第2章管壳式热交换器

减少污垢的沉积和腐蚀的产生，提高了换热器的使 用寿命。
三、管壳式换热器的标准
◆ GB151—1999《管壳式换热器》
国家技术监督局发布的关于管壳式换热器的国家标 准，是管壳式换热器设计和制造的主要依据。
◆ 标准代号为JB／T4714～4720－92
对浮头式换热器和冷凝器、固定管板式换热器、 立式热虹吸式重沸器及U形管式换热器的具体结构形 式、基本参数及其组合都作了具体的规定(定型)。
进口接管及防冲板的布置
固定管板式中，两端管板均与壳体采用焊接连接，管 板兼作法兰用。
浮头式、U形管式及填料函式换热器中采用可拆连接， 将管板夹持在壳体法兰和管箱法兰之间。
管板与壳体连接结构
折流板
作用：流体反复地改变方向作错流流动或其他形式的 流动，并可调节折流板间距以获得适宜流速，提高 传热效率。另外，支撑管束的作用。
釜式重沸器
类似浮头式、U形管换热器，清洗维修方便，可处理 不清洁，易结垢的介质，并能承受高压、高温.
2.2 管壳式换热器的结构
管壳式换热器流体的流程
一种流体走管内，称为管程，另一种流体 走管外，称为壳程。管内流体从换热管一端流 向另一端一次，称为一程；对U形管换热器， 管内流体从换热管一端经过U形弯曲段流向另 一端一次，称为两程.
（3）浮头式换热器
浮头式换热器 1—防冲板；2—折流板；3—浮头管板；4—钩圈；5—支耳
浮头结构示意图
图浮7头-4式热浮交头换式器换热器
优点：管内和管间清洗方便，不会产生热应力。 缺点： 结构复杂，设备笨重，造价高，浮头端小盖在操作中 无法检查。 适用场合：壳体和管束之间壁温相差较大，或介质易结垢的场合。
第二章 管壳式热交换器
间壁式热交换器
管式热交换器 管壳式、套管式、螺旋管式等
板式热交换器 延伸表面热交换器 蓄热式热交换器
管壳式换热器
2.1 管壳式换热器的分类 基本类型 固定管板式换热器 U形管式换热器 浮头式换热器 填料函式换热器
（1）固定管板式换热器
固定管板式换热器 1—封头；2—法兰；3—排气口；4—壳体；5—换热管；6—波形膨胀 节；7—折流板（或支持板）；8—防冲板；9—壳程接管；10—管板； 11—管程接管；12—隔板；13—封头；14—管箱；15—排液口；16—定距
低合金钢，设计压力不超过4MPa、设计温度 不超过350℃，且无特殊要求的场合。
焊接
碳钢或低合金钢，温度在300℃以上，大 都采用焊接连接。
管板与换热管的焊接连接
管箱
位于壳体两端，其作用是控制及分配管程流体。
管箱结构形式 1.隔板；2.管板；3.箱盖
壳体及其与管板的连接 在壳程进口接管处常装有防冲板或称缓冲板。
振动引起应力脉动，会使管材中的微观缺陷 扩展，直至产生裂纹。
对折流板管式换热器而言，减少诱导振动振 幅的措施有： 降低横掠管束的流速； 提高传热元件的固有频率，如增加管壁厚
度，减小管子的跨度。
最有效的防止诱导振动的方法是将流体由横 掠管束改为纵掠管壳，但纵掠管壳的换热系 数又不如横掠管束。
管子互相碰撞，当管子振动振幅大到足以使 管子经常碰击时，就会使管壁磨损变薄，直 至破坏；
管子与折流板孔壁因振动不断碰撞，从而引 起管子破裂；
振动的管子与管板连接处受到很大的应力， 久而久之就造成胀接和焊接点因应力而损坏， 并造成接头泄漏。
管子因振动反复弯折而引起应力疲劳，长时 间连续振动就会导致管子破裂。
3) 孔形折流板 4) 盘环折流板 Re 3 : 2104
5) 弓形折流板
应用比较普遍，占主导地位，研究较多
各种方法比较 柯尔本方法：基于理想管束，误差大； 科恩方法：考虑了管程-壳程流动、温度、
干式蒸发器中，由热力膨胀阀或电子膨胀阀直接控 制液体制冷剂进入蒸发器的管程，制冷剂液体在管内 完全转变为气体，而被冷却的介质则在传热管外的管 程中流动。载冷剂(冷媒水)走壳程，蒸发器中有数量 不等的折流板。
满液式蒸发器优点 ➢ 传热效率高。液态制冷剂淹没大量换热管束,蒸发管
