管壳式热交换器设计全解4

1第二章管壳式热交换器第一节管壳式热交换器的类型标准与结构2一、热交换器的类型沉浸式蛇管式管式喷淋式套管式列管（管壳）式间壁式夹套式板式板式螺旋板式翅片管式翅片式板翅式混合式（直接接触式）蓄热式二、列管式换热器的基本型式无膨胀节固定（管板）式有膨胀节U型管式浮头式填料函式tT直接接触式Tt间壁式热流体蓄热式3优点：结构简单、便于制造、便于防腐、且能承受高压。缺点：管外液体的对流传热系数较小，从而总传热系数亦小，如增设搅拌装置，则可提高传热效果。4喷淋蛇管式换热器5优点：与沉浸式相比，该换热器便于检修和清洗。缺点：是占地较大，水滴溅洒到周围环境，且喷淋不易均匀。63列管式换热器优点：容易制造、生产成本低，适应性强，尤其适于高压流体，维修清洗方便。缺点：结合面较多，易泄漏。1—外壳2—管束3、4—接管5—封头6—管板7—挡板7结构前端管箱壳体后端（包括管束）分类固定管板式U形管式填料函式浮头式管程壳程管流体壳流体换热管内的通道以及与其相贯通处称为管程。换热管外的通道以及与其相贯通处称为壳程。流经管程的流体称为管流体流经壳程的流体称为壳流体。概念管子两端固定在位于壳体两端的固定管板上只有一个管板，换热管弯成U形管板只有一端与壳体固定连接，另一端采用填料函密封，两端管板之一不与壳体连接，8单管程多管程当管流体一次通过管程称为单管程当热交换器传热面积比较大，所需管子数目比较多时，为提高管流体流速，我们通常将换热管平均分为若干组，使流体在管内依次往返多次，称为多管程。单壳程多壳程当流体一次通过壳程称为单壳程。为提高流体的流速也可以将壳程分为多程，分程可使壳流体流速增大，扰动加剧，有助于强化传热，但是壳程分程，不仅使流动阻力增大，且制造安装较为困难。因此工程上应用较少。9单程列管式换热器1—外壳2—管束3、4—接管5—封头6—管板7—挡板10双程列管式换热器1—壳体2—管束3—挡板4—隔板11固定管板式热交换器无膨胀节有膨胀节特点：结构简单，重量轻，在壳程程数相同的条件下,可排的管数比较多，壳程不能够检修和清洗，当产生热膨胀时使接口脱开，发生流体的泄漏。12热应力的处理方法：在外壳上装设膨胀节，但是只能减小不能完全消除由于温差引起的热应力，而且在多程热交换器中，这种方法不能照顾到管子的相对移动。13U形管式热交换器应用场合：适用于壳方流体洁净且不宜结垢，流体温差小于70℃壳方压力小于600KPa的场合。带膨胀节的固定管板换热器带膨胀节的固定管板换热器14结构特点：只有一个管板，换热管弯成U形，管子两端固定在同一管板上，管束可自由伸缩。当壳体与U形换热管有温差时，不会产生温差应力。15U型管式换热器U型管式换热器U型管式换热器16特点：优点：结构简单，造价低，运行可靠，管间易清理。缺点：管内不易清洗，管板的利用率较低，壳程易短路，损坏的管子难于调换。应用场合：高温高压。17浮头式热交换器结构：一块管板与壳体固定，另一块管板可以在壳体内来回活动，并连接一浮头，当管束受热受冷时即可自由伸缩。浮头式换热器各有一个内浮头和一个外浮头。特点：优点：管束的热膨胀不受壳体的约束，壳体与管束之间不会因差胀产生热应力。管程壳程及清洗检修较为方便，将整个管束从固定端抽出即可。浮头式换热器浮头式换热器18应用场合：适用于流体温差较大，或壳程流体易结垢的场合。缺点：浮头盖与管板法兰连接面积较大，壳体直径增加，在管束与壳体之间形成阻力较小的环形通道，部分流体由这里通过不参加换热。形成短路。结构较复杂，造价高，易发生内漏。19结构特点:管板只有一端与壳体固定连接，另一端采用填料函密封，可在调料函中滑动，浮头露在壳体外面，又称为外浮头式热交换器。管束可以自由伸缩，不会因壳壁和管壁的温差而产生温差应力。20优点：结构较浮头式换热器简单，加工制造方便，节省材料，造价比较低廉，且管束从壳体内可以抽出，管内、管间都能进行清洗，维修方便。