换热设备(详细)

第六章换热设备,6.1概述,6.2管壳式换热器,6.3传热强化技术,6.1.1换热设备的应用,6.1.2换热设备分类及其特点,6.1.3换热器选型,过程设备设计,1,6.1概述,6.1.1换热设备的应用,使热量从热流体传递到冷流体的设备称为换热设备,定义,应用,它是化工、炼油、动力、食品、轻工、原子能、制药、机械及其它许多工业部门广泛使用的一种通用设备,投资比重,化工厂中，约占总投资的10%20%；炼油厂中，约占总投资的35%40%。,工业使用,使流体温度达到工艺流程规定的指标，以满足工艺流程上的需要。换热设备也是回收利用余热、废热特别是低位热能的有效装置。,过程设备设计,2,6.1概述,烟道气（约200300）、高炉炉气（约1500）、需要冷却的化学反应工艺气(3001000)等的余热,通过余热锅炉,利用它来生产压力蒸汽,作为供热、供汽、供电和动力的辅助能源，提高热能的总利用率，降低燃料消耗和电耗，提高工业生产经济效益。,过程设备设计,3,6.1概述,6.1.2.1按作用原理和传热方式分类,一、直接接触式换热器,二、蓄热式换热器,三、间壁式换热器,四、中间载热体式换热器,过程设备设计,6.1.2换热设备分类及其特点,4,6.1概述,一、直接接触式换热器,又称混合式换热器，见图6-1。利用冷、热流体直接接触，彼此混合进行换热。如冷却塔、冷却冷凝器等。,为增加两流体接触面积，充分换热，在设备中常放置填料和栅板，通常采用塔状结构。,过程设备设计,5,6.1概述,图6-1直接接触式换热器,优点传热效率高、单位容积传热面积大、设备结构简单、价格便宜等。,但仅适用于工艺上允许两种流体混合的场合,过程设备设计,6,6.1概述,二、蓄热式换热器,原理又称回热式换热器借助固体（如固体填料或多孔性格子砖等）构成的蓄热体，使热流体和冷流体交替接触，把热量从热流体传递给冷流体。,过程设备设计,7,6.1概述,热流体,热流体,冷流体,冷流体,载热体,图6-2蓄热式换热器,优点结构紧凑、价格便宜、单位体积传热面大，适用于气气热交换。如回转式空气预热器。,局限若两种流体不允许混合，不能采用蓄热式换热器,过程设备设计,8,6.1概述,三、间壁式换热器,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,过程设备设计,9,6.1概述,四、中间载热体式换热器,将两个间壁式换热器由在其中循环的载热体连接。,载热体在高温流体换热器和低温流体换热器间循环，从高温流体换热器中吸收热量，在低温流体换热器中释放热量给低温流体；,如热管式换热器。,过程设备设计,10,6.1概述,一、管式换热器,二、板面式换热器,三、其它型式换热器,管壳式换热器,蛇管式换热器,套管式换热器,缠绕管式换热器,板壳式换热器,螺旋板式换热器,板式换热器,板翅式换热器,伞板式换热器,传热管的结构形式不同,过程设备设计,11,6.1概述,一、管式换热器,缺点：,优点：,结构坚固、可靠、适应性强、易于制造、能承受较高操作压力和温度。在高温、高压和大型换热器中，管式换热器仍占绝对优势，是目前使用最广泛的一类换热器。,换热效率、结构紧凑性、单位传热面积的金属消耗等方面不如其他新型换热器。,分类：,1.蛇管式换热器,2.套管式换热器,3.缠绕管式换热器,4.管壳式换热器,过程设备设计,12,6.1概述,1.蛇管式换热器,a.沉浸式蛇管,b.喷淋式蛇管,最早出现的一种换热设备，具有结构简单和操作方便等优点,图6-3沉浸式蛇管,过程设备设计,13,6.1概述,沉浸式蛇管特点,结构简单，造价低廉，操作敏感性较小，管子可承受较大流体介质压力。但管外流体流速很小，因而传热系数小，传热效率低，需要的传热面积大，设备显得笨重。常用于高压流体冷却、反应器的传热元件。,过程设备设计,14,6.1概述,b.喷淋式蛇管,水,1,2,3,4,图6-4喷淋式冷却器1-直管；2-U形管；3-水槽；4-齿,过程设备设计,15,6.1概述,喷淋式蛇管优点,喷淋式蛇管缺点,管外流体传热系数大，便于检修和清洗。,体积庞大，冷却水用量较大，有时喷淋效果不够理想。,过程设备设计,16,6.1概述,2.