换热设备(详细)

1、第六章第六章 换热设备换热设备6.2 管壳式换热器管壳式换热器6.3 传热强化技术传热强化技术6.1.1 换热设备的应用换热设备的应用6.1.2 换热设备分类及其特点换热设备分类及其特点6.1.3 换热器选型换热器选型16.1.1 换热设备的应用换热设备的应用使热量从热流体传递到冷流体的设备称为换热设备使热量从热流体传递到冷流体的设备称为换热设备定义定义应用应用它是化工、炼油、动力、食品、轻工、原子能、制它是化工、炼油、动力、食品、轻工、原子能、制药、机械及其它许多工业部门广泛使用的一种通用药、机械及其它许多工业部门广泛使用的一种通用设备设备投资比重投资比重化工厂中，约占总投资的化工厂中，约占

2、总投资的10%10%20%20%；炼油厂中，约占总投资的炼油厂中，约占总投资的35%35%40%40%。工业使用工业使用使流体温度达到工艺流程规定的指标，使流体温度达到工艺流程规定的指标，以满足工艺流程上的需要。以满足工艺流程上的需要。换热设备也是回收利用余热、废热特别是低换热设备也是回收利用余热、废热特别是低位热能的有效装置。位热能的有效装置。2烟道气（约烟道气（约200300）、高炉炉气（约）、高炉炉气（约1500）、）、需要冷却的化学反应工艺气需要冷却的化学反应工艺气(3001000)等的余热等的余热 通过余热锅炉通过余热锅炉利用它来生产利用它来生产压力蒸汽压力蒸汽作为供热、供汽、供电和

3、动力的辅助能源，提高热能的总作为供热、供汽、供电和动力的辅助能源，提高热能的总利用率，降低燃料消耗和电耗，提高工业生产经济效益。利用率，降低燃料消耗和电耗，提高工业生产经济效益。36.1.2.1 按作用原理和传热方式分类按作用原理和传热方式分类一、直接接触式换热器一、直接接触式换热器二、蓄热式换热器二、蓄热式换热器三、间壁式换热器三、间壁式换热器四、中间载热体式换热器四、中间载热体式换热器6.1.2 换热设备分类及其特点换热设备分类及其特点46.1 概述概述一、直接接触式换热器一、直接接触式换热器又称混合式换热器，见图又称混合式换热器，见图6-1。利用冷、热流体直接接触，彼此混合进行换热。利用

4、冷、热流体直接接触，彼此混合进行换热。 如冷却塔、冷却冷凝器等。如冷却塔、冷却冷凝器等。为增加两流体接触面积，充分换热，在设备中常放置为增加两流体接触面积，充分换热，在设备中常放置填料和栅板填料和栅板，通常采用，通常采用塔状结构塔状结构。过程设备设计过程设备设计56.1 概述概述图图6-1 直接接触式换热器直接接触式换热器优点优点 传热效率高、单传热效率高、单位容积传热面积大、位容积传热面积大、设备结构简单、价格设备结构简单、价格便宜等。便宜等。但仅适用于工艺但仅适用于工艺上允许两种流体上允许两种流体混合的场合混合的场合过程设备设计过程设备设计66.1 概述概述二、蓄热式换热器二、蓄热式换热器

5、原理原理又称回热式换热器又称回热式换热器 借助固体（如固体填料或多孔性借助固体（如固体填料或多孔性 格子砖等）构成的蓄热体，使热格子砖等）构成的蓄热体，使热 流体和冷流体交替接触，把热量流体和冷流体交替接触，把热量 从热流体传递给冷流体。从热流体传递给冷流体。过程设备设计过程设备设计76.1 概述概述热流体热流体热流体热流体冷流体冷流体冷流体冷流体载热体载热体优点优点结构紧凑、价格结构紧凑、价格便宜、单位体积便宜、单位体积传热面大，适用传热面大，适用于气于气气热交换。气热交换。如回转式空气预热器。如回转式空气预热器。局限局限若两种流体不允若两种流体不允许混合，不能采许混合，不能采用蓄热式换热器

6、用蓄热式换热器过程设备设计过程设备设计86.1 概述概述三、间壁式换热器三、间壁式换热器又称表面式换热器又称表面式换热器利用间壁（固体壁面）进行热交换。利用间壁（固体壁面）进行热交换。冷热两种流体隔开，互不接触，热量冷热两种流体隔开，互不接触，热量由热流体通过间壁传递给冷流体。由热流体通过间壁传递给冷流体。应用最为广泛，形式多种多样，应用最为广泛，形式多种多样，如管壳式换热器、板式换热器等如管壳式换热器、板式换热器等过程设备设计过程设备设计96.1 概述概述四、中间载热体式换热器四、中间载热体式换热器将两个间壁式换热器由在其中循环的载热体将两个间壁式换热器由在其中循环的载热体连接。连接。载热体

7、在高温流体换热器和低温流体换热器载热体在高温流体换热器和低温流体换热器间循环，从高温流体换热器中吸收热量，在间循环，从高温流体换热器中吸收热量，在低温流体换热器中释放热量给低温流体；低温流体换热器中释放热量给低温流体；如热管式换热器。如热管式换热器。过程设备设计过程设备设计106.1 概述概述一、管式换热器一、管式换热器二、板面式换热器二、板面式换热器三、其它型式换热器三、其它型式换热器管壳式换热器管壳式换热器蛇管式换热器蛇管式换热器套管式换热器套管式换热器缠绕管式换热器缠绕管式换热器板壳式换热器板壳式换热器螺旋板式换热器螺旋板式换热器板式换热器板式换热器板翅式换热器板翅式换热器伞板式换热器伞

