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管壳式换热器 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 管内的通道及与其相贯通的管箱称为管程 管外的通道及与其相贯通的部分称为壳程 第一节总体结构 2020 2 8 Qingdaouniversityofscienceandtechnology 1 管壳式换热器 主要分为 固定管板换热器 浮头式换热器 U形管式换热器等 2020 2 8 Qingdaouniversityofscienceandtechnology 2 管壳式换热器 2020 2 8 Qingdaouniversityofscienceandtechnology 3 换热器的分类 管壳式换热器 2020 2 8 Qingdaouniversityofscienceandtechnology 4 管壳式换热器 2020 2 8 Qingdaouniversityofscienceandtechnology 5 管壳式换热器 2020 2 8 Qingdaouniversityofscienceandtechnology 6 管壳式换热器 2020 2 8 Qingdaouniversityofscienceandtechnology 7 1 固定管板换热器 两端管板采用焊接方式与壳体连接固定 适用 壳体与管子温差小的场合 当壳体与管子温差大时 可在壳体上设置膨胀节 以减小两者因温差而产生的热应力 管壳式换热器 2020 2 8 Qingdaouniversityofscienceandtechnology 8 优点 结构简单 管板有管子支承 比较薄 管子方便更换清洗 缺点 管外清洗困难 热应力比较大 管壳式换热器 2020 2 8 Qingdaouniversityofscienceandtechnology 9 2 浮头式换热器 两端管箱一个是固定的 另一个则是浮动的 设计目的 管束可从壳体内抽出 便于清洗 管束可自由伸缩 消除了热应力 管壳式换热器 2020 2 8 Qingdaouniversityofscienceandtechnology 10 适用 壳体与管束间温差大且需经常进行管内外清洗的场合 缺点 该设备结构复杂 造价高 排管数少 增大了旁路流路 影响了热效率 而且浮头处的泄露不易发现 管壳式换热器 2020 2 8 Qingdaouniversityofscienceandtechnology 11 管壳式换热器 2020 2 8 Qingdaouniversityofscienceandtechnology 12 3 U形管式换热器 可弥补浮头式换热器结构复杂 造价高的不足 同时又保留换热管束可以抽出 热应力可以消除的优点 这种换热器只有一块管板 换热管弯成U形 管子的两端均固定在这一块管板上 中间用分程隔板隔开 该换热器中间空隙较大 易短路 内层换热管一旦发生泄漏 只能堵塞而不能更换 只适合于管壳程温差较大的场合 管壳式换热器 2020 2 8 Qingdaouniversityofscienceandtechnology 13 U型管式换热器 管壳式换热器 2020 2 8 Qingdaouniversityofscienceandtechnology 14 第二节管壳式换热器的主要零部件 1 壳体固定管板换热器的管束与管板 管束与壳体均为刚性连接 在工作时 若管束壁温与壳体壁温存在较大温差 就会产生温差应力 再与介质压力产生的应力叠加起来 可能会造成管子的弯曲或使管子与管板连接处发生泄漏 甚至会使壳体或管子上的应力超过许用应力或造成管子从管板上拉脱 因此 必须对管子 壳体进行轴向受力分析与轴向力校核 管壳式换热器 2020 2 8 Qingdaouniversityofscienceandtechnology 15 流体压力引起的轴向力 管壳式换热器 2020 2 8 Qingdaouniversityofscienceandtechnology 16 壳体壁厚的确定 壳体的壁厚是由环向薄膜应力决定的 按薄膜理论的应力计算公式即可求得 对于固定管板换热器由于有热应力的存在 所以按环向薄膜应力确定壁厚以后还应视情况校核其轴向应力 壳体的壁厚应不小于换热器壳体所规定的最小壁厚 管壳式换热器 2020 2 8 Qingdaouniversityofscienceandtechnology 17 2 管箱 管箱是由封头 管箱短节 法兰连接 分程隔板等组成 增加短节的目的是保证管箱有必要的深度安放接管和改善流体分布 分程隔板厚度的计算及其与管板间的垫片密封结构应符合GB151 1999的规定 管壳式换热器 2020 2 8 Qingdaouniversityofscienceandtechnology 18 3 管束 tubebundle 换热管的尺寸规格 换热管是用于传热的主要元件 管子尺寸对传热有很大影响 采用小直径管子时 单位体积的换热面积会大一些 管内传热系数得到提高 但制造麻烦 费用高 而且流体阻力大 易堵塞 管壳式换热器 2020 2 8 Qingdaouniversityofscienceandtechnology 19 换热管的排列方式 tubepattern 管子的排列方式有正三角形排列和正方形排列两种 在管间距和布管区均相同的条件下 三角形排列的布管数较多 而正方形排列的管束在相邻的两排管子之间具有一条直线通道 便于用机械方法清洗管间 三角形排列不具有这种直线通道 因而只适用于清洁的壳程介质 不同的排列方式将会影响到对流传热系数的大小 采用正三角形排列会获得较高的对流传热系数 而正方形排列的对流传热系数最低 管壳式换热器 2020 2 8 Qingdaouniversityofscienceandtechnology 20 管壳式换热器 2020 2 8 Qingdaouniversityofscienceandtechnology 21 管间距 Tubepitch 管间距指的是相邻两根管子的中心距 减小管间距可提高对流传热系数 但受到管板强度和管子与管板连接工艺要求的限制 其管间距不得小于GB151 1999所规定的距离 管壳式换热器 2020 2 8 