化工設(shè)備機械基礎(chǔ)_7_管殼式換熱器 - 副本

1、第一節(jié)第一節(jié) 管殼式換熱器的總體結(jié)構(gòu)管殼式換熱器的總體結(jié)構(gòu)第二節(jié)第二節(jié) 管殼式換熱器的主要零部件管殼式換熱器的主要零部件第三節(jié)第三節(jié) 管殼式換熱器的選用及設(shè)計流程管殼式換熱器的選用及設(shè)計流程第四節(jié)第四節(jié) 其它形式換熱器簡介其它形式換熱器簡介（1 1）換熱器是許多工業(yè)部門廣泛應(yīng)用的通用工藝設(shè)備。通常，在化工廠的建設(shè)中，換熱器約占總投資的11 40 。它的先進(jìn)性、合理性和運轉(zhuǎn)可靠性將直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量、數(shù)量和成本。（2 2）根據(jù)不同的目的，換熱器可以是、等。第一節(jié)第一節(jié) 管殼式換熱器的總體結(jié)構(gòu)管殼式換熱器的總體結(jié)構(gòu)一、概述一、概述（3 3）衡量一臺換熱器好壞的標(biāo)準(zhǔn)衡量一臺換熱器好壞的標(biāo)準(zhǔn)。c.c.

2、可靠性可靠性滿足操作條件滿足操作條件 ,強度足夠強度足夠,保證使用壽命保證使用壽命b.合理性合理性 a.a.先進(jìn)性先進(jìn)性 可制造加工，成本可接受可制造加工，成本可接受 傳熱效率高，流體阻力小，材料省傳熱效率高，流體阻力小，材料省 化工生產(chǎn)對換熱設(shè)備提出的要求是：化工生產(chǎn)對換熱設(shè)備提出的要求是： 傳熱效率高，流體阻力??；傳熱效率高，流體阻力?。?強度、剛度、穩(wěn)定性足夠；強度、剛度、穩(wěn)定性足夠； 結(jié)構(gòu)合理，節(jié)省材料，成本較低；結(jié)構(gòu)合理，節(jié)省材料，成本較低； 制造、裝拆、檢修方便等。制造、裝拆、檢修方便等。 （4 4）任何一種換熱器不可能十全十美。傳熱效率高、金屬消耗量低，但流體阻力大、強度和剛度差

3、，制造、維修困難。雖在傳熱效率、緊湊性、金屬消耗量等方面均不如板式換熱器，但其結(jié)構(gòu)堅固、可靠程度高、適應(yīng)性強、材料范圍廣，因而目前仍是石油、化工生產(chǎn)中，尤其是高溫、高壓和大型換熱器的主要結(jié)構(gòu)型式。第一節(jié)第一節(jié) 管殼式換熱器的總體結(jié)構(gòu)管殼式換熱器的總體結(jié)構(gòu)一、概述一、概述 管殼式換熱器是把換熱管束與管板連接后，再用筒體與管箱包起來，形成兩個獨立的空間：管內(nèi)通道及與其相貫通的管箱，稱為管程管程空間；換熱管外的通道及與其貫通的部分，稱為殼程殼程空間。二、管殼式換熱器的種類及其結(jié)構(gòu)二、管殼式換熱器的種類及其結(jié)構(gòu)1 1 列管式換熱器的主要結(jié)構(gòu)：列管式換熱器的主要結(jié)構(gòu)：2 2 列管式換熱器的工作原理：列管

4、式換熱器的工作原理： T1 t0（環(huán)境） Tw T t1 t2 T2 列管式 t tw 列管式換熱器列管式換熱器 列管式換熱器的主要類型列管式換熱器的主要類型從結(jié)構(gòu)上分從結(jié)構(gòu)上分固定管板式換熱器固定管板式換熱器浮頭式換熱器浮頭式換熱器U U形管式換熱器形管式換熱器填料函式換熱器填料函式換熱器固定管板式換熱器結(jié)構(gòu)圖固定管板式換熱器結(jié)構(gòu)圖 (1)(1)固定管板式換熱器固定管板式換熱器帶膨脹節(jié)的固定管板式換熱器結(jié)構(gòu)圖帶膨脹節(jié)的固定管板式換熱器結(jié)構(gòu)圖 (1)(1)固定管板式換熱器固定管板式換熱器 (1)(1)固定管板式換熱器固定管板式換熱器1 1）、結(jié)構(gòu)特點：）、結(jié)構(gòu)特點：兩塊管板均與殼體相焊接，并加