8、板式换热器 传热管的结构传热管的结构形式不同形式不同过程设备设计过程设备设计6.1.2.2 间壁式换热器分类间壁式换热器分类116.1 概述概述一、管式换热器一、管式换热器缺点：缺点：优点：优点：结构坚固、可靠、适应性强、易于制造、能承结构坚固、可靠、适应性强、易于制造、能承受较高操作压力和温度。受较高操作压力和温度。在高温、高压和大型换热器中，管式换热器仍在高温、高压和大型换热器中，管式换热器仍占绝对优势，是目前使用最广泛的一类换热器。占绝对优势，是目前使用最广泛的一类换热器。换热效率、结构紧凑性、单位传热面积的金属换热效率、结构紧凑性、单位传热面积的金属消耗等方面不如其他新型换热器。消耗等

9、方面不如其他新型换热器。分类：分类：1.蛇管式换热器蛇管式换热器2.套管式换热器套管式换热器3.缠绕管式换热器缠绕管式换热器4.管壳式换热器管壳式换热器过程设备设计过程设备设计126.1 概述概述图7.3 沉浸式蛇管1.蛇管式换热器蛇管式换热器a.沉浸式蛇管沉浸式蛇管b.喷淋式蛇管喷淋式蛇管最早出现的一种换热设备，具有最早出现的一种换热设备，具有结构简单和操作方便等优点结构简单和操作方便等优点图图6-3 沉浸式蛇管沉浸式蛇管过程设备设计过程设备设计136.1 概述概述沉浸式蛇管沉浸式蛇管 特点特点结构简单，造价低廉，操作敏感性较小，结构简单，造价低廉，操作敏感性较小，管子可承受较大流体介质压力

10、。管子可承受较大流体介质压力。但管外流体流速很小，因而传热系数小，但管外流体流速很小，因而传热系数小，传热效率低，需要的传热面积大，设备显传热效率低，需要的传热面积大，设备显得笨重。得笨重。常用于高压流体冷却、反应器的传热元件。常用于高压流体冷却、反应器的传热元件。过程设备设计过程设备设计146.1 概述概述b.喷淋式蛇管喷淋式蛇管水水1234 图图6-4 喷淋式冷却器喷淋式冷却器 1-直管；直管；2-U形管；形管；3-水槽；水槽；4-齿齿过程设备设计过程设备设计156.1 概述概述喷淋式蛇管喷淋式蛇管优点优点喷淋式蛇管喷淋式蛇管缺点缺点管外流体传热系数大，便于检修和清洗。管外流体传热系数大，

11、便于检修和清洗。体积庞大，冷却水用量较大，有时喷淋体积庞大，冷却水用量较大，有时喷淋效果不够理想。效果不够理想。过程设备设计过程设备设计166.1 概述概述2.套管式换热器套管式换热器两种管子组装成同心管，用两种管子组装成同心管，用U形弯管连接成排，形弯管连接成排，根据实际需要，排列组合形成传热单元。根据实际需要，排列组合形成传热单元。图图6-5 套管式换热器套管式换热器逆流传热逆流传热过程设备设计过程设备设计型肘管 2内管 3外管U1图7.5 套管式换热器内管内管外管外管型肘管型肘管176.1 概述概述优点优点缺点缺点结构简单，适应广，传热面积弹性大结构简单，适应广，传热面积弹性大, 两侧流

12、体均两侧流体均可提高流速，两侧传热系数高。可提高流速，两侧传热系数高。金属消耗大，检修、清洗和拆卸较麻烦，可拆连金属消耗大，检修、清洗和拆卸较麻烦，可拆连接处易泄漏。接处易泄漏。 一般用于高温、高压、小流量一般用于高温、高压、小流量流体和所需传热面积不大的场合流体和所需传热面积不大的场合过程设备设计过程设备设计186.1 概述概述3.管壳式换热器管壳式换热器1-管子；管子；2-封头；封头；3-壳体；壳体；4-接管；接管；5-管板；管板；6-折流板折流板图图6-6 管壳式换热器管壳式换热器过程设备设计过程设备设计4-接管 5-管板 6-折流板1-管子 2-封头 3-壳体 图7.6 管壳式换热器

13、123456196.1 概述概述特点特点缺点缺点结构坚固、可靠性高、适应性广、易于制结构坚固、可靠性高、适应性广、易于制造、处理能力大、生产成本较低、选用材造、处理能力大、生产成本较低、选用材料范围广、换热表面清洗较方便、可用于料范围广、换热表面清洗较方便、可用于高温和高压。高温和高压。传热效率、结构紧凑性及单位换热面积所传热效率、结构紧凑性及单位换热面积所需金属消耗量等方面均不如一些新型高效需金属消耗量等方面均不如一些新型高效紧凑式换热器。紧凑式换热器。过程设备设计过程设备设计204.缠绕管式换热器缠绕管式换热器3壳侧流体）多通道型 b）单通道型 aa)管侧流体 图7.7 缠绕管式换热器b)

14、No.2管束流体No.1管束流体壳侧流体管侧流体管束流体No.2壳侧流体12管束流体No.1单通道形单通道形多通道形多通道形图图6-7 缠绕管式换热器缠绕管式换热器过程设备设计过程设备设计6.1 概述概述216.1 概述概述适用于同时处理多种介质、在小温差下需要传适用于同时处理多种介质、在小温差下需要传递较大热量且管内介质操作压力较高的场合递较大热量且管内介质操作压力较高的场合, ,如制氧等低温过程中使用的换热设备等。如制氧等低温过程中使用的换热设备等。过程设备设计过程设备设计226.1 概述概述二、板面式换热器二、板面式换热器4.板壳式换热器板壳式换热器1.螺旋板式换热器螺旋板式换热器2.板

15、式换热器板式换热器3.板翅式换热器板翅式换热器5.伞板式换热器伞板式换热器 按换热板面按换热板面结构分类结构分类优点优点缺点缺点其结构特点可强化传热；其结构特点可强化传热；采用板材制作，大规模生产时，可降低设备成本采用板材制作，大规模生产时，可降低设备成本耐压性能比管式换热器差耐压性能比管式换热器差过程设备设计过程设备设计236.1 概述概述1.螺旋板式换热器螺旋板式换热器图图6-8 螺旋板式换热器螺旋板式换热器过程设备设计过程设备设计246.1 概述概述优点优点传热面积大（传热面积大（ 23 倍）倍）传热效率高（传热效率高（50100%）易制造易制造材料利用率高材料利用率高自身冲刷不易结垢自

