《管壳式换热器》PPT课件.ppt

第7章 管壳式换热器,第一节 管壳式换热器的总体结构 第二节 管壳式换热器的主要零部件 第三节 管壳式换热器的选用及设计流程 第四节 其它形式换热器简介,（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）根据不同的目的，换热器可以是热交换器、加热器、冷却器、蒸发器、冷凝器等。,第一节 管壳式换热器的总体结构,一、概述,（3）衡量一台换热器好坏的标准。,c.可靠性,满足操作条件 ,强度足够,保证使用寿命,b.合理性,a.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,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； 强度、刚度、稳定性足够； 结构合理，节省材料，成本较低； 制造、装拆、检修方便等。,（4）任何一种换热器不可能十全十美。 板式换热器传热效率高、金属消耗量低，但流体阻力大、强度和刚度差，制造、维修困难。 列管式换热器虽在传热效率、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 管壳式换热器的总体结构,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，称为管程空间；换热管外的通道及与其贯通的部分，称为壳程空间。,二、管壳式换热器的种类及其结构,1 列管式换热器的主要结构：,2 列管式换热器的工作原理：,列管式换热器,列管式换热器的主要类型,从结构上分,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,固定管板式换热器结构图,(1)固定管板式换热器,带膨胀节的固定管板式换热器结构图,(1)固定管板式换热器,(1)固定管板式换热器 1）、结构特点：两块管板均与壳体相焊接，并加入了热补偿 原件膨胀节。 2 ）、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。 3）、缺点：不易清洗壳程，壳体和管束中可能产生较大的热 应力。冷热流体温差不能太大（50) 4）、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。,折流板：提高壳程流体的流速和湍动程度。,隔板：增加管程数，提高管内流体流速。流速增加，传热效率提高；但流动的阻力也同时增加。,膨胀节的作用：由于两块管板都与壳体固定，当壳体、换热管受热、受压都会发生变形，加入膨胀节减少热应力来吸收热膨胀差。,当壳体和管子之间的温差较大(6070 )且壳体承受压力不太高时，可采用补偿圈（又称膨胀节）。,(2)浮头式换热器,浮头式换热器结构图,(2)浮头式换热器,(2)浮头式换热器,浮头结构图,1 浮动管板 2 浮头钩圈法兰相连 3 浮头盖,1）结构复杂，制造成本高； 2）在壳体直径相同时，排管数量少，换热面积小； 3）浮头处发生内漏不易发现； 4）换热管束与壳体之间的环隙大，传热效率低； 5）管束可以抽出，便于清洗； 6）管壳间不产生温差应力，可适用于高温差、粘度大介质换热场合。,炼油厂广泛采用！,(3)U型管式换热器：,(3)U型管式换热器：,(3)U形管式换热器,U型管式换热器的特点：,优点：管子在管壳内自由伸缩，适于冷热流体温差较大的情况；,U型换热管可拉出壳外，便于管外清洗；,结构简单（只有一块管板，无后管板和浮头），耐高温高压。,缺点：管内清洗困难，难于安装折流板；换热管少（等壳径情况下），结构不紧凑。,2） 、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。,U型管式换热管箱器 结构图,U型换热管结构图,(4)填料函式换热器,1）、结构特点：该换热器的结构与浮头式换热器的结构相似， 只是浮头伸到了壳体外，斧头与壳体之间采取填料函式密封。,填料函式密封,填料函式换热器,2）、优点：结构简单，加工制造方便，造价低，管内和管间清洗方便。,3）、缺点：填料处易泄漏。 4）、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。,30,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,根据我们前面学习的内容，请说说序号2、3、8、12、21各代表什么零件？