換熱器結構原理選型及操作

關于換熱器結構原理選型及操作第一頁，共九十二頁，2022年，8月28日換熱器一、概述在煉油、化工生產中，絕大多數(shù)的工藝過程都有加熱、冷卻和冷凝的過程，這些過程總稱為換熱過程。傳熱過程的進行需要一定的設備來完成，這些使傳熱過程得以實現(xiàn)的設備就稱之為換熱設備。據(jù)統(tǒng)計，在煉油廠中換熱設備的投資占全部工藝設備總投資的35％～40％,因為絕大部分的化學反應或傳質傳熱過程都與熱量的變化密切相關，如反應過程中，有的要放熱，有的要吸熱，要維持反應的連續(xù)進行，就必須排除多余的熱量或補充所需的熱量；工藝過程中某些廢熱或余熱也需要加以回收利用，第二頁，共九十二頁，2022年，8月28日以降低成本。另外，生產所得的油品或化工產品，需要將其冷卻或冷凝，以便儲存和運輸。以上這些與熱量有關的過程都需要使用換熱設備。使用換熱設備是為了達到加熱或冷卻的目的，如果將那些需要加熱的流體與需要冷卻的流體，經(jīng)過換熱設備相互換熱，既可回收熱量，又可降低冷卻水的消耗。綜上所述，換熱設備是煉油、化工生產中不可缺少的重要設備。換熱設備在動力、原子能、冶金及食品等其他工業(yè)部門也有著廣泛的應用。第三頁，共九十二頁，2022年，8月28日

二、比較換熱設備的指標

效率要高。效率高就要求其傳熱系數(shù)大，傳熱系數(shù)是指在單位時間內、單位面積上溫度每變化一度所傳遞的熱量。結構緊湊。要使換熱設備的結構緊湊就要求其比表面積大，比表面積是指單位體積的換熱設備所具有的傳熱面積，即傳熱面積與換熱設備體積之比。節(jié)省材料。要做到此點要求其比重量要小，所謂比重量是指單位傳熱面積所耗用的金屬量，即換熱設備總金屬用量與傳熱面積之比。壓力降要小。流體在設備中流動阻力小、壓力損失就小，節(jié)省動力、操作成本降低。要求結構可靠、制造成本低，便于安裝、檢修、使用周期長。由于要全面滿足上述要求是非常困難的，因而產生了各種各樣的換熱器，以適應各種特定的工藝條件。第四頁，共九十二頁，2022年，8月28日三、換熱器的分類

換熱設備的分類方法很多，現(xiàn)將幾種常見的分類方法介紹如下：1、按用途分類：分為熱交換器、冷凝器、蒸發(fā)器、加熱器及冷卻器等五類。1）熱交換器：兩種不同溫度的介質進行熱量交換，使一種介質降溫而另一種介質升溫，以滿足各自的需要。2）冷凝器：兩種不同溫度的介質進行熱量交換，其中一種介質由汽態(tài)被冷凝成液態(tài)。第五頁，共九十二頁，2022年，8月28日3）蒸發(fā)器：與冷凝器的操作剛好相反，兩種介質中的一種介質由液體被蒸發(fā)成汽體。4）加熱器：只單純的完成一種介質的加熱升溫的操作。5）冷卻器：如果熱量不回收利用，完成用冷卻劑（如水、空氣）來冷卻另外一種介質的操作的換熱器稱為冷卻器。如用空氣作為冷卻劑的換熱器稱為空氣冷卻器，簡稱空冷器。2、按材料分類：分為金屬材料和非金屬材料換熱器。3、按結構分類：分為管殼式換熱器和板式換熱器。第六頁，共九十二頁，2022年，8月28日1）管殼式換熱器：特點是圓形的外殼中裝有管束。一種介質流經(jīng)換熱管內的通道及其相貫通部分（稱為殼程）。它可分為:浮頭式換熱器、U型管式換熱器、套管式換熱器、固定管板式換熱器等。2）板式換熱器：它是由壓成各種形狀的薄板組成傳熱面的，冷、熱兩種介質分別在相鄰兩板之間流動。常見的板式換熱器有平板式換熱器、傘板式換熱器、螺旋板式換熱器及板殼式換熱器。板式換熱器的傳熱效率雖然較高，但由于其強度低，密封性能差，故其應用受到了限制。因此，在石油、化工工業(yè)中應用較多的是管殼式換熱器，它已被當成傳統(tǒng)的換熱設備來加以使用。第七頁，共九十二頁，2022年，8月28日四、管殼式換熱器的總體結構1、管殼式換熱器的總體結構以及特點1）浮頭式換熱器浮頭式換熱器的一端管板是固定的。與殼體剛性連接，另一端管板是活動的，與殼體之間并不相連?；顒庸馨逡粋瓤偡Q為浮頭，浮頭式換熱器的管束可從殼體中抽出，故管外壁清洗方便，管束可在殼體中自由伸縮，所以無溫差應力；但結構復雜、造價高，且浮頭處若密封不嚴會造成兩種流體混合。浮頭式換熱器適用于冷熱流體溫差較大（一般冷流進口與熱流進口溫差可達110℃），介質易結垢需要清洗的場合。在煉油廠中使用的各類管殼式換熱器中浮頭式最多。第八頁，共九十二頁，2022年，8月28日