缺点：因填料处易产生泄漏，填料函式换热器一般适用于4MPa以下的工作条件，且不适用于易挥发、易燃、易爆、有毒及贵重介质，使用温度也受填料的物性限制。填料函式换热器现在已很少采用。应用场合：温差较大，介质易结垢，且压力不高的场合。21热补偿浮头补偿：补偿圈补偿：U形管补偿：22三、基本参数公称换热面积SN公称直径DN公称压力PN换热管长度L换热管规格管程数根据我国1989年颁布的国标GB151-89的适用范围为：（1）公称直径≤2000mm；（2）公称压力≤35MPa；（3）公称直径（mm）和公称压力(MPa)的乘积≯104。23钢制管壳式热交换器型号的表示方法×××DN—Pt/Ps－A－LN/d－Nt/Ns(Ⅰ或Ⅱ)(Ⅰ或Ⅱ)：Ⅰ级热交换器采用高级或较高级冷拔钢管Ⅱ级热交换器采用普通级冷拔钢管Nt/Ns：管/壳程数，对于单程只写NtLN/d：LN-公称长度(m)，d-换热管外径（mm）A：公称换热面积（m2）Pt/Ps:管/壳程设计压力（MPa）,压力相等时只写PtDN:公称直径（mm）24×××第一个字母代表前端管箱形式，第二个字母代表壳体形式,第三个字母代表后端结构形式例：AES500-1.6-54-6/25-4ⅠA平盖管箱E单程壳体S钩圈式浮头式热交换器公称直径为500mm管程和壳程设计压力分别为1.6MPa公称换热面积为54m2换热管外径25mm管长6m4管程单壳程Ⅰ一级管束碳素钢较高级冷拔换热管25第二节列管式换热器的组成元件及其连接一、换热管(1)概述：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。26（2）管子在管板上的固定与排列1)、选择管壳式热交换器传热面材料的决定因素：材料的工作压力、温度和流体腐蚀性、流体对材料的脆化作用及流体的毒性所决定。2)、材料的种类：碳钢、合金钢、铜、塑料、石墨等我国管壳式换热器常用换热管为：碳钢、低合金钢管有：Φ19×2、Φ25×2.5、Φ38×3、Φ57×3.5；不锈钢管有Φ25×2、Φ38×2.5。•长度规格有1.5、2.0、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。27（3）管子与管板的连接:连接要求良好的密封性→防止流体短路足够的紧固强度→有足够的抗拉脱力连接方法胀接焊接胀焊并用①强度胀:定义:保证换热管与管板连接的密封性能及抗拉脱强度的胀接方法:均匀胀接非均匀胀接—机械滚胀法，常用液压胀接液袋胀接橡胶胀接爆炸胀接28胀管法原理:使之受管子挤压卸压后管子直径扩张塑性变形利用胀管器管板孔弹性变形企图恢复受管阻碍达两者间残余应力密封、紧固29a.管子不能排的太密管板强度、刚度管子温度不易太高会消除接头处残余应力b.不能c.材料要求:管板硬度＞管子硬度若两者材料相同,应把管子端部退火d.结合面粗糙度:一般要求为保否则过胀→否则影响密封性欠胀→否则影响紧固性12.5注意:当管板是不易胀紧的不锈钢材料时,不能用强度胀要求:30适用范围：换热管为碳素钢，管板为碳素钢或低合金钢，设计压力≤4MPa，设计温度≤300℃，且无特殊要求的场合。•要求：管板硬度大于管子硬度，否则将管端退火后再胀接。胀接时管板上的孔可以是光孔，也可开槽(开槽可以增加连接强度和紧密性)。图2-16液压胀管器31液压胀接32机械胀接33应用条件：当温度高于300℃或压力高于40公斤／厘米2(4MPa)时，一般采用焊接法。优点：焊接连接是将换热管的端部与管板焊在一起。保证换热管与管板连接的密封性能及抗拉脱强度的焊接。焊接法a.比胀接密封性↑，连接强度↑b.对管板孔及管子端部加工要求低，对管板及管子材料要求低。c.允许采用较小的管板厚度。d.制造容易，加工简单。34缺点管板换热管间隙a.焊缝处:开孔→应力集中+焊接残余应力→→运行时可能引起b.