16、身冲刷不易结垢可全逆流流动可全逆流流动传热温差小传热温差小液液-液、气液流体换热，特别液、气液流体换热，特别适合高粘度流体的加热或冷却、适合高粘度流体的加热或冷却、含有固体颗粒的悬浮液的换热。含有固体颗粒的悬浮液的换热。过程设备设计过程设备设计256.1 概述概述2.板式换热器板式换热器冷流体热流体冷流体热流体图图6-9 板式换热器流动示意图板式换热器流动示意图过程设备设计过程设备设计266.1 概述概述过程设备设计过程设备设计板式换热器板式换热器276.1 概述概述优点优点缺点缺点应用应用较低流速下即可达到湍流，具有较低流速下即可达到湍流，具有:较高的传热效率；较高的传热效率；结构紧凑；结构

17、紧凑；使用灵活；使用灵活；清洗和维修方便；清洗和维修方便；能精确控制换热温度等。能精确控制换热温度等。密封周边太长，不易密封，渗漏可能性大；密封周边太长，不易密封，渗漏可能性大；承压能力低；承压能力低；使用温度受密封垫片材料耐温性能限制，使用温度受密封垫片材料耐温性能限制，不宜过高；不宜过高；流道狭窄，易堵塞，处理量小；流道狭窄，易堵塞，处理量小；流动阻力大。流动阻力大。用于处理从水到高粘度液体的加热、冷却、用于处理从水到高粘度液体的加热、冷却、冷凝、蒸发等过程，适用于经常需要清洗，冷凝、蒸发等过程，适用于经常需要清洗，工作环境要求十分紧凑等场合。工作环境要求十分紧凑等场合。过程设备设计过程设

18、备设计28隔板封条翅片图7.10 板翅式换热器板束结构a)c)逆流式b)a)d)错流式c)d) 错逆流式b)隔板隔板翅片翅片封条封条过程设备设计过程设备设计6.1 概述概述3.板翅式换热器板翅式换热器板翅降低热阻，板翅降低热阻，传热效率提高，传热效率提高，且起加强作用且起加强作用.a. 板束结构板束结构b. 逆流式逆流式c. 错流式错流式d. 错逆流式错逆流式图图6-10 板翅式换热器板翅式换热器296.1 概述概述优点优点缺点缺点传热系数比管壳式换热器大传热系数比管壳式换热器大310倍。倍。结构紧凑、轻巧，单位体积内传热面积能达结构紧凑、轻巧，单位体积内传热面积能达25004370m2/m3

19、,是管壳式换热器的十几倍到几十倍，是管壳式换热器的十几倍到几十倍，而重量只有管壳式换热器的而重量只有管壳式换热器的10%65%；适应性广，可作气适应性广，可作气-气、气气、气-液和液液和液-液的热交换，液的热交换，亦可作冷凝和蒸发，同时适用于多种不同的流体亦可作冷凝和蒸发，同时适用于多种不同的流体在同一设备中操作，在同一设备中操作，特别适用于低温或超低温的场合。特别适用于低温或超低温的场合。结构复杂，造价高；流道小，易堵塞，不易清结构复杂，造价高；流道小，易堵塞，不易清洗，难以检修等。洗，难以检修等。过程设备设计过程设备设计306.1 概述概述4.板壳式换热器板壳式换热器图图6-11 板壳式换

20、热器板束板壳式换热器板束过程设备设计过程设备设计316.1 概述概述结构紧凑，单位体积包含换热面积较管壳式换结构紧凑，单位体积包含换热面积较管壳式换热器增加热器增加70%70%；传热效率高，压力降小；传热效率高，压力降小；与板式换热器相比，由于没有密封垫片，较好与板式换热器相比，由于没有密封垫片，较好解决了耐温、抗压与高效率之间的矛盾；解决了耐温、抗压与高效率之间的矛盾；容易清洗；容易清洗；焊接技术要求高。焊接技术要求高。常用于加热、冷却、蒸发、冷凝等过程。常用于加热、冷却、蒸发、冷凝等过程。过程设备设计过程设备设计326.1 概述概述5.伞板式换热器伞板式换热器是我国独创的新型高效换热器是我

21、国独创的新型高效换热器,由板式换热器演变而来。由板式换热器演变而来。制造工艺大为简化，成本降低；制造工艺大为简化，成本降低；伞形板式结构稳定，板片间容易密封；伞形板式结构稳定，板片间容易密封；结构紧凑，传热效率高，便于拆洗等。结构紧凑，传热效率高，便于拆洗等。设备流道较小，容易堵塞，不宜处理较脏介质。设备流道较小，容易堵塞，不宜处理较脏介质。过程设备设计过程设备设计336.1 概述概述过程设备设计过程设备设计346.1 概述概述三、其它型式换热器三、其它型式换热器1.石墨换热器石墨换热器耐腐蚀、良好的传热性能耐腐蚀、良好的传热性能受拉伸和弯曲能力差，抗压强度高受拉伸和弯曲能力差，抗压强度高各向

22、异性的特性在导热方向的应用各向异性的特性在导热方向的应用管壳式、块式、板式管壳式、块式、板式过程设备设计过程设备设计356.1 概述概述2.聚四氟乙烯换热器聚四氟乙烯换热器近十余年发展起来的新型耐腐蚀换热器。近十余年发展起来的新型耐腐蚀换热器。结构形式结构形式沉浸式沉浸式管壳式管壳式优点优点缺点缺点结构紧凑、耐腐蚀结构紧凑、耐腐蚀等（聚四氟乙烯具有耐等（聚四氟乙烯具有耐腐蚀、不生锈、能制成小口径薄壁软管）腐蚀、不生锈、能制成小口径薄壁软管）机械强度、导热性较差，机械强度、导热性较差，使用使用温度温度150 使用使用压力压力1.5MPa过程设备设计过程设备设计366.1 概述概述2.热管换热器热