套管式换热器,两种管子组装成同心管，用U形弯管连接成排，根据实际需要，排列组合形成传热单元。,图6-5套管式换热器,逆流传热,过程设备设计,17,6.1概述,套管式换热器优点,套管式换热器缺点,结构简单，适应广，传热面积弹性大,两侧流体均可提高流速，两侧传热系数高。,金属消耗大，检修、清洗和拆卸较麻烦，可拆连接处易泄漏。,一般用于高温、高压、小流量流体和所需传热面积不大的场合,过程设备设计,18,6.1概述,3.管壳式换热器,1-管子；2-封头；3-壳体；4-接管；5-管板；6-折流板,图6-6管壳式换热器,过程设备设计,19,6.1概述,特点,缺点,结构坚固、可靠性高、适应性广、易于制造、处理能力大、生产成本较低、选用材料范围广、换热表面清洗较方便、可用于高温和高压。,传热效率、结构紧凑性及单位换热面积所需金属消耗量等方面均不如一些新型高效紧凑式换热器。,过程设备设计,20,4.缠绕管式换热器,图6-7缠绕管式换热器,过程设备设计,6.1概述,21,6.1概述,适用于同时处理多种介质、在小温差下需要传递较大热量且管内介质操作压力较高的场合,如制氧等低温过程中使用的换热设备等。,过程设备设计,22,6.1概述,二、板面式换热器,4.板壳式换热器,1.螺旋板式换热器,2.板式换热器,3.板翅式换热器,5.伞板式换热器,按换热板面结构分类,优点,缺点,其结构特点可强化传热；采用板材制作，大规模生产时，可降低设备成本,耐压性能比管式换热器差,过程设备设计,23,6.1概述,1.螺旋板式换热器,图6-8螺旋板式换热器,过程设备设计,24,6.1概述,优点,适用,传热面积大（23倍）传热效率高（50100%）易制造材料利用率高自身冲刷不易结垢可全逆流流动传热温差小,液-液、气液流体换热，特别适合高粘度流体的加热或冷却、含有固体颗粒的悬浮液的换热。,过程设备设计,25,6.1概述,2.板式换热器,图6-9板式换热器流动示意图,过程设备设计,26,6.1概述,过程设备设计,板式换热器,27,6.1概述,优点,缺点,应用,较低流速下即可达到湍流，具有:较高的传热效率；结构紧凑；使用灵活；清洗和维修方便；能精确控制换热温度等。,密封周边太长，不易密封，渗漏可能性大；承压能力低；使用温度受密封垫片材料耐温性能限制，不宜过高；流道狭窄，易堵塞，处理量小；流动阻力大。,用于处理从水到高粘度液体的加热、冷却、冷凝、蒸发等过程，适用于经常需要清洗，工作环境要求十分紧凑等场合。,过程设备设计,28,过程设备设计,6.1概述,3.板翅式换热器,板翅降低热阻，传热效率提高，且起加强作用.,a.板束结构b.逆流式c.错流式d.错逆流式,图6-10板翅式换热器,29,6.1概述,优点,缺点,传热系数比管壳式换热器大310倍。结构紧凑、轻巧，单位体积内传热面积能达25004370m2/m3,是管壳式换热器的十几倍到几十倍，而重量只有管壳式换热器的10%65%；适应性广，可作气-气、气-液和液-液的热交换，亦可作冷凝和蒸发，同时适用于多种不同的流体在同一设备中操作，特别适用于低温或超低温的场合。,结构复杂，造价高；流道小，易堵塞，不易清洗，难以检修等。,过程设备设计,30,6.1概述,4.板壳式换热器,图6-11板壳式换热器板束,过程设备设计,31,6.1概述,结构紧凑，单位体积包含换热面积较管壳式换热器增加70%；传热效率高，压力降小；与板式换热器相比，由于没有密封垫片，较好解决了耐温、抗压与高效率之间的矛盾；容易清洗；焊接技术要求高。常用于加热、冷却、蒸发、冷凝等过程。,过程设备设计,32,6.1概述,5.伞板式换热器,是我国独创的新型高效换热器,由板式换热器演变而来。,制造工艺大为简化，成本降低；伞形板式结构稳定，板片间容易密封；结构紧凑，传热效率高，便于拆洗等。,设备流道较小，容易堵塞，不宜处理较脏介质。,过程设备设计,33,6.1概述,过程设备设计,34,6.1概述,三、其它型式换热器,1.石墨换热器,耐腐蚀、良好的传热性能,受拉伸和弯曲能力差，抗压强度高,各向异性的特性在导热方向的应用,管壳式、块式、板式,过程设备设计,35,6.1概述,2.聚四氟乙烯换热器,近十余年发展起来的新型耐腐蚀换热器。