,第二节 管壳式换热器的主要零部件,一、壳体,（一）固定管板式换热器中轴向内力分析与计算 （二）壳体壁厚的确定,提示：本节将介绍管壳式换热器壳体设计、换热管选择、管板、管箱、折流板及其相关联接形式等主要零部件的结构设计等。,（一）固定管板式换热器中轴向内力分析与计算 壳体与管束通过管板刚性连接在一起，它与一般容器壳体不同之处是，在确定其厚度时要验算其轴向应力。,截面法：力平衡,变形协调方程 (EsEb),1.由介质内压引起的轴向力,从计算结果可以看出，固定管板式换热器的壳体，在承受介质内压时，由于有管束的帮助，其轴向应力比一般容器还要小，所以由内压引起的轴向应力在总的轴向应力中占的比例很小，主要需要考虑的是下面要讨论的热应力。,壳体与管壁内轴向应力的计算,（一）固定管板式换热器中轴向内力分析与计算,2.由管束与壳体温差引起的热应力,t= t(tt一t0)L,s= s(ts一t0)L,35,温差应力的产生：,2.由管束与壳体温差引起的热应力,36,37,管子拉脱力的计算 限于管子与管板胀接情况。,1）.介质压力和温差力对管板的作用：,假设 管壁温度壳壁温度,38,2）.拉脱力的计算,计算的目的：保证胀接接头的牢固连接和良好的密封性。 拉脱力定义：管子每平方米胀接周边上所受的力，单位为帕。 引起拉脱力的因素为：操作压力和温差力。 （1）操作压力引起的拉脱力qp: 介质压力作用的面积 f 如图示,39,介质压力p，取管程压力和壳程压力两者中的较大者。 管子外径为d0 ；管子胀接长度为l。 则拉脱力为：,（2）温差力引起的拉脱力 qt ： 每根管承受温差力为 tat 。 则拉脱力为：,（3）合拉脱力：两者使管子受力方向相同取之和； 两者使管子受力方向相反取之差。,40,（4）拉脱力判据：,计算合拉脱力必须小于许用拉脱力： qq,管端不卷边，管板孔不开槽 取2.0MPa。,管端卷边或管板孔开槽 取4.0MPa 。,许用拉脱力q的确定：,41,42,43,44,3） 温差应力的补偿,目的：解决壳体与管束轴向变形的不一致性。或者说，消除壳体与管子间的刚性约束，实现壳体和管子自由伸缩。 补偿方法： a.减小壳体与管束间的温度差 使传热膜系数大的流体走壳程； 壳壁温度低于管壁温度时，对壳体进行保温。 b.装设挠性构件 壳体上安装膨胀节；（见书P217 图7-38） 将直管制成带S形弯的管。如氨合成塔内的冷管：,45,c.采用壳体与管束自由伸缩的结构,（1）填料函式换热器,46,填料函结构之三,47,（2）浮头式换热器,48,浮头式换热器结构之二,49,d.套管式结构 如三十万吨合成氨装置中的废热锅炉；,50,氨合成塔中双套管式触煤筐冷管结构,51,4) 膨胀节结构及设置,装在固定管板式换热器上的挠性元件。 a.膨胀节的作用及结构形式： 作用：对管子与壳体的膨胀变形差进行补偿，以消除或减小温差应力； b.结构形式： (1）平板焊接膨胀节； (2）波形膨胀节；,52,(3)夹壳式膨胀节,(4)波纹管,53,c.必须设置膨胀节的条件：,满足下述条件之一者：,d.膨胀节的选用及安装 依据标准：GB16749-1997压力容器波形膨胀节 安装注意：1）与壳体对接焊，保证焊透； 2）要进行无损探伤； 3）最低点设置排液孔。,当壳体受轴向拉伸时，其强度条件：,（二）.壳体壁厚的确定,1.设计按压力容器壁厚计算公式计算,2.校核轴向应力（介质应力与热应力）,公式？,注：s为壳体应力，并非屈服极限,换热器壳体的公称直径以400mm为基数，以100mm为进级挡。和卷制容器筒体稍有不同的是，必要时也可采用50mm为进级挡。 DN不大于400mm的壳体，可以用钢管制作。 换热器壳体最小壁厚远大于一般容器，其规定见表162。,二、管束,1、换热管的尺寸、规格及材料,换热管 换热管是管壳式换热器的传热元件，主要通过管壁的内外 面进行传热，所以换热管的形状、尺寸和材料，对传热有很大 的影响。 小管径且管壁较薄的管子在相同的壳径内可以排列较多的 管子，使换热器单位体积的传热面积增大、结构紧凑，单位传 热面积金属耗量少，传热效率也稍高一些，但制造麻烦，且易 结垢，不易清洗。,换热管材料,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,管子选用，要注意 单位传热面积的金属耗量， 传热效果， 结构紧凑， 清洗及结垢等等因素。,一般对清洁流体用小直径管子，粘性较大的或污染的流体采用大直径管子。 