管壳式热交换器第一部分

第二章管壳式热交换器

2.1类型、标准与结构

目前应用最广泛得一种换热器，又称列管式换热器。把管子和管板连接，再用壳体固定，就构成管壳式换热器。由壳体、接管、管束、管板（又称花板，固定管子用）、顶盖（又称封头）、折流元件等组成。管壳式换热器零部件名称表

换热器构件名称换热器构件名称1-管箱(A,B,C,D，N型);2-接管法兰;3-管箱法兰;4-管板;5-壳程接管;6-拉杆;7-膨胀节;8-壳体;9-换热管;10-排气管;11-吊耳;12-封头;13-顶丝;14-双头螺柱;15-螺母;16-垫片;17-防冲板;18-折流板或支承板;19-定距管;20-拉杆螺母;21-支座;22-排液管;23-管箱壳体;24-管程接管;25-分程隔板;26-管箱盖管壳式换热器的分类

管壳式换热器的主要组合部件有前端管箱，壳体和后端结构（包括管束）三部分。一般按照结构分类:结构分类固定管板式换热器浮头式换热器Ｕ形管式换热器填料函式换热器滑动管板式、双管板式、薄管板式等（一）固定管板式换热器

固定管板式换热器优点：结构简单、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。缺点：不易清洗壳程，壳体和管束中可能产生较大的热应力。由于走管程和走壳程的两种流体温度不同，管子热膨胀和壳体受热膨胀的程度不同，当两流体的温度差大于50℃时，如果将管束和壳体焊成一体，则因两者受热膨胀程度差别较大，可能将管子扭曲（当管内流体温度高于管外流体时）或将管子从管板上拉松（当管内流体温度低于管外流体时），介质泄漏。为减少热应力，就要考虑采取热补偿措施，通常在固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。带膨胀节的固定管板式换热器适用场合：适用于壳程介质清洁，不易结垢，管程需清洗以及温差不大或温差虽大但是壳程压力不大的场合。

固定管板式换热器的使用场合

（二）U形管式换热器

U形管式热交换器(图2.2)的管束由U字形弯管组成。管子两端固定在同一块管板上，弯曲端不加固定，使每根管子具有自由伸缩的余地而不受其他管子及壳体的影响。

U形管式换热器优点：结构简单，价格便宜，承受压力能力强，不会产生热应力。缺点：布管少，管板利用率低，管子坏时不易更换。适用场合：壳侧可以抽出管板和壳体清洗、管侧不易。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。U型管式换热器浮头式换热器的一端管板与壳体固定，而另一端的管板可壳体内自由滑动，叫做浮头。此种又称内浮头。由于浮头可以滑动，管束膨胀是自由的，故当两介质的温差较大时，化解管束和壳体之间温差应力的应变。浮头端设计成可拆结构，使管束能容易的装入或抽出壳体。（也可设计成不可拆的）。这样为检修、清洗提供了方便。但该换热器结构较复杂，而且浮动端盖小，在操作时无法知道泄露情况。因此在安装时要特别注意其密封。浮头端盖法兰造成管束和壳体间间隙大，不利于换热。（四）浮头式换热器

优点：管内和管间清洗方便，不会产生热应力应变。缺点：结构复杂，设备笨重，造价高，浮头端小盖在操作中无法检查。适用场合：壳体和管束之间壁温相差较大，或介质易结垢的场合。浮头式换热器（四）填料函式换热器

这是一种使一端管板固定而让另一端管板在填料函中滑动的热交换器，其结构如到2.4所示，实际上它是将浮头露在壳体外面的浮头式热交换器，所以又称外浮头式热交换器。由于填料密封处容易泄漏，故不宜用于易挥发、易燃、易爆、有毒和高压流体的热交换、而且制造复杂，安装不便．因而此种结构不常采用。优点：结构简单，加工制造方便，造价低，管内和管间清洗方便。缺点：填料处易泄漏。适用场合：4MPa以下，且不适用于易挥发、易燃、易爆、有毒及贵重介质，使用温度受填料的物性限制。目前使用的都较小且较少使用。填料函式换热器（五）其他类型管壳式换热器

滑动管板式

双管板式薄管板式管壳式换热器型号

按《管壳式换热器》（GB151-1999）标准分类。详细分类以及代号（英文字母）如下所示：

主要部件的分类及代号：现举例说明：浮头式换热器平盖管箱，公称直径500mm，管称和壳称设计压力为1.6MPa，公称换热面积为54m2,碳素钢较高级冷拔换热管外径25mm，管长6m，4管程，单壳程的浮头式热交换器，其型号为：AES500-1.6-54-6/25-4I固定管板式换热器封头管箱，公称直径700mm，管程设计压力为2.5MPa，壳程设计压力为1.6MPa，公称换热面积200m2，较高级冷拔换热管外径25mm，管长9m，4管程单壳程的固定管板式换热器，其型号为：