,结构形式,沉浸式,管壳式,优点,缺点,结构紧凑、耐腐蚀等（聚四氟乙烯具有耐腐蚀、不生锈、能制成小口径薄壁软管）,机械强度、导热性较差，使用温度150使用压力1.5MPa,过程设备设计,36,6.1概述,2.热管换热器,通过封闭热管作为传热元件，里面是特定材料制的多孔毛细结构和载热介质，在冷热区吸收及释放潜热的过程实现传热。,特点,结构简单、重量轻、经济耐用；在极小的温差下，具有极高的传热能力；通过材料的适当选择和组合，可用于大幅度的温度范围，如从-200+2000均可应用；一般没有运动部件，操作无声，不需要维护，寿命长；输热效率高，可达90%。,过程设备设计,37,6.1概述,应用,热管换热器结构形式复杂多变，用途广泛；如作传送热量、保持恒温、当作热流阀和热流转换器等；特别适用于工业尾气余热回收的换热设备。,过程设备设计,38,6.1概述,换热器选型主要因素：,1.流体的性质；2.压力、温度及允许压力降的范围；3.对清洗、维修的要求；4.材料；价格、使用寿命等。,过程设备设计,39,6.1概述,1、流体的性质,物理性质：流体种类、导热系数、粘度等化学性质：腐蚀性、热敏性等,冷却湿氯气时，湿氯气的强腐蚀性决定了设备必须选用聚四氟乙烯等耐腐蚀材料，限制了可能采用的结构范围。处理热敏性流体换热器：要求能有效地控制加热过程中的温度和停留时间。易结垢的流体，应选用易清洗的换热器。,应力腐蚀开裂,过程设备设计,例如,40,6.1概述,2、压力、温度及允许压力降范围,管壳式换热器：高温、高压、大型换热器板面式换热器：操作温度、压力不高，处理量不大，物料具有腐蚀性。因为板面式换热器具有传热效率高、结构紧凑和金属材料消耗低等优点。,过程设备设计,返回,41,第六章换热设备,6.1概述,6.2管壳式换热器,6.3传热强化技术,过程设备设计,6.2.1基本类型,6.2.2管壳式换热器结构,6.2.3管板设计,6.2.4膨胀节设计,6.2.5管束振动和防止,42,过程设备设计,教学重点：管壳式换热器结构。教学难点：管板设计、管束振动。,6.2管壳式换热器,本章重点,43,管壳式换热器,44,过程设备设计,6.2.1基本类型,6.2.1基本类型,一、固定管板式,二、浮头式,三、U形管式,四、填料函式,五、釜式重沸器,45,过程设备设计,6.2.1基本类型,一、固定管板式换热器,结构,46,双管程固定管板换热器,47,过程设备设计,6.2.1基本类型,适用于壳侧介质清洁且不易结垢并能进行溶解清洗，管、壳程两侧温差不大或温差较大但壳侧压力不高的场合。,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,当管束与壳体的壁温或材料的线膨胀系数相差较大时，壳体和管束中将产生较大的热应力。,应用,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。,48,过程设备设计,二、浮头式,结构,浮头端可自由伸缩，无热应力,6.2.1基本类型,49,浮头式换热器,50,过程设备设计,优点管间和管内清洗方便，不会产生热应力；缺点结构复杂，造价比固定管板式换热器高，设备笨重，材料消耗量大，且浮头端小盖在操作中无法检查，制造时对密封要求较高。应用壳体和管束之间壁温差较大或壳程介质易结垢的场合。,6.2.1基本类型,51,过程设备设计,三、U形管式换热器,结构,U形管,6.2.1基本类型,52,U形管式换热器,53,过程设备设计,优点结构比较简单、价格便宜，承压能力强。受弯管曲率半径限制，布管少；管束最内层管间距大，管板利用率低；缺点壳程流体易短路，传热不利。当管子泄漏损坏时，只有外层U形管可更换，内层管只能堵死，坏一根U形管相当于坏两根管，报废率较高。管、壳壁温差较大或壳程介质易结垢需要应用清洗，又不宜采用浮头式和固定管板式的场合。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。,6.2.1基本类型,54,过程设备设计,四、填料函式,结构,填料函式密封,6.2.1基本类型,55,过程设备设计,优点结构较浮头式简单，加工制造方便；节省材料，造价比较低廉;管束从壳体内可抽出;管内、管间都能进行清洗，维修方便。缺点填料处易泄漏。