南京工业大学 备课笔记 第六章换热设备 Heat Exchanger 61 概述.doc

17南京工业大学 备课笔记第六章 换热设备 Heat Exchanger6.1 概述 Introduction6.1.1 换热设备的应用 Application换热设备:使热量从热流体传递到冷流体的设备。在化工厂中，换热设备的投资约占总投资的1020%， 重量约占总重量的40%以上。其损坏率在所有化工设备损坏的比例中所占比重约为27%。应用：加热，冷却，余热回所，提高热能利用率，降低消耗，提高经济效益。612 换热设备的分类及其特点 Classification and Characteristics 分类方式有几种。按作用分：冷却器，加热器。按传热面分：管式，板式，扩展面式。6121 按作用原理或传热方式分类 （1）直接接触式换热器： 利用冷，热流体直接接触，彼此混合进行换热的， 设备中设置填料和栅板，以增加接触面积。 优：传热效率高，结构简单，价格低。 适用：允许两种流体混合的场合。（2）蓄热式换热器： 由固体构成一蓄热体，冷热流体交替与之接触，借此热量从热流体传递到冷流体。 适用：允许两种流体少量混合，气-气热交换。（3）间壁式换热器 用固体壁将二种冷热流体隔开，热量由热流体通过间壁传递给冷流体的换热器。（4）中间载热体式换热器 将二个间壁式换热器，通过一在其中循环的热载体连接起来。 如：热管式换热器。6122 间壁式换热器 工业生产中应用最为广泛，结构形式也相当多。（1） 管式换热器 Tubular通过管子壁面进行传热。优：结构牢固，可靠，适应性强，易于制造，能承受较高压力和强度。不足：换热效率、结构紧凑、金属消耗（单位传热面积）不如其他换热器。 1蛇管式换热器 Pipe coil 将管子（金属、非金属）按需要弯成所需的形状，如圆盘形、螺旋形等。A 沉浸式 submerged 使用时将蛇管浸在被加热（冷却）介质的容器中。 优：结构简单，造价低，管子可承受较大流体压力。 缺：管外流体流速小，传热系数较低，效率低。 适用：高压流体的冷却等。B 喷淋式 sprayed 冷却水由喷淋装置均匀淋下。优：传热系数大，便于检修，清洗。缺：体积大，冷却水用量大，效果不理想。 2套管式换热器 double-pipe 两种直径不同的管子组装成同心管，一种流体走内管，另以种流体走内、外管之间。 优：结构简单，工作适应范围大，传热面积可增减。 缺：单位传热面的金属消耗量大，检修、清洗较麻烦。 适：高温、高压、小流量，传热面不大的场合。 3管壳式换热器 shell-and-tube 优：结构坚固，适应性广，易制造，生产成本低。 不足：传热效率、结构紧凑性等不如新型高效换热器。 4 缠绕管式换热器 传热管按螺旋线形状交替缠绕，相邻两层螺旋形传热管的螺旋方向相反。管内可通一种介质（单通道型），也可分别通过几种不同的介质（多通道型）。适用：同时处理多种介质，小温差传递较大热量。（）板面式换热器 plate通过板面进行传热。优：传热性能比管式好，强化了传热，生产成本较低。缺：耐压性能不如管式。螺旋板式换热器 spiral由二张卷成螺旋状金属板作为传热面。优：结构紧凑，传热效率高，制造简单，材料利用率高。缺：高粘度流体、含有固体颗粒的悬浮液的唤热。板式换热器 plate and frame由许多薄金属板组成传热面，类似板框式压滤机。板表面制成波纹形或槽形，以增大流体湍流程度，二板间边缘用垫片夹紧，以防泄漏。优：结构紧凑，使用方便，便于清洗，较高的传热效率。缺：密封周边长，易渗漏，承压能力低，流通狭窄，处理量小，阻力大。适用：经常需清洗，环境要求紧凑的。板翅式换热器 plate-fin 在二块平行金属板之间放置一种波纹状金属翅片，若干板束组装在一起。 优：结构紧凑，单位体积内传热面积大，传热系数大，适应性广。 缺：结构复杂，难以清洗和检修，造价高，流道小。 适用：低温或超低温的场合，多种不同的流体在同一设备中操作。D 板壳式换热器 shell-and plate由若干板束放在一壳体中组成，介于管壳式和板式之间的一种换热器。优：传热效率高于管壳式，结构紧凑，易清洗。缺：制造复杂，焊接要求高。E 伞板式换热器 bevel-plate 伞形板代替平形板。 优：制造相对简单，成本低，板间易密封，传热效率较高，结构紧凑。 缺：流道小，易堵塞，不易处理较脆介质。