化工设备机械基础7-管壳式换热器-副本课件.ppt

1、第一节第一节 管壳式换热器的总体结构管壳式换热器的总体结构第二节第二节 管壳式换热器的主要零部件管壳式换热器的主要零部件第三节第三节 管壳式换热器的选用及设计流程管壳式换热器的选用及设计流程第四节第四节 其它形式换热器简介其它形式换热器简介（1 1）换热器是许多工业部门广泛应用的通用工艺设备。通常，在化工厂的建设中，换热器约占总投资的11 40。它的先进性、合理性和运转可靠性将直接影响产品的质量、数量和成本。（2 2）根据不同的目的，换热器可以是、等。第一节第一节 管壳式换热器的总体结构管壳式换热器的总体结构一、概述一、概述（3 3）衡量一台换热器好坏的标准衡量一台换热器好坏的标准。c.c.可

2、靠性可靠性满足操作条件满足操作条件,强度足够强度足够,保证使用寿命保证使用寿命b.合理性合理性 a.a.先进性先进性 可制造加工，成本可接受可制造加工，成本可接受 传热效率高，流体阻力小，材料省传热效率高，流体阻力小，材料省 化工生产对换热设备提出的要求是：化工生产对换热设备提出的要求是：传热效率高，流体阻力小；传热效率高，流体阻力小；强度、刚度、稳定性足够；强度、刚度、稳定性足够；结构合理，节省材料，成本较低；结构合理，节省材料，成本较低；制造、装拆、检修方便等。制造、装拆、检修方便等。（4 4）任何一种换热器不可能十全十美。传热效率高、金属消耗量低，但流体阻力大、强度和刚度差，制造、维修困

3、难。虽在传热效率、紧凑性、金属消耗量等方面均不如板式换热器，但其结构坚固、可靠程度高、适应性强、材料范围广，因而目前仍是石油、化工生产中，尤其是高温、高压和大型换热器的主要结构型式。第一节第一节 管壳式换热器的总体结构管壳式换热器的总体结构一、概述一、概述 管壳式换热器是把换热管束与管板连接后，再用筒体与管箱包起来，形成两个独立的空间：管内通道及与其相贯通的管箱，称为管程管程空间；换热管外的通道及与其贯通的部分，称为壳程壳程空间。二、管壳式换热器的种类及其结构二、管壳式换热器的种类及其结构1 1 列管式换热器的主要结构：列管式换热器的主要结构：2 2 列管式换热器的工作原理：列管式换热器的工作

4、原理：T1 t0（环境）Tw T t1 t2 T2 列管式 t tw 列管式换热器列管式换热器 列管式换热器的主要类型列管式换热器的主要类型从结构上分从结构上分固定管板式换热器固定管板式换热器浮头式换热器浮头式换热器U U形管式换热器形管式换热器填料函式换热器填料函式换热器固定管板式换热器结构图固定管板式换热器结构图 (1)(1)固定管板式换热器固定管板式换热器带膨胀节的固定管板式换热器结构图带膨胀节的固定管板式换热器结构图 (1)(1)固定管板式换热器固定管板式换热器 (1)(1)固定管板式换热器固定管板式换热器1 1）、结构特点：）、结构特点：两块管板均与壳体相焊接，并加入了热补偿两块管板

5、均与壳体相焊接，并加入了热补偿原件原件膨胀节。膨胀节。2 2）、优点：）、优点：结构简单、紧凑、能承受较高的压力，造价低，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。管程清洗方便，管子损坏时易于堵管或更换。3 3）、缺点：）、缺点：不易清洗壳程，壳体和管束中可能产生较大的热不易清洗壳程，壳体和管束中可能产生较大的热应力。应力。冷热流体温差不能太大（冷热流体温差不能太大（50)14mm14mm且无特殊要求的场合。要求：要求：管板硬度管子硬度，否则将管端退火后再胀接。胀接时管板上的孔可以是光孔，也可开槽(开槽可以增加连接强度和紧密性)。液压胀管器液压胀管器液压