应用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。注：填料函式换热器现在已很少采用。,6.2.1基本类型,56,过程设备设计,五、釜式重沸器,结构,管束可以为浮头式、U形管式和固定管板式结构,6.2.1基本类型,57,与浮头式、U形管式换热器一样，清洗维修方便；可处理不清洁、易结垢介质，能承受高温、高压（无温差应力）。,特点,过程设备设计,6.2.1基本类型,58,过程设备设计,6.2.2管壳式换热器结构,管程与管束中流体相通的空间,壳程换热管外面流体及相通空间,管程,壳程,管程,59,6.2.2管壳式换热器结构,过程设备设计,6.2.2.1管程结构,一、换热管,二、管板,三、管箱,四、管束分程,五、换热管与管板连接,60,过程设备设计,一、换热管,1.换热管型式,光管,强化传热管,翅片管（在给热系数低侧）,螺旋槽管,螺纹管,2.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,6.2.2管壳式换热器结构,61,过程设备设计,小管径,单位体积传热面积增大、结构紧凑、金属耗量减少、传热系数提高阻力大，不便清洗，易结垢堵塞用于较清洁的流体,粘性大或污浊的流体,大管径,6.2.2管壳式换热器结构,62,过程设备设计,3.换热管材料,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,6.2.2管壳式换热器结构,63,过程设备设计,4.换热管排列形式及中心距,三角形布管多，但不易清洗；正方形及转角正方形较易清洗,管桥强度,清洗通道,P1.25d0,6.2.2管壳式换热器结构,64,过程设备设计,表6-1常用换热管中心距/mm,6.2.2管壳式换热器结构,65,过程设备设计,6.2.2管壳式换热器结构,66,过程设备设计,二、管板,作用,用来排布换热管；将管程和壳程流体分开，避免冷、热流体混合；承受管程、壳程压力和温度的载荷作用。,6.2.2管壳式换热器结构,67,过程设备设计,1.管板材料,力学性能介质腐蚀性（及tube-tubesheet间电位差对腐蚀影响）贵重钢板价格,流体无腐蚀性或有轻微腐蚀性时，管板采用压力容器用碳素钢或低合金钢板或锻件制造；腐蚀性较强时，用不锈钢、铜、铝、钛等材料，为经济考虑，采用复合钢板或堆焊衬里。,6.2.2管壳式换热器结构,68,过程设备设计,2.管板结构,厚度满足强度前提下，尽量减少管板厚度,热应力,6.2.2管壳式换热器结构,69,过程设备设计,厚度计算标准,GB151管壳式换热器美国管式换热器制造商协会标准TEMA西德AD标准,厚度,“厚管板”GB151管壳式换热器、美国管式换热器制造商协会标准TEMA,“薄管板”西德AD标准，厚度一般为8-20mm,6.2.2管壳式换热器结构,70,过程设备设计,薄管板,平面形,椭圆形,碟形,球形,挠性薄管板等,目前主要有,6.2.2管壳式换热器结构,71,过程设备设计,比较四种用于固定管板换热器的薄管板结构：,薄管板贴于法兰表面上，当管程通过腐蚀性介质时，密封槽开在管板上，法兰不与管程介质接触,（a）,（b）,薄管板嵌入法兰内，并将表面车平。不论管程和壳程是否有腐蚀性介质，法兰都会与腐蚀性介质接触，需采用耐腐蚀材料，而且管板受法兰力距的影响较大,6.2.2管壳式换热器结构,72,过程设备设计,薄管板在法兰下面且与筒体焊接。壳程通入腐蚀性介质时，不必采用耐腐蚀材料；管板离开了法兰，减小了法兰力矩和变形对管板的影响，降低了管板因法兰引起的应力；管板与刚度较小的筒体连接，也降低了管板的边缘应力；是一种较好的结构。,（c）,6.2.2管壳式换热器结构,73,过程设备设计,（d）,管板与壳体间有一个圆弧过渡连接，并且很薄，管板具有一定弹性，可补偿管束与壳体间的热膨胀；过渡圆弧可减少管板边缘的应力集中。该种管板没有法兰力矩的影响。壳程流体通入腐蚀性介质时，法兰不会受到腐蚀。挠性薄管板加工比较复杂。,挠性薄管板结构,6.2.2管壳式换热器结构,74,过程设备设计,图6-16椭圆形管板,以椭圆形封头作为管板，与换热器壳体焊接在一起。受力情况比平管板好得多，可以做得很薄，有利于降低热应力；适用于高压、大直径的换热器。