總體結構圖第九頁，共九十二頁，2022年，8月28日浮頭式換熱器和冷凝器，可采用內導流或外導流結構，管內均可承受高壓。內導流換熱器結構圖外導流換熱器結構圖第十頁，共九十二頁，2022年，8月28日內導流筒與外導流筒換熱器的區(qū)別Ⅰ、內導流筒換熱器是在換熱器的殼程筒體內設置了內導流筒使換熱器的前或后端未加導流筒前難以利用換熱的換熱管得以充分利用，從而增大換熱器的有效換熱面積。Ⅱ、外導流式換熱器是在原換熱器的殼程筒體上增加一個放大筒節(jié)用以擴散殼程流體，并使流體從換熱器殼程的兩端進入殼程，從而避免了在換熱器布管時考慮布管弓形的高，而使增加了同規(guī)格上換熱器的布管數(shù)目并有效利用了換熱器前后端的換熱管從而增大了有效換熱面積。第十一頁，共九十二頁，2022年，8月28日第十二頁，共九十二頁，2022年，8月28日2）固定管板式換熱器這類換熱器的結構簡單，重量輕，造價較低，在相同的殼層情況下，可較其他型式的列管換熱器多排一些傳熱管子。但是殼體與管程之間的流體的溫差不能太大，因溫差太大時，會產生較大的熱應力，使管子與管板結合處松脫而產生泄漏。此外這類換熱器因管板是固定的，所以在檢修，更換管子或清洗殼層時，都比較困難。此換熱器適用于殼程介質不易結垢，或是有結垢但可進行化學清洗的場合；殼壁與管壁因溫度差而引起的膨脹量之差不大，或膨脹差雖大但殼程壓力不高的情況。第十三頁，共九十二頁，2022年，8月28日總體結構圖第十四頁，共九十二頁，2022年，8月28日第十五頁，共九十二頁，2022年，8月28日3）U型管式換熱器這種換熱器不同于固定管板式和浮頭式，只有一塊管板，換熱管作為U字形、兩端都固定在同一塊管板上；管板和殼體之間通過螺栓固定在一起。這種換熱器結構簡單、造價低，管束可在殼體內自由伸縮，無溫差應力，也可將管束抽出清洗且還省了一塊管板；但U形管管內清洗困難且管子更換也不方便，由于U形彎管半徑不能太小，故與其他管殼式換熱器相比布管較少，結構不夠緊湊。它適用于冷熱流體溫差較大、管內走清潔不易結垢的高溫、高壓、腐蝕性較大的流體的場合。第十六頁，共九十二頁，2022年，8月28日總體結構圖第十七頁，共九十二頁，2022年，8月28日第十八頁，共九十二頁，2022年，8月28日4）釜式換熱器這種換熱器的殼體直徑一般為管束直徑的1.5～2.0倍，管束偏置于殼體的下方，液面淹沒管束，使管束上部形成一定的汽液分離空間。此換熱器多用來做蒸發(fā)器、分餾塔的重沸器或簡單的廢熱鍋爐。根據(jù)需要，管束可以是固定管板型、浮頭型或U型管型。第十九頁，共九十二頁，2022年，8月28日5）折流桿管殼式換熱器折流桿換熱器主要特點是：殼程不再設置折流板，而由折流桿組成的折流圈來代替折流板，既對管子起支撐作用，又對流體起擾動作用，藉以達到強化傳熱的目的。折流桿管殼式換熱器的結構特點：折流桿換熱器的核心部分是由一系列焊有折流桿的折流圈組成折流圈籠。圖5-1為折流圈的示意圖。圖5-2則為折流圈籠和管板的組裝圖。第二十頁，共九十二頁，2022年，8月28日圖5-1折流圈的示意圖1—殼體；2—折流圈；3—折流桿dbi、db0、d0—分別為折流圈的內徑、外徑和殼體內徑第二十一頁，共九十二頁，2022年，8月28日圖5-2折流圈籠和管板的組裝圖第二十二頁，共九十二頁，2022年，8月28日從以上兩圖可以看出折流桿是均勻地焊在折流圈上，每一個折流圈側相隔一定的距離，按一定排列分別焊接在拉桿上，從而形成一個折流圈籠。折流桿可以是圓形、方形或長方形。通常相鄰兩個折流圈的折流桿其方向是互相垂直的，即如果前一個折流圈的折流桿是垂直布置的，則后一個折流圈的折流桿就為水平布置。傳熱管穿過折流圈時可以有不同的情況，例如可以是兩根折流桿中間夾一根傳熱管子，也可以是兩根折流桿之間夾兩根傳熱管。而且前后折流圈的折流桿與傳熱管之間也可以有不同的組合情況。第二十三頁，共九十二頁，2022年，8月28日

