管壳式换热器内部结构分析

换热管是换热器的传热元件，需要根据工艺条件（介质压力、温度、物性）来选择。①我国管壳式换热器标准规定采用无缝钢管作为换热管，主要规格有（外径×壁厚）：φ19×2.0；φ25×2.5；φ38×2.5；φ57×3.5等，表2-3；②长度可根据工艺计算确定，但应考虑管材的合理使用。我国轧制钢管长度系列一般为：1.5m、2.0m、2.5m、3.0m、4.5m、6.0m、7.0m、9.0m等，以2.5—4m最常见。管壳式换热器内部结构分析：（1）换热管的选用③管子在管板上要保证一定的管间距(指两相邻换热管中心的距离)，表2-5要求：换热管中心距P≥1.25d0（d0

管子外径，三角形排列时）管子的尺寸：小直径管子单位传热面积的金属消耗量小，传热系数稍高，但制造麻烦，容易结垢，不易清洗，用于较清洁的流体；大直径管子用于粘性大或污浊的流体。（2）换热管的结构类型：

换热管一般采用无缝钢管，材料常根据工艺条件和介质腐蚀性来选择。常用的金属材料有：碳素钢、低合金钢、不锈钢和铜、铝、钛等有色金属及其合金；非金属材料有：石墨、陶瓷、聚四氟乙烯等。

结构类型：光管焊接管波纹管翅片管结构形式特点使用场合应用举例光管结构简单，制造容易，价格低廉，强化传热的性能不足广泛应用管壳式换热器焊接管管壁较薄价格越低使用压力≤4.0MPa，极度和高度危险的化学介质不适用。波纹管（图2-14）能强化传热效果，提高传热效率不适用于固体粉尘含量较高或易结焦的场合。主要用于冷水机组的发热器翅片管（图2-15）加大流体湍流速度，强化传热效果，传热面积是光管的2.5-5倍，传热能力增强30%-40%。广泛应用空调和冷冻设备上的冷凝器和蒸发器

换热管的选用2023/5/13

(3)、管子的排列顺序

换热管在管板上的排列形式有正三角形、转角正三角形、正方形和转角正方形等

换热管的排列形式

其中，正三角形排列应用最为广泛，因正三角形有利于壳程流体的湍流，且同一管板面积上，布置的管数也最多，但管间不易清洗；当壳程需要清洗时，不得采用正三角形或转角正三角形，而要采用正方形排列，因正方形排列空间大，有利于壳程的清洗，但相同管板面积上，布管少10%~40%。在小直径换热器上，还可以采用一种同心圆（图2-17）排列方式。可用于特殊场合，如石油化工装置中的固定床反应器等。无论采用那种排列方式，最外层换热管与壳体的距离≥0.25Do,且不小于10mm。这样会增大换热面积，防止壳程流体短路。

3、管板的选用

管板是换热器中较重要的受力单元。管板主要用来连接换热管，同时将管程和壳程分隔，避免管程和壳程流体相混合。管板类型有：平板式、浮头式、双管板和高温高压换热器管板，其中最常用的是平板形。(1)材料

根据压力、温度、介质的腐蚀性能决定。主要有碳素钢、合金钢、铝合金、复合材料，不锈钢等。工程上都采用复合钢板，以不锈钢抵抗腐蚀，以碳钢和低合金钢承受介质的压力。(2)、管板与壳体的连接形式

不可拆（焊接式）；

可拆式：浮头式、U型管式、填料函式换热器的管束要从壳体中抽出，以便进行清洗，故需将管板设计成可拆连接，将管板夹持在壳体法兰和管箱法兰之间。（图2-21）固定端管板与壳体的连接。

(3)管板和管子的连接

管子与管板的连接必须牢固，不泄露，既要满足密封性要求，又要有足够的抗拉托强度。根据管、壳程的设计压力、设计温度、介质的腐蚀性，管板的结构等选择合适的连接方式。管板和管子的连接方式有胀接、焊接、胀焊结合三种方式。

●胀接

胀接是将胀管器放入已插入管板中的管子，挤压管壁，使管壁产生塑性变形，同时迫使管板产生弹性变形，依靠两者之间的相互作用力达到密封和牢固连接的目的。胀接适用于设计压力不超过4MPa、设计温度不超过300℃，操作中无剧烈的振动，无过大的温度变化及无明显应力腐蚀的场合。●焊接

设计温度超过300℃，设计压力超过4MPa、大都采用焊接连接。主要适用于：（1）管间距太小以至于无法胀接时；（2）当热循环剧烈和温度很高时，因为温度过高会使管子和管板产生蠕变，使胀接松动而发生泄露；管板与换热管的焊接连接

胀接与焊接性能比较：优点：焊接密封性能良好，承压高；连接强度大，抗拉托能力强；对管板孔和管板的加工要求低；允许较小的管板厚度，焊接工艺简单，尤其是高温或者要求接头绝对不漏以及管板不易胀接的不锈钢时，采用焊接连接。焊接法已被广泛采用，并有被优先采用的趋势。缺点：当管壁和管板厚度相差较大时，会因冷却速度不同而产生热应力，使焊缝裂开；且因存在环形间隙而造成“环隙腐蚀”。●胀焊结合

采用胀接虽然管子与管板贴合较好，但在压力与温度有变化时，抗疲劳性能差，连接处易产生松动；而焊接，虽然强度和密封性能好，但管子与管板孔壁处有环形缝隙，易产生间隙腐蚀；因此，工程上常采用胀焊结合的方式来改善链接处的状况，这种方法不仅可以提高连接处的抗疲劳性能，消除应力腐蚀和间隙腐蚀，同时提高了使用寿命。先焊后胀：适用于有间隙腐蚀时，消除间隙，防止间隙腐蚀；先胀后密封焊：适用于压力很高或不允许泄露的场合，加强密封。