,6.2.2管壳式换热器结构,75,过程设备设计,用于严格禁止管程与壳程介质互相混合的场合。,方法：从短节排出短节圆筒充入高于管程、壳程压力的惰性介质,图6-17双管板结构1空隙2壳程管板3短节4管程管板,6.2.2管壳式换热器结构,76,过程设备设计,三、管箱,作用流体送入换热管和送出换热器，在多管程结构中，还起到改变流体流向的作用。,结构形式决定因素清洗？管束分程？,(a),(b),(c),(d),6.2.2管壳式换热器结构,77,过程设备设计,特点,清洗时要拆除管线；该结构适用于较清洁的介质。,6.2.2管壳式换热器结构,78,换热器管箱,79,过程设备设计,清洗时不要拆除管线；缺点是用材较多。,特点,6.2.2管壳式换热器结构,80,过程设备设计,特点,检查、清洗不方便很少使用,（1）,（2）,(c),6.2.2管壳式换热器结构,81,过程设备设计,特点,设置多层隔板的管箱结构,6.2.2管壳式换热器结构,82,过程设备设计,四、管束分程,管内流动的流体从管子的一端流到另一端，称为一个管程,换热面积要变大,管数增加,流速下降,传热系数下降,多管程,管子加长,6.2.2管壳式换热器结构,83,过程设备设计,管束分程布置图,每程管数大致相同，温差不超过20左右为好,流向,6.2.2管壳式换热器结构,84,过程设备设计,五、换热管与管板连接,强度胀,强度焊,胀焊并用,1.强度胀,保证换热管与管板连接的密封性能及抗拉脱强度的胀接,设计压力4.0MPa；设计温度300；操作中无剧烈振动、无过大温度波动，及无明显应力腐蚀等场合。,应用,6.2.2管壳式换热器结构,85,3,3,8,K,1,1,1,3,3,8,6,K,1,1,1,3,3,8,6,3,1,1,1,K,贴胀,过程设备设计,结构,用于25mm的场合,用于25mm的场合,用于厚管板及避免晶间腐蚀的场合,图6-18强度胀接管孔结构,6.2.2管壳式换热器结构,l,86,过程设备设计,非均匀胀接,均匀胀接,胀接机理,方法,管子硬度一般须低于管板硬度，若达不到，可进行管头退火处理,6.2.2管壳式换热器结构,87,过程设备设计,液压胀管器,6.2.2管壳式换热器结构,88,过程设备设计,6.2.2管壳式换热器结构,液压胀接,89,过程设备设计,6.2.2管壳式换热器结构,机械胀接,90,过程设备设计,2.强度焊,保证换热管与管板连接的密封性能及抗拉脱强度的焊接。,用于整体管板,用于复合管板,图6-20强度焊接管孔结构,6.2.2管壳式换热器结构,91,过程设备设计,优点,焊接结构强度高，抗拉脱力强度高。高温下也能保证连接处的密封性能和抗拉脱能力。泄露处可补焊和更换。,焊后，管子与管板中存在残余热应力和应力集中，运行时可能引起应力腐蚀与疲劳破坏；缝隙腐蚀。,缺点,除较大振动和缝隙腐蚀场合外，该方法应用广泛;薄管板不能胀，只能焊。,应用,6.2.2管壳式换热器结构,92,过程设备设计,3.胀焊并用,主要有强度胀+密封焊、强度焊+贴胀、强度焊+强度胀等,不仅能提高连接处的抗疲劳性能，而且还可消除应力腐蚀和缝隙腐蚀，提高使用寿命,应用：,密封性能要求较高；承受振动和疲劳载荷；有缝隙腐蚀；需使用复合管板等的场合,6.2.2管壳式换热器结构,93,过程设备设计,6.2.2管壳式换热器结构,切除管子端部,94,过程设备设计,课堂讨论,关于先焊还是先胀的讨论,机械胀接先焊后胀,液压胀接先胀后焊,6.2.2管壳式换热器结构,95,过程设备设计,6.2.2.2壳程结构,一、壳体,二、折流板,三、折流杆,四、防短路结构,五、壳程分程,6.2.2管壳式换热器结构,96,过程设备设计,一、壳体,1.接管,2.防冲挡板,3.导流筒,焊在壳体上，供壳程流体进、出。,防止进口流体直接冲击管束造成管子的侵蚀和振动，在壳程进口接管处安装，也叫缓冲板。,焊接在拉杆、定距管、I折流板上焊接在圆筒上用U型螺栓固定在换热管上,固定形式,减少流体滞留区，改善两端流体的分布，增加换热管的有效换热长度，提高传热效率；起防冲挡板的作用。,6.2.2管壳式换热器结构,97,过程设备设计,6.2.2管壳式换热器结构,导流筒,98,过程设备设计,二、折流板,1.