1、换热器知识 -LV,换热器广泛应用于化工、石油、制药、能 源等工业生产过程中，其主要用途适用于加热、冷却、蒸发、冷凝、干燥等方面，因其使用的条件不同，其容量、压力、温度等变动范围较大，为了适应不同的用途，故要采用各种形式及结构的换热器。,3,定义,换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体，使流体温度达到工艺流程规定的指标的热量交换设备，又称热交换器；,4,-分类篇, 加热器 冷却器 冷凝器 蒸发器 再沸器,1、按用途分,2、按传热方式分,直接接触式 蓄热式间壁式,2.1直接接触式 2.2蓄热式,2.3间壁式换热器2.3.1夹套式换热器结构：在容器（或反应器外部）安装夹套而成，密闭空间成为某种流体
2、的通道 。 特点：传热系数不高（可在釜内安装搅拌器、蛇管、螺旋隔板）；换热介质为水蒸气、冷却水。应用：反应过程的加热和冷却。,压缩机缸套（夹套式）,2.3.2套管式换热器 结构：将直径不同的直管制成同心套管，并由U形弯头连接，每一段直管称作一程。 特点： 表面传热系数大， 平均温差最大，结构简单， 能承受高压，传热面积可灵活变化，但易泄漏，金属耗量大。 应用 ： 流量不大、传热面积不多而要求压强较高的场合。,2.3.3蛇管式换热器,油浆采样器（蛇管式）,制氮喷淋冷却器（蛇管式）,特点： 传热推动力大，传热效果好，便于检修和清洗。但喷淋不易均匀而影响传热效果，只能安装在室外。 用途： 用于冷却或
3、冷凝管内液体。,2.3.4板式换热器结构： 由一组长方形的薄金属板 平行排列构成，用框架夹紧组 装在支架上。两相邻流体板的 边缘用垫片压紧，四角有圆孔形成流体通道，冷热流体在板片的两侧流过，通过板片换热。,空压站板式换热器,特点： 传热效率高，结构紧凑， 操作灵活，安装检修方便。 但耐温、耐压性较差，易渗 漏，处理量小。 应用：食品、轻工、化工。,结构： 1翅片管束 2物料进口分配管 3物料流出集液管 4支架 5风机,催化干式空冷,特点：, 综合费用低于水冷 空气不易结垢、不腐蚀设备 应用： 初步冷却或高沸点馏分的 冷凝场合，适用于缺水地区。,翅片管的断面,结构： 主要由壳体、管束、管板、折流
4、挡板和封头等组成。一种流体在管内流动，其行程称为管程；另一种流体在管外流动，其行程称为壳程。管束的壁面即为传热面。,管壳式换热器,2.3.6.1固定管板式,壳体与传热管壁温 度之差大于50C，加 补偿圈，也称膨胀节， 当壳体和管束之间有 温差时，依靠补偿圈 的弹性变形来适应它 们之间的不同的热膨 胀。,特点： 结构简单，成 本低，壳程检修和 清洗困难，壳程必 须是清洁、不易产 生垢层和腐蚀的介 质。,2.3.6.2浮头式,当壳体与管束因温度不同而引起热膨胀时，管束连同浮头可在壳体内沿轴向自由伸缩，可完全消除热应力。 特点： 结构较为复杂，成本高，消除了温差应力，是应用较多的一种结构形式。,浮头
5、式换热器管束,2.3.6.3 U型管式,把每根管子都弯成U形，两端固定在同一管板上，每根管子可自由伸缩，来解决热补偿问题。 特点： 结构较简单，管程不易清洗，常为洁净流体，适用于高压气体的换热 。,22,U形管式换热器,23,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。（规定：U形管弯管段的弯曲半径R应不小于两倍的换热管外径）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
6、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。,24,2.3.6.4、填料函式,结构,填料函式密封,25,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。,26,2.3.6.5、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,27,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
7、差应力）。,特点,28,-结构篇,29,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,30,管壳式换热器结构,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,31,一、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,32,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,
8、粘性大或污浊的流体,大管径,33,3.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,34,4.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,P1.25d0,35,常用换热管中心距/mm,36,一、流体在管内外的选择 管程:1)毒性介质 2)腐蚀性流体 3) 压力高的流体 4)易结垢介质 5)温度高的介质 壳程:粘度大、流量小的介质 雷诺系数小 的流体 饱和蒸汽宜走壳程,5. 管壳式换热器选择中应注意的问题,37,二、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
9、流体混合；承受管程、壳程压力和温度的载荷作用。,38,1.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。,39,2.管板结构,厚度满足强度前提下，尽量减少管板厚度,热应力,40,薄管板,平面形,椭圆形,碟形,球形,挠性薄管板等,目前主要有,41,管板最小厚度,1、用于易燃易爆有毒有害介质严格场合时管板的最小厚度应不小于换热管的外径2、一般场合时管板的最小厚度应符合管外径25时，管板最小厚度0.
