第16章管壳式换热设备课件

第16章

管壳式换热设备

16.1概述

换热设备的作用：进行热量交换。在各行业应用极为广泛。

换热设备的分类：混合式、蓄热式、间壁式。

1第16章管壳式换热设备16.1概述换热设备的作用混合式换热器

2混合式换热器2蓄热式换热器

3蓄热式换热器3间壁式换热器

4间壁式换热器4间壁式换热器

5间壁式换热器516.2管壳式换热器的形式

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。

刚性结构：固定管板式

带膨胀节的固定管板式

有温差补偿装置：

U型管式

浮头式

6填料函式

16.2管壳式换热器的形式管壳式（列管式）换热器中冷、16.

2.

1固定管板式换热器

管箱

管板

筒体

换热管

折流板

膨胀节

拉杆、定距管

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。

716.2.1固定管板式换热器管箱管板筒体换热16.

2.

2

U型管式换热器

管箱

管板

筒体

换热管

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8的废热锅炉）

16.2.2U型管式换热器管箱管板筒体换热管16.

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。

916.2.3浮头式换热器管束能自由伸缩，管壳间没有16.3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。

1016.3管壳式换热器的结构设计管壳式换热器的设计包括三16.

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）。

1116.3.1换热管的选用包括换热管的材料、规格（管径碳钢、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。12

碳钢、低合金钢管：φ19×2、φ25×2.5、φ38×2.516.

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。

30°60°90°45°p1.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。

1316.3.2管子在管板上的排列包括排列方式和间距两14142.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。

152.排列间距管板上两根换热管的中心距称为管间距P1.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：

胀接前图17-6胀接结构胀接后图16.6胀接结构

?

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。16

1.胀接方法：胀管器爆炸2.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。

172.焊接（实际中用的最多）焊接的特点：?高温焊接的结构：

(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。

(a)图17-8焊接结构图16.8焊接结构

(b)18焊接的结构：(a)图焊接施工方便，焊接质量容易保证，应用最3.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。

193.胀焊并用综合了胀接和焊接两种方法的优点，但16.

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

换热管换热管管板管箱管板筒体(a)管板兼作法兰(b)管板不作法兰筒体图17-9管板与壳体焊接图16.9管板与壳体连接

(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。

2016.3.4管板与壳体的连接1.管板与壳体不可拆(2.管板与壳体可拆——U型管、浮头、填料函换热器

换热管管箱管板筒体图17-10管板与壳体可拆结构图16.10管板与壳体可拆结构

212.管板与壳体可拆——U型管、浮头、填料函换热器换热管16.

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。

2216.3.5管箱与管束分程1.管箱管箱2.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。

232.管束为什么要分程？前已述及，管长一般不超双管程换热器内的流体流动

24双管程换热器内的流体流动243.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。

例：2程的分法

12流动顺序

管内介质入管内介质返口侧隔板

回侧隔板

253.分程方法在管箱内设置一定数量的隔板，将管束换热器管箱

26换热器管箱2616.

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

2716.3.6折流板1.折流板的作用在壳2.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。

282.折流板的形式、特点单弓型折流板常用的结构，简单、管壳式换热器折流板型式

弓形

盘-环形

29管壳式换热器折流板型式弓形盘-环形293.折流板的组装与固定

管板

筒体

换热管

定距管

折流板

拉杆

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。

303.折流板的组装与固定管板筒体换热管定距管折流16.

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。

3116.3.7防冲挡板与导流筒防冲挡板的作用：防止进过程设备设计

导流筒

32过程设备设计导流筒3216.

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。

介质流向衬筒图17-17波型膨胀节图16.16波形膨胀节

3316.3.8膨胀节膨胀节是标准件，GB116.4管壳式换热器强化传热

16.4.1

强化传热的原理

Q?KA?tm增加平均传热温差

——逆流流动

、多股流体流动

扩大换热面积——采用小直径管，扩展换热表面

提高总传热系数——强化换热系数较小的一侧

K?1?1?R1??R2??1??21增大α的途径

增大介质扰动程度

提高介质流速

流体阻力增大

3416.4管壳式换热器强化传热16.4.1强化传热的16.4.2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

3516.4.2管内放置强化传热元件不改变传热面形状，通过16.4.3异形管强化传热

1.

槽管

图16.20a螺旋槽管b横纹槽管

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。

3616.4.3异形管强化传热1.槽管图16.20a2.

波纹管

h

δ

D

图16.21波纹管

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

。

372.波纹管hδD图16.21波纹管既能强化管3.

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。

383.缩放管压力降相同