热交换器原理与设计第2章-管壳式热交换器

2管壳式热交换器国家质量技术监督局发布：《管壳式换热器标准》GB151—1999（1999-02-26发布2000-01-01实施）2.1.1类型和标准2.1管壳式热交换器的类型、标准与结构固定管板式：将管子两端固定在位于壳体两端的固定管板上，管板与壳体固定在一起。优点：结构简单，制造成本低，规格范围广，工程中应用广泛。缺点：壳侧不便清洗，只能采用化学方法清洗，检修困难，对较脏或有腐蚀性介质不能走壳程。当壳体与换热管温差很大时，可设置单波或多波膨胀节减小温差应力。管壳式换热器结构名称单程管壳式换热器1—外壳，2—管束，3、4—接管，5—封头6—管板，7—折流板管子两端固定在管板上，管束与管板再封装在外壳内。两种流体分管程和壳程。outBT,side)(shell,inBTside)(tube,inAToutAT,U形管式：将换热管弯成U形，管子两端固定在同一块管板上，弯曲端不加固定。换热管可以自由伸缩，所以壳体与换热管无温差应力。只有一块管板，结构较简单，管束可从壳体内抽出，壳侧便于清洗，但管内清洗困难，管内介质必须清洁且不易结垢。壳程可设置纵向隔板，将壳程分为两程。浮头式：一端管板与壳体固定，另一端管板可以在壳体内自由浮动。优点：1.壳体和管束热变形自由，不产生热应力。2.管束可从壳体中抽出，便于壳程的检修和清洗。缺点：1.结构复杂，造价高。2.需增加内浮头及相关连接件以保证密封，如果内浮头连接处泄漏将无法发现，所以应严格保证其密封性能。适用：管壳间温差大，壳程介质腐蚀性强、易结垢的情况。填料函式：☆一端管板固定，另一端管板在填料函中滑动。☆将浮头露在壳体外面的浮头式换热器，又称外浮头式换热器。☆填料密封处容易泄露，不宜用于易挥发、易燃、易爆、有毒和高压的流体。且制造复杂，安置不便。主要部件的分类及代号主要部件的分类及代号(a)等边三角形法；(b)同心圆法；(c)正方形法图2.7管子在管排上的排列2.1.2管子在管板上的固定与排列换热管外径10121416192022253032353845505557换热管中心距s13~14161922252628323840444857647072分程隔板槽两侧相邻管中心距lE28303235384042445052566068767880表2.3换热管中心距mm浮头式：DL=Di–2(b1+b2+b)固定管板式、U型管式：DL=Di–2b3b3=0.25d；且10mm布管限定圆管板与壳体的连接2.1.3管板换热管外径d0≤2525＜d0＜50≥50管板最小厚度δmin用于易燃易爆有毒介质等严格场合≮d0用于无害介质的一般场合≥0.75d0≥0.70d0≥0.65d0表2.4管板最小厚度mm程数24(平行)4(丁字形)6分程图流口体端进隔出板另一隔端板分程隔板2.1.5纵向隔板、折流板和支持板☆为提高流体流速和湍流程度，强化壳程流体传热，在壳程常装设纵向隔板或折流板。☆折流板除使流体横过管束流动外，还有支撑管束、防止管束振动和弯曲的作用。☆折流板常用形式有：弓形、盘环形(或称圆盘－圆环形)。弓形折流板有单弓形、双弓形和三弓形三种。弓形圆盘形管板折流板单壳程水平圆缺形折流板管壳式换热器流体在壳内的流动单壳程水平圆缺形折流板管壳式换热器流体在壳内的流动管板圆盘形折流板单壳程圆盘形折流板管壳式换热器流体在壳内的流动单壳程圆盘形折流板管壳式换热器流体在壳内的流动(b)缺口左右交替排列图2.17弓形折流板的排列图2.18缺口高度及板间距对流动的影响(a)缺口高度过小，板间距过大(c)缺口高度过大，板间距过小换热管外径1014192532384557最大无支持跨距8001100150019002200250028003200表2.5折流板最大间距(b)正常(a)缺口上下交替排列(a)(c)图2.20折流板的安装和固定2.1.6挡管和旁路挡板浮头式热交换器中，由于安装浮头法兰需要，圆筒内有一圈较大没有排列管子的间隙，使部分流体由此间隙短路，使主流速度及换热系数下降。