时，流体在垂直流向拆流板缺口时，正对换热管，冲刷换热管外表面，可提高换热效果。同时，此二种排列方式较转角正三角形和正方形排列的流体通道截面小，有利于提高流速，提高换热效率。流体流动方向转角正方