作用,提高壳程流体流速，增加湍动程度；使壳程流体垂直冲刷管束，提高壳程传热系数；减少结垢。,2.结构形式（见图）,弓形圆盘-圆环形堰形折流板,6.2.2管壳式换热器结构,99,过程设备设计,弓形缺口高度h,应使流体流过缺口时与横向流过管束时的流速相近缺口大小用弓形弦高占壳体内直径的百分比来表示，如单弓形折流板，h一般取0.200.45Di，最常用0.25Di。,6.2.2管壳式换热器结构,图6-21折流板形式,100,过程设备设计,3.弓形缺口及通液口设置,（A）,壳程为单相清洁液体时，折流板缺口上下布置,图6-22折流板缺口布置,6.2.2管壳式换热器结构,101,过程设备设计,（B）,卧式换热器的壳程介质为气液相共存或液体中含有固体颗粒时，折流板缺口应垂直左右布置，并在折流板最低处开通液口,图6-22折流板缺口布置,6.2.2管壳式换热器结构,102,折流板缺口垂直左右布置,103,过程设备设计,6.2.2管壳式换热器结构,折流板,104,过程设备设计,4.折流板布置,位置：管束两端的折流板尽量靠近进出口接管间距：Lmin不小于0.2Di，且不小于50mm；Lmax不大于Di；,6.2.2管壳式换热器结构,105,过程设备设计,折流板上管孔与换热管的间隙以及折流板与壳体内壁之间的间隙过大泄露严重，不利传热；易引起振动。过小安装困难。,当换热管的无支撑跨距超过了标准中规定值时，必须设置一定数量的支撑板，按照折流板处理。,6.2.2管壳式换热器结构,106,过程设备设计,5.折流板的固定,B、换热管外径14mm时点焊结构,A、换热管外径14mm时拉杆-定距管结构,6.2.2管壳式换热器结构,图6-23拉杆结构,107,过程设备设计,三、折流杆,作用管束支撑结构,特点减轻折流板对换热管的剪切破坏和流体诱导振动；避免折流板导致的传热死区，减小流体阻力，提高传热效率；,（1）支撑杆（2）折流杆（3）滑轨,图6-24折流杆结构,6.2.2管壳式换热器结构,108,过程设备设计,四、防短路结构,1.旁路挡板,为了防止壳程边缘介质短路,6.2.2管壳式换热器结构,图6-25挡管结构,109,过程设备设计,旁路挡板可用钢板或扁钢制成，其厚度一般与折流板相同。旁路挡板嵌入折流板槽内，并与折流板焊接。壳体公称直径DN500mm时，增设一对旁路挡板；DN=500mm时，增设二对挡板；DN1000mm时，增设三对旁路挡板。,6.2.2管壳式换热器结构,110,过程设备设计,2、挡管,图6-26挡管结构,防止管间短路；分程隔板槽背面两管板之间设置两端堵死的管子，即挡管；挡管一般与换热管规格相同，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。挡管每隔34排换热管设置一根，但不设置在折流板缺口处,6.2.2管壳式换热器结构,111,隔板与挡管,112,过程设备设计,3.中间挡板,中间挡板,图6-27中间挡板,U形管束中心部分存在较大间隙，防止管间短路；中间挡板一般与折流板点焊固定；中间挡板的数量:DN500mm时，设置1块挡板；500mmDN1000mm时，设置2块挡板；DN1000mm时，设置不少于3块挡板。,6.2.2管壳式换热器结构,113,过程设备设计,五、壳程分程,根据工艺设计要求，或为增大壳程流体传热系数，也可将换热器壳程分为多程的结构。,6.2.2管壳式换热器结构,114,第六章换热设备,6.1概述,6.2管壳式换热器,6.3传热强化技术,过程设备设计,6.2.1基本类型,6.2.2管壳式换热器结构,6.2.3管板设计,6.2.4膨胀节设计,6.2.5管束振动和防止,115,6.2.3管板设计,过程设备设计,6.2.3管板设计,116,6.2.3管板设计,过程设备设计,各国的管板设计公式尽管形式各异，但其大体上是分别在以下三种基本假设的前提下得出的：,117,过程设备设计,一、管板设计的基本考虑,假设：把实际的管板简化为承受均布载荷、放置在弹性基础上且受管孔均匀削弱的当量圆平板。,GB151管壳式换热器,6.2.3管板设计,118,过程设备设计,假设：把实际的管板简化为承受均布载荷、放置在弹性基础上且受管孔均匀削弱的当量圆平板。,a.管束对管板挠度的约束作用，但忽略管束对管板转角的约束作用,b.