例如前面折流圈的折流桿是水平地支撐第1、3、5-----排傳熱管，隨后一個折流圈的折流桿則是垂直地支撐第2、4、6-----排傳熱管，然后依次交替布置。當然也可以有其它的組合和布置方式，但不論何種布置方式都必須保證每根傳熱管能被四個折流圈的四根折流桿從四個方向將其牢牢固定。折流圈中的折流環(huán)可以用圓桿、方桿或方條制作，其內徑等于管束的外徑，其外徑則等于殼體內徑減去設計標準所規(guī)定的間隙。折流環(huán)的形式有桿式、板式和帶式三種。其中板式折流環(huán)的徑向厚度大于縱向厚度，而帶式折流環(huán)的徑向厚度小于縱向厚度。第二十四頁，共九十二頁，2022年，8月28日優(yōu)點：①、不易發(fā)生誘導振動損失；②、傳熱死區(qū)小，傳熱效率提高20%以上；③、壓降??；④、抗垢性能優(yōu)良；⑤、有強化冷凝的機理；⑥、適用于換熱器大型化，特別是在核電換熱器應用；適用于冷凝、沸騰場合的換熱器；⑦、適用于壓縮機級間冷卻和煙氣預熱器。缺點：①、在低雷諾數(shù)Re＜6000（液相）、Re＜10000（氣相）熱效率較低；②、造價提高3~5%。第二十五頁，共九十二頁，2022年，8月28日6）雙弓形板換熱器結構形式雙弓形板換熱器與通常使用的單弓形板換熱器相比，僅在于折流板形狀的不同。雙弓形折流板由A、B兩種結構組成。第二十六頁，共九十二頁，2022年，8月28日6）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，從而克服了普通單弓形板換熱器的殼程流體，在流動中的180度轉彎所造成的死區(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1/5～1/8，因此減少板間距和殼徑來提高流速是常用手段。第二十七頁，共九十二頁，2022年，8月28日7）螺旋折流板換熱器

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。內的旋轉，這樣在殼體內形成連續(xù)的螺旋，使流體流動接近柱塞流動。第二十八頁，共九十二頁，2022年，8月28日7）螺旋折流板換熱器螺旋折流板換熱器基本原理及折流板形式螺旋折流板換熱器的提出基于這樣一種思想:通過改變殼側折流板的布置，使殼側流體呈連續(xù)的螺旋狀流動。因此，理想的折流板布置應該為連續(xù)的螺旋曲面。但是，螺旋曲面加工困難，而且換熱管與折流板的配合也較難實現(xiàn).考慮到加工上的方便，采用一系列的扇形平面板(稱之為螺旋折流板)替代曲面相間連接，在殼側形成近似螺旋面，使殼側流體產生近似連續(xù)螺旋狀流動。一般來說，出于加工方面的考慮，一個螺距取2～4塊折流板，相鄰折流板之間有連續(xù)搭接和交錯搭接兩方式，按流道又可分為單螺旋和雙螺旋兩種結構。第二十九頁，共九十二頁，2022年，8月28日第三十頁，共九十二頁，2022年，8月28日性能特點：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：①衡量換熱效果好壞的綜合效益系數(shù)(即傳熱速率與壓力降的比值)有較大的提高：

ABB公司以水一水為介質，進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，結果為：(a)螺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。②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度轉彎處易有固體顆粒堆積和結垢產生。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。第三十一頁，共九十二頁，2022年，8月28日折流板按一定的間距和不同方位相繼排列，使殼程流體呈旋轉柱塞流動。這就消除了流動死區(qū)，減少了固體顆粒堆積和結垢的生成。因為沒有橫穿管間的流動，因此即使在較高的流速下也不易引起管子的振動。③較低的壓力降允許流體提高流速，以使膜傳熱系數(shù)有較大的提高：因為殼程壓力降僅為普通弓形折流板的1/4-1/5，故可以允許介質高速流過從而強化傳熱效果。在滿足管程需求的同時，可以盡量提高殼程流動速度來提高膜傳熱系數(shù)。這樣，螺旋折流板換熱器需要精心設計，尋求適合的殼徑與管長的比例，以達到提高總傳熱速率、減少換熱面積的目的。第三十二頁，共九十二頁，2022年，8月28日④對于限制殼程壓力降的設備，在利用原有殼徑的基礎上，螺旋折流板換熱器可以發(fā)揮自身優(yōu)勢。第三十三頁，共九十二頁，2022年，8月28日8）螺紋鎖緊環(huán)換熱器螺紋鎖緊環(huán)換熱器，其結構主要由管箱、殼體、管束、管箱蓋、固定環(huán)、螺紋鎖緊環(huán)、壓緊環(huán)、密封裝置等零部件組成。一般設計壓力8~20MPa，設計溫度300~550℃，材料為2.25Cr-1Mo+347L或15CrMoR+321，是目前高壓換熱器設計難度高，制造難度大的換熱設備，螺紋鎖緊環(huán)換熱器結構復雜，金屬耗量大，機加工配合件較多。第三十四頁，共九十二頁，2022年，8月28日密封結構——螺紋鎖緊環(huán)

