化工设备2011第十章换热器.ppt

1,第三篇 典型化工设备,换热器,反应釜,塔设备,2,教学重点 （1）典型管壳式换热器的选型 （2）固定管板式换热器的基本结构 （3）管子的选用及管板的连接 （4）温差应力产生的原因及补偿措施 教学难点： 管、壳程的分程及隔板,第十章 管壳式换热器,3,第一节 换热器概述,一、定义,换热器是用来完成各种不同传热过程的设备。,1、如：开水锅炉、水杯、冰箱、空调等。,2、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 。,那么衡量一台换热器好坏的标准是什么呢？,4,3.可靠性,满足操作条件 ,强度足够,保证使用寿命,二、衡量标准,2.合理性,1.先进性,可制造加工，成本可接受,传热效率高，流体阻力小，材料省,5,三、不同目的的换热器,冷却器（cooler）,冷凝器（condenser）,蒸发器（发生相变）（evaporator）,加热器（一般不发生相变）（heater）,再沸器（reboiler）,废热锅炉（waste heat boiler）,6,四、换热器的基本类型,按传热方式或工作原理分类,1、直接接触式,传热效果好，但不能用于发生反应或有影响的流体之间,图10-1 直接接触式换热器,7,2、蓄热式,温度较高的场合，但有交叉污染，温度波动大,图10-2蓄热式换热器,8,又称表面式换热器 利用间壁（固体壁面）进行热交换。 冷热两种流体隔开，互不接触，热量 由热流体通过间壁传递给冷流体。,应用最为广泛，形式多种多样， 如管壳式换热器、板式换热器等,9,对于间壁式换热器，按间壁形状进一步分为,(3)管壳式,(1)管式,(2)紧凑式,螺旋板式、板式、板翅、伞板等,排管、蛇管、套管,重点,下面我们来看一看管壳式换热器的基本结构,10,管壳式换热器,11,图10-3 换热器构件名称,1-管箱(A,B,C,D型);2-接管法兰;3-设备法兰;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,12,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,五、管壳式换热器的分类,基本类型,13,（一）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。,图10-4 固定管板式换热器,14,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。,图10-5 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。,15,（二）浮头式换热器,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。,图10-6 浮头式换热器,16,（三）U形管式换热器,图10-8 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。,17,（四）填料函式换热器,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,图10-9 填料函式换热器,18,（一）工艺计算,六、管壳式换热器设计内容,选型；确定管、壳程；通过化工工艺计算，确定换热器的传热面积，同时选择管径、管长，决定管数、管程数和壳程数 。,（二）机械设计,1）壳体直径的决定和壳体厚度的计算； 2）换热器封头选择，压力容器法兰选择； 3）管板尺寸确定； 4）折流板的选择与计算； 5）管子拉脱力的计算； 6）温差应力计算。,19,第二节 管子的选用及其与管板的连接,一、管子的选用,（一）直径,粘性大或污浊的流体,大管径,小管径,20,（二）规格,（外径壁厚），长度按规定决定,换热管尺寸,192、252.5和382.5mm无缝钢管252和382.5mm不锈钢管,标准管长1.5、2.0、3.0、4.5、6.0、9.0m等,换热器的换热管长度与公称直径之比，一般在425之间，常用的为610。立式换热器，其比值多为46。,21,（三）结构型式,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。,22,（四）材料,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,不锈钢,铜,铜镍合金,铝合金,钛等,非金属材料,石墨,陶瓷,聚四氟乙烯等,23,二、管子与管板的连接,（一）胀接,利用胀管器挤压伸入管板孔中的管子端部，使管端发生塑性变形，管板孔同时产生弹性变形，取去胀管器后，管板与管子产生一定的挤压力，贴在一起达到密封紧固连接的目的。,图10-10 胀管前后示意图,（a）胀管前,（b）胀管后,24,适用范围：换热管为碳素钢，管板为碳素钢或低合金钢，设计压力4MPa，设计温度300，且无特殊要求的场合。,原因：温度升高，残余应力减小，使管子与管板间的胀接密封性能、紧固性能都下降，故设计温度300 。,要求管板硬度大于管子硬度，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)。,25,（二）焊接,优点：在高温高压条件下，焊接连接能保持连接的紧密性，管板加工要求可降低，节省孔的加工工时，工艺较胀接简单，压力较低时可使用较薄的管板。 缺点：在焊接接头处产生的热应力可能造成应力腐蚀开裂和疲劳破裂，同时管子、管板间存在间隙，易出现间隙腐蚀。,图10-11 焊接间隙示意图,管板,间隙,换热管,26,（三）胀焊并用,胀焊并用连接主要有： 强度焊贴胀先焊后胀 强度胀密封焊先胀后焊 概念解释：密封焊不保证强度，只防漏； 强度焊既防漏，又保证抗拉脱强度； 贴胀只消除间隙，不承担拉脱力； 强度胀既消除间隙，又满足胀接强度。 目前，先焊后胀与先胀后焊两派学说仍处于争议之中。,27,第三节 管板结构,一、换热管排列方式,三角形排列紧凑，传热效果好，同一板上管子比正方形多排10%左右，同一体积传热面积更大。适用于壳程介质污垢少，且不需要进行机械清洗的场合。,（一）正三角形和转角正三角形排列,图10-12 正三角形排列的管子,流体流动方向,流体流动方向,正三角形排列,转角正三角形排列,28,29,（二）正方形和转角正方形排列,管间小桥形成一条直线通道，便于机械清洗。要经常清洗管子外表面上的污垢时，多用正方形排列。,图10-13 正方形排列的管子,流体流动方向,流体流动方向,转角正方形排列,正方形排列,30,（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，如图1014。,图10-14 组合排列法,31,二、管间距,（一）定义,（二）要求,管间距指两相邻换热管中心的距离。,管间距1.25d0，符合表1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。,32,表1 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。,33,三、管程的分程及管板与隔板的连接,当换热器所需的换热面积较大，而管子做得太长时，就得增大壳体直径，排列较多的管子。此时，为了增加管程流速，提高传热效果，须将管束分程，使流体依次流过各程管子。,（一）分程原因,34,（二）分程原则,（三）分程隔板,图10-15 双层隔板与管板的密封,各程换热管数应大致相等； 相邻程间平均壁温差一般不应超过28；