而旁路流体未经换热就达出口，与主流混合必使流体出口温度达不到预期数值。挡管和旁路挡板就是为了防止流体短路而设立的构件。☆挡管是两端堵死的管子，安置在相应于分程隔板槽后面的位置上，每根挡管占据一根换热管的位置，但不穿过管板，用点焊的方法固定于折流板上。通常每隔3～4排管子安排一根挡管，但不应设置在折流板缺口处，也可用带定距管的拉杆来代替挡管。☆旁路挡板可减小管束外环间隙的短路，用它增加阻力，迫使大部分流体通过管束进行热交换。其厚度一般与折流板厚度相同，将它嵌入折流板槽内，并点焊在每块折流板上。图2.21旁路挡板图2.22旁路挡板和挡管2.1.7防冲板和导流筒当管程采用轴向入口或换热管内流速超过3m/s，应设置防冲板，以减少流体分布不均和对换热管端的冲蚀。★防冲板结构尺寸防冲板外表面到壳体内壁的距离不小于接管内径的1/4，其通道流通面积须大于接管流通面积；防冲板的直径或边长，应大于接管外径50mm；防冲板最小厚度：碳钢为4.5mm，不锈钢为3mm。★防冲板固定形式防冲板的两侧焊在定距管或接杆上，也可同时焊在靠近管板的第一块折流板上；防冲板焊在圆筒上；用U形螺栓将防冲板固定在换热管上（不允许防冲板焊在换热管上）。图2.23防冲板的形式a)内导流筒b)外导流筒图2.24导流筒的结构★导流筒在立式换热器壳程中，为使气、液介质更均匀地流入管间，防止流体对进口处管束段的冲刷，而采用导流筒结构。导流筒有内导流筒与外导流筒两种形式。内导流筒的结构简单、制造方便，但它占据壳程空间，而使布管数相应减少。外导流筒是在进口处采用扩大环形通道，考虑到环形通道进口处的线速度较高，为保证气体沿圆周方向均匀的进入，导流筒应做成斜口形。1.内导流筒—导流筒外表面到壳体圆筒内壁的距离宜不小于接管外径的1/3。导流筒端部至管板的距离，应使该处的流通面积不小于导流筒的处侧流通面积。2.外导流筒—内衬筒表面到外导流筒的内表面间距为：接管外径d≤200mm时，间距不小于50mm；接管外径d＞200mm时，间距不小于75mm；立式外导流换热器，应在内衬筒下端开泪孔。拉杆的布置拉杆应尽量均匀布置在管束的外边缘。对大直径换热器，在布管区内或靠近折流板缺口处应布置适当数量的拉杆，任何折流板应不少于3个支承点。拉杆布置应根据折流板缺口位置及折流板缺口与壳程进出管的相对位置定。设计中注意事项设置排气孔和排液孔，注意排气孔和排液孔与管板连接螺栓的位置，不要影响螺栓的拆卸；注意折流板缺口与进出管的相对位置，缺口应与进出管垂直；注意管壳层试验压力的确定；对多管程，注意分程隔板的设置与密封面的关系；注意考虑防冲板和膨胀节的设置。2.2管壳式热交换器的结构计算☆在热交换器设计中，完成传热计算之后，接着就应进行结构计算。☆结构计算的任务在于确定设备的主要尺寸，对于管壳式热交换器包括下列各项：＊计算管程流通截面积，包括确定管子尺寸、数目及程数，并选择管子的排列方式；＊确定壳体直径；＊计算壳程流通截面积；＊计算进出口连接管尺寸。2.2.1管程流通截面积的计算连续性方程，单管程的流通截面积为：At=Mt/ρtwtm2(2.4)式中：At——管程流通截面积，m2；Mt——管程流体的质量流量，kg/s；ρt——管程流体的密度，kg/m3；wt——管程流体的流速，m/s。为保证上述流量和流速，则所需管数n为：n=4At/πdi2(2.5)式中di—管子内径，m。满足传热面积F，每根管子的长度L应为：L=F/(πdn)m(2.6)式中d为管子的计算直径，m一般情况下，d取换热系数小的那一侧★目前所采用的换热管“长径比”，一般在4~25之间，通常为6~10。