1-管箱殼體；2-固定螺栓；

3-固定螺栓；4-管箱蓋；

5-墊片壓板；6-固定環(huán)；

7-螺紋鎖緊環(huán)；8-壓緊環(huán)；

9-管程墊片；10-壓環(huán)；

11-內法蘭；12-管程開口接管；

13-密封裝置；14-管板；

15-傳熱管；16-殼體；

17-殼程開口接管；18-殼程墊片；19-分程隔板；20-內部固定螺栓；21-內套筒第三十五頁，共九十二頁，2022年，8月28日密封結構——螺紋鎖緊環(huán)第三十六頁，共九十二頁，2022年，8月28日優(yōu)點：①、結構上安全可靠；

②、耐高溫、高壓，溫度≤550℃，壓力≤20MPa；

③、密封性能好；

④、結構獨特；

⑤、殼壁與管束壁溫差大，管束可自由伸縮，吸收膨脹差；

⑥、可拆卸、可清洗；

⑦、耐硫化氫腐蝕缺點：①、結構復雜，設計繁瑣；

②、重量大，造價高；③、零部件較多，密封要求高；④、檢修、維修量大。第三十七頁，共九十二頁，2022年，8月28日9）Ω環(huán)高壓換熱器

Ω環(huán)高壓換熱器結構由管箱、殼體、管束、Ω環(huán)等零部件組成，與普通U型管換熱器結構相同，所不同的是密封墊片由Ω環(huán)代替。其原理是：工作狀態(tài)下介質進入Ω環(huán)中，由于小管子承壓高，故可承受壓力≤32MPa，由于采用0Cr18Ni11Ti耐溫可達550℃，由于操作過程中Ω環(huán)中介質存在，故墊片比壓可選擇為零，減少了螺栓預緊載荷而使螺柱直徑減小，減少螺柱預緊時管板產生的載荷，減薄了管板的厚度，由此重量低，造價降低。第三十八頁，共九十二頁，2022年，8月28日第三十九頁，共九十二頁，2022年，8月28日優(yōu)點：①、結構簡單，設計簡單；②、密封安全可靠；③、耐高溫、高壓，溫度≤550℃，壓力≤32MPa；④、結構獨特；⑤、殼壁與管束壁溫差大，可吸收熱膨脹；⑥、拆卸方便，可清洗；⑦、采用流路分析法設計，傳熱效率提高20%以上；⑧、耐硫化氫腐蝕；⑨、重量可比螺紋鎖緊環(huán)降低23%，鍛件耗量少，造價節(jié)省21%；⑩、適用于8~32MPa壓力的加氫換熱器、合成氨換熱器、化肥裝置廢鍋換熱器、巨毒介質換熱器以及絕對保證無泄露的場合。缺點：Ω環(huán)加工復雜，要求較高。

第四十頁，共九十二頁，2022年，8月28日10）、板式換熱器板式換熱器其結構由板片、壓緊板、膠墊、支架等零部件組成，是一種傳熱效率高，占地面積小，重量輕、結構緊湊、維修、檢修、安裝較方便的換熱器。板片間采用膠墊密封或焊接。第四十一頁，共九十二頁，2022年，8月28日（1）、板式換熱器的優(yōu)點①傳熱系數(shù)高：板式換熱器具有較高的傳熱系數(shù)，一般約為管殼式換熱器的2-5倍。主要原因是流體在管殼式換熱器的殼程中流動時存在著折流板-殼體、折流板-換熱管、管束-殼體之間的旁路，通過這些旁路的流體，沒有充分參與換熱。而板式換熱器，不存在旁路，而且板片的波紋能使流體在較小的流速下產生湍流，湍流效果明顯，(雷諾數(shù)約為200即為湍流)，故能獲得較高的傳熱系數(shù)。

第四十二頁，共九十二頁，2022年，8月28日②末端溫差小：板式換熱器兩種流體可實現(xiàn)純逆流。在管殼式換熱器中，兩種流體分別在殼程和管程內流動，總體上是錯流的流動方式，降低了對數(shù)平均溫差。板式換熱器由于可實現(xiàn)溫度交叉，末端溫差可達到1℃；管殼式換熱器不能實現(xiàn)溫度交叉(即二次側出口溫度不能高于一次側的出口溫度)，末端溫差只能達到5℃。③污垢系數(shù)低板式換熱器內的流體由于劇烈湍動造成對板面的沖刷，同時不銹鋼換熱面光滑，雜質不易沉積；因此，板式換熱器的污垢系數(shù)遠低于管殼式換熱器。板式換熱器的污垢系數(shù)約為管殼式換熱器的1/10。第四十三頁，共九十二頁，2022年，8月28日④壓降低：板式換熱器板片相互疊放，不存在傳統(tǒng)管式換熱器管間距的限制，因此板式空冷器具有較大的流通面積，一般情況下，在相同換熱面積時板式換熱器流通面積比管式換熱器大5倍，而且板的表面光滑，因而可降低壓力損失。⑤結構緊湊：由于板式空冷器單板換熱面積大，同時就緊湊度指標而言，板式換熱器緊湊度約為220m2/m3，遠大于列管式換熱器的78m2/m3。在換熱量相同時，板式換熱器所需的換熱面積比管殼式換熱器小，其重量約為管殼式的1/5。板式換熱器的占地面積是管殼式換熱器的1/5～1/10。第四十四頁，共九十二頁，2022年，8月28日⑥容易實現(xiàn)大型化單板面積最大可達21m2，單臺板式換熱器的面積可達10000m2。

