管壳式热交换器

第二章 管壳式热交换器,间壁式热交换器,管式热交换器 管壳式、套管式、螺旋管式等板式热交换器延伸表面热交换器蓄热式热交换器,管壳式换热器,2.1 管壳式换热器的分类,基本类型,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,（1）固定管板式换热器,固定管板式换热器1封头；2法兰；3排气口；4壳体；5换热管；6波形膨胀节；7折流板（或支持板）；8防冲板；9壳程接管；10管板；11管程接管；12隔板；13封头；14管箱；15排液口；16定距管；17拉杆；18支座；19垫片；20、21螺栓、螺母,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。,为减少热应力，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。,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。,（2） U形管式换热器,U形管式换热器1.中间挡板；2.U形换热管；3.排气口；4.防冲板；5.分程隔板,U形管式换热器,U型管式换热器,优点：结构简单，价格便宜，承受能力强，不会产生热应力。,缺点：布板少，管板利用率低，管子坏时不易更换。,适用场合：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。,浮头式换热器1防冲板；2折流板；3浮头管板；4钩圈；5支耳,（3）浮头式换热器,浮头结构示意图,优点：管内和管间清洗方便，不会产生热应力。,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。,浮头式热交换器,（4）填料函式换热器,填料函式换热器1.纵向隔板；2.浮动管板；3.活套法兰；4.部分剪切环；5.填料压盖；6.填料；7.填料函,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。,填料函式密封,釜式重沸器,类似浮头式、U形管换热器，清洗维修方便，可处理不清洁，易结垢的介质，并能承受高压、高温.,2.2 管壳式换热器的结构管壳式换热器流体的流程,一种流体走管内，称为管程，另一种流体走管外，称为壳程。管内流体从换热管一端流向另一端一次，称为一程；对U形管换热器，管内流体从换热管一端经过U形弯曲段流向另一端一次，称为两程.,换热管,在管壳式热交换器使用各种各样的管子，大部分为直管和U形管。,构成换热器的传热面.碳钢、合金钢、铜、塑料、石墨材料。,一般情况下使用光管，当壳侧的传热系数比管侧低时，如壳内为高粘度液体，气体，蒸汽时，使用低翅管加强换热。,在另外一些特定情况下，选用双层管,横纹槽管,双面强化管，内表面环形凸肋，外表面环形凹肋.管内换热系数为光管换热系数的23倍；,管外纵流条件下，管外传热系数为光管的1.6倍.传递热量相同，泵功率相同，取代光管，节约材料30%-50%,螺旋槽,主要用于强化管内气体或液体的传热，强化管内液体的沸腾或管内外蒸气的冷凝，管内传热系数为光管传热系数的1.5-2.0倍；管外传热系数为光管传热系数的1.5倍.,缩放管,波纹管,波纹管优点 既强化管内，又强化管外，结构特点：波形变化，管壁薄，小于1mm. 传热系数较光管高23倍，波纹管换热器具有传热效率高，不易结垢，热补偿能力强.,等边三角形，同心圆法，正方形法,换热管及其在管板上的排列,一边与流向垂直，在相同管板面积上管数排列最多，传热系数较高（与正方形排列比），节约管板面积.,换热管间不宜清洗，适用于不结垢护着可用化学方法清洗以及允许压降较高的工况。