管壳式换热设备讲义

1第16章管壳式换热设备16.1概述换热设备的分类：混合式、蓄热式、间壁式。换热设备的作用：进行热量交换。在各行业应用极为广泛。2混合式换热器3蓄热式换热器4间壁式换热器5间壁式换热器616.2管壳式换热器的形式刚性结构：固定管板式有温差补偿装置：浮头式填料函式U型管式管壳式（列管式）换热器中冷、热介质分别走管程或壳程，传热面是管壁。管壳式换热器是目前应用最广泛的换热器，已形成了标准化、系列化产品。带膨胀节的固定管板式716.2.1固定管板式换热器管板筒体换热管管箱折流板拉杆、定距管膨胀节与有温差补偿装置的相比，结构简单、紧凑，造价低，便于更换管子，管内便于清洗；但管外不能进行机械清洗，管壳间有温差应力。壳体上设置膨胀节可大大减小温差应力。816.2.2U型管式换热器折流板结构简单，造价低，管束能自由伸缩，管壳间没有温差应力；不能更换管子，管内不便于清洗，管束中心空隙大、排的管子少。适用于管、壳间温差大，管内介质高温、高压、清洁的场合。（合成氨工段的废热锅炉）换热管管板筒体管箱916.2.3浮头式换热器管束能自由伸缩，管壳间没有温差应力，管内、管外清洗方便；结构复杂，造价较高，管束与壳体间有较大的环隙，排的管子少。16.2.4填料函式换热器管束能自由伸缩，管壳间没有温差应力，管内、管外清洗方便，结构较浮头式简单，造价也较低；但壳程的温度、压力不能太高。1016.3管壳式换热器的结构设计管壳式换热器的设计包括三部分内容：工艺计算：求换热面积、壳体直径、换热管长度、根数等。（化原）结构设计：确定各零部件的型式及各零部件间的连接关系。（本节）强度计算：校核各零部件及整台换热器是否满足强度及安全要求。结构设计包括八个方面的内容。1116.3.1换热管的选用包括换热管的材料、规格（管径、管长）两方面。1.材料换热管与管内、管外的两种介质直接接触，因此需根据介质的压力、温度和腐蚀性来选择换热管的材料。腐蚀性不大的介质用10、20号无缝钢管，低合金16Mn。酸性腐蚀介质选0Cr18Ni9、0Cr18Ni10Ti等。氢腐蚀介质选15CrMo。非金属：石墨、聚四氟乙烯等。2.管径为使换热管内流体达到湍流状态且阻力不太大，管内的流速一般取0.3~2m/s（液体）、8~25m/s（气体）。12碳钢、低合金钢管：φ19×2、φ25×2.5、φ38×2.5、φ57×3.5不锈钢管：φ19×2、φ25×2、φ38×2.5、φ57×2.5.不锈钢薄壁焊管：φ25×1较大直径的管子用于不清洁或粘度较大的流体，以便于清洗和减小流体阻力。较小直径的管子用于清洁流体或压力较高的场合。在传热面积、流速和其他条件相同的情况下管子直径小，则壳体直径减小，结构紧凑。所以在高压下要选用小直径管。（如φ19×2、φ14×2、φ8×1.5）3.管长传热面积一定时，管子越长（根数少），则壳体、封头的直径越小、壁厚越薄；但管子过长，清洗、运输、安装都不方便。因此，管长一般不大于6米。管子推荐长度：1、1.5、2、3、4.5、6米。实际中，要优先满足管径、壳体直径的尺寸，再考虑管长。1316.3.2管子在管板上的排列包括排列方式和间距两方面的内容。1.排列方式正三角形排列可排较多的管子，但管外机械清洗较困难。正方形排列则正好相反。多程换热器采用正方形与三角形的组合排列。60°30°90°45°p14152.排列间距管板上两根换热管的中心距称为管间距P。管间距小，则换热器结构紧凑，流体流速高且不易走短路，故传热效率高；但流体阻力加大，管板上的应力集中现象也加剧。正三角形排列P≥1.25do；正方形排列P≥do+6mm；多程换热器分程隔板两侧的管间距要大些，具体数值见GB151-1999；管束最外层管子的外壁与壳体内壁间的距离不得小于10mm。16.3.3换热管管与管板的连接管子与管板的连接是管壳式换热器中最重要的部分。制造过程中工作量最大，使用过程中最易损坏。要求该部位在承受介质的压力、温度时不漏、不拉脱。161.胀接方法：胀管器爆炸胀接管子端部塑性变形，管板弹性变形。最大的优点是无间隙腐蚀。结构：光孔孔壁开槽使用范围及要求：•管板的硬度必须高于管端的硬度，否则管端应退火。•温度不大于300oC，压力不大于4MPa，温度过高，材料发生蠕变，使接头处的残余应力逐渐消失。•管板厚度较小、换热管外径小于14mm时不宜用胀接。•振动剧烈、温度变化过大、严重的应力腐蚀都不宜用胀接。胀接后图17-6胀接结构胀接前图16.6胀接结构172.焊接（实际中用的最多）焊接的特点：•高温、高压下仍能保证连接的密封性和强度。•对换热管、管板材质的要求低。•可采用较小的管板厚度。（无管板最小厚度的要求）•焊接工艺简便，生产效率高。•焊接接头处易产生裂纹和应力腐蚀。•换热管与管板孔间存在间隙，易造成间隙腐蚀。18焊接的结构：图17-8焊接结构(a)(b)(a)图焊接施工方便，焊接质量容易保证，应用最多。(b)图介质在换热管进、出口处阻力小，在立式换热器中，停工后管板上不会积液。但焊接质量不易保证。图16.8焊接结构193.