我国管壳式换热器常用换热管为： 碳钢、低合金钢管（外径壁厚）： 192、 252.5、 383、 573.5 ； 不锈钢管 252、 382.5。,长度规格：1、1.5、2.0、2.5、3.0、4.5、6.0、7.5、9.0、12.0m，在炼油厂所用的换热器中最常用的是6m管长。换热管一般都用光管，为了强化传热，也可用螺纹管、带钉管及翅片管。换热器的长度与公称直径之比（L/D），一般为425，常用的为610，立式换热器多为46。,2、换热管在管板上的排列方式,有正三角形、转角正三角形、正方形和转角正方形、同心圆等。如图所示。,流体流动方向,流体流动方向,正三角形,转角正三角形,（1） 三角形排列,正三角形排列的管束,正三角形最普遍，因为在相同的管板面积上排管最多，结构紧凑，同一板上管子比正方形多排10%左右，但管外清洗不方便；,适用于壳程介质污垢少，且不需要进行机械清洗的场合。,管板,焊接管口,流体流动方向,流体流动方向,正方形,转角正方形,正方形排管少，结构不够紧凑,但管外清洗较方便。一般在固定管板式换热器中多用三角形排列，浮头式换热器、填料函式换热器中多用正方形排列。,换热管排列图,（2） 正方形排列,正三角形与转角正方形排列时，流体在垂直流向拆流板缺口时，正对换热管，冲刷换热管外表面，可提高换热效果。同时，此二种排列方式较转角正三角形和正方形排列的流体通道截面小，有利于提高流速，提高换热效率。,流体流动方向,转角正方形,流体流动方向,正三角形,隆重排荐,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。,（3）组合排列,（4）同心圆排列法,同心圆排列结构紧凑，在换热直径较小时，排管数比三角形排列法的管数多，换热面积最大。 优点是靠近壳体的地方布管均匀，介质不易走短路。 可用于制氧设备中或大型蒸发装置中。 同心圆排列由于管间距不等使得壳程各处压力不等，流体容易从阻力小的地方漏流，较少采用。,无论何种排列方式，最外圈换热管外壁与壳体壁间的距离均不应小于换热管外径的1/4，且不小于810mm。,3、管间距（换热管中心距）,管间距：管板上两换热管中心的距离。 管间距用s表示，多程换热器分程隔板两侧管间距应加大，用sn表示。管间距影响管板强度与壳程阻力、换热器外形尺寸等。,管间距要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，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。,4、最大布管限定圆直径DL,（1）固定管板式、U管式 DLDi2b3， b30.25d0且不小于8mm,（2）浮头式 DLDi2(b1+b2+b) b2bG+1.5mm,5、管子与管板的连接,管子与管板的连接方法有：胀接、焊接、胀焊接结合等。 1）、胀接（ strength expanded joint） 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。,（a）胀管前,（b）胀管后,胀管前后示意图,胀管结束後： 管板孔边缘弹性回复，挤压管端并贴紧。,胀管过程发生： 管子端部塑性变形； 管板孔边缘弹性变形。,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，管外径14mm且无特殊要求的场合。,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,液压胀接,机械胀接,优点：工艺简单方便； 消除间隙避免间隙腐蚀。 缺点：温度升高时，管端会发生松弛 泄漏。 适用条件：p4.0MPa , t350。 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： 管板孔开槽； 胀接周边保证清洁； 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法： 管端退火处理。 选材考虑。,2）、焊接（strength welded joint）,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： 存在焊接热应力应力腐蚀； 管与孔间有间隙形成介质死区，间隙腐蚀。