【《管壳式换热器工作原理与结构分析》4100字】

管壳式换热器工作原理与结构分析目录TOC\o"1-3"\h\u290931.1常用换热器的类型 192271.1.1间壁式换热器 1148831.1.2蓄热式换热器 2208491.1.3混合式换热器 267811.2管壳式换热器的工作原理 3326121.3管壳式换热器的常见型式及特点 324901.3.1固定管板式换热器 451281.3.2浮头式换热器 4153241.3.3U形管式换热器 5266481.4管壳式换热器的结构 6205871.4.1管程结构 719961.4.2壳程结构 11换热器是在化工、机械、炼油等产业上最常见的设备，换热器可以将热量，从热流体传递到冷流体。换热器大量应用在众多领域作为实现热交换的设备，是目前工业上不可或缺的装置。1.1常用换热器的类型1.1.1间壁式换热器间壁式换热器，它的原理是利用间壁来交换热量。在设备内部，两种流体由隔板（隔板是可以传热的）分开，彼此不接触，不直接发生相互作用，热量经过隔板到达对面，达到传热的目的。这种换热器种类繁多，实际效果也很好，是最常用的一种换热器。间壁式换热器又可以细分为下面几种换热器。1.1.1.1管式换热器管式换热器是目前使用最为广泛的一类换热器。管式换热器的结构稳固，适合大部分设备，制造过程也相对简单，适合大范围推广，而且可以忍受很高的温度和压力，从上述优点不难看出，在绝大部分方面，管式换热器都有着不可忽视的优势。因此在选择高温、高压环境下使用的换热器时，一般考虑管式换热器。但管式换热器也有它自身不可忽视的缺点，比如换热效率相对较低，材料消耗比较大。1.1.1.2板面式换热器板面式换热器在强化传热方面具有较大的优势，而且这种换热器从它的名字就可以看出，主要的原材料就是板子，所以在大规模生产时，设备成本比较易于接受。但是这种换热器也有一定的缺点，比如耐压性能与其它换热器相比较差。1.1.1.3其它型式换热器其它型式换热器这里不作具体介绍。1.1.2蓄热式换热器蓄热式换热器的主要构成是一个蓄热体，它是由固体构成的。两种流体在蓄热体内部发生碰撞，相互作用，热量发生传递。结构图见图2-1。图2-1蓄热式换热器结构图蓄热式换热器价格适宜，单位热交换面积更大，主要用于气体之间的流体换热。但也有局限的地方，就是如若管壳两侧的流体混合会发生意外的情况下，则不能使用蓄热式换热器。1.1.3混合式换热器在混合式换热器内，两种不同的介质直接在容器内混合（但两种流体必须是可以混合的），流体直接作用，非常简单却又高效的完成热量交换。如果两种介质不能很好的混合，就需要增加交换面积，做到换热充分，这时采取的措施就是放置适当的填充物。常用的有冷却塔，冷却器等。图2-2混合式换热器结构图这种换热器的特点就是，它的效率高，设备价格平易近人。缺点就是它只支持两侧流体可以混合的场所。1.2管壳式换热器的工作原理管壳式换热器的原理很易懂，热流体从入口流入，就是从下图的最左端流入，流进管箱之后，沿着与管箱联通的换热管向另外一边流动，流到另外一边的管箱，充满管箱，即从图的左端通过1-管子，流到最右端的管箱，最后从管箱右侧的出口流出。冷流体则从壳体的接管流入，也就是从图片上面的接管流入，充满壳层。冷流体和热流体分别在管外和管内，通过管壁进行热量交换，即二者分别处于图片中心的管子和壳体，实现热量交换，最后，冷流体从图片下方接管流出。图2-3典型的管壳式换热器1.3管壳式换热器的常见型式及特点管壳式换热器常见型式有三种，本章节会对这三种管壳式换热器进行详细的介绍。1.3.1固定管板式换热器结构见下图。图2-4固定管板式换热器结构图工作原理热流体从管箱的一个入口进入，热流体流进管箱之后，沿着与管箱联通的换热管向另外一边流动，流到另外一边的管箱，随后充满管箱，最后从出口流出。冷流体则从壳体当中的接管入口流入，充满壳层。冷流体在管子外面流动，与管内的热流体，通过管壁进行热量交换。最后通过出口接管流出，经过这一过程，冷、热流体实现热量交换。优缺点优点：◆结构简单，压力的耐受程度很高；◆造价低；◆管程清洗方便；◆管子有问题时，更换起来比较方便；缺点：当管束的温度与壳体壁面的温度，相差较大时，二者之间可能会因较大的温差，产生热应力，这个热应力会为设备带来不同程度的损坏。应用固板式换热器主要应用于两侧温度基本差不多的场合，或者即便温度差的比较多，但壳侧压力不是太高，这样热应力不会太大，这种场所也可以选择固板式。1.3.2浮头式换热器结构见图2-5。图2-5浮头式换热器结构图工作原理浮头式换热器的左端是固定的，右端是浮头管板的结构，浮头端可以在壳层里进行轴向无约束的移动。浮头端可自由伸缩这一特点，克服了由于温差产生的膨胀不一致而造成的热应力。优缺点优点：清洗方便，更换容易。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；◆浮头端小盖在操作中无法检查；◆制造时对密封要求较高。应用适用于两侧温度差的比较多的场所，或着壳程介质容易发生沉淀、结渣的场合。1.3.3U形管式换热器结构见图2-6。图2-6U形管式换热器结构图工作原理U形管式换热器和浮头式类似，换热器的左端是固定的，U形管的一端可以轴向伸缩，有效的避免了温差过大造成的应力。