BEM700-2.5/1.6-200-9/25-4I主要部件:

1、前端管箱和后端结构2、换热管3、管板4、壳体5、其他结构

(1)前端管箱管箱的作用是将进入管程的流体均匀分布到各换热管，把管内流体汇集在一起送出换热器。在多管程换热器中，管箱还可通过设置隔板起分隔作用。由换热器是否需要清洗和管束是否需要分程等因素决定管箱类型，分两种基本类型：1）封头型：图（a）接头少，适用较清洁的介质，因检查管子及清洗时只能将管箱整体拆下，故不太方便；2）平盖型：图（b）在管箱上装有平盖，只要将平盖拆下即可进行清洗和检查，所以工程应用较多，但材料消耗多；图（c）是将管箱与管板焊成一体，这种结构密封性好，但管箱不能单独拆下，检修、清洗都不方便，实际应用较少。1

前端管箱和后端结构

(2)后端结构型式1）固定管板2）浮头3）U型管4）填料函(3)分程隔板

（一）分程原因

当换热器所需的换热面积较大，而管子又不能做得太长时，就得增大壳体直径，排列较多的管子。此时，为了减少管程流体截面积、增加管程流速，提高传热效果，须将管束分程，使流体依次流过各程管子。（二）分程原则①各程换热管数应大致相等；②相邻程间平均壁温差一般不应超过28℃；③各程间的密封长度应最短；④分程隔板的形状应简单。（三）分程隔板（四）分程方式

管程布置表2换热管束

(1)换热管(2)管束排列方式、管间距（1）换热管

管子的选用（一）直径小管径单位体积传热面积增大、结构紧凑、金属耗量减少、传热系数提高阻力大，不便清洗，易结垢堵塞。用于较清洁的流体大管径粘性大或污浊的流体大管径（二）规格

（外径×壁厚），长度按规定决定常用规格和尺寸偏差见国标GB151-1999附录C

φ19×2、φ25×2.5和φ38×2.5mm无缝钢管φ25×2和φ38×2.5mm不锈钢管

标准管长系列1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、4.5、6.0、7.5、9.0、12.0m等

换热器的换热管长度与公称直径之比，一般在4～25之间，常用的为6～10。立式换热器，其比值多为4～6。换热管尺寸（三）结构型式

换热管型式光管强化传热管翅片管（在换热系数低侧）螺旋槽管螺纹管多用光管，因为结构简单，制造容易，为强化传热，也采用强化传热管。波纹管（四）材料通常普通级和较高级的冷拔碳钢管。由压力、温度、介质的腐蚀性能决定，主要有碳素钢、合金钢、铜、钛、塑料、石墨等。金属材料碳素钢低合金钢铜不锈钢铜镍合金铝合金钛等非金属材料石墨陶瓷聚四氟乙烯（2）管束排列方式，管间距

Ⅰ、管束排列方式排列原则：1）要保证管板有必要的强度，管子和管板的连接要坚固和紧密。2）设备要紧凑，以减小管板和壳体的直径，并使壳程流通截面减小，以提高壳程流体的流速。3）要使制造、安装和修理维护方便。换热管排列方式（一）正三角形和转角正三角形排列正三角形排列的管子

等边三角形是最常用的方式，布管紧凑，传热系数值高，便于管板划线及钻孔，但管间不易清洗；按等边三角形排列时，流体流动方向与三角形一条边垂直，通常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，但当层数大于6时，弓形部位也应排列管子，此时最外层管子的中心不超过最大六边形的外接圆周。（二）正方形和转角正方形排列

正方形排列的管子（三）组合排列法

在多程换热器中多采用组合排列方法。即每一程中都采用三角形排列法，而在各程之间，为了便于安装隔板，则采用正方形排列法，如右图所示。对于卧式冷凝器，按转角等边三角形排列时，管板的轴线与水平轴线间比较有利的偏转角，如图

2.10所示，可按下式计算：θ＝30o－arcsin(do/2s)do：管子外径；s：管间距。目的：减少液膜在换热管上的包角及液膜厚度。(四)同心圆排列

按同心圆排列时，管距s既为两层圆周之间的距离，也为圆周上管子的间距；但直线间距与弧形间距稍有差别，因而在圆周上布置管子只取整数，所以各层圆周上的管间距是不等的。使管板划线、制造和装配困难。优点是紧凑、靠近壳体处布管均匀，小直径换热器中布管数比等边三角形多，但层数>6时，不如等边三角形多。Ⅱ、管间距（一）定义

管间距指两相邻换热管中心的距离。（二）要求

管间距≥1.25d0，符合表2.3规定，便于管子与管板间的连接，因为对于胀接或焊接来讲，管子间距离太近，那么都会影响连接质量。最外层管壁与壳壁之间的距离为10mm，主要是为折流板易于加工，不易损坏。表2.3常用换热管中心距/mm