(2)板式換熱器的缺點①承壓能力相對較低焊接板式換熱器是一種新產品，結構還未定型，受壓元件的計算仍在探討之中。目前還沒有成熟的設計標準。按目前的制造水平板式換熱器的最高工作壓力約為4MPa。②不宜用于易堵塞通道的介質板式換熱器的板間通道較窄，一般為3～8mm，當換熱介質中含有較大的固體顆?；蚶w維物質時，就容易堵塞板間通道。對這種換熱場合采用焊接板式換熱器是不適宜的。第四十五頁，共九十二頁，2022年，8月28日板式換熱器的結構型式（1）板片的形式板片是板式換熱器的傳熱元件，冷熱流體通過板間形成的流道完成熱交換。為了提高板式換熱器的傳熱效率，通常將板片壓制成不同形狀的波紋。波紋的形式有水平平直波紋、斜波紋豎直波紋、球形波紋、人字形波紋和方形波紋。（2）板片材料選用的基本原則①板片要具有良好的耐腐蝕性板片材料的選用要考慮進入換熱器的介質的腐蝕性。特別是要注意氯離子對不銹鋼引起的應力開裂腐蝕。一般情況，對于氯離子腐蝕可按下述原則選材：

第四十六頁，共九十二頁，2022年，8月28日A、當介質中的氯離子濃度小于50mg／L，溫度小于60℃，可選用304；B、當介質中的氯離子濃度小于200mg／L，溫度小于60℃時，可選用316；C、當介質中的氯離子濃度高于200mg／L時，應選用高級不銹鋼或鈦合金；②板片材料應具有耐高溫性能板式換熱器用于高溫條件時，板片材料必須具有耐高溫性能，如用于高溫煙氣余熱回收系統(tǒng)的板式換熱器，煙氣的溫度甚至高達1000℃。因此，在板式換熱器的板片材料就應考慮與使用溫度相應的牌號。第四十七頁，共九十二頁，2022年，8月28日③板片材料應具備良好的加工性能：板式換熱器的板片須通過壓制形成不同的形狀和深度的波紋。因而，對板片材料的金屬延展性有一定的要求。一般情況下，奧氏體不銹鋼都具很高的延展性，冷壓加工性能不會成為問題。④用于焊接的板式換熱器的板片材料，還應具有良好的焊接性能。第四十八頁，共九十二頁，2022年，8月28日板式換熱器結構選型板式換熱器的結構可分為板框式(可拆式)和板殼式兩大類。在石油化工裝置中，選用板式換熱器結構形式時，要考慮下列因素。①操作介質的溫度：操作介質的溫度對板式換熱器的結構有決定性作用，當介質的操作溫度超過180℃