（3） 其他型式换热器指一些特殊结构换热器，A 石墨换热器 graphite用一种不渗透性石墨制造的换热器，优：良好的耐腐蚀性和传热性能缺：石墨抗拉，抗弯强度较低，易脆裂，结构中采用实替块。适用：腐蚀性强的液体和气体。 有管壳式，块式，板式等。B 聚四氟乙烯换热器 Teflon有管壳式和沉浸式两种，优：结构紧凑，耐腐蚀缺：机械强度和导热性能差适用：温度1500C, 压力1.5MPa. C. 热管换热器 heat pipe 热管的管子内部有用特定材料制的多孔毛细结构和载热介质. 将管内抽成一定负压后,充以适量的工作液体,使紧贴管内壁的吸液芯毛细多孔材料中充满液体后,加以密封.当热管一端受热时,毛细芯中液体蒸发汽化,蒸汽在微小压差下流向另一端放出热量凝结成液体.液体再沿多孔材料靠毛细力的作用流向蒸发段. 优:结构简单,重量轻,极小温差下,较高的传热能力,输送效率高(90%) 缺:适用:工业尾气余热回收.6.1.3 换热器选型 Selection of heat exchanger types考虑因素: 流体性质,腐蚀性,热敏性,清洗,维修的要求材料价格使用寿命6.2 管壳式换热器 Shell-and-Tube Heat Exchanger特点:结构坚固,操作弹性大,适应性强 处理能力大,可靠程度高,应用广泛.6.2.1 基本类型分五类(1) 固定管板式换热器 fixed tubesheet二端管板采用焊接方法与壳体连接固定.优:结构紧凑简单,制造成本低,承受较高压力.缺:壳程难清洗,产生较大热应力.适用:壳体与管子温差小,壳程不易结垢, 温差大时,壳体中设置膨胀节等挠性元件.(2) 浮头式换热器 floating-head 二端管板中,一端管板与壳体的筒体固定,另一端可相对壳体自由移动.优:管间,管内可清洗,无热应力缺:结构复杂,造价高,材料消耗多,密封要求高.适用:温差较大,壳程介质易结垢.(3) U形管式换热器 U-tube只有一块管板,管束由多根U形管组成.优:结构比较简单,承压能力强,不产生热应力,缺:最内层管间距较大,管板利用率低适用:温差较大,壳程介质易结垢需清洗,不宜采用浮头式和固定管板式.(4) 填函式换热器 outside-packed与浮头式相似,只是浮头露在壳体以外,与壳体之间用填料函式密封.优: 结构较浮头式简单,加工方便,造价较低,管内外都可清洗.缺: 填料处易泄漏适用:4MPa以下工作条件,现已很少采用(5) 釜式重沸器 kettle reboiler管束可以是:浮头式,U形管式,固定管板式特: 壳体上都设置一个蒸发空间.6.2.2 管壳式换热器结构 structure 通道:管程-流体流经管内的通道及其相连部分 壳程-流体流经管外的通道及其相连部分6.2.2.1 管程结构 structure of tube side(1)换热管 tube 1型式:光管,翅片管,螺旋槽管,螺纹管 2尺寸: 外径*壁厚 无缝钢管: 19*2, 25*2.5, 38*2.5 不锈钢管; 25*2, 38*2.5管长标准(m):1.5, 2.0, 3.0, 4.5, 6.0, 9.0 . 3 材料: material碳素钢,低合金钢,不锈钢,铜非金属管: 石墨,聚四氟乙烯 4 排列形式及中心距 arrangement and pitch排列形式: 正三角形,转角正三角形,正方形,转角正方形中心距: 保证管间有足够强度和宽度, 留有清洗通道 常用中心距; 不小于1.25倍换热管的外径. (2)管板; tube sheet 用来排布换热管,隔开管程与壳程的流体.1材料2结构(3)管箱 channel 位于换热器两端,起到均匀分布和汇集的作用.多管程中,还可以改变流体的流向. 结构形式:(4) 管束分程 tube side passes 流体从管子的一端流到另一端,称为一个管程. 加大换热面积的途径: 增加管长,受加工、运输、安装等限制 增加管数，但流速下降，使传热系数降低 管束分程，增加流速，提高传热系数。管程布置图（5） 换热管与管板连接 tube to tube sheet joints分强度胀，强度焊和胀焊并用： 1 强度胀 expansion 保证换热管与管板连接的密封性能和抗拉脱强度的胀接。 结构型式和尺寸：胀接方法： 非均匀胀接机械滚珠胀接 均匀胀接液压胀接，液袋胀接，橡胶胀接，爆炸胀接适用：设计压力4。0MPa，设计温度3000C，无振动与应力腐蚀2强度焊 welding 保证换热管与管板连接的密封性能和抗拉脱强度的焊接。 