5、入了熱補償兩塊管板均與殼體相焊接，并加入了熱補償原件原件膨脹節(jié)。膨脹節(jié)。2 2 ）、優(yōu)點：）、優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、能承受較高的壓力，造價低，結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、能承受較高的壓力，造價低，管程清洗方便，管子損壞時易于堵管或更換。管程清洗方便，管子損壞時易于堵管或更換。3 3）、缺點：）、缺點：不易清洗殼程，殼體和管束中可能產(chǎn)生較大的熱不易清洗殼程，殼體和管束中可能產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力。應(yīng)力。冷熱流體溫差不能太大（冷熱流體溫差不能太大（50)14mm14mm且無特殊要求的場合。要求：要求：管板硬度管子硬度，否則將管端退火后再脹接。脹接時管板上的孔可以是光孔，也可開槽(開槽可以增加連接強度和緊密性)。液壓

6、脹管器液壓脹管器液壓脹接液壓脹接機械脹接機械脹接優(yōu)點：優(yōu)點：工藝簡單方便； 消除間隙避免間隙腐蝕。缺點：缺點：溫度升高時，管端會發(fā)生松弛 泄漏。適用條件：適用條件：p4.0MPa , t350。 注意：注意：管端硬度管板硬度。 管板厚度較大時，為提高管子抗拉脫能力及增密封性能，需要在管孔中開環(huán)形槽。 保證緊密性的方法保證緊密性的方法：管板孔開槽；管板孔開槽；脹接周邊保證清潔；脹接周邊保證清潔；管子硬度低于管板孔周邊硬度。管子硬度低于管板孔周邊硬度。 保證管端硬度較低并且低于管板硬度的方保證管端硬度較低并且低于管板硬度的方法：法：管端退火處理。管端退火處理。選材考慮。選材考慮。strength

7、welded joint 強度焊接連接是將換熱管的端部與管板焊在一起。強度焊接連接是將換熱管的端部與管板焊在一起。優(yōu)點：高溫高壓下能保證連接的緊密性；管板孔加工精度要求不高，低于脹接；焊接工藝簡單；壓力不高時可用薄管板。缺點：缺點：存在焊接熱應(yīng)力應(yīng)力腐蝕應(yīng)力腐蝕；管與孔間有間隙形成介質(zhì)死區(qū)，間隙腐蝕間隙腐蝕。72管與管板焊接形式管與管板焊接形式： 克服了單純的焊接及脹接的缺點，主要優(yōu)點是：連接緊密，提高抗疲勞能力；消除間隙腐蝕和應(yīng)力腐蝕；提高使用壽命。施工方式：先脹後焊；先焊後脹。 脹接貼脹；強度脹。 焊接密封焊，強度焊。根據(jù)不同情況具體制定施工工藝。3 3）、焊脹結(jié)合）、焊脹結(jié)合3 3）、焊

8、脹結(jié)合）、焊脹結(jié)合脹焊結(jié)合連接主要有：脹焊結(jié)合連接主要有： 強度焊密封脹強度焊密封脹先焊后脹。先焊后脹。 強度脹密封焊強度脹密封焊先脹后焊。先脹后焊。 概念解釋：密封焊概念解釋：密封焊不保證強度，只防漏；不保證強度，只防漏； 強度焊強度焊既防漏，又保證抗拉脫強度；既防漏，又保證抗拉脫強度； 密封脹密封脹只消除間隙，不承擔(dān)拉脫力；只消除間隙，不承擔(dān)拉脫力； 強度脹強度脹既消除間隙，又滿足脹接強度。既消除間隙，又滿足脹接強度。脹焊結(jié)合連接方式的適用性脹焊結(jié)合連接方式的適用性 脹焊結(jié)合的連接方式適用于脹焊結(jié)合的連接方式適用于密封要求較高、承密封要求較高、承受振動或疲勞載荷、有間隙腐蝕、采用復(fù)合管板的