,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.,一边与流向平行，特点皆于等边三角形与正方形排列之间，不宜用于卧式冷凝器底部，换热管外表面的冷凝液膜削弱传热.,最不紧凑，便于机械清洗，用于需要将管束抽出清洗的换热器，如浮头式换热器中。,对比正方形排列，板间距相同的情况下，流通面积比正方形小，有利于流速提高.多种排列方式组合 p45,组合排列与转角排列,换热管中心距,定义：管板上两管子的中心线距离。 涉及清洗，固定方法。确定方法： 换热管中心距不小于1.25倍管外径。,布管限定圆,用来决定壳体内管束的大小。,管板和管子的连接 管板和管子的连接方式有胀接和焊接，对于高温高压下常采用胀、焊并用的方式。,胀接 胀接适用于换热管为碳钢，管板为碳钢或低合金钢，设计压力不超过4MPa、设计温度不超过350，且无特殊要求的场合。,焊接 碳钢或低合金钢，温度在300以上，大都采用焊接连接。,管板与换热管的焊接连接,管箱 位于壳体两端，其作用是控制及分配管程流体。,管箱结构形式1.隔板；2.管板；3.箱盖,壳体及其与管板的连接 在壳程进口接管处常装有防冲板或称缓冲板。,进口接管及防冲板的布置,固定管板式中，两端管板均与壳体采用焊接连接，管板兼作法兰用。浮头式、U形管式及填料函式换热器中采用可拆连接，将管板夹持在壳体法兰和管箱法兰之间。,管板与壳体连接结构,折流板 作用：流体反复地改变方向作错流流动或其他形式的流动，并可调节折流板间距以获得适宜流速，提高传热效率。另外，支撑管束的作用。,分类： 常用折流板有弓形和圆盘-圆环形两种，弓形的有单弓形、双弓形及三弓形，单弓形和双弓形应用最多。,弓形折流板,圆盘-圆环形折流板,折流板缺口尺寸,折流板的固定 通过拉杆和定距管来实现。,拉杆结构,折流杆换热器,折流板使流体横掠管束，在增强传热的同时，也会引起流体的诱导振动。,诱导振动对换热器的损伤管子互相碰撞，当管子振动振幅大到足以使管子经常碰击时，就会使管壁磨损变薄，直至破坏；管子与折流板孔壁因振动不断碰撞，从而引起管子破裂；,振动的管子与管板连接处受到很大的应力，久而久之就造成胀接和焊接点因应力而损坏，并造成接头泄漏。管子因振动反复弯折而引起应力疲劳，长时间连续振动就会导致管子破裂。振动引起应力脉动，会使管材中的微观缺陷扩展，直至产生裂纹。,对折流板管式换热器而言，减少诱导振动振幅的措施有： 降低横掠管束的流速； 提高传热元件的固有频率，如增加管壁厚 度，减小管子的跨度。,最有效的防止诱导振动的方法是将流体由横掠管束改为纵掠管壳，但纵掠管壳的换热系数又不如横掠管束。这是一对矛盾，这也正是新型折流杆管壳是换热器产生的背景,折流杆换热器,折流板换热器的优点纵掠管束，防止诱导振动的产生，提高了换热器的安全性。减小了壳侧流体的阻力，降低管侧的泵功。,增强流体的扰动，减少了横掠管束时的流动死区和漏流损失，强化壳侧的换热，即壳侧的换热系数不低于横掠时换热系数，传热系数可提高15%-50%。减少污垢的沉积和腐蚀的产生，提高了换热器的使用寿命。, 标准代号为JBT4714472092 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)。,三、管壳式换热器的标准 GB1511999管壳式换热器 国家技术监督局发布的关于管壳式换热器的国家标准，是管壳式换热器设计和制造的主要依据。