，不應采用墊片密封的可拆式板式換熱器，因為耐溫最好的墊片長期在180

℃以上的溫度下工作也會出問題。因此對介質的溫度高于180℃

時，必須采用焊接式結構的板式換熱器。第四十九頁，共九十二頁，2022年，8月28日②操作的可靠性：石油化工裝置是長周期連續(xù)操作的，操作周期長達5年甚至更多。因此對設備的可靠性要求很高?；谶@點，應采用全焊接的板式換熱器。③操作介質的黏稠度當操作介質在工作溫度下黏度較大時，且工作溫度低于密封墊的許用溫度之下時，可采用可拆式板式換熱器，可有利于板片的清洗和維護。第五十頁，共九十二頁，2022年，8月28日2、管殼式換熱器的主要組合部件管殼式換熱器的主要組合部件有前端管箱，殼體和后端結構（包括管束）三部分，詳細分類以及代號（英文字母）如下所示：第五十一頁，共九十二頁，2022年，8月28日第五十二頁，共九十二頁，2022年，8月28日第五十三頁，共九十二頁，2022年，8月28日3、換熱器型號的表示方法第五十四頁，共九十二頁，2022年，8月28日現(xiàn)舉例說明浮頭式換熱器平蓋管箱，公稱直徑500mm，管程和殼程設計壓力均為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：AES500-1.6-54-6/25-4Ⅰ第五十五頁，共九十二頁，2022年，8月28日固定管板式換熱器封頭管箱，公稱直徑700mm，管程設計壓力2.5MPa，殼程設計壓力1.6MPa，公稱換熱面積200㎡，較高級冷拔換熱管外徑25mm,管長9m，4管程單殼程的固定管板式換熱器，其型號為：BEM700-2.5/1.6-200-9/25-4Ⅰ第五十六頁，共九十二頁，2022年，8月28日U型管式換熱器封頭管箱，公稱直徑500mm，管程設計壓力4.0MPa，殼程設計壓力1.6MPa，公稱換熱面積75㎡，較高級冷拔換熱管外徑19mm,管長6m，2管程單殼程的U型管式換熱器，其型號為：BIU500-4.0/1.6-75-6/19-2ⅠⅡⅡ第五十七頁，共九十二頁，2022年，8月28日釜式重沸器平蓋管箱，管箱內直徑600mm，圓筒內直徑1200mm，管程設計壓力2.5MPa，殼程設計壓力1.0MPa，公稱換熱面積90㎡，普通級冷拔換熱管外徑25mm,管長6m，2管程釜式重沸器，其型號為：AKT-600/1200-2.5/1.0-90-6/25-2Ⅱ第五十八頁，共九十二頁，2022年，8月28日浮頭式冷凝器封頭管箱，公稱直徑1200mm，管程設計壓力2.5MPa，殼程設計壓力1.0MPa，公稱換熱面積610㎡，普通級冷拔換熱管外徑25mm,管長9m，4管程單殼程的浮頭式冷凝器，其型號為：BJS1200-2.5/1.0-610-9/25-4ⅡⅡ第五十九頁，共九十二頁，2022年，8月28日五、管殼式換熱器的主要零部件（一）換熱管及在管板上的排列方式換熱管是管殼式換熱器的傳熱元件，它直接與兩種介質接觸，所以換熱管的形狀和尺寸對傳熱有很大的影響。小管徑利于承受壓力，因而管壁較薄且在相同的殼徑內可以排列較多的管子，使換熱器單位體積的傳熱面積增大、結垢緊湊，單位傳熱面積金屬耗量少，傳熱效率也稍高一些，但制造麻煩，且小直徑管子易結垢，不易清洗。所以一般對清潔流體用小直徑管子，粘性較大的或污染的流體采用大直徑管子。我國管殼式換熱器常用換熱管為：碳鋼、低合金鋼管有Φ19×2、Φ25×2.5、Φ38×3、Φ57×3.5；不銹鋼管有

Φ25×2、Φ38×2.5。第六十頁，共九十二頁，2022年，8月28日在相同的傳熱面積的情況下，換熱管越長則殼體、封頭的直徑和壁厚就越小，經(jīng)濟性越好；但換熱管過長，經(jīng)濟效果不再顯著且清洗、運輸、安裝都不太方便。換熱管的長度規(guī)格有1.5、2.0、3.0、4.5、6.0、7.5、9.0、12.0m，在煉油廠所用的換熱器中最常用的是6m管長。換熱管一般都用光管，為了強化傳熱，也可用螺紋管、帶釘管及翅片管。換熱管在管板上的排列形式有正三角形、轉角正三角形、正方形和轉角正方形等。如圖所示。三角形排管多，結構緊湊，但管外清洗不方便；正方形排管少，結構不夠緊湊，但管外清洗較方便。一般在固定管板式換熱器中多用三角形排列，浮頭式換熱器多用正方形排列。第六十一頁，共九十二頁，2022年，8月28日第六十二頁，共九十二頁，2022年，8月28日（二）管板及換熱管的連接管板一般采用圓形平板，在板上開孔并裝設換熱管，在多管程換熱器中管板上還設置分程隔板。管板還起分隔管程和殼程空間，避免冷熱流體混合的作用。管板與換熱管間可采用脹接、焊接或二者并用的連接方式。管板與換熱管的脹接連接是利用管子與管板材料的硬度差（選材時管板材料硬度要高于管子材料硬度），使管子在管孔中在脹管器的作用下直徑擴大并產生塑性變形，而管板只產生彈性變形，在脹管后管板在彈性恢復力的作用下與管子外表面緊緊貼合在一起，達到密封和緊固連接的目的，如圖所示。脹接連接結構簡單、便于管子更換與修補，但不宜在高溫、高壓下工作。隨著溫度和壓力增高，脹接的密封性和牢固性將逐漸下降。第六十三頁，共九十二頁，2022年，8月28日焊接連接是將換熱管的端部與管板焊在一起，這種連接形式工藝簡單、不受管子與管板材料硬度的限制，而且在高溫、高壓下仍能保持良好的連接密封性和牢固性，所以在高溫、高壓下甚至某些壓力并不太高的場合都使用焊接連接，如圖所示。焊接連接的缺點是只在管子端部與管板焊死，而沿管板厚度方向的大部分管段其外壁與管板之間存在環(huán)行間隙，在這些間隙中流體不流動，及易造成“間隙腐蝕”，為消除間隙可采用脹接和焊接并用的連接方式。第六十四頁，共九十二頁，2022年，8月28日第六十五頁，共九十二頁，2022年，8月28日（三）殼體及管板的連接管殼式換熱器的殼體都是圓筒形的，直徑較小時用無縫鋼管制作，直徑較大時用鋼板卷制焊接而成；殼體所用材料及要求與一般的壓力容器相同。不同類型的管殼式換熱器其殼體與管板的連接方式不同，在固定管板式換熱器中，兩端管板均與殼體采用焊接連接，這種連接稱為管板與殼體的不可拆連接；根據(jù)管板是否兼作法蘭其結構不用，如圖所示，多數(shù)情況下采用管板兼作法蘭的結構。在浮頭式、U形管式換熱器中固定端的管板與殼體采用可拆連接，將管板夾持在殼體法蘭與管箱法蘭之間，這樣便于管束從殼體中抽出進行清洗和維修，如圖所示。第六十六頁，共九十二頁，2022年，8月28日第六十七頁，共九十二頁，2022年，8月28日（四）管箱管箱的作用是將進入管程的流體均勻分布到各換熱管，把管內流體匯集在一起送出換熱器。在多管程換熱器中，管箱還可通過設置隔板起分隔作用。管箱結構如圖所示，其中圖（a）適用較清潔的介質，因檢查管子及清洗時只能將管箱整體拆下，故不太方便；圖（b）在管箱上裝有平蓋，只要將平蓋拆下即可進行清洗和檢查，所以工程應用較多，但材料消耗多；圖（c）是將管箱與管板焊成一體，這種結構密封性好，但管箱不能單獨拆下，檢修、清洗都不方便，實際應用較少。第六十八頁，共九十二頁，2022年，8月28日第六十九頁，共九十二頁，2022年，8月28日（五）折流板折流板是設置在殼體內與管束垂直的弓形或圓盤－圓環(huán)形平板，如圖所示。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，改善了傳熱效果，在臥式換熱器中折流板還可起到支撐管束的作用。但在冷凝器中，由于冷凝傳熱系數(shù)與蒸汽在設備中的流動狀態(tài)無關，因此不需要設置折流板。第七十頁，共九十二頁，2022年，8月28日第七十一頁，共九十二頁，2022年，8月28日（六）、高效傳熱管型