10、75管外径25管外径50时，管板最小厚度0.75管外径管外径 50时，管板最小厚度0.65管外径管板与换热管采用焊接时，管板的最小厚度应满足结构设计和制造要求且不小于12mm,42,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。,43,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,44,三、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
11、作用。,结构形式决定因素清洗？管束分程？,(a),(b),(c),(d),45,四、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,46,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,两管程单壳程,U型管换热器 1U形管 2壳程隔板 3管程隔板,两管程双壳程,4管程双壳程浮头式换热器,四管程双壳程,50,分程原则各程换热管数应大致相等；相邻程间平均壁温差一般不应超过28； 各程间的密封长度应最短；分程隔板的形状应简单。,51,二、管程数、壳程数的选择,分程原因当换热器所需的换热面积较大，而管子做
12、得太长时，就得增大壳体直径，排列较多的管子。此时，为了增加管程流速，提高传热效果，须将管束分程，使流体依次流过各程管子。,52,分程隔板槽,GB151规定1、槽深一不小于4mm分程隔板宽度：碳钢12mm 不锈钢11mm分程隔板导角一般45度,53,五、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,54,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,55,2.强度焊,保证换热管与管板连
13、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,56,强度焊,不易用于有较大振动及有间隙腐蚀的场合,57,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,58,3.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；
14、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,59,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,60,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,61,一、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。,62,导流筒,63,二、折流板,1.作用,使壳
15、程流体防止短路，增加流速，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,64,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。,图6-21 折流板形式,弓形 圆盘形,66,3.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,67,（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-
16、22 折流板缺口布置,68,4.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；（特殊情况下也可以取较小的间距） Lmax不大于Di；,69,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。,a.切除过少 b.切除适当 c.切除过多 挡板切除对流动的影响,71,5.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（适用于外径大于或等于19mm的管束）,图6
17、-23 拉杆结构,72,三、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,73,四、防短路结构,1.旁路挡板,为了防止壳程边缘介质短路,图6-25 挡管结构,74,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。,75,2、挡管,图6-26 挡管结构,防止管间短路；分程隔板槽背面
18、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,76,隔板与挡管,77,3.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。,78,五、膨胀节设计,一、膨胀节的作用,二、是否设置膨胀节的判断,79,一、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
19、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。,U形膨胀节,膨胀节的形式,81,膨胀节,83,2.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,84,-效率篇,1、增大传热面积,强化传热的途径,新型换热器,小直径管,翅片结构,-,2、加大平均温差,逆流换热,有功传热强化,无功传热强化,螺旋槽管,槽管,传热强化举例,翅片,螺旋翅片管,翅片结构不适用于：高表面张力的液体冷凝含有大量固体颗粒的流体易结垢的流体,壳程强化传热,采用折流杆代替折流板,采用新型折流板结构,改变管子
20、外形或在管子外加翅片,壳程分程,98,-实践篇,管束的振动和防振,纵向流体诱导振动,横向流体诱导振动,99,#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,卡门漩涡频率,紊流抖振主频率,声学驻波平率,声频振动,激振机理,卡曼涡涡,流体弹性激振,湍流颤振,湍流颤振主频率与换热管自振频率相等时会引起换热管共振,声振动,射流转换,节径比1.5,换热管振动破坏的形式,振动判据,其中：fv-漩涡脱落频率 ft-湍流颤振主频率 fa-声学驻波频率 f1-换热管基频 v -流体横流速度 vc -流体弹性激振临界速度,（1）适当降低流速（流量，管间距）。（2）改变管束系统的自振频率。 减小跨距。 管子间插入杆状物或板条。 增大管子的强度和刚度（如增大壁厚）。 增大管子支承的强度和刚度（如增大折流板的厚 度、采用折流杆等）。 （3）设置消声隔板。 （4）破坏卡曼涡街的形成。 （5）设置防冲板或导流筒。,防振措施,防振措施,防振措施,防振措施,防振措施,防振措施,118,谢谢,