6、胀接液压胀接机械胀接机械胀接优点：优点：工艺简单方便；消除间隙避免间隙腐蚀。缺点：缺点：温度升高时，管端会发生松弛 泄漏。适用条件：适用条件：p4.0MPa,t350。注意：注意：管端硬度管板硬度。管板厚度较大时，为提高管子抗拉脱能力及增密封性能，需要在管孔中开环形槽。保证紧密性的方法保证紧密性的方法：管板孔开槽；管板孔开槽；胀接周边保证清洁；胀接周边保证清洁；管子硬度低于管板孔周边硬度。管子硬度低于管板孔周边硬度。保证管端硬度较低并且低于管板硬度的方保证管端硬度较低并且低于管板硬度的方法：法：管端退火处理。管端退火处理。选材考虑。选材考虑。strength welded joint 强度焊接

7、连接是将换热管的端部与管板焊在一起。强度焊接连接是将换热管的端部与管板焊在一起。优点：高温高压下能保证连接的紧密性；管板孔加工精度要求不高，低于胀接；焊接工艺简单；压力不高时可用薄管板。缺点：缺点：存在焊接热应力应力腐蚀应力腐蚀；管与孔间有间隙形成介质死区，间隙腐蚀间隙腐蚀。72管与管板焊接形式管与管板焊接形式：克服了单纯的焊接及胀接的缺点，主要优点是：连接紧密，提高抗疲劳能力；消除间隙腐蚀和应力腐蚀；提高使用寿命。施工方式：先胀後焊；先焊後胀。胀接贴胀；强度胀。焊接密封焊，强度焊。根据不同情况具体制定施工工艺。3 3）、焊胀结合）、焊胀结合3 3）、焊胀结合）、焊胀结合胀焊结合连接主要有：胀

8、焊结合连接主要有：强度焊密封胀强度焊密封胀先焊后胀。先焊后胀。强度胀密封焊强度胀密封焊先胀后焊。先胀后焊。概念解释：密封焊概念解释：密封焊不保证强度，只防漏；不保证强度，只防漏；强度焊强度焊既防漏，又保证抗拉脱强度；既防漏，又保证抗拉脱强度；密封胀密封胀只消除间隙，不承担拉脱力；只消除间隙，不承担拉脱力；强度胀强度胀既消除间隙，又满足胀接强度。既消除间隙，又满足胀接强度。胀焊结合连接方式的适用性胀焊结合连接方式的适用性 胀焊结合的连接方式适用于胀焊结合的连接方式适用于密封要求较高、承密封要求较高、承受振动或疲劳载荷、有间隙腐蚀、采用复合管板的受振动或疲劳载荷、有间隙腐蚀、采用复合管板的场合。场

9、合。目前，先焊后胀与先胀后焊两派学说仍处于争议之中。目前，先焊后胀与先胀后焊两派学说仍处于争议之中。3 3、管程的分程、管程的分程 当换热器所需的换热面积较大，可增加管子长度或增当换热器所需的换热面积较大，可增加管子长度或增加管子的数目。加管子的数目。增加管长是有限度的，增加管长是有限度的，一般不超过一般不超过6m6m。增加管子数量增加管子数量则要保证管内流体有一定的流速，流速太低，传热效果则则要保证管内流体有一定的流速，流速太低，传热效果则较差。较差。此时为了此时为了增加管程流速增加管程流速，提高传热效率，须将管束，提高传热效率，须将管束分程，使流体依次流过各程管子。分程，使流体依次流过各程

10、管子。为什么要分程？为什么要分程？l 换热面积较大，要进行分程换热面积较大，要进行分程 1）.管子太长，设备长径比过大，浪费材料；2）.增加流速，提高传热效果。l 分程要求：分程要求：1）各程管数大致相同；2）相邻程管壁温差不大于28；3）程间密封长度应最短；4）隔板形状应简单。l 常用管程数为常用管程数为：1，2，4，6，8，12。管箱分程：分程举例：分程举例：2程4程84分程隔板及其与管板间的密封管箱结构：4 4、管板与壳体的连接、管板与壳体的连接4 4、管板与壳体的连接、管板与壳体的连接 列管式换热器管板与壳体的连接结构分为列管式换热器管板与壳体的连接结构分为可拆可拆式式与与不可拆式不可

