1、第2章 管壳式换热器,2.1 类型、标准与结构 2.1.1类型和标准,1.基本类型：,固定管板式换热器,浮头式换热器,U形管式换热器,填料函式换热器,固定管板式换热器,列管式换热器,固定管板式换热器,特点：消除了温差应力、便于清洗和检修；结构复杂、成本高； 适用：应用广泛。,b）浮头式换热器,一端可以沿轴向自由浮动,浮头式换热器,浮头结构,浮头管板 钩圈 浮头端盖,优点： （1）壳体和管束热变形自由，不产生热应力。 （2）管束可从壳体中抽出，便于壳程的检修和清洗。 缺点： （1）结构复杂，造价高。 （2）为使一端管板浮动，需增加一个内浮头盖及相关连接件以保证密封，操作时，如果内浮头盖连接处泄漏
2、将无法发现，所以应严格保证其密封性能。 （3）为使浮头管板和管束检修时能够一起抽出，在管束外缘与壳壁之间形成宽度为1622mm的环隙，这样不仅减少了排管数目，而且增加了旁路流路，降低了换热器的热效率。,浮头式换热器,U形管式换热器,优点： （1）结构简单，省去一块管板和一个管箱，造价低。 （2）管束和壳体分离，热膨胀时互不约束，消除热应力。 （3）管束可以从壳体中抽出，管外清洗方便。缺点： （1）弯管必须保持一定曲率半径，管束中央会存在较大的空隙，流体易走短路，对传热不利。 （2）管内不能用机械方法清洗，宜走清洁流体。 （3）管子泄漏损坏时，只有最外层管子可以更换，其他管子只能堵死，会减小换热
3、面积。,U形管式换热器：,适用：可用于高温高压，适用于管程为洁净而不易结垢的流体。,填料函式换热器,对分流壳体,填料函,优点： （1）结构比浮头式换热器简单，壳体和管束热变形自由，不产生热应力。（2）管束可从壳体中抽出，壳程的检修和清洗方便。缺点： 填料函处形成动密封，壳程介质易泄漏，要求壳程介质温度和压力不能过高，且无毒、非易燃和易爆。 填料函式换热器通常只适用于低压和小直径场合。,填料函式换热器,主要部件的分类及代号,问题：AES500-1.6-54-6/25-4I,浮头式热交换器零部件介绍,管壳式换热器的设计、制造标准,美国的TEMA标准，日本的JIS B8249标准， 英国的BS550
4、0标准,国标GB 151-1999：适用范围(1)公称直径DN2600mm；（2）公称压力PN35MP；（3）公称直径和公称压力的乘积1.7104,2.1.2 管子在管板上的固定与排列,一、管子在管板上的固定,根据换热器的使用条件不同,加工条件不同,连接的方法基本上分为胀接、焊接和胀焊结合三种,由于胀接法能承受较高的压力,特别适用于材料可焊性差的情况。,1.胀管法,胀管前后示意图,（a）胀管前,（b）胀管后,胀接管孔结构,强度胀适用范围： P4.0MPa t 300oC,焊接法,优点： （1）强度高，抗拉脱力强。 （2）修理、更换方便。,缺点： （1）焊接残余应力可能导致应力 腐蚀和疲劳破坏。
5、 （2）间隙腐蚀问题。,焊接+胀接,焊胀结合,前面我们讲了胀接、焊接后，会发现它们各自有优、缺点，因而目前广泛应用了胀焊并用的方法，这种方法能提高连接处的抗疲劳性能，消除应力腐蚀和间隙腐蚀，提高使用寿命。胀焊并用连接形式主要有： 先焊后胀：强度焊贴胀高温高压换热器中大多用厚壁管，胀接时要使用润滑油，进入接头后缝隙中会在焊接时生成气体，恶化焊缝质量，只要胀接过程控制得当，先焊后胀可避免这一弊病。,先胀后焊：强度胀密封焊适用于管子与管板材料焊接性能较差的材料，胀接时不用润滑油，可防止产生焊接裂纹。,概念解释：密封焊不保证强度，只防漏；强度焊既防漏，又保证抗拉脱强度；贴胀只消除间隙，不承担拉脱力；强
6、度胀既消除间隙，又满足胀接强度。 目前，先焊后胀与先胀后焊两派学说仍处于争议之中。,换热管在管板上的排列方式:,在确定管子在管板上的排列方式时，应该考虑 下列原则:,(1)要保证管板有必要的强度，而且管子和管板的连接 要坚固和紧密;(2)设备要尽量紧凑，以便减小管板和壳体的直径，并使管外空间的流通截面减小，以便提高管外流体的流速;(3)要使制造、安装和修理、维护简便这些要求能否满足，关键在于管子的排列方式和管间距的正确选择。,流体流动方向,流体流动方向,正三角形,转角正三角形,正三角形最普遍，因为在相同的管板面积上排管最多，结构紧凑，但管外清洗不方便；,当壳程流体不是污染性介质时，采用正三角形