23、管换热器通过封闭热管作为传热元件，里面是特定材料制的多孔毛细通过封闭热管作为传热元件，里面是特定材料制的多孔毛细结构和载热介质，在冷热区吸收及释放潜热的过程实现传热。结构和载热介质，在冷热区吸收及释放潜热的过程实现传热。特点特点结构简单、重量轻、经济耐用；结构简单、重量轻、经济耐用；在极小的温差下，具有极高的传热能力；在极小的温差下，具有极高的传热能力；通过材料的适当选择和组合，可用于大幅度的温度通过材料的适当选择和组合，可用于大幅度的温度范围，如从范围，如从-200-200+2000+2000均可应用；均可应用；一般没有运动部件，操作无声，不需要维护，寿命长；一般没有运动部件，操作无声，不需

24、要维护，寿命长；输热效率高，可达输热效率高，可达90%90%。过程设备设计过程设备设计376.1 概述概述应用应用热管换热器结构形式复杂多变，用途广泛；热管换热器结构形式复杂多变，用途广泛；如作传送热量、保持恒温、当作热流阀和如作传送热量、保持恒温、当作热流阀和热流转换器等；热流转换器等；特别适用于工业尾气余热回收的换热设备。特别适用于工业尾气余热回收的换热设备。过程设备设计过程设备设计386.1 概述概述6.1.3 换热器选型换热器选型换热器选型主要因素：换热器选型主要因素：1.流体的性质；流体的性质；2.压力、温度及允许压力降的范围；压力、温度及允许压力降的范围；3.对清洗、维修的要求；对

25、清洗、维修的要求；4.材料；价格、使用寿命等。材料；价格、使用寿命等。过程设备设计过程设备设计396.1 概述概述1、流体的性质、流体的性质物理性质：流体种类、导热系数、粘度等物理性质：流体种类、导热系数、粘度等化学性质：腐蚀性、热敏性等化学性质：腐蚀性、热敏性等冷却湿氯气时，湿冷却湿氯气时，湿氯氯气的强腐蚀性决定了设备必须选用气的强腐蚀性决定了设备必须选用聚四氟乙烯聚四氟乙烯等等耐腐蚀材料，限制了可能采用的结构范围。耐腐蚀材料，限制了可能采用的结构范围。处理热敏性流体换热器：要求能有效地控制加热过程中处理热敏性流体换热器：要求能有效地控制加热过程中的温度和停留时间。的温度和停留时间。易结垢的

26、流体，应选用易清洗的换热器。易结垢的流体，应选用易清洗的换热器。应力腐蚀开裂应力腐蚀开裂过程设备设计过程设备设计例如例如406.1 概述概述2、压力、温度及允许压力降范围、压力、温度及允许压力降范围管壳式换热器：高温、高压、大型换热器管壳式换热器：高温、高压、大型换热器板面式换热器：操作温度、压力不高，处理量不大，物料具板面式换热器：操作温度、压力不高，处理量不大，物料具 有腐蚀性。因为板面式换热器具有传热效率有腐蚀性。因为板面式换热器具有传热效率 高、结构紧凑和金属材料消耗低等优点。高、结构紧凑和金属材料消耗低等优点。过程设备设计过程设备设计返回返回41第六章第六章 换热设备换热设备6.1

27、概述概述6.2 管壳式换热器管壳式换热器6.3 传热强化技术传热强化技术过程设备设计过程设备设计6.2.1 基本类型基本类型6.2.2 管壳式换热器结构管壳式换热器结构6.2.3 管板设计管板设计6.2.4 膨胀节设计膨胀节设计6.2.5 管束振动和防止管束振动和防止42过程设备设计过程设备设计教学重点：教学重点： 管壳式换热器结构。管壳式换热器结构。教学难点：教学难点： 管板设计、管束振动。管板设计、管束振动。6.2 管壳式换热器管壳式换热器本章本章重点重点43管壳式换热器管壳式换热器44过程设备设计过程设备设计6.2.1 基本类型基本类型6.2.1 基本类型基本类型一、固定管板式一、固定管

28、板式二、浮头式二、浮头式三、三、U形管式形管式四、填料函式四、填料函式五、釜式重沸器五、釜式重沸器45过程设备设计过程设备设计6.2.1 基本类型基本类型一、固定管板式换热器一、固定管板式换热器（ a) BEM立 式 固 定 管 板 式 换 热 器结构结构46双管程固定管板换热器双管程固定管板换热器47过程设备设计过程设备设计6.2.1 基本类型基本类型适用于壳侧介质清洁且不易结垢并能进行溶适用于壳侧介质清洁且不易结垢并能进行溶解清洗，管、壳程两侧温差不大或温差较大但壳解清洗，管、壳程两侧温差不大或温差较大但壳侧压力不高的场合。侧压力不高的场合。优点优点结构简单、紧凑、能承受较高的压力，造价结

29、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。低，管程清洗方便，管子损坏时易于堵管或更换。缺点缺点当管束与壳体的壁温或材料的线膨胀系数相当管束与壳体的壁温或材料的线膨胀系数相差较大时，壳体和管束中将产生较大的热应力。差较大时，壳体和管束中将产生较大的热应力。应用应用 为减少为减少热应力热应力，通常在固定管板式换热器中设置柔性元件，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。（如膨胀节、挠性管板等），来吸收热膨胀差。48过程设备设计过程设备设计二、浮头式二、浮头式结构结构浮头端可自由伸缩，无热应力浮头端可自由伸缩，无热应力浮头端