11、拆式两类。两类。固定管板式固定管板式换热器的管板与壳体间采用换热器的管板与壳体间采用不可拆不可拆的焊接连接的焊接连接，而，而浮头式、浮头式、U U形管式形管式和和填料函式填料函式换热器换热器的管板采用的管板采用可拆式连接可拆式连接。4 4、管板与壳体的连接、管板与壳体的连接（1 1）固定管板式换热器管板与壳体的连接固定管板式换热器管板与壳体的连接兼作法兰情况：管板不兼作法兰结构：（2 2）浮头式、浮头式、U U形管式及填料函式换热器固定端形管式及填料函式换热器固定端管板与壳体的连接管板与壳体的连接由于浮头式、由于浮头式、U形管形管式及填料函式换热器的管式及填料函式换热器的管束要从壳体中抽出，以

12、便束要从壳体中抽出，以便进行清洗，故需将固定管进行清洗，故需将固定管板做成可拆连接。板做成可拆连接。管板夹于壳体法兰和顶管板夹于壳体法兰和顶盖法兰之间，卸下顶盖就盖法兰之间，卸下顶盖就可把管板同管束从壳体中可把管板同管束从壳体中一起抽出来。一起抽出来。（2 2）浮头式、浮头式、U U形管式及填料函式换热器固定端形管式及填料函式换热器固定端管板与壳体的连接管板与壳体的连接94非固定式管板95 浮头式、U形管式和填料函式换热器上的管板为可拆式结构，以便清理壳程。将进入管程的流体均匀分布到各换热管，把管内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，管箱还可流

13、体汇集在一起送出换热器。在多管程换热器中，管箱还可通过通过设置隔板设置隔板起起分隔分隔作用。作用。四、四、管箱管箱(a)(a)适用于较清洁介质工况。检查换热管内及清洗换热管时，必适用于较清洁介质工况。检查换热管内及清洗换热管时，必须将须将连接管连接管道一起拆下，很不方便。道一起拆下，很不方便。(b)(b)在清洗换热管内时，在清洗换热管内时，仅将平盖拆下仅将平盖拆下，不及拆除连接管道，易，不及拆除连接管道，易清洗和检查。目前设计中采用较多。缺点是清洗和检查。目前设计中采用较多。缺点是用材较多用材较多。(c)(c)将将管箱与盖板管箱与盖板焊成一体。可避免在管板密封处的泄漏，但焊成一体。可避免在管板

14、密封处的泄漏，但管管箱不能单独拆下箱不能单独拆下，检修清洗不方便，很少采用。，检修清洗不方便，很少采用。(d)(d)多程隔板安置的一种形式。其接管安装形有多种。如图。多程隔板安置的一种形式。其接管安装形有多种。如图。附：换热器型号的表示方法附：换热器型号的表示方法级换热器管/壳程数，单壳程时写公称长度（），换热管外径（）公称换热面积（）管/壳程设计压力（),压力相等时只写公称直径（），对于釜式重沸器用分数表示，分子为管箱内直径，分母为圆筒内直径。第一个字母代表前端管箱型式第二个字母代表壳体型式第三个字母代表后端结构型式例例u浮头式换热器浮头式换热器平盖管箱，公称直径500500mm，管程和壳程

15、设计压力均为1.6MPa，公称换热面积54，较高级冷拔换热管外径25mm，管长6m，4管程单壳程的浮头式换热器，其型号为：AES500-1.6-54-6/25-4在对流传热的换热器中，为了提高壳程内流体的流速和在对流传热的换热器中，为了提高壳程内流体的流速和加强湍流程度，以加强湍流程度，以提高传热效率提高传热效率，在壳程内装置，在壳程内装置折流板折流板。折。折流板还起支撑换热管的作用。流板还起支撑换热管的作用。五、折流板五、折流板 、支撑板及短路防冲等壳程、支撑板及短路防冲等壳程 提高壳程内流体的流速；提高壳程内流体的流速；加强湍流强度；加强湍流强度；提高传热效率；提高传热效率；支撑换热管。支

16、撑换热管。（当工艺上无折流板要求而管子较细长时，应考虑有一定数（当工艺上无折流板要求而管子较细长时，应考虑有一定数量的支承板，以便安装和防止管子变形；支撑板的尺寸、形量的支承板，以便安装和防止管子变形；支撑板的尺寸、形状可与折流板相同。）状可与折流板相同。）折流板和支承板可分为折流板和支承板可分为横向横向和和纵向纵向两种。两种。前者前者使流体横过管束流动；使流体横过管束流动；后者后者则使管间的流体平行流过管束。则使管间的流体平行流过管束。折流板是设置在壳体内与管束垂直的折流板是设置在壳体内与管束垂直的弓形弓形或或圆盘圆环圆盘圆环形形平板，安装折流板迫使壳程流体按照规定的路径多次横向平板，安装折