7、排列法。正三角形排列法在一定的管板面积上可以配置较多的管子数，且由于管子间的距离都相等，在管板加工时便于画线与钻孔。,我国换热器系列中，固定管板式多采用正三角形排列,正方边形,流体流动方向,流体流动方向,正方形,转角正方形,正方形排管少，结构不够紧凑，但管外清洗较方便。,换热管排列图,壳程流体需要用机械清洗时，采用正方形排列法。正方形排列法在一定的管板面积上可排列的管子数量少。此排列法在浮头式和填料函式换热器中用得较多。若将正方形排列的管束旋转45安装，可适当提高壳程对流传热系数。,我国换热器系列中，浮头式则以正方形错列排列居多,同心圆形,在制氧设备中，有采用同心圆排列法，这种排列法比较紧凑，
8、且靠近壳体的地方布管均匀；在小直径的换热器中，按此法在管板上布置的管数比按正三角形排列的还多。,我国换热器系列中，同心圆排列法用于用于小壳径换热器。,组合的排列,例如在多管程热交换器中，每一程都采用等边三角形排列，而在各程相邻管排间，为便于安装隔板，则采用正方形排列,换热管中心距,常用的换热管中心距的值如表2.3所示。,管间距应考虑使管桥具有一定的 强度和稳定性，同时便于清洗。,要求： 中心距 P1.25d0,注意 当管束采用正方形排列（管间需要机械清洗 ）时，相邻管间的净空距离不宜小于6mm，对于外径为l0mm、12mm、14mm的换热管的中心距分别不得小于17mm、19mm和2lmm。当采
9、用转角正方形排列时，其分程隔板两侧相邻的管中心距应为32mm32mm正方形的对角线。,（1）我国管壳式换热器标准规定采用无缝钢管作为换热管，主要规格有（外径壁厚）：192.0；252.5；382.5；573.5等； （2）换热管长度可根据工艺计算确定，但应考虑管材的合理使用。我国轧制钢管长度系列一般为：1.5m、2.0m、3.0m、 4.5m、 6.0m、9.0m等。 （3）换热管排列方式考虑原则：使换热管在换热器横截面上均匀而紧凑地分布，同时应考虑流体的性质及结构设计等方面的问题，如管束是否分程、是否有纵向隔板等。 （4）管子在管板上要保证一定的管间距要求 换热管中心距 P1.25d0,换热
10、管的选用：,布管限定圆,管 板,管板作用是固定换热管束，并用来作为换热器两端间壁将壳、管程流体相互分开，一般多采用单层管板，但对有危险或腐蚀性的物料或当管、壳程流体一旦相互渗漏就会产生危险的场合，可采用双层隔板。,管板与壳体的连接方式,2.1.4 分程隔板,当换热器所需的换热面积较大，而管子又不能做得太长时，就得增大壳体直径，排列较多的管子。此时，为了减少管程流体截面积、增加管程流速，提高传热效果，须将管束分程，使流体依次流过各程管子。,（一）分程原因,（二）分程隔板,双层隔板与管板的密封,单层隔板与管板的密封,（1）管程数目不能太多，否则会使管箱结构复杂，给制造带来困难，同时流体阻力也会增大
11、。（2）管程数目一般为偶数程（单程除外），这样可以使管程的进出口设置在同一端管箱上，便于制造、操作和维修。（3）尽可能使各程换热管数目大致相等，以减小流体阻力。（4）相邻管程流体间温度差不宜过大（不超过28），以避免产生过大热应力。,管束分程 的原则：,管程布置表,2.1.5 纵向隔板、折流板和支持板,目的：为了提高流体的流速和湍流程度，强化壳程流体的传 热，在壳程常设置纵向隔板或折流板。纵向隔板在U型管壳式换热器内常有应用。其最小厚度为 6mm，当壳程压降较大时，需适当加厚.折流板是设置在壳体内与管束垂直的弓形或圆盘圆环形平板。折流板常用形式有：弓形折流板、盘环形折流板、扇形折流板和管孔形折