优缺点优点：结构更简单，更便宜，更坚固。缺点：◆受限于受弯管半径，管道分布相对稀疏；◆壳程流体易短路，传热不利；应用应用于管、壳壁温差较大，或壳程介质容易发生沉淀、结渣，需要频繁清洗，但又不宜采用上述两种换热器的场合。1.4管壳式换热器的结构管壳式换热器内部的元件很多，而且比较复杂。简化来说，从大方向可以分为两大部分，一部分是管程，另一部分是壳程。本章节内容便从这俩方面来介绍管壳式换热器的结构。管程——管子内流体活动的空间。壳程——管子外流体活动的空间。图2-7管壳式换热器结构分析图1.4.1管程结构管程结构组成部分包含下面五种。1.4.1.1换热管换热管型式换热管型式多种多样，常用的有光管，以及一些具有强化传热功能的管子。换热管尺寸常见的换热管型号有：φ19*2，φ25*1.5，φ38*1.5mm无缝钢管，φ25*2和φ38*1.5mm不锈钢管。标准管长有1.51.03.04.56.09.0m等。在选择换热管尺寸时，可根据以下原则选取。适合小管径：◆单位体积的传热面积要求比较大的设备；◆阻力大，不便清洗，易结垢堵塞；◆用于较清洁的流体。适合大管径：◆粘性大的、污浊的流体。换热管材料碳素钢低合金钢不锈钢石墨金属材料铜非金属材料陶瓷铜镍合金聚四氟乙烯等铝合金钛等换热管排列形式和中心距换热管排列形式见下图。三角形相对复杂，不太方便清洗，正方形的比较简单，清洗起来很容易。在实际应用上，根据实际需求来选择合适的换热管排列形式。图2-8换热管排列形式图常用的换热管中心距见表2-1。表2-1常用换热管中心距/mm换热管外径mm1214192532384557换热管中心距mm16192532404857721.4.1.2管板管板在换热器各种元件之中，相对来说是为最重要的一个承压元件。管板的作用是将管箱当中的流体和壳体中的流体隔离开来，避免冷热两种流体混合在一起；管板还可以用来固定换热管束，并起到支撑作用，换热管的排布也在管板上进行。管板材料管板的材料主要受三个方面的影响，分别为力学性能、介质腐蚀性、贵重钢板价格。在实际选择中，根据这三个方面的综合考虑，选择合适的管板材料。管板结构管板在设计的时候，要对管板的厚度进行计算。对于管板来说，如果为了承压，则管板越厚越好，但是如果从承受温差应力的角度来看，为了避免造成温差应力，则管板越薄越好。这样便造成了一定的矛盾，因此在做管板设计的时候，应在满足强度前提下，尽量减少管板厚度。薄管板目前的形状结构如下。平面形椭圆形薄管板目前主要有碟形球形挠性薄管板等1.4.1.3管箱管箱主要是将流体送入到换热管中，以及在流体完成换热之后送出换热器。常见的管箱结构如下。适用于较清洁的介质用材较多基本很少使用这种管箱设置了多层隔板1.4.1.4管束分程根据工艺要求，需要增大换热面积时，有两种情况可以实现，分别为增加换热管数量和增大换热管长度。换热面积要变大流速下降管数增加换热面积要变大流速下降管数增加管子加长管子加长传热系数下降传热系数下降多管程多管程但就这两种方法而言，如果增大换热管长度，将为制造、运输、安装等制造许多麻烦，比较困难，相应的也增加了成本。如果增加换热管数量，势必会造成流速的下降，导致传热系数降低。这两种情况都有不利的因素，因此，利用多管程的技术，相当于增加了换热管长度，使流体多流几个管程。1.4.1.5.换热管与管板连接在换热器中，管子与管板的连接是否合格，是非常重要的，一旦二者在连接上出现纰漏，容器可能会发生泄漏，带来难以估计的影响。在连接上主要采取的连接方式有三种，如下。强度胀强度胀是保证换热管与管板连接的密封性能，以及提升抗拉脱强度的胀接。在使用过程中能够承受相应的压力，既不泄露也不会被压脱。一般使用在下列场合：◆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；◆无明显应力腐蚀等场合。强度焊强度焊与强度胀的不同之处就是采用焊接。该方法应用范围较广，对于薄管板来说，不能进行胀，只能焊。胀焊并用随着当前生产的需要，胀焊并用已经成为实际制造过程中，最为常用的一种方法。应用场合：◆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。对于胀焊结合时，先焊还是先胀，通常参考下面的说法：机械胀接先焊后胀；液压胀接先胀后焊。1.4.2壳程结构壳程结构组成部分包括下列五部分。1.4.1.1壳体壳体和其他结构共同构成一个密闭空间，保证管外流体的密封性能的同时，也承受压力。壳体主要由接管、防冲挡板和导流筒组成。接管在壳体上，壳程介质的进出，就是从接管这一路径。防冲挡板可以防止流入壳程的流体，在流动时直接冲击管束，管子受到冲击发生振动，而遭受破坏。通常安装在壳程进口的接管。导流筒可以引导流体流动，减小流体滞留的可能，增加有效长度，提高传热效率。1.4.1.2折流板结构形式常见的有三种，第一种是弓形，弓形又可具体表现为单弓、双弓和三弓，第二张是圆盘形状或者圆环形状，第三种就是堰形。折流板的固定型式主要取决于换热管的外径。1.4.1.3折流杆折流杆起到管束支撑结构的作用，并改善了折流板所存在的一些不足。折流杆可以减小流体在管体内流动的阻力，提高流体的传热效率；其