管箱和管壳式换热器的结构设计探讨.doc

管箱和管壳式换热器的典型结构设计吴伟（江苏恒力化纤有限公司，江苏 吴江 215226） 摘要：本文主要列举了一些管箱式和管壳式换热器的典型结构设计，特别是在防止流体短路和均匀流动方面对常见的不合理的结构提出了更改方法，对于此类换热器的结构设计应该是有所帮助的。关键词：管箱式换热器 管壳式换热器 结构设计 流体短路0 引言 去年11月份我公司和瑞士布勒（BUHLER）公司签订了4条日产120吨的聚酯固相增粘（SSP，Solid-State Polycondensation Process）项目，生产工业丝。我参与新项目建设，负责设备专业。在新生产线中共有大大小小换热器26台，大部分是气液换热，对循环N2进行加热或冷却。其主要结构形式有管箱和管壳式两种。瑞士布勒公司提供设备工艺操作条件和设计条件数据表，提供设备外形参考图，国内设计院负责进行工艺计算和详细设计。在布勒公司对设计院的反复审核过程中，我们提出了一些局部结构和布置上的建议，得到了布勒公司和设计院的认可，在此总结一下，可供相关人员参考借鉴。1. 管箱式换热器 管箱式换热器典型结构如图1所示，分进口锥体1、换热管束2和出口锥体3三部分组成。一般管束设计为方形，进出口锥体为天圆地方结构。管程可为单程和多程，此种换热器常用于常压气体的加热或冷却，气体走壳程，管程为加热或冷却液体（也可能是蒸汽或气相热媒等易冷凝的气体）。相比传统管壳式换热器有壳程压降小、制作方便、占地面积小等优点。其中以下结构值得注意。图 11.1进出口锥体A如图1所示，在满足外形安装尺寸的前提下，进口锥体长度应大于出口锥体长度，以便于入口气体均匀分配（出口锥体半锥角为60，则进口锥体半锥角要小于60）。B在进出口锥体内部设置两块导流隔板，并在首末端设置直边进行导流，见图2。要求进出口圆形截面处导流板要三等分流通面积，在管束前后三等分长方形管束面积，使流体在到达管束时均匀分布到整个管束截面上。图 2C为了增强锥体部分的刚度，一般在垂直于导流隔板方向上设置几根横向拉杆，可提高换热器的承压能力。见图1。1.2 换热管的布置A管程如果是多程的话，需在管板外侧设置隔板，隔板对应的管板的另一侧无法布置换热管，可设一列与换热管规格相同的拉杆，间距与换热管间距一致，保证流体不会短路，同时固定管束支撑板。图3中是不合理的设计，拉杆两侧和尾部的间隙都是短路通道。图 3B管束支撑板可在首末两端进行折边，增强支撑板刚度，防止流体流动引起的振动，见图4。图 4C换热管与侧壁的间隙在去除热膨胀空间后，应小于等于换热管间距。如图中换热管管束和侧壁的间隙过大。D在管束与侧壁三个间隙之间应采取防旁路短路措施，如图中的旁路挡板。目的是减缓气流在此区域的流动，使此区域的流体达到与换热管中部同样的温升温降。图E在SSP工艺中处理气体的管口一般直径都比较大，在DN500800。如进出口管径较大的话，可在法兰和锥体之间加支撑筋板，以增加管口承受管道载荷的能力。如图。图 F如果管程是可冷凝的气体，如水蒸气或汽相热媒，那么气体入口应均匀分成几个分支接入管板封头，管束末端管板做成浮动管板，整个管束向下呈一定角度，以便冷凝液流出。向下倾角一般为810度，见图7。图72 管壳式换热器管壳式换热器在国内已经非常成熟，有GB-151 1999管壳式换热器标准作为设计依据。但防止壳程介质的短路设计，是换热器机械设计中比较容易忽视的地方，现加以举例，以期引起同行的重视。A 如图8，该换热器管束中部因管板封头中间设置了隔板而无法布置换热管，在平行于壳程流体流动方向上形成了很大的空隙，易使流体短路，影响换热效果。应在管束中间空隙部位加一组挡板，防止流体短路，如图9。图 8图9B 上面的问题如果U形管弯管半径允许的话，可在隔板处交叉布置距离最近的相邻U换热管，使换热管之间的间距保持同样节距不变，保证换热管间距一致，使气体流动均匀，还节省了空间。见图10。图10C 如果换热管弯管半径不允许，在管程程数适可、配管方位允许的情况下可将管束旋转90度，如图11所示，这样壳体流体流动方向垂直于列管中间间隙，即可消除流体短路。图 11D 如图12，该换热器第一块折流板和管板之间形成了死区，减少了换热面积，若经列管气流诱发振动和声波振动核算允许的情况下，可取消此折流板上部，作为管束支撑板使用，见图13。图 12图 13E 如果管束直径较大，就有必要在折流板上设置滑条或滚轮，以方便管束拆装清理，并在管束下半部两边设置导向结构，保证管束安装方向。如图14所示。图14F 若壳程有必要使用膨胀节，则应注意折流板和膨胀节位置的布置，防止形成短路。若折流板间距过小无法避免，则采用导流型膨胀节，封住折流板和膨胀节之间的短路空间，如图15所示。图153 结束语以上讨论的不合理结构在换热器设计中还是很典型的，也是必须更改采用的。如果以上各方面都考虑到应用到设计实例中，那么换热器的结构也就完善合理了。The Typical Structure Design of Tube-case and Tube-shell Teat ExchangerWu wei(Jiangsu Hengli Chemical Fibre Co., Ltd, Wujiang, Jiangsu Province 215226)Abstract: This article specialized the typical structure design of tube-case and tube-shell heat exchanger，especially，proposedthemethod to modify the familiar illogical structure for avoiding the fluid short circuit and flowing equably. It should be helpful to the structure design of this type heat exchanger .Keywords: tube-case heat exchanger, tube-shell heat exchanger, structure design, fluid short circuit.作者