,80,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）、焊胀结合,3）、焊胀结合,胀焊结合连接主要有： 强度焊密封胀先焊后胀。 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； 密封胀只消除间隙，不承担拉脱力； 强度胀既消除间隙，又满足胀接强度。,胀焊结合连接方式的适用性,胀焊结合的连接方式适用于密封要求较高、承受振动或疲劳载荷、有间隙腐蚀、采用复合管板的场合。,目前，先焊后胀与先胀后焊两派学说仍处于争议之中。,三、管板及管程的分程,列管式换热器的管板所受裁荷除管程与壳程压力之外，还承受管壁与壳壁的温差引起的变形不协调作用。固定式管板受力情况较复杂，影响管板应力大小有如下因素：,管板自身的Di、材料强度、使用温度等对管板应力有显著的影响； 管束对管板的支承作用。管板与许多换热管刚性地固定在一起，因此，管束起着支承的作用，阻碍管板的变形。在进行受力分析时，常把管板看成是放在弹性基础上的平板，列管就起着弹性基础的作用。,1、管板受力特点,管孔对管板强度和刚度的影响。管孔的存在，削弱了管板的强度和刚度，同时管孔边缘产生峰值应力。当管子与管板连接之后，管板孔内的管子又能增加管扳的强度和刚度，而且也抵消了一部分峰值应力。,管板周边支承形式的影响。管板边界条件不同，管板应力状态也是不一样的。管板外边缘有不同的固定形式，如夹持、简支、半夹持等。这些不同的固定形式对管板应力产生不同程度的影响。,温度对管板的影响。由于管壁与壳壁温度的差异，各自的变形量也不同，这不仅使管子和壳体的应力有显著增加，而且使管板应力有很大的增加，同时，由于管板的上下表面接触不同温度的介质，使上下表面温度不同，亦会在管板内产生温差应力。,当管板兼做法兰时，拧紧法兰螺栓，在管板上又会产生附加弯矩，折流板间距、最大压力作用位置等也都对管板应力有影响。,三、管板及管程的分程,2、管板厚度的设计方法,管板厚度设计方法有如下几种:,将管板当作受均布载荷的实心圆板，以按弹性理论得到的圆平板最大弯曲应力为主要依据，加入适当的修正系数来考虑管板开孔削弱和管束的实际支承作用。这种设计方法对管板作了很大简化，因而是一种半经验公式。但由于公式计算简便，同时又有长期使用经验，结果比较安全，因而不少国家的管板厚度设计公式仍以此作为基础。,三、管板及管程的分程,将管束当作弹性支承，而管板则作为放置于这一弹性基础上的圆平板，然后根据载荷大小、管束的刚度及周边支承情况来确定管板的弯曲应力。由于它比较全面地考虑了管束的支承和温差的影响，因而计算比较准确，但计算公式较多，计算过程也较繁杂。在计算机普遍应用的今天，是一种有效的设计方法。,取管板上相邻四根管子之间的菱形面积，按弹性理论求此面积在均布压力作用下的最大弯曲应力。由于此法与管板实际受载情况相差甚大，所以仅用于粗略计算。,我国钢制管壳式换热器设计规定中采用的是上述第2种方法。,3、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加管子的数目。 增加管长是有限度的，一般不超过6m。增加管子数量则要保证管内流体有一定的流速，流速太低，传热效果则较差。此时为了增加管程流速，提高传热效率，须将管束分程，使流体依次流过各程管子。,为什么要分程？,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。 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。 常用管程数为：1，2，4，6，8，12。,管箱分程：,分程举例： 2程,4程,97,分程隔板及其与管板间的密封,管箱结构：,98,隔板：单层及双层。,双层隔板的结构如图。双层隔板有隔热空间，可防止热流短路（即不使已冷或已加热的流体被刚进入的热或冷流体经隔板而再被加热或冷却）。,3、管程的分程,分程隔板与管板的连接,分程隔板有单层和双层两种。单层隔板与管板的密封结构图所示。隔板的密封面宽度应为隔板厚度加2mm。隔板材料应与封头材料相同。,4、管板与壳体的连接,4、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可拆式与不可拆式两类。 固定管板式换热器的管板与壳体间采用不可拆的焊接连接，而浮头式、U形管式和填料函式换热器的管板采用可拆式连接。,4、管板与壳体的连接,（1）固定管板式换热器管板与壳体的连接,兼作法兰情况：,兼做法兰时管板与壳体的连接结构,管板不兼作法兰结构：,管板不作法兰时，与壳体的连接结构如图。