12、流板等几种。弓形折流板又分单弓、双弓、三弓型三种。在弓形折流板中，流体流动死角较小，结构简单，用的最多。盘环形结构复杂，不便清洗，一般用在压力较高和物料比较清洁的场合；扇形和管孔形应用较少。什么时候用支持板?,尺寸 厚度与壳体直径和折流板间距有关；,弓形折流板间距：最小间距max0.2Di，50mm。最大间距：按下表规定选取，且Di,间隙：折流板外径与壳体之间的间隙要适当，因为过小给安装带来困难，过大又影响传效率，详见下表。,折流板的固定 拉杆定距管结构（适用于换热管外径19mm的管束）折流板和支承板的固定是通过拉杆和定距管来实现的。,拉杆点焊结构，适用于换热管外径14mm的管束。拉杆的数量不
13、少于四根，直径不小于10mm。应尽量布置在管束的外边缘，对于大直径换热器，在布管区或靠近折流板缺口处也应布置适当数量的拉杆。,2.1.6 挡管和旁路挡板,挡管和旁路挡板同是为换热器内防止流体短路的结构件。,旁路挡板,作用阻止流体短路，迫使壳体流体通过管束进行热交换结构及安装加工成规则的长条状，长度等于折流板或支承板的板间距，两端焊在折流板或支承板上。,旁路挡板,旁路挡板的结构,2.1.7 防冲板与导流筒,处于流体进口处的管束，经常受到高流速流体的冲刷，故在进口处设一防冲板，以减少流体的不均匀分布和对换热管的冲蚀，起一个防护作用。 防冲板可以焊在定距管和拉杆上，也可焊在壳体上。,管箱的作用：将进
14、入管程的流体均匀分布到各换热管，把管内流体汇集在一起送出换热器。在多管程换热器中，管箱还可通过设置隔板起分隔作用。管箱结构如图2.5所示，一类适用较清洁的介质，因检查管子及清洗时只能将管箱整体拆下，故不太方便（如C)；第二类在管箱上装有平盖，只要将平盖拆下即可进行清洗和检查，所以工程应用较多，但材料消耗多（如A)；第三类是将管箱与管板焊成一体，这种结构密封性好，但管箱不能单独拆下，检修、清洗都不方便，实际应用较少（如N）。,2.1.8 管箱,管箱,2.2 管壳式热交换器的结构计算,在换热器设计中，传热计算之后即是结构计算。结构计算的任务在于确定设备的主要尺寸，对于管壳式换热器，主要包括： 计算
15、管程截面积（管子尺寸、数目及程数，管子排列方式） 壳体直径 壳程截面积 计算进出口连接管尺寸,2.2.1 管程流通截面积,基本方程为连续性方程 单管程换热器的管程流通截面积为：,2.2.2壳体直径的确定,换热器壳体内径通常是根据管径，管数和管子的排列方法，用作图法确定。当管数较多又要反复计算时，可参考系列标准或通过估算初选外壳直径，待设计完成后再用作图法画出管子的排列图。为使管子均匀排列，防止流体走“短路”，可以适当增减一定数目的管子或安排一些拉杆。 初步设计中，可采用下式估算外壳直径：DS =(b-1)s+2b ,2.2.3 壳程流体截面积的计算,壳程流通截面积的计算在于确定纵向隔板或折流板
16、的数目与尺寸。 1） 对于纵向隔板，主要确定其长度，计算时采用连续性方程,确定纵向隔板长度的基本原则： 使流体在纵向隔板转弯时的流速与各流程中顺管束流动时速度基本相等。,2）弓形折流板,3）盘环形折流板,2.2.4 进出口连接管直径的计算,2.3 管壳式换热器的传热计算,目的在于使所设计的换热器能在传热系数、传热面积和平均温差等方面的综合结果满足传热方程式。 2.3.1 传热系数的确定,传热计算时，总传热系数K的来源有三个方面： 选用生产实际的经验数据 实验测定 K值的计算,2.3.2 换热系数的计算,1）管内外换热系数流体流过各种形式传热壁面时的，一般是在试验数据的基础上，把它的变化规律整理
17、成努赛尔准数（Nu）或传热因子（Jh）与雷诺数（Re)之间的关系用公式或线图的形式表现出来。（P58-59） 壳侧换热系数主要用下列公式计算,流路A、B、C、D、E介绍,贝尔法介绍 在介绍贝尔法以前，须解决一些结构参数：,分别介绍以上六个因子的确定,管内对流换热准则方程式见表2.8,几个注意事项：定性温度的确定（有三种取法。注意对油类等高粘度流体的定性温度的选取）定型尺寸的选取(当量直径见附录B）粘度的修正复合换热的处理,2.2.3 壁温的计算,选择热交换器的类型和管子材料以及考虑热膨胀的补偿时均需知道壁温。在一般请况下壁温可通过下面的公式确定： 放热侧壁温： tw1=t1-K(1/1+rs,