30、浮头端6.2.1 基本类型基本类型49浮头式换热器浮头式换热器50过程设备设计过程设备设计优点优点管间和管内清洗方便，不会产生热应力；管间和管内清洗方便，不会产生热应力；缺点缺点结构复杂，造价比固定管板式换热器高，结构复杂，造价比固定管板式换热器高， 设备笨重，材料消耗量大，且浮头端小盖设备笨重，材料消耗量大，且浮头端小盖 在操作中无法检查，制造时对密封要求较在操作中无法检查，制造时对密封要求较 高。高。应用应用壳体和管束之间壁温差较大或壳程介质易壳体和管束之间壁温差较大或壳程介质易 结垢的场合。结垢的场合。6.2.1 基本类型基本类型51过程设备设计过程设备设计三、三、U U形管式换热器形管

31、式换热器结构结构（ C） BIU U形 管 式 换 热 器U U形管形管6.2.1 基本类型基本类型52U U形管式换热器形管式换热器53过程设备设计过程设备设计 优点优点 结构比较简单、价格便宜，承压能力强。结构比较简单、价格便宜，承压能力强。 受弯管曲率半径限制，布管少；受弯管曲率半径限制，布管少； 管束最内层管间距大，管板利用率低；管束最内层管间距大，管板利用率低； 缺点缺点 壳程流体易短路，传热不利。壳程流体易短路，传热不利。 当管子泄漏损坏时，只有外层当管子泄漏损坏时，只有外层U U形管可更形管可更 换，内层管只能堵死，坏一根换，内层管只能堵死，坏一根U U形管相当形管相当 于坏两根

32、管，报废率较高。于坏两根管，报废率较高。 管、壳壁温差较大或壳程介质易结垢需要管、壳壁温差较大或壳程介质易结垢需要 应用应用 清洗，又不宜采用浮头式和固定管板式的清洗，又不宜采用浮头式和固定管板式的 场合。特别适用于管内走清洁而不易结垢场合。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。的高温、高压、腐蚀性大的物料。6.2.1 基本类型基本类型54过程设备设计过程设备设计四、填料函式四、填料函式( d ) A F P 填 料 函 双 壳 程 换 热 器结构结构填料函式密封填料函式密封6.2.1 基本类型基本类型55过程设备设计过程设备设计优点优点 结构较浮头式简单，加工制造方便

33、；结构较浮头式简单，加工制造方便； 节省材料，造价比较低廉节省材料，造价比较低廉; ; 管束从壳体内可抽出管束从壳体内可抽出; ; 管内、管间都能进行清洗，维修方便。管内、管间都能进行清洗，维修方便。缺点缺点 填料处易泄漏。填料处易泄漏。 应用应用 4MPa 以下，且不适用于易挥发、易燃、以下，且不适用于易挥发、易燃、 易爆、有毒及贵重介质，使用温度受填易爆、有毒及贵重介质，使用温度受填 料的物性限制。料的物性限制。 注：填料函式换热器现在已很少采用。注：填料函式换热器现在已很少采用。6.2.1 基本类型基本类型56过程设备设计过程设备设计五、釜式重沸器五、釜式重沸器 (f) 蒸发空间蒸发空间

34、结构结构管束可以为浮头式、管束可以为浮头式、U形管式和固定管板式结构形管式和固定管板式结构6.2.1 基本类型基本类型57与浮头式、与浮头式、U U形管式换热器一样，形管式换热器一样，清洗维修方便；清洗维修方便；可处理不清洁、易结垢介质，能可处理不清洁、易结垢介质，能承受高温、高压（无温差应力）。承受高温、高压（无温差应力）。特点特点过程设备设计过程设备设计6.2.1 基本类型基本类型58过程设备设计过程设备设计6.2.2 管壳式换热器结构管壳式换热器结构管程管程与管束中流体相通的空间与管束中流体相通的空间壳程壳程换热管外面流体及相通空间换热管外面流体及相通空间（ a) BEM立 式 固 定

35、管 板 式 换 热 器596.2.2 管壳式换热器结构管壳式换热器结构过程设备设计过程设备设计6.2.2.1 管程结构管程结构一、换热管一、换热管二、管板二、管板三、管箱三、管箱四、管束分程四、管束分程五、换热管与管板连接五、换热管与管板连接60过程设备设计过程设备设计一、换热管一、换热管1.换热管型式换热管型式光管光管强化传热管强化传热管翅片管（在给热系数低侧）翅片管（在给热系数低侧）螺旋槽管螺旋槽管螺纹管螺纹管2.换热管尺寸换热管尺寸192、252.5和和382.5mm无缝钢管无缝钢管252和和382.5mm不锈钢管不锈钢管标准管长标准管长1.5、2.0、3.0、4.5、6.0、9.0m等

36、等6.2.2 管壳式换热器结构管壳式换热器结构61过程设备设计过程设备设计小管径小管径单位体积传热面积增大、单位体积传热面积增大、结构紧凑、结构紧凑、金属耗量减少、传热系数提高金属耗量减少、传热系数提高阻力大，不便清洗，易结垢堵塞阻力大，不便清洗，易结垢堵塞用于较清洁的流体用于较清洁的流体粘性大或污浊的流体粘性大或污浊的流体大管径大管径6.2.2 管壳式换热器结构管壳式换热器结构62过程设备设计过程设备设计3.换热管材料换热管材料金属材料金属材料碳素钢碳素钢低合金钢低合金钢不锈钢不锈钢铜铜铜镍合金铜镍合金铝合金铝合金钛等钛等非金属材料非金属材料石墨石墨陶瓷陶瓷聚四氟乙烯等聚四氟乙烯等6.2.2

37、 管壳式换热器结构管壳式换热器结构63过程设备设计过程设备设计4.换热管排列形式及中心距换热管排列形式及中心距60309045p三角形布管多，但不易清洗；三角形布管多，但不易清洗；正方形及转角正方形较易清洗正方形及转角正方形较易清洗管桥强度管桥强度清洗通道清洗通道P1.25d06.2.2 管壳式换热器结构管壳式换热器结构64过程设备设计过程设备设计表表6-1 常用换热管中心距常用换热管中心距/mm6.2.2 管壳式换热器结构管壳式换热器结构65过程设备设计过程设备设计6.2.2 管壳式换热器结构管壳式换热器结构66过程设备设计过程设备设计二、管板二、管板作用作用用来排布换热管；用来排布换热管；