管板孔与管子间有缝隙→产生间隙腐蚀应力腐蚀疲劳破坏35胀焊并用对于紧密性要求高的换热器，可以采用强度胀加密封焊结构，也可以采用强度焊加贴胀的结构。强度焊靠焊接来承受管的载荷并保证密封。贴胀为了消除换热管与管孔间产生间隙腐蚀并增强抗疲劳破坏的能力。特点焊胀并用还可以承受反复热变形和管子振动破坏。当温度和压力较高时，仍保证连接强度和严密不漏。36•胀焊结合连接主要有：•强度焊＋密封胀………………先焊后胀。•强度胀＋密封焊………………先胀后焊。•概念解释：密封焊—不保证强度，只防漏；•强度焊—既防漏，又保证抗拉脱强度；•密封胀—只消除间隙，不承担拉脱力；•强度胀—既消除间隙，又满足胀接强度。•目前，先焊后胀与先胀后焊两派学说仍处于争议之中。机械胀接——先焊后胀液压胀接——先胀后焊应用: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37图2—13管板图2—14焊接管口38垫塞法对于非金属管及铸铁管可以采用垫塞法。39（4）、管子在管板上的排列管子在管板上的排列方式遵循原则：保证管板强度设备紧凑制造、安装、和修理、维护方便（5）、管子的排列方式等边三角形同心圆正方形组合排列方式转角等边三角形排列法转角正方形排列法管子排列方式管间距的选择4041等边三角形流体流动方向与三角形的一条边垂直，最内层的六边形的边长等于管间距S。一般在管板周边与六边形的边之间的六个弓形部分不排列管子，但是当层数a6层时，在这些弓形部分也应该排列管子，最外层管子的中心应不超出最大六边形的外接圆周。流体流动方向正三角形42同心圆管间距既为两层圆周之间的距离，也为圆周上管子的间距，在圆周上布置管子只取整数。这种排列的优点时比较紧凑，且靠近壳体处布管均匀，在小直径热交换器中，这种方式的布管数比等边三角形要多。当层数大于6层时，由于六边形的弓形部分可排管子，故等边三角形排列显得有利，且层数越多越为有利。43正方形在管板面积上可排列的管数最少，但是它易于清扫，在易于生成污垢、需将管束抽出清洗的场合得到一定的应用。流体流动方向正方形44组合排列方式如在多管程热交换器中，每程都采用等边三角形排列，而在各程相邻管排间，为便于安装隔板则采用正方形排列。45转角等边三角形排列法流体的流动方向与三角形的一条边平行的排列方法。特点：易清洗，但传热效果不如正三角形流体流动方向转角正三角形46转角正方形排列法：流体的流动方向与正方形的一条对角线垂直的排列方法特点：管外清洗方便/但排管比三角形少流体流动方向转角正方形47（6）管间距定义管板上两根管子中心线的距离。决定因素：管板强度清洗管子外表所需要的间距管子在管板上的固定方法无论哪种排列都必须在管束周围的弓形空间尽可能多布管→传热面积↑，且可防壳程流体短路布管原则：影响因素有:结构紧凑性/传热效果/清洗难易取值:t≥1.25d0(保证管桥强度和清洗通道)48确定方法手册查表来确定（教材P46表2.3）换热管外径do1214192532384557换热管中心距161925324048577249（7）布管限定圆DL热交换器管束外缘直径受圆筒直径的限制，在设计时要将管束外缘置于布管限定圆之内，布管限定圆直径的大小按照热交换器的结构型式取值。浮头式换热器bbb2DD21iL浮头式换热器50对于固定管板式、U形管式热交换器32DbDiL51二、管板作用:a.排布换热管；b.分隔管程和壳程流体→避免冷、热流体混合C.承受管程、壳程压力和温度的载荷作用材料:一般:碳素钢或低合金钢板或锻件制造流体腐蚀性较强不锈钢、铜、铝、钛复合板堆焊衬里结构满足强度前提下，尽量减少管板厚度。平管板:可用钢板、锻件制成复合板堆焊复合板轧制复合板爆炸复合板52薄管板:一般8～20mm，比较四种用于固定管板换热器的薄管板结构（a）（b）（c）（d）53椭圆形