18、1)tm=t1-q(1/1+rs,1) 吸热侧壁温： tw2=t2K(1/2+rs,2)tm=t1q(1/2+rs,2)试算法的应用P67,2.4 管壳式热交换器的流动阻力计算,热交换器内流动阻力引起的压降，是衡量运行经济效果的一个重要指标。如果压降大,消耗的功率多，就需要配备功率较大的动力设备来补偿因压力降低所消耗的能量。由流体力学可知,产生流动阻力的原因与影响因素可归纳为： 流体具有粘性，流动时存在着内摩擦，是产生流动阻力的根源； 固定的管壁或其他形状的固体壁面，促使流动的流体内部发生相对运动，为流动阻力的产生提供了条件。 所以流动阻力的大小与流体本身的物理性质、流动状况及壁面的形状等因素
19、有关。P68表2.10介绍,2.4.1 管程阻力计算,管壳式热交换器管程阻力包括沿程阻力、回弯阻力和进、出口连接管阻力等三部分： Pt =Pi +Pr+PN Pt -管程总阻力 Pi -沿程阻力 Pr -回弯阻力 PN -进、出口连接管阻力,2.4.2 壳程阻力计算,对于相同的雷诺数，壳程摩擦系数大于管程摩擦系数，因为流过管束的流动有加速、方向变化等。但壳程的压降不一定大，因压降与流速、水力直径、折流板数、流体密度等有关、因此在同样的雷诺数时，壳程压降有可能比管程低。,对于无折流板时： 可用管程阻力公式计算壳程阻力（但以壳程管束流道的当量直径代替管程阻力公式中的di） 有的文献推荐错流流过光滑
20、圆管时，可用以下的公式计算壳程阻力（Re=102-5104范围内)：,，,2.4.3 流路分析法简介,贝尔法的缺点是烦琐、费时，同时此法并未把各流路的关系完全考虑在内，因此无法预测由于制造条件或结构等因素引起的各路流量及其相应阻力的变化，总的近似程度不如流路分析法好。流路分析法是利用廷克所提出的将壳程流动分成如图2.27所示的五股流路.,2.5 管壳式热交换器的合理设计,2.5.1 流体在热交换器内流动空间的选择在设计热交换器时必须正确选定哪一种流体走管程，哪一种流体走壳程。这时要考虑下述一些原则： (1)要尽量提高使传热系数受到限制的那一侧的换热系数，使传热面两侧的传热条件尽量接近； (2)
21、尽量节省金属材料，特别是贵重材料，以降低制造成本； (3)要便于清洗积垢，以保证运行可靠 (4)在温度较高的热交换器中应减少热损失，而在制冷设备中则应减少冷量损失；,2.5.2 流体温度和终温的确定,当热交换器的流动方式及传热面积已知时，流体的终温可由平均温差法或传热单元数法加以核定。 在顺流和逆流时还可用以下根据平均温差的指数规律而推导出来的公式直接计算终温。,2.5.3 管子直径的选择,换热管是管壳式换热器的传热元件，它直接与两种介质接触，所以换热管的形状和尺寸对传热有很大的影响。小管径利于承受压力，因而管壁较薄且在相同的壳径内可以排列较多的管子，使换热器单位体积的传热面积增大、结构紧凑，
22、单位传热面积金属耗量少，传热效率也稍高一些，但制造麻烦，且小直径管子易结垢，不易清洗。所以一般对清洁流体用小直径管子，粘性较大的或污染的流体采用大直径管子。,2.5.4 流体流动速度的选择,一般情况下，流速的增加使换热系数随之俱增，但是增加流速将使流动阻力也随之增大，且其增加的速率远超过换热系数的增加速率因此，所选择的流速要尽量使流体呈湍流状态，以保证设备在较大的传热系数下进行热交换，为避免产生过大的压降，才不得不选用层流状态下的流速。流速的最大值又是由允许的压降所决定的，当允许的压降已经限定，则最大流速就可由阻力公式外算出来。如果所允许的压降不是由生产条件来决定，则可根据技术经济比较来确定最
23、佳流速(或最经济流速)，这时设备的投资费用与运行费用之和最低。,2.5.5 热补偿问题,管壳式热交换器的振动与噪声,（1）流体诱发振动的原因流动引起的振动：热交换器的管束属于弹性体，被流过的流体扰动，离开其平衡位置，管子产生振动，这种振动成为流动引起的振动。 1）涡流脱落引起的振动与噪声什么是卡门涡街？,卡门涡街,2）气流弹性旋转引起的振动3）湍流抖振,（2）振动的预防措施,26 管壳式热交换器的设计程序,一般的设计程序如下； (1)根据设计任务搜集有关的原始资料，并选定热交换器的型式等。 (2)确定定性温度，并查取物性数据； (3)由热平衡计算热负荷及热流体或冷流体的流量 (4)选择壳体和管