最外层换热管中心至壳体内表面的距离不应小于[(换热管外径的一半)＋10mm]。布管限定圆

在排列管子时，换热器管束外缘直径受壳体内径限制，要将管束外缘布置在布管限定圆之内。其直径DL按结构形式而不同：对于浮头式换热器如图2.11(a)DL＝Di-2(b1＋b2

＋b）对于固定管板式、U形管式如图2.11(b)DL＝Di-2b33、管板

管板作用是固定换热管束，并用来作为换热器两端间壁将壳、管程流体相互分开，一般多采用单层管板，但对有危险或腐蚀性的物料或当管、壳程流体一旦相互渗漏就会产生危险的场合，可采用双层隔板。

由于管板的受力情况复杂，影响管板强的因素很多，因此管板厚度在计算条件不同的情况下相差较大。依据我国管板计算条件规定的管板厚度为：管束与管板的连接

管子与管板的连接是管壳式换热器生产中最主要的工序之一。由于这类工程需耗费大量工时,更重要的是,连接的地方在运行中容易发生故障。因此,发展高效率、高质量的连接技术已成为制造中的重点研究课题。根据换热器的使用条件不同,加工条件不同,连接的方法基本上分为胀接、焊接和胀焊结合三种,由于胀接法能承受较高的压力,特别适用于材料可焊性差的情况。4、壳体

E型壳体为单程壳体，经济上便宜、平均温差修正系数大，但是换热不充分，进出口温差小。F型为双壳程，压降大，纵向折流板受到流体和漏热限制，设计与制造要仔细，同时拆装不便。J型用于压降小、流量大，也可用G，H型。5、其他结构2.1.5纵向隔板、折流板和支持板目的：为了提高流体的流速和湍流程度，强化壳程流体的传热，在壳程常设置纵向隔板或折流板。纵向隔板在U型管壳式换热器内常有应用。其最小厚度为6mm，当壳程压降较大时，需适当加厚。由于安装难度大，同时它与壳体内壁之间容易存在间隙产生流体泄漏；它两侧流体温度不同又存在热泄漏，降低其效果，因此两块以上纵向隔板在实际中应用较少。折流板是设置在壳体内与管束垂直的弓形或圆盘－圆环形平板，如图所示。安装折流板迫使壳程流体按照规定的路径多次横向穿过管束，既提高了流速又增加了湍流速度，改善了传热效果，在卧式换热器中折流板还可起到支撑管束的作用。但在冷凝器中，由于冷凝传热系数与蒸汽在设备中的流动状态无关，因此不需要设置折流板。折流板常用形式有：弓形折流板、盘环形流板、扇形折流板和管孔形折流板等几种。弓形折流板又分单弓、双弓、三弓型三种。在弓形折流板中，流体流动死角较小，结构简单，用的最多。盘环形结构复杂，不便清洗，一般用在压力较高和物料比较清洁的场合；扇形和管孔形应用较少。弓形折流板在卧式换热器中的排列分为缺口上下方交替排列和缺口左右方向交替排列两种。壳程流体全是单相的清洁物料用上下排列；若气体中含少量液体时，应在缺口朝上的折流板最低处开通液口。如图2.18a若液体中含少量气体时，应在缺口朝下的折流板最高处开通气口，如图2.18b卧式换热器、冷凝器的壳程流体为气液共存或液体中含有固体物料时，折流板缺口应垂直左右布置，并在折流板最低处开通液口，如图2.18c对常用的圆缺形挡板，弓形切口过大或过小，会产生流动“死区”，均不利于传热，一般弓形缺口高度与壳体内径之比为0.15～0.45，常采用0.20和0.25两种。挡板的间距过大，就不能保证流体垂直流过管束，使流速减小，管外对流传热系数下降；间距过小不便于检修，流动阻力也大。一般取挡板间距为壳体内径的0.2～0.1倍，我国系列标准中采用的挡板间距为：固定管板式有150，300和

600mm三种；浮头式有150，200，300，480和600mm五种。

弓形折流板的最大间距不能超过表2.5中之定；两侧管板与端部两块折流板的距离通常大于中间折流板的间距，以便为壳程流体出口提供额外空间。中间折流板一般等间距布置。为了防振和能承受拆换管子时的扭拉用。折流板必须具有一定厚度。折流板的厚度与壳体直径及折流板间距有关，一般情况下至少要比管壁厚一倍，最薄约3mm,但其最小厚度不能低于表2.6中所规定的数据。折流板的安装固定是通过拉杆和定距实现的。对于管径≥19mm的管束，拉杆和管板的连接如图2.19a。拉杆是一根两端带螺纹的长杆，一端拧入管板，折流板穿在拉杆上，折流板之间以套在拉杆上的定距管来保持板间距离，最后一块折流板用螺母拧在拉杆上紧固。对于管子外径≤14mm的管束可把折流板焊接在拉杆上，如图2.19b，此时不需定距管。拉杆直径dn与换热管外径d有