17、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。果，在卧式换热器中折流板还可起到支撑管束的作用。常用的折流挡板：常用的折流挡板：单弓形、双弓形、三弓形和盘单弓形、双弓形、三弓形和盘圆环形。圆环形。单弓形折流挡板单弓形折流挡板单弓形折流挡板对介质流向的影响单弓形折流挡板对介质流向的影响:盘盘环形折流挡板对介质流向的影响环形折流挡板对介质流向的影响圆盘圆盘圆环形折流挡圆环形折流挡图 7-2 5 圆 盘-元 环 形 折 流 板Dil3/4Di图 7-2 4 弓

18、 形 折 流 板3/4Di双弓形板换热器双弓形板换热器 性能特点 双弓形板换热器的管束由相邻两种折流板组成支撑件，流体呈顺错流流动，从而克服了普通克服了普通单弓形板换热器的壳程流体，在流动中的单弓形板换热器的壳程流体，在流动中的180180度转度转弯所造成的死区、阻力大、易震动等缺陷弯所造成的死区、阻力大、易震动等缺陷。在相同壳程压力降下，双弓形板换热器壳程流体的流速一般可提高1.5倍以上，从而强化了传热。通过管束的阻力仅为单弓形扳换热器的1/51/8，因此减少板间距和壳径来提高流速是常用手段。图7-28 带扇形切口折流板 螺旋折流板螺旋折流板换热器是管壳式换热器的一种形式。每块折流板占1/4

19、的横截面积，呈螺旋状自进口至出口方向逐一布置。折流板对换热器中心线保持一定的倾斜角度，四块折流板完成360。内的旋转，这样在壳体内形成连续的螺旋，使流体流动接近柱塞流动。性能特点：性能特点：与普通的弓形折流板换热器相比，螺旋折流板换热器有以下的性能改进：衡量换热效果好坏的综合效益系数衡量换热效果好坏的综合效益系数(即传热速率与压力即传热速率与压力降的比值降的比值)有较大的提高：有较大的提高：ABB公司以水一水为介质，进行普通弓形折流板和螺旋折流板的传热与压力降实验对比，结果为：(a)螺旋折流板换热器壳程传热系数约提高1.8倍；(b)压力降减少约4.5倍。壳程流体流动状态的改变：壳程流体流动状态

20、的改变：弓形折流板使壳程流体基本上处于横穿管子的错流流动，在90度转弯处易有固体颗粒堆积和结垢产生。而螺旋折流板每块折流板仅占1/4横截面积，与中心线有一定角度的倾斜。消除了流动死区，减少了固体颗粒堆积和结垢的生成。消除了流动死区，减少了固体颗粒堆积和结垢的生成。不易引起管子的振动不易引起管子的振动。传统弓形隔板支撑存在一些弊端：阻力大、死角多、传热面积无法被充分利用,易引发流体流动振动等。为了使折流板的性能得到改进,近年又研发出了多弓形折流板、整圆形折流板(如图)、异形孔折流板、网状板等。这些新型折流板支承结构的出现主要是为了使流体由横向流动变为纵由横向流动变为纵向流动向流动,从而尽可能地消

21、除死区,使得传热综合性能得到提高,也使得管束的抗振性能得到增强。各种折流板中弓形折流板用得较普遍，这种形各种折流板中弓形折流板用得较普遍，这种形式使流体只经折流板切去的圆缺部分而垂直流过管式使流体只经折流板切去的圆缺部分而垂直流过管束，流动中死区较少。束，流动中死区较少。弓形折流板缺口高度应使流体通过缺口时与横弓形折流板缺口高度应使流体通过缺口时与横过管束时的流速相近。缺口高度过管束时的流速相近。缺口高度h=h=（0.20.2 0.450.45）D Di i 折流板一般应按等间距布置，管束两端的折流板尽可能靠近壳程进、出口接管。卧式换热器的壳程为单相清洁流体时，折流板缺口应水平上下布置，若气体