管箱位于壳体两端，其作用将管道输送来的流体均匀分布到各传热管和把管内流体汇集在一起送出换热器。在多管程换热器中，还起着分割管程，改变流体流动方向的作用。

4、管箱

选用管箱时，应考虑以下因素：是否易于清洗、检查；管路系统是否合理，检修时不必拆开管路；压力、温度和冲蚀情况；成本。

5、折流板圆盘-圆环形折流板弓形折流板

圆缺型折流板●折流板的作用

提高壳程流体的流速，增加流体的湍流速度，提高传热效率，同时可减少结垢。在卧式换热器中，折流板还可起到支撑管束的作用。●折流板的分类

常用折流板有圆盘-圆环形、弓形和圆缺型。圆盘-圆环形结构复杂，不便清洗，一般用于压力较高，物料清洁的场合。

折流板的布置原则1、折流板一般应等距布置，管束两端的折流板应尽量靠近壳程进出口接管。2、折流板最小间距应≥壳体内径的20%，且不小于50mm，最大间距应≤壳体内直径。3、折流板管孔与换热管间隙、折流板与壳体内壁间隙应符合要求。间隙过大，会因短路而影响传热效果，且易引起振动；间隙过小，安装、拆卸困难。4、折流板缺口高度h,应使流体通过缺口时与横向通过管束时的流速大致相等，一般取（0.20-0.45）D（壳体公称直径），通常取h=0.25Di。5、对于卧式换热器，为排除壳体内的剩余液体，折流板应开小缺口（通液口）。立式换热器不必开小缺口。壳程输送气体：气体中含少量液体——应在缺口朝上的折流板下部开通液口；液体中含少量气体——应在缺口朝下的折流板上部开通液口；气、液相共存或液体中含有固体颗粒时——折流板应垂直左右分布，且在最低处开通液口；

●折流板的固定(图2-27）折流板的固定是通过拉杆和定距管来实现的。折流板就穿在拉杆上，各板之间则以套在拉杆上的定距离管来保持板间距离，最有一块折流板则可用螺母拧在拉杆上紧固。

拉杆结构

5、拉杆与定距离管的选用

在壳程进口接管处常装有防冲板（缓冲板）。

进口接管及防冲板的布置

6、防冲板的选用

当加热蒸汽或高速流体流入壳程时，对换热器会造成很大的冲刷，容易引起侵蚀和振动，从而影响传热效率和换热器的寿命，因此，在入口处常安防冲板。有圆形或方形。挡板与壳壁的距离e应适中，太大会妨碍管子排列，且减少了传热面积；太小影响流体流速。当需加大流体通道时，可在挡板上开些圆孔以加大流体通过的截面。厚度也要适中，碳钢：4.5mm；不锈钢：3mm。固定方式：焊在定距离管或拉杆上；焊在圆筒上；螺栓固定。7、导流筒

通常安装与壳程流体的入口处。作用：起到防冲板的作用；控制加热流体或流体靠近管板处才进入管束，更充分地利用换热器的换热面积，提高传热效果。为使流动截面大致相等，导流筒端部至管板的距离s应适中，以使该处的环形流动面积不小于导流筒外侧的流动截面积。

导流筒形式：

内导流筒—圆筒形：在壳体内部设置一个圆筒形结构，靠近管板的一端敞开，另一端近似封闭。适用于管板在过热的情况下，使冷却介质均匀地与管板接触，从而对管板起冷却作用。此结构简单，制作方便，但占有壳程空间而使排管数减少。外导流筒—斜口形：为保证气体沿圆周方向均匀的进入，在进口处采用扩大环形通道方式，导流筒做成斜口形。在导流体下方，均匀设置数个排液泪孔，以排除凝液或残存液用。8、膨胀节的选用

在换热器中，壳壁和管壁由于流体温度不同引起自身的变形量不相等时，便会在管板、板束和壳体系统中产生附加应力，这一应力是因管壁和壳壁的温度不同引起的，称为温差应力。

当温差应力过大时，管子发生弯曲变形，甚至造成管子从管板上拉托或顶出，导致生产无法运行。膨胀节是一种能自由伸缩的弹性补偿装置，当温差较大时，可通过膨胀节变形协调，从而大大减少温差应力。膨胀节壁厚越薄，弹性越好，补偿能力越大，但厚度必须满足强度要求。

设置膨胀节的作用：（1）可以有效地减小壳体和换热管由于温差产生的热应力。（2）防止管子与管板连接处被拉脱或顶出。膨胀节的型式：平板形、波形、Ω形（夹克式）三种。平板形—结构简单，只适用于常压和低压的场合；波形—

可以由单层或多层构成，或采用多波膨胀节，具有较大的补偿量；

Ω形—用于压力较高的场合。

三、管壳式换热器的标准

◆GB151—1999《管壳式换热器》

是由国家技术监督局发布的关于管壳式换热器的国家标准。该标准是管壳式换热器设计和制造的主要依据。◆标准代号为JB／T4714～4720－92

该标准对浮头式换热器和冷凝器、固定管板式换热器、立式热虹吸式重沸器及U形管式换热器的具体结构形式、基本参数及其组合都作了具体的规定(定型)。

◆换热器的型号

×××

DN

—--A------Ⅰ或Ⅱ

管束的级别

管程/壳程