9、受振動或疲勞載荷、有間隙腐蝕、采用復(fù)合管板的場合。場合。目前，先焊后脹與先脹后焊兩派學(xué)說仍處于爭議之中。目前，先焊后脹與先脹后焊兩派學(xué)說仍處于爭議之中。3 3、管程的分程、管程的分程 當(dāng)換熱器所需的換熱面積較大，可增加管子長度或增當(dāng)換熱器所需的換熱面積較大，可增加管子長度或增加管子的數(shù)目。加管子的數(shù)目。 增加管長是有限度的，增加管長是有限度的，一般不超過一般不超過6m6m。增加管子數(shù)量增加管子數(shù)量則要保證管內(nèi)流體有一定的流速，流速太低，傳熱效果則則要保證管內(nèi)流體有一定的流速，流速太低，傳熱效果則較差。較差。此時為了此時為了增加管程流速增加管程流速，提高傳熱效率，須將管束，提高傳熱效率，須將管束

10、分程，使流體依次流過各程管子。分程，使流體依次流過各程管子。為什么要分程？為什么要分程？l 換熱面積較大，要進(jìn)行分程換熱面積較大，要進(jìn)行分程 1）.管子太長，設(shè)備長徑比過大，浪費材料； 2）.增加流速，提高傳熱效果。l 分程要求：分程要求： 1）各程管數(shù)大致相同； 2）相鄰程管壁溫差不大于28； 3）程間密封長度應(yīng)最短； 4）隔板形狀應(yīng)簡單。l 常用管程數(shù)為常用管程數(shù)為：1，2，4，6，8，12。管箱分程：分程舉例：分程舉例： 2程4程84分程隔板及其與管板間的密封管箱結(jié)構(gòu)：4 4、管板與殼體的連接、管板與殼體的連接4 4、管板與殼體的連接、管板與殼體的連接 列管式換熱器管板與殼體的連接結(jié)構(gòu)分

11、為列管式換熱器管板與殼體的連接結(jié)構(gòu)分為可拆可拆式式與與不可拆式不可拆式兩類。兩類。 固定管板式固定管板式換熱器的管板與殼體間采用換熱器的管板與殼體間采用不可拆不可拆的焊接連接的焊接連接，而，而浮頭式、浮頭式、U U形管式形管式和和填料函式填料函式換熱器換熱器的管板采用的管板采用可拆式連接可拆式連接。4 4、管板與殼體的連接、管板與殼體的連接（1 1）固定管板式換熱器管板與殼體的連接固定管板式換熱器管板與殼體的連接兼作法蘭情況：管板不兼作法蘭結(jié)構(gòu)：（2 2）浮頭式、浮頭式、U U形管式及填料函式換熱器固定端形管式及填料函式換熱器固定端管板與殼體的連接管板與殼體的連接由于浮頭式、由于浮頭式、U形管

12、形管式及填料函式換熱器的管式及填料函式換熱器的管束要從殼體中抽出，以便束要從殼體中抽出，以便進(jìn)行清洗，故需將固定管進(jìn)行清洗，故需將固定管板做成可拆連接。板做成可拆連接。 管板夾于殼體法蘭和頂管板夾于殼體法蘭和頂蓋法蘭之間，卸下頂蓋就蓋法蘭之間，卸下頂蓋就可把管板同管束從殼體中可把管板同管束從殼體中一起抽出來。一起抽出來。（2 2）浮頭式、浮頭式、U U形管式及填料函式換熱器固定端形管式及填料函式換熱器固定端管板與殼體的連接管板與殼體的連接94非固定式管板95 浮頭式、U形管式和填料函式換熱器上的管板為可拆式結(jié)構(gòu)，以便清理殼程。將進(jìn)入管程的流體均勻分布到各換熱管，把管內(nèi)將進(jìn)入管程的流體均勻分布到