22、中含有少量液体时，则应在缺口朝上的折流板的最低处开通液口最低处开通液口；若液体中含有少量气体时，则应在缺口朝下的折流板最高处开通最高处开通气气。卧式换热器、冷凝器和重沸器的壳程介质为气、液相共存或液体中含有固体物料时，折流板缺口应垂垂直左右布置直左右布置，并在折流板最低处开通液口最低处开通液口。安装折流挡板的目的是为提高管外表面传热系数，为取得良好的效果，挡板的形状和间距必须适当。对圆缺形挡板而言，弓形缺口的大小对壳程流体的流动情况有重要影响。如图：弓形缺口太大或太小都会产生死区，既不利于传热，又往往增加流体阻力。a.切除过少切除过少b.切除适当切除适当 c.切除过多切除过多我国系列标准中采用

23、的挡板间距为：有100，150，200，300，450，600，700mm七种有100，150，200，250，300，350，450（或480），600mm八种。折流板的加工折流板的加工折流板和支承板的固定是通过折流板和支承板的固定是通过拉杆拉杆和和定距管定距管完成完成的。拉杆是一根两端皆有螺纹的长杆，一端拧入管板，的。拉杆是一根两端皆有螺纹的长杆，一端拧入管板，将折流板穿在拉杆上，折流板的间距由定距管隔离并将折流板穿在拉杆上，折流板的间距由定距管隔离并保持板间距，最后一块折流板用螺母拧紧在拉杆上。保持板间距，最后一块折流板用螺母拧紧在拉杆上。d14mm时时 当换热器不需设折流板，但换热管无

24、支撑跨距超过相关规定时，则应设支持板，用来支撑换热管，以防止换热管产生过大的挠度。纵向折流板是使流体平行管束流动，在传热纵向折流板是使流体平行管束流动，在传热上不如垂直流过管束好。但可提高流速，所以也上不如垂直流过管束好。但可提高流速，所以也可较好地提高传热效率。其可较好地提高传热效率。其主要缺点是：纵向折主要缺点是：纵向折流板与壳体壁间的密封不易保证，容易造成短路。流板与壳体壁间的密封不易保证，容易造成短路。为防止壳程进口接管处壳程流体对换热管的直接为防止壳程进口接管处壳程流体对换热管的直接冲刷，可设置壳程的防冲挡板冲刷，可设置壳程的防冲挡板扩大管扩大管六、波形膨胀节六、波形膨胀节 温差应力

25、产生的原因是管与壳膨胀的不一温差应力产生的原因是管与壳膨胀的不一致性和管与壳之间的刚性约束。致性和管与壳之间的刚性约束。消除或减小热消除或减小热应力的措施应力的措施 就是就是减少管壳间的温差减少管壳间的温差，以降低膨，以降低膨胀的不一致性，或在胀的不一致性，或在壳体上设置膨胀节以削弱壳体上设置膨胀节以削弱刚性约束，或采用自由膨胀结构。刚性约束，或采用自由膨胀结构。膨胀节是装在固定管板式换膨胀节是装在固定管板式换热器上的挠性元件，对管子与壳体热器上的挠性元件，对管子与壳体的膨胀变形差进行补偿，以此减少的膨胀变形差进行补偿，以此减少或消除温差应力。在换热器中采用或消除温差应力。在换热器中采用的膨胀

26、节一般有三种型式：的膨胀节一般有三种型式：平板形、平板形、形和形和U形形（1）平板形：）平板形：制造容易，挠制造容易，挠性差，适用于直径大、温差小性差，适用于直径大、温差小及常压低压设备；及常压低压设备；（2）形：形：用薄壁管焊接而成，在焊接处易产生用薄壁管焊接而成，在焊接处易产生较大应力，且不易焊透，它适用于小直径筒体或较大应力，且不易焊透，它适用于小直径筒体或应力较小的场合；应力较小的场合；图 1 8-3 2 形 膨 胀 节（3）U形：形：又称又称波形膨胀节波形膨胀节，可做成单层或多层，多，可做成单层或多层，多层比单层优点多，如弹性大、灵敏度高、补偿能力强、层比单层优点多，如弹性大、灵敏度高、补偿能力强、承压能力及耐疲劳强度高、使用寿命长。承压能力及耐疲劳强度高、使用寿命长。U形膨胀节形膨胀节使用最为普遍。为了提高膨胀节的承压能力，可在每使用最为普遍。为了提高膨胀节的承压能力，可在每一波形之间增加一个加强环。一波形之间增加一个加强环。图 1 8-3 0 波 形 膨 胀 节图 18-33 加 强 环