管板周边不布管区对管板应力的影响：将管板划分为两个区，即靠近中央部分的布管区和靠近周边处较窄的不布管区。通常管板周边部分较窄的不布管区按其面积简化为圆环形实心板。由于不布管区的存在，管板边缘的应力下降；,c.不同结构形式的换热器，管板边缘有不同形式的连接结构，根据具体情况，考虑壳体、管箱、法兰、封头、垫片等元件对管板边缘转角的约束作用；,d.管板兼作法兰时，法兰力矩的作用对管板应力的影响。,6.2.3管板设计,119,过程设备设计,a.管束对管板挠度的约束作用，但忽略管束对管板转角的约束作用,6.2.3管板设计,120,过程设备设计,布管区,不布管区,b.管板周边不布管区对管板应力的影响,按其面积简化为圆环形实心板,管板边缘的应力下降,6.2.3管板设计,121,过程设备设计,c.不同结构形式的换热器,管板边缘有不同形式的连接结构，根据具体情况，考虑壳体、管箱、法兰、封头、垫片等元件对管板边缘转角的约束作用；(不同连接结构，设计步骤有所不同),6.2.3管板设计,122,过程设备设计,d.管板兼作法兰时，法兰力矩的作用对管板应力的影响,6.2.3管板设计,123,过程设备设计,二、管板设计思路,1.管板弹性分析,综合考虑Ps、Pt；T；预紧法兰力矩等载荷,简化管板为弹性基础上的等效均质圆平板,建立每个单独元件位移与转角与其上的内力的关系式,以内力为未知量的变形协调方程组,求得内力后，计算危险截面上应力,应力校核,6.2.3管板设计,124,过程设备设计,图6-28管板与其相关元件的内力分析图,内力共14个,6.2.3管板设计,125,过程设备设计,作用在封头(管箱)与管箱法兰连接处的边缘弯矩Mh、横剪力Hh，轴向力Vh,6.2.3管板设计,图6-28管板与其相关元件的内力分析图,126,过程设备设计,作用在垫片上的轴向内力VG与作用在螺栓圆上的螺栓力Vb,图6-28管板与其相关元件的内力分析图,6.2.3管板设计,127,过程设备设计,作用在壳体与壳体法兰连接处的,边缘弯矩Ms横向剪力Hs轴向力Vs,图6-28管板与其相关元件的内力分析图,6.2.3管板设计,128,过程设备设计,作用在环形的不布管区与壳体法兰之间即半径为R处的:,弯矩MR径向力HR轴向剪力VR,图6-28管板与其相关元件的内力分析图,6.2.3管板设计,129,过程设备设计,作用在管板布管区与边缘环板连接处即半径为Rt处的:,边缘弯矩Mf径向剪力Hf边缘剪力Vf,图6-28管板与其相关元件的内力分析图,6.2.3管板设计,130,过程设备设计,2.危险工况,确定危险工况的基本原则：,如果不能保证换热器壳程压力ps与管程压力pt在任何情况下都能同时作用，则不允许以壳程压力和管程压力的压差进行管板设计。,如果ps和pt之一为负压时，则应考虑压差的危险组合。,管板是否兼作法兰等不同结构，危险工况组合也不同。,6.2.3管板设计,131,过程设备设计,对于固定管板换热器，管板分析时应考虑下列危险工况:,只有壳程压力ps，而管程压力pt=0，不计热膨胀差；,只有管程压力pt，而壳程压力ps=0，不计热膨胀差；,只有管程压力pt，而壳程压力ps=0，同时考虑热膨胀差。,6.2.3管板设计,只有壳程压力ps，而管程压力pt=0，同时考虑热膨胀差；,132,过程设备设计,3.管板应力校核,管板布管区应力值、环形板的应力值、壳体法兰应力、换热管轴向应力、换热管与管板连接拉脱力q,需计算出的进行校核的应力：,应力分类、校核,在不同的危险工况组合下，计算出相应的：,6.2.3管板设计,133,过程设备设计,4.管板应力的调整,调整方法,增加管板厚度,降低壳体轴向刚度，如设置膨胀节（降低由温差引起的膨胀差导致的管板应力增加）,提高管板的抗弯截面模量,6.2.3管板设计,134,过程设备设计,5.管板设计计算软件,减少繁重劳动，利用计算软件，如SW6等。,6.2.3管板设计,135,过程设备设计,三、薄管板设计,主要载荷由管壁与壳壁的温度差决定，流体压力引起的应力与挠度相对说来是不大的。