13、各換熱管，把管內(nèi)流體匯集在一起送出換熱器。在多管程換熱器中，管箱還可流體匯集在一起送出換熱器。在多管程換熱器中，管箱還可通過通過設(shè)置隔板設(shè)置隔板起起分隔分隔作用。作用。四、四、管箱管箱(a)(a)適用于較清潔介質(zhì)工況。檢查換熱管內(nèi)及清洗換熱管時，必適用于較清潔介質(zhì)工況。檢查換熱管內(nèi)及清洗換熱管時，必須將須將連接管連接管道一起拆下，很不方便。道一起拆下，很不方便。(b)(b)在清洗換熱管內(nèi)時，在清洗換熱管內(nèi)時，僅將平蓋拆下僅將平蓋拆下，不及拆除連接管道，易，不及拆除連接管道，易清洗和檢查。目前設(shè)計中采用較多。缺點是清洗和檢查。目前設(shè)計中采用較多。缺點是用材較多用材較多。(c)(c)將將管箱與蓋板

14、管箱與蓋板焊成一體?？杀苊庠诠馨迕芊馓幍男孤赋梢惑w?？杀苊庠诠馨迕芊馓幍男孤?，但管管箱不能單獨拆下箱不能單獨拆下，檢修清洗不方便，很少采用。，檢修清洗不方便，很少采用。(d)(d)多程隔板安置的一種形式。其接管安裝形有多種。如圖。多程隔板安置的一種形式。其接管安裝形有多種。如圖。附：換熱器型號的表示方法附：換熱器型號的表示方法級換熱器管/殼程數(shù)，單殼程時寫公稱長度（），換熱管外徑（）公稱換熱面積（）管/殼程設(shè)計壓力（),壓力相等時只寫公稱直徑（），對于釜式重沸器用分?jǐn)?shù)表示，分子為管箱內(nèi)直徑，分母為圓筒內(nèi)直徑。第一個字母代表前端管箱型式第二個字母代表殼體型式第三個字母代表后端結(jié)構(gòu)型式例例u

15、浮頭式換熱器浮頭式換熱器平蓋管箱，公稱直徑500500mm，管程和殼程設(shè)計壓力均為1.6MPa，公稱換熱面積54，較高級冷拔換熱管外徑25mm，管長6m，4管程單殼程的浮頭式換熱器，其型號為：AES500-1.6-54-6/25-4在對流傳熱的換熱器中，為了提高殼程內(nèi)流體的流速和在對流傳熱的換熱器中，為了提高殼程內(nèi)流體的流速和加強湍流程度，以加強湍流程度，以提高傳熱效率提高傳熱效率，在殼程內(nèi)裝置，在殼程內(nèi)裝置折流板折流板。折。折流板還起支撐換熱管的作用。流板還起支撐換熱管的作用。五、折流板五、折流板 、支撐板及短路防沖等殼程、支撐板及短路防沖等殼程 提高殼程內(nèi)流體的流速；提高殼程內(nèi)流體的流速；

16、 加強湍流強度；加強湍流強度； 提高傳熱效率；提高傳熱效率； 支撐換熱管。支撐換熱管。（當(dāng)工藝上無折流板要求而管子較細(xì)長時，應(yīng)考慮有一定數(shù)（當(dāng)工藝上無折流板要求而管子較細(xì)長時，應(yīng)考慮有一定數(shù)量的支承板，以便安裝和防止管子變形；支撐板的尺寸、形量的支承板，以便安裝和防止管子變形；支撐板的尺寸、形狀可與折流板相同。）狀可與折流板相同。）折流板和支承板可分為折流板和支承板可分為橫向橫向和和縱向縱向兩種。兩種。 前者前者使流體橫過管束流動；使流體橫過管束流動； 后者后者則使管間的流體平行流過管束。則使管間的流體平行流過管束。 折流板是設(shè)置在殼體內(nèi)與管束垂直的折流板是設(shè)置在殼體內(nèi)與管束垂直的弓形弓形或或