由于法兰力矩不作用在管板上，改善了管板受力情况。,（a）p.a壳程介质无间隙腐蚀作用时采用,4、管板与壳体的连接,（2）浮头式、U形管式及填料函式换热器固定端管板与壳体的连接,由于浮头式、U形管式及填料函式换热器的管束要从壳体中抽出，以便进行清洗，故需将固定管板做成可拆连接。,管板夹于壳体法兰和顶盖法兰之间，卸下顶盖就可把管板同管束从壳体中一起抽出来。,4、管板与壳体的连接,（2）浮头式、U形管式及填料函式换热器固定端管板与壳体的连接,115,非固定式管板,116,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。,5、管板上的拉杆孔,管箱的作用: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，管箱还可通过设置隔板起分隔作用。,四、管箱,(a)适用于较清洁介质工况。检查换热管内及清洗换热管时，必须将连接管道一起拆下，很不方便。,(b)在清洗换热管内时，仅将平盖拆下，不及拆除连接管道，易清洗和检查。目前设计中采用较多。缺点是用材较多。,(c)将管箱与盖板焊成一体。可避免在管板密封处的泄漏，但管箱不能单独拆下，检修清洗不方便，很少采用。,(d)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,例 浮头式换热器 平盖管箱，公称直径500mm，管程和壳程设计压力均为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,固定管板式换热器 封头管箱，公称直径700mm，管程设计压力2.5MPa，壳程设计压力1.6MPa，公称换热面积200 ，较高级冷拔换热管外径25mm,管长9m，4管程单壳程的固定管板式换热器，其型号为： BEM700-2.5/1.6-200-9/25-4,U型管式换热器 封头管箱，公称直径500mm，管程设计压力4.0MPa，壳程设计压力1.6MPa，公称换热面积75 ，较高级冷拔换热管外径19mm,管长6m，2管程单壳程的U型管式换热器，其型号为： BIU500-4.0/1.6-75-6/19-2,釜式重沸器 平盖管箱，管箱内直径600mm，圆筒内直径1200mm，管程设计压力2.5MPa，壳程设计压力1.0MPa，公称换热面积90，普通级冷拔换热管外径25mm,管长6m，2管程釜式重沸器，其型号为： AKT-600/1200-2.5/1.0-90-6/25-2,浮头式冷凝器 封头管箱，公称直径1200mm，管程设计压力2.5MPa，壳程设计压力1.0MPa，公称换热面积610，普通级冷拔换热管外径25mm,管长9m，4管程单壳程的浮头式冷凝器，其型号为： BJS1200-2.5/1.0-610-9/25-4,在对流传热的换热器中，为了提高壳程内流体的流速和加强湍流程度，以提高传热效率，在壳程内装置折流板。折流板还起支撑换热管的作用。,五、折流板 、支撑板及短路防冲等壳程,1、横向折流板,折流板作用： 提高壳程内流体的流速； 加强湍流强度； 提高传热效率； 支撑换热管。 （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。）,折流板和支承板可分为横向和纵向两种。 前者使流体横过管束流动； 后者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弓形或圆盘圆环形平板，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。 常用的折流挡板：单弓形、双弓形、三弓形和盘圆环形。,单弓形折流挡板,单弓形折流挡板对介质流向的影响:,1、横向折流板,盘环形折流挡板对介质流向的影响,圆盘圆环形折流挡,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，从而克服了普通单弓形板换热器的壳程流体，在流动中的180度转弯所造成的死区、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,螺旋折流板换热器是管壳式换热器的一种形式。每块折流板占1/4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。