1、螺紋管普通換熱管外壁軋制成螺紋狀的低翅片，用以增加外側的傳熱面積。翅片部分的最大外徑比管子兩端未軋翅片的光管直徑要小，翅片根部要小得更多。因此在與光管相同的管間距下，凈錯流面積比光管顯著增大。第七十二頁，共九十二頁，2022年，8月28日2、波紋管橫紋波紋管是一種雙面強化傳熱的管型，內外壁被軋成環(huán)狀波紋凸肋，其內壁能改變流體邊界層的流動狀態(tài)，外壁能增大傳熱表面和擾動，達到雙面強化傳熱的目的。第七十三頁，共九十二頁，2022年，8月28日3、T形翅片管

T形翅片管用于強化殼程介質的沸騰傳熱。以普通光滑換熱管為基管，采用無切削的滾扎工藝軋制而成。T形翅片管是靠坯管表層金屬的塑性變形而形成翅片，因其形狀類似英文字母T而得名。T形翅片管加工過程控制參數(shù)是螺距和翅片之間的開口度，目前常用的螺距為1～3mm、開口度為0.1～0.4mm、翅高在0.9—1.2mm之間。第七十四頁，共九十二頁，2022年，8月28日4、機械加工多孔表面管(MH管)

機械加工多孔表面強化沸騰傳熱管(簡稱MH管)，是寧波廣廈熱力成套設備有限公司2003年自主研制開發(fā)成功的新管型。已經(jīng)用于工業(yè)生產中，顯示出了優(yōu)良的傳熱性能和很好的穩(wěn)定性。MH管選用普通工業(yè)換熱管為基管，一次軋制成帶溝槽的多孔表面。MH管型的基本參數(shù)：φ25mm×3.0mm的換熱管，隧道開口度0.3mm；齒高0.9mm、齒距約1.5mm；橫切槽距1.2mm。管壁厚度2.7mm；孔穴密度56個/cm2。第七十五頁，共九十二頁，2022年，8月28日六、換熱器中流動引起振動的分析1、流動誘發(fā)振動基本原理換熱管是換熱器中細長的彈性元件，流體流人和流過管子引發(fā)振動是自然結果。在大多數(shù)換熱器中，振動的強度很低，不會造成問題。當振動強度增加到會引起某些機械部件損壞時，振動就成問題了。換熱管根據(jù)不同的結構和材料，呈現(xiàn)不同的振動頻率稱作自然頻率。這種振動強度用管子周期性運動來表示，從波峰到波峰運動的程度叫振幅。隨流速的增加使得振幅增加，當誘發(fā)頻率與自然頻率一致時，會產生共振。管子在大振幅下長期振動導致管子的機械破壞。第七十六頁，共九十二頁，2022年，8月28日機械損壞有幾種不同的機理而發(fā)生：①如果振動的振幅大到足以使相鄰管子彼此撞擊或撞擊殼體，管壁就會隨時間磨薄，最終開裂。管子撞擊會在其中部產生菱形的磨損，即發(fā)生碰撞損壞。②管子損壞的部位在穿過擋板的地方，為擋板損壞。因為折流板管孔比管外徑約大0.8～1.2mm，振動中的管子被擋板切割，會使管壁減薄，直到泄漏。③由于疲勞而發(fā)生機械損壞，管子的重復彎曲會導致管材斷裂。疲勞損壞還會因腐蝕和沖蝕而加快。第七十七頁，共九十二頁，2022年，8月28日④管接頭損壞是管子與管板之間的接頭處，振動使脹接接頭脫開。即便是焊接方式，也發(fā)現(xiàn)伸出管板的管子，因管孔銳邊對管壁的切割作用而造成損壞。