38、将管程和壳程流体分开，避免冷、热流体混合；将管程和壳程流体分开，避免冷、热流体混合；承受管程、壳程压力和温度的载荷作用。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6.2.2 管壳式换热器结构管壳式换热器结构67过程设备设计过程设备设计1.管板材料管板材料力学性能力学性能介质腐蚀性（及介质腐蚀性（及tube-tubesheet间电位差对腐蚀影响）间电位差对腐蚀影响）贵重钢板价格贵重钢板价格流体无腐蚀性或有轻微腐蚀性时，流体无腐蚀性或有轻微腐蚀性时，管板采用压力容器用碳素钢或低合金钢板或锻件制造；管板采用压力容器用碳素钢或低合金钢板或锻件制造；腐蚀性较强时，用不锈钢、铜

39、、铝、钛等材料，腐蚀性较强时，用不锈钢、铜、铝、钛等材料，为经济考虑，采用复合钢板或堆焊衬里。为经济考虑，采用复合钢板或堆焊衬里。6.2.2 管壳式换热器结构管壳式换热器结构68过程设备设计过程设备设计2.管板结构管板结构厚度厚度满足强度前提下，尽量减少管板厚度满足强度前提下，尽量减少管板厚度（ a) BEM立 式 固 定 管 板 式 换 热 器热应力热应力6.2.2 管壳式换热器结构管壳式换热器结构69过程设备设计过程设备设计厚度计算标准厚度计算标准GB151管壳式换热器管壳式换热器美国管式换热器制造商协会标准美国管式换热器制造商协会标准TEMA西德西德AD标准标准厚度厚度“厚管板厚管板”G

40、B151管壳式换热器管壳式换热器、 美国管式换热器制造商协会标准美国管式换热器制造商协会标准TEMA“薄管板薄管板”西德西德AD标准，厚度一般标准，厚度一般为为8-20mm6.2.2 管壳式换热器结构管壳式换热器结构70过程设备设计过程设备设计薄管板薄管板平面形平面形椭圆形椭圆形碟形碟形球形球形挠性薄管板等挠性薄管板等目前主要有目前主要有6.2.2 管壳式换热器结构管壳式换热器结构71过程设备设计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：比较四种用于固定管板换热器的薄管板结构：薄管板贴于法兰表面上，薄管板贴于法兰表面上，当管程通过腐蚀性介质时，当管程通过腐蚀性介质时，密封槽开在管板上

41、，法兰不密封槽开在管板上，法兰不与管程介质接触与管程介质接触（a）（b）薄管板嵌入法兰内，并将表面车薄管板嵌入法兰内，并将表面车平。不论管程和壳程是否有腐蚀平。不论管程和壳程是否有腐蚀性介质，法兰都会与腐蚀性介质性介质，法兰都会与腐蚀性介质接触，需采用耐腐蚀材料，接触，需采用耐腐蚀材料，而而且管板受法兰力距的影响较大且管板受法兰力距的影响较大6.2.2 管壳式换热器结构管壳式换热器结构72过程设备设计过程设备设计薄管板在法兰下面且与筒体薄管板在法兰下面且与筒体 焊接。壳程通入腐蚀性介质焊接。壳程通入腐蚀性介质 时，不必采用耐腐蚀材料；时，不必采用耐腐蚀材料；管板离开了法兰，减小了法管板离开了法

42、兰，减小了法 兰力矩和变形对管板的影兰力矩和变形对管板的影 响，降低了管板因法兰引起响，降低了管板因法兰引起 的应力；的应力；管板与刚度较小的筒体连管板与刚度较小的筒体连 接，也降低了管板的边缘应接，也降低了管板的边缘应 力；力；是一种较好的结构。是一种较好的结构。（c）6.2.2 管壳式换热器结构管壳式换热器结构73过程设备设计过程设备设计（d）管板与壳体间有一个圆弧过管板与壳体间有一个圆弧过 渡连接，并且很薄，管板具渡连接，并且很薄，管板具 有一定弹性，可补偿管束与有一定弹性，可补偿管束与 壳体间的热膨胀；壳体间的热膨胀；过渡圆弧可减少管板边缘的过渡圆弧可减少管板边缘的 应力集中。应力集中

43、。该种管板没有法兰力矩的影该种管板没有法兰力矩的影 响。响。壳程流体通入腐蚀性介质壳程流体通入腐蚀性介质 时，法兰不会受到腐蚀。时，法兰不会受到腐蚀。挠性薄管板加工比较复杂。挠性薄管板加工比较复杂。挠性薄管板结构挠性薄管板结构6.2.2 管壳式换热器结构管壳式换热器结构74过程设备设计过程设备设计图图6-16椭圆形管板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。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。低热应力；适用于高压、大直径的换热器。6.2.2

44、 管壳式换热器结构管壳式换热器结构75过程设备设计过程设备设计用于严格禁止管程用于严格禁止管程与壳程介质互相混与壳程介质互相混合的场合。合的场合。方法：方法： 从短节排出从短节排出 短节圆筒充入高于短节圆筒充入高于 管程、壳程压力的管程、壳程压力的 惰性介质惰性介质图图6-17 双管板结构双管板结构1空隙空隙 2壳程管板壳程管板 3短节短节 4管程管板管程管板234112346.2.2 管壳式换热器结构管壳式换热器结构76过程设备设计过程设备设计三、管箱三、管箱作用作用流体送入换热管和送出换热器，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。在多管程结构中，还起到改变