,螺旋折流板换热器基本原理及折流板形式 螺旋折流板换热器的提出基于这样一种思想:通过改变壳侧折流板的布置 ，使壳侧流体呈连续的螺旋状流动。因此 ，理想的折流板布置应该为连续的螺旋曲面。但是 ，螺旋曲面加工困难 ，而且换热管与折流板的配合也较难实现.考虑到加工上的方便 ，采用一系列的扇形平面板(称之为螺旋折流板)替代曲面相间连接 ，在壳侧形成近似螺旋面 ，使壳侧流体产生近似连续螺旋状流动。一般来说 ，出于加工方面的考虑，一个螺距取 24 块折流板 ，相邻折流板之间有连续搭接和交错搭接两方式 ，按流道又可分为单螺旋和双螺旋两种结构。,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(即传热速率与压力降的比值)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： 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。不易引起管子的振动。,较低的压力降允许流体提高流速，以使膜传热系数有较大的提高： 因为壳程压力降仅为普通弓形折流板的1/4-1/5，故可以允许介质高速流过从而强化传热效果。在满足管程需求的同时，可以尽量提高壳程流动速度来提高膜传热系数。这样，螺旋折流板换热器需要精心设计，寻求适合的壳径与管长的比例，以达到提高总传热速率、减少换热面积的目的。,对于限制壳程压力降的设备，在利用原有壳径的基础上，螺旋折流板换热器可以发挥自身优势。,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向流动,从而尽可能地消除死区,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。,（1）横向折流板的尺寸,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h=（0.20.45）Di,横向折流板和支承板的厚度与壳体直径和折流板间距有关，且对换热器的振动也有影响。一般情况下其最小厚度按标准选取。当壳程流体有脉动或用作浮头式换热器浮头端的支承板时，则厚度必须予以特别考虑。,（1）横向折流板的尺寸-厚度,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；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，折流板缺口应垂直左右布置，并在折流板最低处开通液口。,（2）横向折流板的间距,折流板最小间距一般不小于圆筒内直径的1/5，且不小于50mm，且相邻两块折流板间距不得大于壳体内直径。特殊情况下也可取较小的间距。 最大无支撑跨距如下表。,（2）横向折流板的间距,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 b.切除适当 c.切除过多,我国系列标准中采用的挡板间距为： 固定管板式有100，150，200，300，450，600，700mm七种 浮头式有100，150，200，250，300，350，450（或480），600mm八种。,折流板与壳体之间的间隙越小，壳程流体由此泄漏的量越少，传热效率越高。但间隙过小，给制造和安装带来困难。间隙的确定可参考下表。,（3）横向折流板与壳体间隙,折流板的加工,（4）折流板与支持板的固定,折流板和支承板的固定是通过拉杆和定距管完成的。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保持板间距，最后一块折流板用螺母拧紧在拉杆上。,d14mm时,折流板的固定方法,2、支持板,当换热器不需设折流板，但换热管无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。 浮头式换热器浮头端宜设置加厚环板的支持板。,3、纵向折流板-壳程分程,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，所以也可较好地提高传热效率。其主要缺点是：纵向折流板与壳体壁间的密封不易保证，容易造成短路。,3、纵向折流板-壳程分程,对分流,双分流,壳程(E,F,G,H,J,K,X),壳程类型的选择：,F型换热器具有一个纵向挡板，形成串联双壳程流道，当换热器为双管程时，壳程纵向挡板可以使管程和壳程的流体达到完全的逆流。