⑤當殼程介質為水蒸氣或氣體時，過大的操作噪聲在管箱內可能引起聲振動。其特點是單調低頻的強烈噪聲。流動誘發(fā)振動的激振機理通常分為：漩渦分離或流動的周期性；湍流抖振；流體彈性不穩(wěn)定性和聲激振動。前三者當激振頻率與管子頻率同步就產生振動響應。在流體橫流速度低于流體彈性不穩(wěn)定臨界速度時，不會發(fā)生流體彈性不穩(wěn)定振動。達到和超過臨界速度，就會發(fā)生不穩(wěn)定性振動狀態(tài)。第七十八頁，共九十二頁，2022年，8月28日2、影響管子振動的參數(shù)（1）、管子的自然頻率（2）、外殼聲振（3）、流速第七十九頁，共九十二頁，2022年，8月28日3、流動誘發(fā)振動問題可能的解決方法3.1可能做的設計修改（1）、降低殼程流速如果殼程流率是固定的，可通過增大管心距來降低速度。在設計壓力降為約束條件時，這種處理很有吸引力，但是會使殼徑增加。（2）、改變管子布置角度改變管子布置角度可以降低速度和物流誘導振動的激發(fā)頻率，但是傳熱與壓力降會有所改變。第八十頁，共九十二頁，2022年，8月28日（3）、增加管子的自然頻率最為有效的方法是減少最長的末端支撐的長度。例如將TEMA規(guī)范中標準跨距長度最低值減少20％，就可增加自然頻率50％以上。改變管子材質和增加壁厚也會起一定作用，但是不會大幅度地增加自然頻率。在制作管束期間，管子由于過軋而處于壓縮狀態(tài)，造成自然頻率減少。對控制U形管換熱器彎頭區(qū)的振動，在管子間打入棒、板或楔子來防止移動，也可增加自然頻率，這些都是防止振動的有效措施。（4）、降低接管處的速度可增加接管尺寸來降低速度。如果有防沖板，需要保證離開防沖板邊緣的速度不過分高。分布器是降低進入管束流體流速的最有效辦法。第八十一頁，共九十二頁，2022年，8月28日

（5）、改變折流板的類型折流板類型的改變往往可以解決振動問題，折流桿換熱器和螺旋折流板換熱器，已經(jīng)成功地解決了低壓力降換熱器中的振動問題。國內皆已開發(fā)成功，在工業(yè)生產中正逐步擴大應用。

3.2現(xiàn)場發(fā)生振動問題可能的解決方法首先要確定振動是由于殼程流體流動引起的，還是從某個外源誘發(fā)的。如果肯定是物流誘導，有以下解決方法供參考。

(1)堵塞泄漏管不管泄漏是什么原因在造成的，對泄漏管臨時的解決辦法就是在管頭打入堵頭，以封閉泄漏管。第八十二頁，共九十二頁，2022年，8月28日(2)降低殼程流率降低殼程流率可以使物流引導的振動停止。這種處理只有在操作允許的范圍內，才可行。

(3)插入棒、鋼絲和楔子來加強管束在管子之間插入繞帶和打人楔子來限制管束移動，就可以增加換熱器的自然頻率。在U形管換熱器的U形彎頭處，經(jīng)常使用這種方法。

(4)拆下窗口區(qū)的管子，形成旁路這樣可以降低橫流速度，足以控制振動。不過需要核實傳熱與壓力降的性能是否符合需求。

(5)更換防振動管束。第八十三頁，共九十二頁，2022年，8月28日七、管殼式換熱器流體通過管程或殼程的選擇流體經(jīng)過換熱器時應走管程還是走殼程，需要考慮多方面因素，不能提出一定的規(guī)則。但總的原則是有利傳熱、防止腐蝕、減少阻力、不易結垢、便于清掃。腐蝕性介質走管程，以免使管程和殼程材質都遭到腐蝕。有毒介質走管程，這樣泄漏的機會就少一些。流量小的流體走管程，以便選擇理想的流速，流量大的流體宜走殼程。高溫、高壓流體走管程，因管子直徑較小可承受較高的壓力。第八十四頁，共九十二頁，2022年，8月28日容易結垢的流體在固定管板式和浮頭式換熱器中走管程，在U形管式換熱器中走殼程，這樣便于清洗和除垢；若是在冷卻器中，一般是冷卻水走管程、被冷卻流體走殼程。流體的流向對傳熱也有較大的影響，為充分利用同一介質冷熱對流的原理，以提高傳熱效率和減少動力消