,换热器的型号表示法,满液式蒸发器-管程:载冷剂;壳程:制冷剂,干式蒸发器-管程:制冷剂;壳程:载冷剂,离心式和螺杆式冷水机组中, 蒸发器的型式主要是满液式蒸发器和干式蒸发器两种。,满液式蒸发器中， 制冷剂经过节流装置进入蒸发器壳程，蒸发器内的液位保持一定。蒸发器内的传热管浸没在制冷剂液体中。吸热蒸发后的气液混合物中仍含有大量液体, 从蒸发器内逸出的湿蒸气经气液分离后再回入压缩机。,干式蒸发器中，由热力膨胀阀或电子膨胀阀直接控制液体制冷剂进入蒸发器的管程，制冷剂液体在管内完全转变为气体，而被冷却的介质则在传热管外的管程中流动。载冷剂(冷媒水)走壳程，蒸发器中有数量不等的折流板。,满液式蒸发器优点 传热效率高。液态制冷剂淹没大量换热管束,蒸发管表面高度强化, 完全浸泡在冷媒中。 制冷剂蒸汽无需过热度, 从而蒸发温度可以大幅的提升，大大提高机组的能效比，大容量机组能效提升更加明显。【在冻水回水12, 出水7的条件下, 蒸发温度可达5( 而干式仅为2) 】,满液式蒸发器缺点 满液式蒸发器需要注入大量的制冷剂 在采用氟利昂制冷剂时, 润滑油的分离较困难。,干式蒸发器优点 无需回油装置就能将润滑油带回压缩机。 制冷剂用量少, 为相同制冷量满液式蒸发器的1/3。,干式蒸发器缺点 当采用多流程时, 气、液两相制冷剂在端盖内转向时会出现分离, 造成下一个流程中各管子中制冷剂流量分配不均匀的不利现象。含气量越多, 分配越不均匀, 甚至会使有些管内无液体或液体很少, 使这些管子失去了蒸发冷却的作用。 由于折流板与壳体之间一般都有间隙泄漏(即冻水短路) ，降低了水侧的换热效果。,将料液自降膜蒸发器加热室上管箱加入，经液体分布及成膜装置，均匀分配到各换热管内，并沿换热管内壁呈均匀膜状流下。在流下过程中，被壳程加热介质加热汽化，产生的蒸汽与液相共同进入蒸发器的分离室，汽液经充分分离，蒸汽进入冷凝器冷凝（单效操作）或进入下一效蒸发器作为加热介质，从而实现多效操作，液相则由分离室排出。,降膜蒸发器,液膜与加热管的热阻小，传热系数高。可以多效作业，很小的温差（6-8），就能正常工作。,广泛用于医药、食品、化工、轻工等行业的水或有机溶媒溶液的蒸发浓缩，并可广泛用于以上行业的废液处理。,结构计算 传热计算 流动阻力计算,管壳式热交换器的计算,2.2 管壳式热交换器的结构计算,管程流通截面积的计算壳体直径的计算壳体流通截面积的计算进出口连接管直径的计算,2.2.1 管程流通截面积的计算,式中：At管程流通截面积，m2; Mt管程流体的质量流量，kg/s; 管程流体的密度，kg/m3; t管程流体的流速，m/s,所需管数：, 管子内径,式中：,每根管子的长度,传热面积,管程数：,总的管子根数,每程管数,管程总长,2.2.2 壳体直径的确定,2.2.3 壳程流通截面积的计算,确定纵向隔板和折流板的数目和尺寸 P55,2.2.4 进出口连接管直径的计算,2.3 管壳式热交换器的传热计算,2.3.1 传热系数确定 经验数据；实验测定；计算得出 管壳式热交换器所用的管子大多为圆管,目的：使设计的热交换器能够在传热面积、传热系数、平均温差等方面的综合结果满足传热方程式的要求。,光滑圆管的换热系数,外表面,内表面,管壁较薄时，近似公式,外表面,内表面,忽略管壁热阻，污垢热阻且管壁很薄时,2.3.2 换热系数的计算,1. 管内、外换热系数 流体通过壁面的换热系数，通过实验确定为努塞尔数，传热因子，雷诺数的关系。,传热因子,科恩传热因子,柯尔本传热因子,2. 