17、圓盤圓環(huán)圓盤圓環(huán)形形平板，安裝折流板迫使殼程流體按照規(guī)定的路徑多次橫向平板，安裝折流板迫使殼程流體按照規(guī)定的路徑多次橫向穿過管束，既提高了流速又增加了湍流速度，改善了傳熱效穿過管束，既提高了流速又增加了湍流速度，改善了傳熱效果，在臥式換熱器中折流板還可起到支撐管束的作用。果，在臥式換熱器中折流板還可起到支撐管束的作用。 常用的折流擋板：常用的折流擋板：單弓形、雙弓形、三弓形和盤單弓形、雙弓形、三弓形和盤圓環(huán)形。圓環(huán)形。 單弓形折流擋板單弓形折流擋板單弓形折流擋板對介質(zhì)流向的影響單弓形折流擋板對介質(zhì)流向的影響: :盤盤環(huán)形折流擋板對介質(zhì)流向的影響環(huán)形折流擋板對介質(zhì)流向的影響圓盤圓盤圓環(huán)形折流擋圓

18、環(huán)形折流擋圖 7 - 2 5 圓 盤 - 元 環(huán) 形 折 流 板Dil3/4Di圖 7 - 2 4 弓 形 折 流 板3/4Di雙弓形板換熱器雙弓形板換熱器 性能特點 雙弓形板換熱器的管束由相鄰兩種折流板組成支撐件，流體呈順錯流流動，從而克服了普通克服了普通單弓形板換熱器的殼程流體，在流動中的單弓形板換熱器的殼程流體，在流動中的180180度轉(zhuǎn)度轉(zhuǎn)彎所造成的死區(qū)、阻力大、易震動等缺陷彎所造成的死區(qū)、阻力大、易震動等缺陷。在相同殼程壓力降下，雙弓形板換熱器殼程流體的流速一般可提高1. 5倍以上，從而強化了傳熱。通過管束的阻力僅為單弓形扳換熱器的1/51/8，因此減少板間距和殼徑來提高流速是常用手

19、段。圖7-28 帶扇形切口折流板 螺旋折流板螺旋折流板換熱器是管殼式換熱器的一種形式。每塊折流板占1/4的橫截面積，呈螺旋狀自進(jìn)口至出口方向逐一布置。折流板對換熱器中心線保持一定的傾斜角度，四塊折流板完成360。內(nèi)的旋轉(zhuǎn)，這樣在殼體內(nèi)形成連續(xù)的螺旋，使流體流動接近柱塞流動。性能特點：性能特點： 與普通的弓形折流板換熱器相比，螺旋折流板換熱器有以下的性能改進(jìn)： 衡量換熱效果好壞的綜合效益系數(shù)衡量換熱效果好壞的綜合效益系數(shù)(即傳熱速率與壓力即傳熱速率與壓力降的比值降的比值)有較大的提高：有較大的提高： ABB公司以水一水為介質(zhì)，進(jìn)行普通弓形折流板和螺旋折流板的傳熱與壓力降實驗對比，結(jié)果為：(a)螺

20、旋折流板換熱器殼程傳熱系數(shù)約提高1.8倍；(b)壓力降減少約4.5倍。殼程流體流動狀態(tài)的改變：殼程流體流動狀態(tài)的改變： 弓形折流板使殼程流體基本上處于橫穿管子的錯流流動，在90度轉(zhuǎn)彎處易有固體顆粒堆積和結(jié)垢產(chǎn)生。而螺旋折流板每塊折流板僅占1/4橫截面積，與中心線有一定角度的傾斜。消除了流動死區(qū)，減少了固體顆粒堆積和結(jié)垢的生成。消除了流動死區(qū)，減少了固體顆粒堆積和結(jié)垢的生成。不易引起管子的振動不易引起管子的振動。 傳統(tǒng)弓形隔板支撐存在一些弊端：阻力大、死角多、傳熱面積無法被充分利用,易引發(fā)流體流動振動等。為了使折流板的性能得到改進(jìn),近年又研發(fā)出了多弓形折流板、整圓形折流板(如圖)、異形孔折流板、