胀焊并用综合了胀接和焊接两种方法的优点，但加工成本高。根据加工工艺分为先胀后焊和先焊后胀（各有优缺点）。胀焊并用适用于：•承受振动或疲劳载荷的场合。•有间隙腐蚀的场合。•采用复合管板的场合。2016.3.4管板与壳体的连接1.管板与壳体不可拆(焊接)——固定管板式换热器用(a)图管内易清洗，应用较多。(b)图管板受力优于兼作法兰的管板，但管内不易清洗。图17-9管板与壳体焊接换热管(a)管板兼作法兰(b)管板不作法兰管板筒体筒体管板管箱换热管图16.9管板与壳体连接212.管板与壳体可拆——U型管、浮头、填料函换热器图17-10管板与壳体可拆结构换热管筒体管板管箱图16.10管板与壳体可拆结构2216.3.5管箱与管束分程1.管箱管箱位于换热器的两端，作用是将管程介质均匀地分布到各换热管中，或把管内介质收集后输送出来。结构见图16-11。232.管束为什么要分程？前已述及，管长一般不超过6m，那么，当所需换热面积较大时，有两个方法：•用两台换热器串联。（一般用在高压情况下）•采用增大壳体直径的办法，使换热管数增加。但这会使管程流速下降，传热系数减小。因此要将管束分程，使流体依次流过各程管子，使流速在前面所述的合适范围内。24双管程换热器内的流体流动253.分程方法在管箱内设置一定数量的隔板，将管束分为多程。隔板与管箱焊接，与管板用垫片密封（见图16-12）。常用的程数有1，2，4，6，8，10，12，各程的管子根数要大致相等。流动顺序管内介质入口侧隔板管内介质返回侧隔板12例：2程的分法26换热器管箱2716.3.6折流板1.折流板的作用在壳程为对流传热的情况下，设置折流板是为了提高壳程介质的流速和扰动程度，强化传热效果，同时折流板对管束起到了支承作用。但在壳程为冷凝或蒸发的情况下，传热系数和流体的流动状态没有关系，这时设置折流板只是为了支承管束。管板筒体换热管折流板拉杆、定距管282.折流板的形式、特点单弓型折流板常用的结构，简单、安装方便，多弓型较单弓型死角小、阻力小。29弓形盘-环形管壳式换热器折流板型式303.折流板的组装与固定筒体换热管折流板管板拉杆定距管折流板的外径与筒体内壁之间有间隙，间隙太大，流体会走短路；间隙太小有会给制造带来困难，故间隙要合适。3116.3.7防冲挡板与导流筒防冲挡板的作用：防止进口流体直接冲击管束造成管子的侵蚀和振动。导流筒的作用：起防冲挡板的作用。减少流体滞留区，提高传热效率。32过程设备设计导流筒3316.3.8膨胀节膨胀节是标准件，GB16749—1997《压力容器波形膨胀节》。设计时，按标准选取膨胀节后还要校核其应力。常用的膨胀节结构如右图所示。膨胀节焊接在固定管板式换热器的筒体上，它的形状决定了它受轴向力后容易变形，因此可减小（不能消除）管、壳间的温差应力。介质流向图17-17波型膨胀节衬筒图16.16波形膨胀节3416.4.1强化传热的原理16.4管壳式换热器强化传热提高总传热系数——强化换热系数较小的一侧扩大换热面积——采用小直径管，扩展换热表面增加平均传热温差——逆流流动、多股流体流动2211111RRK增大α的途径提高介质流速增大介质扰动程度流体阻力增大mQKAt3516.4.2管内放置强化传热元件不改变传热面形状，通过改变换热管内流体流动来强化传热，提高传热效率，简便有效，也有利于传热面积的扩大，且易于对旧设备进行改造，应用广泛。扭带螺旋线圈绕花丝36图16.20a螺旋槽管b横纹槽管1.槽管流体在沟槽或凸起处产生旋涡增加近壁区的湍流程度提高对流传热系数适用于强化管内单相流体的传热、管外蒸汽冷凝、管外液体膜态沸腾。16.4.3异形管强化传热372.波纹管图16.21波纹管Dδh既能强化管内又能强化管外，传热效率高、不易结垢、热补偿能力好、体积小、重量轻，传热系数是光管的2~3倍，得到了广泛应用。383.缩放管压力降相同的条件下，缩放管的传热能力比光滑管大70%以上。39扇形翅片圆形翅片锯齿翅片螺旋翅片图16.25外翅片圆管翅片管适用于清洁的气体，不适用于高表面张力的液体冷凝、结垢严重、携带大量颗粒、需要机械清洗的场合。4.翅片管40圆形翅片管415.螺纹管主要用于强化管外传热。42各种强化管实物43改变换热管外形或在管外加翅片改变壳程折流板结构、改变管束支承结构16.4.4壳程强化传热途径1.改变壳程折流板结构传统的单弓形折流板——壳程流体易产生流动死区，导致换热面积无法充分利用、易结垢、流体阻力大。流体横向流过管束，易引起管束振动。44图16.28整圆形折流板新型的整圆形折流板壳程流体为平行于换热管的纵向流动，没有死区，传热效果好，阻力小，管束不易振动。45消除传热死区，传热系数大。阻力小，仅为传统弓形折流板的50%以下。结垢减慢。消除换热管的局部腐蚀和磨损。2.改变管束支承结构——折流杆结构人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说“书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进。