壳侧换热,流动复杂且存在旁流、漏流，需专门的公式 1) 无折流板时，按照纵向流过管束考虑；,2) 盘环形折流板,4) 盘环折流板,3) 孔形折流板,5) 弓形折流板 应用比较普遍，占主导地位，研究较多,各种方法比较柯尔本方法：基于理想管束，误差大；科恩方法：考虑了管程-壳程流动、温度、结垢等，比较完整；但过于简化，传热系数比较接近实际，压降相差比较大；,廷克的流动模型：将流动分类贝尔法：基于实验数据，并加以修正，应用比较广。,廷克流路模型,将壳侧流体分为错流、漏流及旁路等流路,贝尔法,思路：假定全部壳程流体以纯错流的形式通过理想管束，得到理想管束的传热因子，再根据具体操作条件引入各项校正因子。,先决条件明确知道换热器的结构参数（管数，各个泄漏面积等）,得到结构参数后，按照全部错流穿过理想管束，得到柯尔本传热因子,以结构参数为基础，查取各种条件下的校正因子 ji，再计算实际情况下的传热因子，得到壳程传热因子 jo,校正因子包括：科尔本jH 、缺口jc 、泄露jl 、旁通jb 、间距不等js 、低Re时逆温度梯度jr等。,与换热相关的几个问题,1.定性温度定性温度的含义 取法：1）流体的平均温度；2）壁温；3）流体和壁温的平均温度。对油类以及其他高粘性流体，按照卡路里温度计算,2. 定型(性)尺寸对流体运动或传热发生主导影响的尺寸圆管内换热取管内径；管外强迫流动取管外径；非圆性管道取当量直径.,式中：A:流体的流通截面积； U:湿周边或热周边长,de = 4A / U,3 粘度修正,4 同时存在对流和辐射换热问题的处理,近似值：液体加热取1.05；液体冷却取0.95 气体加热和冷却都为1.0,2.3.3 壁温的计算,一般情况下放热侧吸热侧,壁温与换热系数同时计算时，迭代比较法。 假设壁温，在此基础上求得换热系数，分别求得壁面两侧的传热量，二者进行比较修正壁温，再次计算。,2.4 管壳式热交换器的流动阻力计算,阻力来源 流体的粘性；壁面引起的流体内部相对运动,热交换器的阻力分类 流体与壁面的摩擦阻力 流动过程中的局部阻力注：管侧与壳侧的阻力分别计算,所设计的热交换器的压降超出允许范围时，需修改,2.4.1 管程阻力计算,管程阻力由沿程阻力、回弯阻力和进出口连接管阻力三部分构成，三部分阻力分别计算。各自的计算公式见书P70-71,2.4.2 壳程阻力计算,对于相同的雷诺数，壳程摩擦系数大于管程摩擦系数；壳程的压降可能比管程小。壳程的阻力与流速、水力直径、折流板数，流体密度等密切相关，所以要按照其类型不同分别计算。,装有弓形折流板的壳程阻力，按照贝尔法计算具有比较好的准确性。,流路分析法,根据并联管路原理如下公式：,根据质量守恒如下公式：,每一流路的压降公式：,2.5.1 流动空间选择,原则 1. 提高传热系数受到限制的侧的换热系数； 2. 尽量节省材料 3. 减少各种热损失、冷量损失； 4. 减少热应力 5. 不易结垢，结垢后易清洗； 6. 高压下工作时，密封简单 7. 便于流体的流入、分配和排出,2.5 管壳式换热器的合理设计,管程流过液体：容积流量小，不清洁、易结垢；高压；腐蚀性；高温；低温。壳程流过液体：发生矛盾时，确定主要目标,2.5.2 流体温度的确定,1） 热端温差小于20；2 ）冷端温差小于5；3） 冷却或冷凝时， 冷流体的初温大于热流体的凝固点；有不凝性气体参与时，冷流体终温要低于被冷凝气体露点5 4） 空冷时，进口温差要大于20 5 ）多管程热交换器避免温度交叉,2.5.3 管径选择,原则： 倾向于较小的管径，管壁要满足压力以及腐蚀要求；同时满足胀管要求,2.5.4 流速选择,使流体的流动状态尽量保持在湍流状态，注意提高换热系数比较小的一侧的流速。,2.5.5 热补偿问题,1）热