21、網(wǎng)狀板等。這些新型折流板支承結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)主要是為了使流體由橫向流動變?yōu)榭v由橫向流動變?yōu)榭v向流動向流動,從而盡可能地消除死區(qū),使得傳熱綜合性能得到提高,也使得管束的抗振性能得到增強。 各種折流板中弓形折流板用得較普遍，這種形各種折流板中弓形折流板用得較普遍，這種形式使流體只經(jīng)折流板切去的圓缺部分而垂直流過管式使流體只經(jīng)折流板切去的圓缺部分而垂直流過管束，流動中死區(qū)較少。束，流動中死區(qū)較少。 弓形折流板缺口高度應(yīng)使流體通過缺口時與橫弓形折流板缺口高度應(yīng)使流體通過缺口時與橫過管束時的流速相近。缺口高度過管束時的流速相近。缺口高度h=h=（0.20.2 0.450.45）D Di i 折流板一般應(yīng)按等間

22、距布置，管束兩端的折流板盡可能靠近殼程進(jìn)、出口接管。 臥式換熱器的殼程為單相清潔流體時，折流板缺口應(yīng)水平上下布置，若氣體中含有少量液體時，則應(yīng)在缺口朝上的折流板的最低處開通液口最低處開通液口；若液體中含有少量氣體時，則應(yīng)在缺口朝下的折流板最高處開通最高處開通氣氣。 臥式換熱器、冷凝器和重沸器的殼程介質(zhì)為氣、液相共存或液體中含有固體物料時，折流板缺口應(yīng)垂垂直左右布置直左右布置，并在折流板最低處開通液口最低處開通液口。 安裝折流擋板的目的是為提高管外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，為取得良好的效果，擋板的形狀和間距必須適當(dāng)。 對圓缺形擋板而言，弓形缺口的大小對殼程流體的流動情況有重要影響。如圖：弓形缺口太大或太小都

23、會產(chǎn)生死區(qū)，既不利于傳熱，又往往增加流體阻力。a.切除過少切除過少b.切除適當(dāng)切除適當(dāng) c.切除過多切除過多我國系列標(biāo)準(zhǔn)中采用的擋板間距為：有100，150，200，300，450，600，700mm七種有100，150，200，250，300，350，450（或480），600mm八種。折流板的加工折流板的加工折流板和支承板的固定是通過折流板和支承板的固定是通過拉桿拉桿和和定距管定距管完成完成的。拉桿是一根兩端皆有螺紋的長桿，一端擰入管板，的。拉桿是一根兩端皆有螺紋的長桿，一端擰入管板，將折流板穿在拉桿上，折流板的間距由定距管隔離并將折流板穿在拉桿上，折流板的間距由定距管隔離并保持板間距，最

24、后一塊折流板用螺母擰緊在拉桿上。保持板間距，最后一塊折流板用螺母擰緊在拉桿上。d14mm時時 當(dāng)換熱器不需設(shè)折流板，但換熱管無支撐跨距超過相關(guān)規(guī)定時，則應(yīng)設(shè)支持板，用來支撐換熱管，以防止換熱管產(chǎn)生過大的撓度?？v向折流板是使流體平行管束流動，在傳熱縱向折流板是使流體平行管束流動，在傳熱上不如垂直流過管束好。但可提高流速，所以也上不如垂直流過管束好。但可提高流速，所以也可較好地提高傳熱效率。其可較好地提高傳熱效率。其主要缺點是：縱向折主要缺點是：縱向折流板與殼體壁間的密封不易保證，容易造成短路。流板與殼體壁間的密封不易保證，容易造成短路。 為防止殼程進(jìn)口接管處殼程流體對換熱管的直接為防止殼程進(jìn)口接管處殼程流體對換熱管的直接沖刷，可設(shè)置殼程的防沖擋板沖