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6.4传热强化技术过程设备设计6.3余热锅炉2特点：结构坚固，弹性大，可靠性高，使用范围广，使用经验丰富→仍占主导地位。6.2管壳式换热器一、结构型式：()vt壳体封头主体管板管束分程隔板提高管程流体传热效果折流板使壳程流体提高传热效果且支承管束拉杆、定距管固定折流板和支承板附件支座膨胀节降低挠性构件接管检查孔1.总体结构32.基本类型:(1)固定管板式：图6-13(a)（a)BEM立式固定管板式换热器按结构特点刚性结构—固定管板式具有温度补偿装置带膨胀节的固定管板式使受热部分自由伸缩浮头式U形管式填料函式t0t4结构:焊在形成焊在管束管板上管子、管板、壳体不可拆的刚性结构管板壳体上特点:管子、管板、壳体三者刚性连接/结构简单、紧凑/造价便宜/应用较广缺点:管外不能机械清洗/当Δt↑→由于刚性连接t适用:Δt↓(管子—壳体)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。5过程设备设计浮头端可自由伸缩，无热应力浮头端(2)浮头式:图6-13(b)（内浮头式）结构:一块管板与壳体螺栓固定另一块管板相对于壳体自由移动→0t6特点:管壳间不产生σ△t/管束可自由抽出，便于清洗管内外及拆修/相对填料函式能在较高的工作压力和浓度下工作。缺点:结构复杂/金属消耗量大/造价高（比固定式高约20%）/在浮头处发生内漏无法检查适用:管、壳Δt↑/介质易结垢需清洗的场合7过程设备设计（C）BIUU形管式换热器U形管(3)U形管式:图6-13(c)结构:管被弯成U形/只有一块管板，管束两端固定在同一管板上/管束可自由伸缩8特点:不产生σ△t/结构简单/造价低/管束可抽出→管外清洗方便缺点:管束对管板无支撑作用，所需管板厚/管内清洗不便/常振动/管板布管少，管板利用率低/管外流体常短路/内层损坏不易更换，堵管后管子报废率高9过程设备设计(d)AFP填料函双壳程换热器填料函式密封(4)填料函式:图6-13(d)(外浮头式)结构:浮头伸出壳外/浮头与壳体间用填料密封10特点:管束自由伸缩→管壳间不产生σ△t/较浮头式结构简单/加工制造方便/检修清洗容易，填料处泄漏能及时发现缺点:壳程有外泄可能，故壳程p↓/使用温度受填料性能限制→t不可太高/不易处理易挥发，易燃，易爆，有毒及贵重介质适用:p↓，D↓，生产中不是为了消除σ△t，而是为了便于清洗壳程才用这类换热器。现在已很少采用。11过程设备设计(f)蒸发空间管束可以为浮头式、U形管式和固定管板式结构(5)釜式重沸器:图6-13(f)结构:管束可以浮头式，U形管，固定管板式/壳体上部设置一个蒸发空间特点:根据管束形式而定12过程设备设计管程—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二、结构设计131.管程结构(1)管束分程(分程隔板):①条件:当换热器所需换热面↑，而管子又不能太长时，就要管数n↑(v↓)为使管内v↑→提高传热效果→需分程②管程数:一般有1，2，4，6，8，10，12等七种,最简单、最常用的是单管程。③隔板布置方式(表6-2)平行布置法T形布置法④分程的要求:a.避免流体温差较大的两部分管束紧邻b.程与程之间温差不宜过大,不超过20℃c.应尽可能使各管程的换热管数大致相同d.分程隔板槽形状简单,密封面长度较短14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15过程设备设计表6-2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流向16⑤分程隔板与管板的连接形式:隔板密封面通常10mm;对卧式换热器:设置φ6mm的排液孔,其位置按具体情况而定17⑵换热管①材料::pt选金属碳钢/低合金钢/不锈钢/铜/钛据流体管材非金属:石墨/陶瓷/聚四氟乙烯腐蚀性②管内流速:使管内流体→达湍流,提高传热效果通常液体v=0.3～2m/s气体v=8～25m/s③结构尺寸:φ19×2、φ25×2.5和φ38×2.5mm无缝钢管φ25×2和φ38×2.5mm不锈钢管a.外径×壁厚b.标准管长:1.5、2.0、3.0、4.5、6.0、9.0m注意:考虑d、l→对换热器造价的影响。如有可能，应选取多个d和l进行方案比较，以确定最佳参数。18④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⑶布管:①管子在管板上的排列60°30°90°45°p正三角形:最普遍/布管多/声振小/管外流体扰动大→传热好但不易清洗；转角三角形:易清洗，但传热效果不如正三角形正方形及转角正方形:管外清洗方便/但排管比三角形少19原则: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②管心距:保证管子与管板连接时，管桥有足够的强度和刚度影响因素有: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)表6-1常用换热管中心距/mm换热管外径do1214192532384557换热管中心距161925324048577220⑷管板:①