45、流体流向的作用。结构形式决定因素结构形式决定因素清洗？管束分程？清洗？管束分程？(a)(b)(c)(d)隔 板( a )( b )隔 板箱 盖( a ) （b ） ( c ) ( d )图图6- 1 7 管管箱箱结结构构形形式式隔 板( a )( b )隔 板箱 盖( a ) （b ） ( c ) ( d )图图6 - 1 7 管管箱箱结结构构形形式式隔 板( a )( b )隔 板箱 盖( a ) （b ） ( c ) ( d )图图6 - 1 7 管管箱箱结结构构形形式式隔 板( a )( b )隔 板箱 盖( a ) （b ） ( c ) ( d )图图 6 - 1 7 管管箱箱结结构构

46、形形式式6.2.2 管壳式换热器结构管壳式换热器结构77过程设备设计过程设备设计特点特点清洗时要拆除管线；清洗时要拆除管线；该结构适用于较清该结构适用于较清洁的介质。洁的介质。 隔 板( a )( b )隔 板箱 盖 ( a ) （b ） ( c ) ( d ) 图图6 - 1 7 管管箱箱结结构构形形式式 (a)6.2.2 管壳式换热器结构管壳式换热器结构78换热器管箱79过程设备设计过程设备设计清洗时不要拆除管线；清洗时不要拆除管线；缺点是用材较多。缺点是用材较多。特点特点隔 板( a )( b )隔 板箱 盖( a ) （b ） ( c ) ( d )图图6 - 1 7 管管箱箱结结构构

47、形形式式(b)6.2.2 管壳式换热器结构管壳式换热器结构80过程设备设计过程设备设计特点特点检查、清洗不方便检查、清洗不方便很少使用很少使用隔 板( a )( b )隔 板箱 盖( a ) （b ） ( c ) ( d )图图6 - 1 7 管管箱箱结结构构形形式式（1）（2）(c)6.2.2 管壳式换热器结构管壳式换热器结构81过程设备设计过程设备设计特点特点设置多层隔板设置多层隔板的管箱结构的管箱结构隔 板( a )( b )隔 板箱 盖( a ) （b ） ( c ) ( d )图图 6 - 1 7 管管箱箱结结构构形形式式(d)6.2.2 管壳式换热器结构管壳式换热器结构82过程设备

48、设计过程设备设计四、管束分程四、管束分程管内流动的流体从管子的一端流到另一端，称为一个管程管内流动的流体从管子的一端流到另一端，称为一个管程换热面积要变大换热面积要变大管数增加管数增加流速下降流速下降传热系数下降传热系数下降多管程多管程管子加长管子加长6.2.2 管壳式换热器结构管壳式换热器结构83过程设备设计过程设备设计管束分程布置图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每程管数大致相同，温差不超过每程管数大致相同，温差不超过20左右为好左右为好流向流向6.2.2 管壳式换热器结构管壳式换热器结构84过

49、程设备设计过程设备设计五、换热管与管板连接五、换热管与管板连接强度胀强度胀强度焊强度焊胀焊并用胀焊并用1.强度胀强度胀保证换热管与管板连接的保证换热管与管板连接的密封性能密封性能及及抗拉脱强度抗拉脱强度的胀接的胀接设计压力设计压力4.0MPa；设计温度设计温度300；操作中无剧烈振动、无过大温度波动，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。及无明显应力腐蚀等场合。应用应用6.2.2 管壳式换热器结构管壳式换热器结构8533 8300300K11130033 86K11133863003111300K贴胀贴胀过程设备设计过程设备设计结构结构用于用于25mm的场合的场合用于用于2

50、5mm的场合的场合用于厚管板及避免用于厚管板及避免晶间腐蚀的场合晶间腐蚀的场合图图6-18 强度胀接管孔结构强度胀接管孔结构6.2.2 管壳式换热器结构管壳式换热器结构300l86过程设备设计过程设备设计非均匀胀接非均匀胀接均匀胀接均匀胀接胀接机理胀接机理方法方法管子硬度一般须低于管板硬度，管子硬度一般须低于管板硬度，若达不到，可进行管头退火处理若达不到，可进行管头退火处理6.2.2 管壳式换热器结构管壳式换热器结构87过程设备设计过程设备设计液压胀液压胀管器管器6.2.2 管壳式换热器结构管壳式换热器结构88过程设备设计过程设备设计6.2.2 管壳式换热器结构管壳式换热器结构液压胀接液压胀接

51、 89过程设备设计过程设备设计6.2.2 管壳式换热器结构管壳式换热器结构机械胀接机械胀接 90过程设备设计过程设备设计2.强度焊强度焊保证换热管与管板连接的保证换热管与管板连接的密封性能密封性能及及抗拉脱强度抗拉脱强度的焊接。的焊接。用于整体管板用于整体管板用于复合管板用于复合管板图图6-20 强度焊接管孔结构强度焊接管孔结构6.2.2 管壳式换热器结构管壳式换热器结构91过程设备设计过程设备设计优点优点焊接结构强度高，抗拉脱力强度高。焊接结构强度高，抗拉脱力强度高。高温下也能保证连接处的密封性能和抗拉脱能力。高温下也能保证连接处的密封性能和抗拉脱能力。泄露处可补焊和更换。泄露处可补焊和更换

52、。焊后，管子与管板中存在残余热应力和应力集中，焊后，管子与管板中存在残余热应力和应力集中，运行时可能引起应力腐蚀与疲劳破坏；运行时可能引起应力腐蚀与疲劳破坏；缝隙腐蚀。缝隙腐蚀。缺点缺点除较大振动和缝隙腐蚀场合外，该方法应用广泛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。薄管板不能胀，只能焊。应用应用6.2.2 管壳式换热器结构管壳式换热器结构92过程设备设计过程设备设计3.胀焊并用胀焊并用主要有主要有强度胀强度胀+ +密封焊密封焊、强度焊强度焊+ +贴胀贴胀、强度焊强度焊+ +强度胀强度胀等等不仅能提高连接处的抗疲劳性能，不仅能提高连接处的抗疲劳性能，而且还可消除应