,管子的稳定性验算,表6-3薄管板的厚度mm,6.2.3管板设计,136,第六章换热设备,6.1概述,6.2管壳式换热器,6.3传热强化技术,过程设备设计,6.2.1基本类型,6.2.2管壳式换热器结构,6.2.3管板设计,6.2.4膨胀节设计,6.2.5管束振动和防止,137,过程设备设计,6.2.4膨胀节设计,一、膨胀节的作用,二、是否设置膨胀节的判断,6.2.4膨胀节设计,138,6.2.4膨胀节设计,过程设备设计,一、膨胀节的作用,1.膨胀节的作用,降低由于管束和壳体间热膨胀差所引起的管板应力、换热管与壳体上的轴向应力以及管板与换热管间的拉脱力。,图6-29U形膨胀节,139,过程设备设计,6.2.4膨胀节设计,膨胀节,140,过程设备设计,2.膨胀节的结构形式,a.U膨胀节,b.膨胀节,c.平板膨胀节,二、是否设置膨胀节的判断,别忽视其他有效方法,标准：GB16749压力容器波形膨胀节,6.2.4膨胀节设计,141,第六章换热设备,6.1概述,6.2管壳式换热器,6.3传热强化技术,过程设备设计,6.2.1基本类型,6.2.2管壳式换热器结构,6.2.3管板设计,6.2.4膨胀节设计,6.2.5管束振动和防止,142,过程设备设计,6.2.5管束振动和防止,一、振动原因,二、振动防止,6.2.5管束振动和防止,143,过程设备设计,6.2.5管束振动和防止,一、振动原因,1.外激振力,2.流体诱导振动,现象,a.纵向流体诱导振动,b.横向流体诱导振动,旋涡脱落,流体弹性扰动,湍流颤振,声振动,射流转换,144,过程设备设计,二、振动防止,6.2.5管束振动和防止,返回,145,第六章换热设备,6.1概述,6.2管壳式换热器,6.3传热强化技术,过程设备设计,6.3.1传热强化概述,6.3.2扩展表面及内插件强化传热,6.3.3壳程强化传热,146,过程设备设计,教学重点：传热强化在结构上采取的措施。教学难点：无。,6.3传热强化技术,147,过程设备设计,6.3.1传热强化概述,换热设备稳定传热时的传热方程式：,K传热系数，w/m2；F换热面积，m2；热流体与冷流体的平均传热温差，,表征传热过程强弱程度,传热强化渠道,增加平均传热温差扩大换热面积提高传热系数,148,过程设备设计,6.3.1传热强化概述,增大平均传热温差,平均传热温差是传热过程的推动力，由冷、热流体最大无相变温差决定，但一般生产工艺中已经确定。,1.当冷流体和热流体进出口温度一定时，利用不同的换热面布置来改变平均传热温差；逆流；多股流动换热。,2.扩大冷、热流体进出口温度的差别以增大平均传热温差。此法受生产工艺限制，不能随意变动，只能在有限范围内采用。,149,过程设备设计,6.3.1传热强化概述,增大换热面积,1.采用小直径换热管；在同样金属重量下总表面积增大,2.改进传热面结构，设法提高单位容积内设备的传热面积，即扩展表面换热面，既增加换热面积，又提高传热系数。,问题：流动阻力增大,150,过程设备设计,6.3.1传热强化概述,提高传热系数,主动强化需要采用外加的动力（如机械力、电磁力等）来增强传热的技术。如：搅拌换热介质、使换热表面或流体振动、将电磁场作用于流体以促使换热表面附近流体的混合等技术,被动强化指除了输送传热介质的功率消耗外不需要附加动力来增强传热的技术。主要包括：涂层表面、粗糙表面、扩展表面、扰动元件、涡流发生器、射流冲击、螺旋管以及添加物等手段。,当前研究传热强化的重点,151,过程设备设计,6.3.2扩展表面及内插件强化传热,扩展表面及管内放置强化传热元件：既能增加传热面积，又能提高传热系数,扩展表面强化传热主要包括,槽管,翅片管,（1）扩展表面强化传热,152,过程设备设计,6.3.2扩展表面及内插件强化传热,（2）槽管提高传热系数,壁面扰流结构的换热管,在圆管及圆形通道内形成扰流结构,改变了流体的流动结构，增加近壁区的湍流度,提高流体和壁面的对流传热膜系数,153,螺旋槽管,横纹槽管,图6-31槽管结构,a.碾轧槽管特别适用于换热器中用于强化管内单相流体的传热以及增强管外流体蒸汽冷凝和液体膜态沸腾传热的作用,过程设备设计,6.3.2扩展表面及内插件强化传热,b.螺旋槽管,c.横纹槽管,154,过程设备设计,6.3.2扩展表面及内插件强化传热,（3）翅片提高传热面积、提高传热系数,a.内翅片圆管,b.外翅片圆管,c.板式翅片,d.槽带板式翅片,e.