24、子的材料 (5)选定流动方式、确定流体的流动空间； (6)求出平均温差； (7)初选传热系数K，并初算传热面积F； (8)设计热交换器的结构(或选择标准型号）,计算程序原理框图和计算表格介绍，P85-86,大作业,题目：煤油冷却器的设计 任务及操作条件1、处理能力：10万吨/年 煤油2、设备形式：列管式换热器3、操作条件：（1）煤油：入口温度140，出口温度40 （2）冷却介质：自来水，入口温度30 ，出口温度40 （3）允许压降：不大于100kPa（4）煤油定性温度下的物性数据：密度 825kg/m3，粘度7.1510-4 Pas，比热容2.22kJ/（kg ），导热系数 0.14W/（m
25、）（5）每年按330天计算，每天24小时连续运行。 列管换热器的选择与核算（1）传热计算 （2）管、壳程流动阻力计算 （3）管板厚度计算（4）U形膨胀节计算 （5）管壳式换热器零部件结构,2.7 管壳式冷凝器与蒸发器的工作特点,2.7.1 管壳式冷凝器的工作特点工质由汽态变为液态的过程叫凝结，当蒸汽与低于它的饱和温度的流体和壁面接触时，就会发生凝结并放出潜热。蒸汽在冷壁凝结并放出潜热，而冷却流体在壁面的另一侧吸收热量，这就是冷凝器的工作原理。按被冷凝的物质进行分类，冷凝过程又可分为可凝蒸汽的冷凝和含有不凝气蒸汽的冷凝。可凝蒸汽可以是单一成分的纯净蒸汽，也可能是多种组分的混合蒸气。,1）纯净饱和
26、蒸汽在冷凝器内的冷凝 设计时应注意的问题： 冷凝换热过程的强化（如有机蒸气-水换热）管子的放置方式（横管、竖管） 采用卧式冷凝器的原因蒸汽在水平管内冷凝可能出现的问题,（2）过热蒸汽在冷凝器内的冷却和冷凝按过热程度的不同，过热蒸汽在冷凝器内的温度变化可能存在三个不同的区域,换热特点及计算方法,在过热度很大的情况下，需要将全部过程按图2.49分两段计算。,（3）含不凝气蒸汽的冷凝,含不凝气蒸汽的冷凝机理,其传热由两部分构成 1)潜热传递推动力为蒸汽的分压差,潜热传递的热量表示为：,2)显热传递,当不凝气含量相对高时，传热温差和换热系数要分成多段进行计算？当不凝气含量不高时，蒸汽速度是影响换热的主
27、要因素，传质系数的考虑？(传质与传热的类比）,4）混合蒸汽的冷凝 特点：,分凝器和全冷凝器的概念介绍,2.7.2 管壳式蒸发器的工作特点,蒸发器中所进行着的沸腾换热和冷凝换热一样，均属于强化型换热，液体在沸腾时能吸收大量的汽化潜热，汽泡在形成和脱离加热面时，在边界层内产生强烈的扰动，使其热边界层内形成很大的温度梯度，从而达到很高的换热系数，与单相流体的对流换热系数相比，可提高几倍乃至二、三十倍。在各种工业企业生产过程中，常需将溶有固体物质的水溶液加以浓缩。其主要方法是用蒸发器将稀溶液加热至沸腾，使其中部分水蒸发而使溶液的浓度得到提高。图2.52所示的是一种在水溶液蒸发过程中使用比较普遍的中心循
28、环管式蒸发器。,2.8.1 高温高压管壳式热交换器,高温高压热变换器通常指其工作温度在350 以上，压力在10MPa以上。就型式而论，高温高压热交换器与常用的管壳式热交换器并无多大差别、只是在结构上已获得相当多的改进。 常用的型式仍为固定管板式、U形管式和浮头式三种。,2.8.2 工业炉用高温热交换器,工业炉用热交换器工作压力并不高，但一般都在高温下工作。 利用工业炉烟气来预热空气或煤气的热交换器。从材质上可分金属和陶质两大类；从工作原理上可分为换热式和蓄热式两大类；从传热方式上可分为对流式和辐射式两大类。,2.8.3低温热交换器,1)低温热交换器的作用在空气分离装置或其它利用深冷进行气体液化与分离的装置(例如碳氢化合物气体的分离装置)中，没有热交换器就不可能有效地进行深冷过程。,