53、力腐蚀和缝隙腐蚀，而且还可消除应力腐蚀和缝隙腐蚀，提高使用寿命提高使用寿命应用：应用：密封性能要求较高；密封性能要求较高；承受振动和疲劳载荷；承受振动和疲劳载荷；有缝隙腐蚀；有缝隙腐蚀；需使用复合管板等的场合需使用复合管板等的场合6.2.2 管壳式换热器结构管壳式换热器结构93过程设备设计过程设备设计6.2.2 管壳式换热器结构管壳式换热器结构切除管子端部切除管子端部94过程设备设计过程设备设计课堂讨论课堂讨论关于先焊还是先胀的讨论关于先焊还是先胀的讨论机械胀接机械胀接先焊后胀先焊后胀液压胀接液压胀接先胀后焊先胀后焊6.2.2 管壳式换热器结构管壳式换热器结构95过程设备设计过程设备设计6.2

54、.2.2 壳程结构壳程结构一、壳体一、壳体二、折流板二、折流板三、折流杆三、折流杆四、防短路结构四、防短路结构五、壳程分程五、壳程分程6.2.2 管壳式换热器结构管壳式换热器结构96过程设备设计过程设备设计一、壳体一、壳体1. 接管接管2. 防冲挡板防冲挡板3. 导流筒导流筒焊在壳体上，供壳程流体进、出。焊在壳体上，供壳程流体进、出。防止进口流体直接冲击管束造成管子的侵蚀和防止进口流体直接冲击管束造成管子的侵蚀和振动，在壳程进口接管处安装，也叫缓冲板。振动，在壳程进口接管处安装，也叫缓冲板。焊接在拉杆、定距管、焊接在拉杆、定距管、I折流板上折流板上焊接在圆筒上焊接在圆筒上用用U型螺栓固定在换热

55、管上型螺栓固定在换热管上固定形式固定形式减少流体滞留区，改善两端流体的分布，减少流体滞留区，改善两端流体的分布，增加换热管的有效换热长度，提高传热效率；增加换热管的有效换热长度，提高传热效率；起防冲挡板的作用。起防冲挡板的作用。6.2.2 管壳式换热器结构管壳式换热器结构97过程设备设计过程设备设计6.2.2 管壳式换热器结构管壳式换热器结构导流筒导流筒98过程设备设计过程设备设计二、折流板二、折流板1.作用作用提高壳程流体流速，增加湍动程度；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；使壳程流体垂直冲刷管束，提高壳程传热系数；减少结垢。减少结垢。2.结构形式（见

56、图）结构形式（见图）弓形弓形圆盘圆盘- -圆环形圆环形堰形折流板堰形折流板6.2.2 管壳式换热器结构管壳式换热器结构99过程设备设计过程设备设计( 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)单弓形单弓形(d)圆盘圆盘-圆环形圆环形(c)三弓形三弓形(b)双弓形双弓形弓形缺口高度弓形缺口高度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，缺口大小

57、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，如单弓形折流板，h一般取一般取0.200.45Di，最常用，最常用0.25Di。6.2.2 管壳式换热器结构管壳式换热器结构图图6-21 折流板形式折流板形式100过程设备设计过程设备设计3.弓形缺口及通液口设置弓形缺口及通液口设置（A）壳程为单相清洁液体时，折流板缺口上下布置壳程为单相清洁液体时，折流板缺口上下布置图图6-22 折流板缺口布置折流板缺口布置6.2.2 管壳式换热器结构管壳式换热器结构101过程设备设计过程设备设计（B）卧式换热器的壳程介质为气液相共存或液体中含有固卧式换热器的壳程介质为气液相共存或液体中含有固体颗粒时，折流

58、板缺口应垂直左右布置，并在折流板体颗粒时，折流板缺口应垂直左右布置，并在折流板最低处开通液口最低处开通液口通液口通液口图图6-22 折流板缺口布置折流板缺口布置6.2.2 管壳式换热器结构管壳式换热器结构102折流板缺口垂直左右布折流板缺口垂直左右布置置103过程设备设计过程设备设计6.2.2 管壳式换热器结构管壳式换热器结构折流板折流板104过程设备设计过程设备设计4.折流板布置折流板布置位置：管束两端的折流板尽量靠近进出口接管位置：管束两端的折流板尽量靠近进出口接管间距：间距： Lmin不小于不小于0.2Di，且不小于，且不小于50mm； Lmax不大于不大于Di；（a) BEM立式固定管

59、板式换热器6.2.2 管壳式换热器结构管壳式换热器结构105过程设备设计过程设备设计折流板上管孔与换热管的间隙以及折流板与壳体内壁之间的折流板上管孔与换热管的间隙以及折流板与壳体内壁之间的间隙间隙过大过大泄露严重，不利传热；易引起振动。泄露严重，不利传热；易引起振动。过小过小安装困难。安装困难。当换热管的无支撑跨距超过了标准中规定值时，当换热管的无支撑跨距超过了标准中规定值时，必须设置一定数量的支撑板，按照折流板处理。必须设置一定数量的支撑板，按照折流板处理。（a) BEM立式固定管板式换热器6.2.2 管壳式换热器结构管壳式换热器结构106过程设备设计过程设备设计5.折流板的固定折流板的固定

60、B、换热管外径换热管外径14mm时时点焊结构点焊结构A、换热管外径换热管外径 14mm时时拉杆拉杆- -定距管结构定距管结构d nd nd + 1d点焊6.2.2 管壳式换热器结构管壳式换热器结构d nd nd + 1d点焊dndn图图6-23 拉杆结构拉杆结构107过程设备设计过程设备设计三、折流杆三、折流杆作用作用管束支撑结构管束支撑结构特点特点减轻折流板对换热管的剪切破坏和流体诱导振动；减轻折流板对换热管的剪切破坏和流体诱导振动； 避免折流板导致的传热死区，减小流体阻力，避免折流板导致的传热死区，减小流体阻力， 提高传热效率；提高传热效率；123（1）支撑杆）支撑杆（2）折流杆）折流杆（