结构型式：优：加工简单，结构强度高，抗拉脱力强，缺：存在残余热应力与应力集中，易产生应力腐蚀，缝隙腐蚀3 胀焊并用 形式：强度胀+密封焊 强度焊+贴胀 强度焊+强度胀 顺序：先焊后胀为宜。胀管时用润滑油，胀后难以洗净，在焊接时易产生气体，导致气孔。 适用：密封性能要求高，承受振动和疲劳载荷，有缝隙腐蚀。6222 壳程结构 structure of shell side组成：壳体，折流板，拉杆，纵向隔板，防冲挡板等，（1） 壳体 shell 防冲挡板：在进口接管处，防止进口流体直接冲击管束 导流筒：在进出口附近。（2） 折流板 baffle 目的：提高壳程流体流速，增加湍流程度，改善传热，增大壳程流体穿热系数。形式：弓形，圆盘圆环形。弓形折流板缺口取0.25壳体内直径，卧式换热器折流板设置缺口， 开在最低处，气体中含少量液体 开在最高处，液体中含少量气体间距：等间距布置 最小间距 最大间距连接：折流板用拉杆，定距管连接在一起 当换热管外径小于14mm，折流板与拉杆点焊，不用定距管。多弓形折流板，为了减少穿热死区，提高传热效率。（3） 折流杆 折流杆支撑结构：由折流圈和焊在折流圈上的支撑杆所组成，以避免折流板中传热死区，降低流体阻力。（4） 防短路结构 防止壳程流体流动出现短路。 1旁路挡板 根据壳体直径大小决定挡板多少，嵌入折流板槽内，与折流板焊接 2挡管 多管程时，为按安排管箱分程隔板，相应部位不能排换热管，故在隔板槽背面设置两端堵死的管子，即挡管。 3中间挡板 U形管束中心间隙较大，设置中间挡板，使流体不能走短路。（5） 壳程分程 shell side passes 在壳程设隔板longitudinal baffle分程，以增大壳程流体传热系数。623 管板设计 tube sheet design换热器主要部件之一，结构与其他部件相连接，正确强度分析较困难各国标准中（，）都有管板设计计算公式，基本以下面三种前提进行分析计算； 承受均布载荷，周边支承的圆平板，采用平板理论，引入修正系数来考虑管孔削弱， 受管子支撑的平板，厚度取决于不布管区的范围 在广义弹性基础上承受均布载荷的多孔圆平板，既考虑管子的加强，又考虑管孔的削弱（） 管板设计的基本考虑的思路;管板看成受均布载荷,放置在弹性基础上,并承受管孔均匀削弱的当量圆平板,还考虑其他一些影响因素.(2) 管板设计思路 1管板弹性分析固定管板式换热器的力学模型:各元件间的内力共14个:封头与管箱法兰连接处壳体与壳体法兰连接处不布管区与壳体法兰间布管区与边缘环板连接处垫片上轴向内力螺栓圆上螺栓力2危险工况 除了正常的操作工况,有可能出现各种危险工况,需对不同的危险工况组合具体分析,计算出各种应力:管板布管区应力,环板的应力,壳体法兰应力. 换热管轴向应力,换热管与管板拉脱力. 危险工况有:Ps 不等于零 Pt=0, 不计热膨胀差Ps不等于零 Pt=0 考虑热膨胀差Ps=0 Pt 不等于零 不计热膨胀差Ps=0 Pt 不等于零 考虑热膨胀差3应力分类及限制 压力引起管板应力热膨胀差引起管板应力法兰预紧力矩作用下管板应力法兰操作力矩作用下管板应力4管板应力的调整 当管板应力超过许用应力,可用以下方法来调整 增加管板厚度,从而提高抗弯截面模量降低壳体轴向刚度,如设膨胀节,可使温差较大时,降低热应力.5管板设计计算软件(3) 薄管板设计 thin tube sheet design 主要载荷是管壁与壳壁的温差 中低压力下薄管板的厚度可从表 查 薄管板刚度, 载荷主要由管子承担,要校核管子稳定性.6.2.4 膨胀节设计 expansion joint(1) 膨胀节的作用 function 降低:由于管束和壳体间热膨胀差引起的管板应力,换热管与壳体上的轴向应力,管板与换热管间拉脱力. 形式: 平板, U形,W形,(2) 是否设置膨胀节的判断 固定管板式换热器设计时,应先根据设计条件下换热器的实际应力状况,来判断是否需要设置膨胀节. 可从由于管束和壳体间热膨胀差引起的管板应力,换热器与壳体上的轴向应力,管板与换热管之间的拉脱力等方面进行判断. 当由于热膨胀差引起的应力过高,可先采取:改换材料,调整元件尺寸,改变连接方式(胀接改焊接)采用管束和壳体可自由膨胀的换热器.如以上不可能,或可能不合理,则考虑设置膨胀节. 管束振动与防止 prevent and vibration of tubes(1) 流体诱导振动诱导振动