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（a)BEM立式固定管板式换热器21②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③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薄管板:一般8～20mm，图6-15椭圆形管板:图6-16双管板:图6-1722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（a）（b）图6-15薄管板结构形式23过程设备设计（c）（d）24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。25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6-16双管板结构1—空隙2—壳程管板3—短节4—管程管板2341123426⑸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27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、紧固要求:a.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结构形式:图６－19适用范围: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。注意:当管板是不易胀紧的不锈钢材料时,不能用强度胀28②强度焊:定义:保证换热管与管板连接的密封性能及抗拉脱强度的焊接.优点: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。缺点: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29结构形式:图６－20适用范围: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。③胀焊并用特点:连接处抗疲劳性能↑/消除应力腐蚀和间隙腐蚀/使用寿命↑（具有胀、焊优点）连接方式:强度胀+密封焊、强度焊+贴胀、强度焊+强度胀等名词术语:强度胀—为保证换热管与管板连接的密封性能及抗拉脱强度的胀接贴胀—为消除换热管与管孔间隙的轻度胀接,并不承担拉脱力强度焊—保证换热管与管板连接的密封性能及抗拉脱强度的焊接密封焊——保证换热管与管板连接的密封性能的焊接30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31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32过程设备设计作用——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)管箱图6-1833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)34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)35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)36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)37过程设备设计壳体折流板折流杆防短路结构壳程分程2.壳程结构⑴壳体①接管→焊在壳体上，供壳程流体进、出。②防冲挡板作用:减小流体的不均匀分布和对管束的侵蚀和震动，在壳程进口接管处设置防冲挡板.固定形式焊接在拉杆、定距管、折流板上焊接在圆筒上用U型螺栓固定在换热管上38条件:a.当壳程进口管流体的ρv2值为下列数值时，应在壳程进口管处设置防冲板或导流筒(i)非腐蚀,非磨蚀性单相流体ρv2＞2230kg/(m.s2)(ii)其他液体，包括沸点下液体ρv2＞740kg/(m.s2)b.有腐蚀或有磨蚀的气体、蒸汽及汽液混合物，应设置防冲板③导流筒作用:a.充分利用换热面积,减小壳程进出口处死区b.也起防冲作用c.减少壳程进出口处压降(外导流结构)条件:当壳程进出口接管距管板较远，流体停滞区过大时，应设置导流筒39过程设备设计作用:a.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；b.减少结垢。c.支承管束⑵折流板、支持板①折流板结构形式弓形圆盘-圆环形堰形折流板（见图6-21）40过程设备设计(b)双弓形水平竖直转角（a）单弓形（C）三弓形（d）四弓形(b)双弓形水平竖直转角（a）单弓形（C）三弓形（d）四弓形(a)单弓形(d)圆盘-圆环形(c)三弓形(b)双弓形弓形缺口高度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=(0.20～0.45)Di，最常用0.25Di。41布置原则:a.一般应按等间距布置b.管束两端的折流板尽可能靠近壳程进出口接管折流板缺口布置原则:a.壳程为单相清洁流体时，折流板缺口(卧式）应水平上下布置。若气体中含有少量液体,应在缺口朝上的折流板最低处开设通