较高壳程的流体会通过纵向挡板向另一壳程有热渗漏；压力差会使流体短路。,壳程类型的选择：,换热器不同壳型的相对性能比较,4、防短路结构挡板,当壳体与管束之间存在较大间隙时，如浮头式、U形管式和填料函式换热器，可在管束上增设旁路挡板，以阻止流体短路，迫使壳程流体通过管束进行热交换。,旁路挡板可用6mm厚的扁钢制成，采用对称布置， 每侧为24块。挡板加工成规则的长条状，长度等于折流板或支承板的板间距，两端焊在折流板或支承板上。,DN500mm时，设一对旁路挡板。 DN=500mm1000时，设两对旁路挡板。 DN1000mm时，设三对旁路挡板。,壳体与管束之间存在有较大间隙时，为避免流体走短路，沿纵向设置板条，迫使流体穿过管束。,4、防短路结构挡管,挡管两端堵死的换热管，设置于分程隔板槽背面两管板之间，挡管与换热管的规格相同，可与折流板点焊固定，也可用拉杆（带定距管或不带定距管）代替。 挡管应每隔3-4排换热管设置一根，但不应设置在折流板缺口处。挡管伸出第一块及最后一块折流板或支持板的长度应不大于50mm,挡管应与任意一块折流板焊接固定。,4、防短路结构中间挡板,（a）中间挡板设置在U形管束的中间通道处，并与折流板点焊固定（b）把最里面一排的U形弯管倾斜布置使中间通道变窄，同时加挡管以防止流体短路。,5、防冲板与拦液板-防冲板,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,板可焊在筒体上或焊在拉杆上，板可开孔，也可不开。,扩大管,在立式冷凝器中，为减薄管壁上的液膜而提高传热膜系数，推荐在冷凝器中装置拦液板以起截拦液膜作用。,5、防冲板与拦液板-拦液板,6、排液孔与排气孔,换热器壳程与管程的最高点要设排气孔，以备试压时排除气体。 在最低点要设排液孔，以充分排除残液。,附：折流杆换热器,折流圈笼和管板的组装图,优点： 、不易发生诱导振动损失； 、传热死区小，传热效率提高20%以上； 、压降小； 、抗垢性能优良； 、有强化冷凝的机理； 、适用于换热器大型化，特别是在核电换热器应用；适用于冷凝、沸腾场合的换热器； 、适用于压缩机级间冷却和烟气预热器。 缺点： 、在低雷诺数Re6000（液相）、Re10000（气相）热效率较低； 、造价提高35%。,六、波形膨胀节,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。消除或减小热应力的措施 就是减少管壳间的温差，以降低膨胀的不一致性，或在壳体上设置膨胀节以削弱刚性约束，或采用自由膨胀结构。,1、膨胀节的基本形式及其特点,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。在换热器中采用的膨胀节一般有三种型式： 平板形、 形和U形,（1）平板形：制造容易，挠性差，适用于直径大、温差小及常压低压设备；,（2）形：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应力较小的场合；,（3）U形：又称波形膨胀节，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、承压能力及耐疲劳强度高、使用寿命长。 U形膨胀节使用最为普遍。为了提高膨胀节的承压能力，可在每一波形之间增加一个加强环。,2、设置膨胀节的条件,判断固定管板式换热器是否需要设置膨胀节，要从管束与壳体的轴向强度、稳定性及管子与管板连接处的拉脱力三方面考虑，任意一个失效时均需设置膨胀节。,若满足下列条件之一者，必须设置膨胀节：,（1） s 2ts; s 壳体应力,（2） t 2tt; t 管子应力,（3） s B,（4）管子拉脱力q q。,F1由壳体和管子之间温差引起的轴向力，N。,F2由壳程和管程压力作用于壳体上的轴向力，N；,Q0.25(D2in d2o) ps n(do2St)2 pt St管子壁厚，mm,F3由壳程和管程压力作用于管子上的轴向力，N,第三节 列管式（管壳式）换热器选用,186,（一）工艺计算,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）机械设计本章已讨论,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。,第三节 列管式（管壳式）换热器选用,选用、设计原则,冷、热流体流动通道的选择的一般原则： a) 不洁净或易结垢的液体宜在管程，因管内清洗方便。 