GB151—1999推荐的换热管长度采用：1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、4.5、6.0、7.5、9.0、12.0m等。管长过长时，就应做成多流程的热交换器。管子长度选为l后，所需管程数Zt就可确定：Zt=L/l(2.7)总管子根数为：nt=nZt(2.8)式中：L—管程总长，m；n—每程管数。确定流程数时，要考虑程数过多会使隔板在管板上占过多的面积，使管板上排列的管数减少。程数多还会增加流体的转弯次数并增加流动阻力。2.2.2壳体直径DS=(b–1)s+2b′b′—管束中心线上最外层管中心至壳体内壁距离：b′=(1~1.5)dob—管沿六边形对角线上的管数。三角形排列时，b=1.1√nt。正方形排列时，b=1.19√nt。2.2.3壳程流通截面积的计算1)纵向隔板A′s=Ms/ρswsA′s=π/4Zs·(Ds2–ntdo2)2)折流板Ab=缺口处总截面积Awg–缺口处管子所占面积Awtct2owtS2SwgF1n8πdA2θsinD2h1θ214DAFc为错流区内管子数占总管子数的百分数LSLSLScD2hD2arccosD2hDcosarcsinD2hD2ππ1Fh—折流板缺口高度，DL—最大布管圆直径，DS—热交换器壳体内径，θ—折流板切口中心角，弧度：折流板间错流面积：当排列方式为正方形斜转或直列排列时：SD2h12arccosθOnoLLSScdsSdDDDlAooLLSSCdssdDDDlA当排列方式为三角形排列时：As,Ab,Ac之间满足以下关系：cbSAAA图2.25折流板的几何关系2.2.4进出口连接管直径的计算进出口连接管直径的计算仍用连续性方程，经简化后计算公式为：ρwM1.13πρw4MD2.3管壳式热交换器的传热计算1)选用经验数据：根据经验或参考资料选用工艺条件相仿、设备类型类似的传热系数作为设计依据。如附录A。2)实验测定：实验测定传热系数比较可靠，不但可为设计提供依据，而且可以了解设备的性能。但实验数值一般只能在与使用条件相同的情况下应用。3)计算：计算得到的传热系数往往与实际有出入，主要有换热系数的公式不完全准确，污垢热阻不易准确估计等原因。流体种类传热系数KW/(m2·K)水—气体12~60水—水800~1800水—煤油350左右水—有机溶剂280~850气体—气体12~35饱和水蒸气—水1400~4700饱和水蒸气—气体30~300饱和水蒸气—油60~350饱和水蒸气—沸腾油290~870传热系数_经验数据一个现实的、无法回避的问题。换热器的污垢，通常是指含有多种杂质、污物及化学成分的工艺流体或冷却水在换热表面上逐步沉积形成的一层固态物质。水垢的导热热阻大约是碳钢的40~50倍，是铝材的160~240倍。污垢形成机理十分复杂，垢阻具体数值无法作准确预测和计算，可靠方法是实际测量。换热器的污垢热阻流体种类污垢热阻m2·℃/W流体种类污垢热阻m2·℃/W水(u1m/s,t50℃)蒸气海水0.0001有机蒸汽0.0002河水0.0006水蒸气(不含油)0.0001井水0.00058水蒸气废气(含油)0.0002蒸馏水0.0001制冷剂蒸汽(含油)0.0004锅炉给水0.00026气体未处理的凉水塔用水0.00058空气0.0003经处理的凉水塔用水0.00026压缩气体0.0004多泥沙的水0.0006天然气0.002盐水0.0004焦炉气0.002污垢热阻—经验数据_附录C、D、E0j1jn1jj0i0i0α1ddln2λdddα1K10i0j1jn1jjiiiddα1ddln2λdα1K10s,0m0wwi0s,ii0i0α1rddλδddrddα1K10i00is,0miwws,iiiddα1ddrddλδrα1K1以内表面