Qingdaouniversityofscienceandtechnology 22 4 最大布管限定圆直径 Outertubelimit 最大布管圆直径应在GB151 1999所规定的限定圆直径范围内 管壳式换热器 2020 2 8 Qingdaouniversityofscienceandtechnology 23 5 换热管与管板的连接 连接形式有胀接 焊接 胀焊并用三种 胀接 管子与管板的连接靠的是管板孔收缩产生的残余应力而箍紧管子 因此它会随着温度的升高而降低 所以胀接连接的使用温度不大于300 设计压力不超过4Mpa 采用胀接时 管板的硬度应大于换热管的硬度以保证管子发生塑性变形时管板仅发生弹性变形 管壳式换热器 2020 2 8 Qingdaouniversityofscienceandtechnology 24 焊接 优点 管孔不需开槽 其表面粗糙度要求不高 管子端部不需退火和磨光 制造简便 强度高 抗拉脱力强 可保证气密性要求 缺点 管子更换困难 一般都堵死 焊接的残余应力和应力集中有可能带来应力腐蚀与疲劳破坏 管壳式换热器 2020 2 8 Qingdaouniversityofscienceandtechnology 25 胀焊并用 其结构分为两种 强度胀加密封焊 对胀接的要求是承受管子拉脱力 同时保证连接处的密封 焊接仅起到辅助防漏的作用 强度焊加贴胀 用焊接保证连接处的强度和密封 贴胀是为了消除换热管与管孔间的环隙 防止间隙腐蚀并增强抗疲劳破坏的能力 管壳式换热器 2020 2 8 Qingdaouniversityofscienceandtechnology 26 4 管板 tube sheet 换热器管板的计算所涉及的因素非常多 所以非常复杂 一般采用计算机计算 管板与壳体的连接以及管板与管箱的密封连接分别见下图 管壳式换热器 2020 2 8 Qingdaouniversityofscienceandtechnology 27 管壳式换热器 2020 2 8 Qingdaouniversityofscienceandtechnology 28 管壳式换热器 2020 2 8 Qingdaouniversityofscienceandtechnology 29 5 波形膨胀节 波形膨胀节的作用 在固定管板换热器中可消除或降低热应力 当壳体和管子之间的温差较大 60 70 且壳体承受压力不太高时 可采用补偿圈 又称膨胀节 管壳式换热器 2020 2 8 Qingdaouniversityofscienceandtechnology 30 2 波形膨胀节的设置条件需从管束与壳体轴向强度 稳定性及管板连接处的拉脱力三方面考虑 管壳式换热器 2020 2 8 Qingdaouniversityofscienceandtechnology 31 3 波形膨胀节的结构形式形式较多 主要为U形 U形膨胀节每一个波的补偿能力与使用压力 膨胀节的材料及波高 波长等因素有关 增加波高 补偿能力加大但耐压性能降低 管壳式换热器 2020 2 8 Qingdaouniversityofscienceandtechnology 32 6 折流板和支持板结构 1 作用与结构形式 作用 折流板是为了提高壳程介质流速 强化传热 对于卧式换热器 还有支撑管束的作用 支持板是为了支撑管束 防止产生过大的挠度变形 结构形式 弓形和圆环形 缺口面积根据流速决定 管壳式换热器 2020 2 8 Qingdaouniversityofscienceandtechnology 33 2 间距折流板间距过大会影响传热效果 支持板间距过大会使换热管产生过大的挠度 其最大间距不得超过GB151的规定 管壳式换热器 2020 2 8 Qingdaouniversityofscienceandtechnology 34 3 固定折流板和支持板是用拉杆固定的 拉杆应尽量均匀布置在管束的外边缘 拉杆的数量与筒体直径及拉杆直径有关 管壳式换热器 2020 2 8 Qingdaouniversityofscienceandtechnology 35 圆缺形 加挡板 增大壳程流体的湍动 提高壳程的 多管程 增大管内流体u 提高管内的 圆盘形 管壳式换热器 2020 2 8 Qingdaouniversityofscienceandtechnology 36 圆盘形 圆缺形 管壳式换热器 2020 2 8 Qingdaouniversityofscienceandtechnology 37 弓形折流板 管壳式换热器 2020 2 8 Qingdaouniversityofscienceandtechnology 38 折流板 壳程的横截面积比管程的横截面积大 为增加流速 使流体垂直于管子流过 在壳程设置折流板提高传热效果 起支撑管束作用折流板有弓形和圆环形 弓形缺口的高度一般取为壳体内径20 25 挡板间距过大 流速小 不能保证流体垂直流过管束 间距过小 流动阻力增加 且不便于检修 标准规定 固定管板式 150 300和600mm三种规格 浮头式 150 200 300 480和600mm五种规格 管壳式换热器 2020 2 8 Qingdaouniversityofscienceandtechnology 39 7其他 防冲板与导流板为防止壳程的接管进口处壳程流体对换热管直接冲刷 应设置壳程的防冲板与导流板 扩大管壳程介质为蒸汽 可采用扩大管起缓冲作用 排液口与排气口换热器壳程与管程的最高点设排气口 最低点应设排液口 管壳式换热器 2020 2 8 Qingdaouniversityofscienceandtechnology 40 管壳式换热器 2020 2 8 Qingdaouniversityofscienceandtechnology 41 折流板的固定 折流板的固定是通过拉杆和定距管来实现的 拉杆结构 管壳式换热器 2020 2 8 Qingdaouniversityofscienceandtechnology 42 管壳式换热器的标准 GB151 1999 管壳式换热器 是由国家技术监督局发布的关于管壳式换热器的国家标准 该标准是管壳式换热器设计和制造的主要依据 标准代号为JB T4714 4720 92该标准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