b) 腐蚀性流体宜在管程，以免管束和壳体同时受到腐蚀。 c) 压力高的流体宜在管内，以免壳体承受压力。 d) 饱和蒸汽宜走壳程，因饱和蒸汽比较清洁，表面传热系数与流速无关，而且冷凝液容易排出。 e) 流量小而粘度大的流体一般以壳程为宜，因在壳程Re100即可达到湍流。但这不是绝对的，如流动阻力损失允许，将这类流体通入管内并采用多管程结构，亦可得到较高的表面传热系数。 f) 若两流体温差较大，对于刚性结构的换热器，宜将表面传热系数大的流体通入壳程，以减小热应力。 g) 需要被冷却物料一般选壳程，便于散热。,列管式换热器的设计和选用,流速的选择 流体在管程或壳程中的流速，不仅直接影响表面传热系数，而且影响污垢热阻，从而影响传热系数的大小，特别对于含有泥沙等较易沉积颗粒的流体，流速过低甚至可能导致管路堵塞，严重影响到设备的使用，但流速增大，又将使流体阻力增大。因此选择适宜的流速是十分重要的。根据经验，表1及表2列出一些工业上常用的流速范围，以供参考。,传热总系数的确定 计算值的基准面积，习惯上常用管子的外表面积。当设计对象的基准条件（设备型式、雷诺准数Re、流体物性等）与某已知值的生产设备相同或相近时，则可采用已知设备值的经验数据作为自己设计的值。表3为常见列管式换热器值的大致范围。由表3选取大致值。,用下式进行值核算。 式中：给热系数，W/m2.； R污垢热阻，m2.W； 管壁厚度，mm； 管壁导热系数，W/m.； 下标、分别表示管内、管外和平均。 当时近似按平壁计算，即： 在用上式计算值时，污垢热阻、通常采用经验值，常用的污垢热阻大致范围可查化工原理相关内容。 式中的给热系数，在列管式换热器设计中常采用有关的经验值公式计算给热系数，工程上常用的一些计算的经验关联式在化工原理已作了介绍，设计时从中选用。, 流动方式的选择,除逆流和并流之外，在列管式换热器中冷、热流体还可以作各种多管程多壳程的复杂流动。 流量一定时，管程或壳程越多，表面传热系数越大，对传热过程越有利。 但采用多管程或多壳程必导致流体阻力损失，即输送流体的动力费用增加。因此，在决定换热器的程数时，需权衡传热和流体输送两方面的损失。 当采用多管程或多壳程时，列管式换热器内的流动形式复杂，对数平均值的温差要加以修正。, 换热器的流体力学计算、结构设计、强度计算等等。,流体通过换热器时阻力的计算 换热器管程及壳程的流动阻力，常常控制在一定允许范围内。若计算结果超过允许值时，则应修改设计参数或重新选择其他规格的换热器。按一般经验，对于液体常控制在104105 Pa范围内，对于气体则以103104Pa为宜。此外，也可依据操作压力不同而有所差别，参考下表。,列管式换热器的设计和选用的计算步骤,1 初选换热器的规格尺寸 初步选定换热器的流动方式，保证温差修正系数大于0.8，否则应改变流动方式，重新计算。 计算热流量Q及平均传热温差tm，根据经验估计总传热系数K估，初估传热面积A估。 选取管程适宜流速，估算管程数，并根据A估的数值，确定换热管直径、长度及排列。 2 计算管、壳程阻力 在选择管程流体与壳程流体以及初步确定了换热器主要尺寸的基础上，就可以计算管、壳程流速和阻力，看是否合理。或者先选定流速以确定管程数NP和折流板间距B再计算压力降是否合理。这时NP与B是可以调整的参数，如仍不能满足要求，可另选壳径再进行计算，直到合理为止。,3 核算总传热系数 分别计算管、壳程表面传热系数，确定污垢热阻，求出总传系数K计，并与估算时所取用的传热系数K估进行比较。如果相差较多，应重新估算。 4 计算传热面积并求裕度 根据计算的K计值、热流量Q及平均温度差tm，由总传热速率方程计算传热面积A0，一般应使所选用或设计的实际传热面积AP大于A020%左右为宜。即裕度为20%左右，裕度H的计算式为,推荐的设计程序 1、作出流程简图。 2、按生产任务计算换热器的换热量Q。 3、选定载热体，求出载热体的流量。 4、确定冷、热流体的流动途径。 5、计算定性温度，确定流体的物性数据（密度、比热、导热系 数等）。 6、初算平均传热温度差。 7、按经验或现场数据选取或估算值，初算出所需传热面积。 8、根据初算的换热面积进行换热器的尺寸初步设计。包括管径 、管长、管子数、管程数、管子排列方式、壳体内径（需进 行圆整）等。 9、核算。 10、校核平均温度差。 11、校核传热量，要求有1525的裕度。 12、管程和壳程压力降的计算。,（1）壳体和管箱的壁厚计算 （2）换热管与管板连接处的