表面高度强化, 完全浸泡在冷媒中。 ➢ 制冷剂蒸汽无需过热度, 从而蒸发温度可以大幅的
换热器的型号表示法
满液式蒸发器--管程:载冷剂;壳程:制冷剂
干式蒸发器--管程:制冷剂;壳程:载冷剂
离心式和螺杆式冷水机组中, 蒸发器的型式主要是满
液式蒸发器和干式蒸发器两种。
满液式蒸发器中， 制冷剂经过节流装置进入蒸发器 壳程，蒸发器内的液位保持一定。蒸发器内的传热管 浸没在制冷剂液体中。吸热蒸发后的气液混合物中仍 含有大量液体, 从蒸发器内逸出的湿蒸气经气液分离后 再回入压缩机。
这是一对矛盾，这也正是新型折流杆管壳是 换热器产生的背景
折流杆换热器
折流板换热器的优点
纵掠管束，防止诱导振动的产生，提高了换热器的 安全性。
减小了壳侧流体的阻力，降低管侧的泵功。
增强流体的扰动，减少了横掠管束时的流动死区和 漏流损失，强化壳侧的换热，即壳侧的换热系数不 低于横掠时换热系数，传热系数可提高15%-50%。
料30%-50%
螺旋槽
主要用于强化管内气体或液体的传热，强化管内液 体的沸腾或管内外蒸气的冷凝，管内传热系数为光管 传热系数的1.5-2.0倍；管外传热系数为光管传热系数 的1.5倍.
缩放管
波纹管
波纹管优点 既强化管内，又强化管外，结构特点：波形 变化，管壁薄，小于1mm. 传热系数较光管高2~3倍，波纹管换热器具 有传热效率高，不易结垢，热补偿能力强.
换热管及其在管板上的排列 等边三角形，同心圆法，正方形法
换热管在管板上的排列形式 有正三角形、转角正三角形、 正方形和转角正方形等.
一边与流向垂直，在相同管板面积上管数排列最多， 传热系数较高（与正方形排列比），节约管板面积.
换热管间不宜清洗，适用于不结垢护着可用化学方 法清洗以及允许压降较高的工况。
图7-3带膨带胀补节偿的器固的定固管定板管式板换式热换器热器
（2） U形管式换热器
U形管式换热器 1.中间挡板；2.U形换热管；3.排气口；4.防冲板；5.分程隔板
U形管式换热器
图U型7-管6 式U换形热管器式换热器
优点：结构简单，价格便宜，承受能力强，不会产生热应力。 缺点：布板少，管板利用率低，管子坏时源自文库易更换。 适用场合：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。
管程数：
Zt L / l
总的管子根数
管程总长
nt nZt
每程管数
2.2.2 壳体直径的确定
2.2.3 壳程流通截面积的计算
确定纵向隔板和折流板的数目和尺寸 P55
2.2.4 进出口连接管直径的计算
2.3 管壳式热交换器的传热计算
目的：使设计的热交换器能够在传热面积、 传热系数、平均温差等方面的综合结果满足 传热方程式的要求。
（4）填料函式换热器
填料函式换热器 1.纵向隔板；2.浮动管板；3.活套法兰；4.部分剪切环；5.填 料压盖；6.填料；7.填料函
填料函式密封
缺点：填料处易泄漏。 优点：结构简单，加工制造方便，造价低，管内和管 间清洗方便 适用场合：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。
干式蒸发器缺点 ➢当采用多流程时, 气、液两相制冷剂在端盖内转向时
会出现分离, 造成下一个流程中各管子中制冷剂流量 分配不均匀的不利现象。含气量越多, 分配越不均匀, 甚至会使有些管内无液体或液体很少, 使这些管子失 去了蒸发冷却的作用。 ➢ 由于折流板与壳体之间一般都有间隙泄漏(即冻水短 路) ，降低了水侧的换热效果。
2.3.1 传热系数确定 经验数据；实验测定；计算得出 管壳式热交换器所用的管子大多为圆管
光滑圆管的换热系数 外表面
内表面
管壁较薄时，近似公式 外表面
内表面
忽略管壁热阻，污垢热阻且管壁很薄时
K Oi O i
2.3.2 换热系数的计算 1. 管内、外换热系数
流体通过壁面的换热系数，通过实验确定为 努塞尔数，传热因子，雷诺数的关系。
提升，大大提高机组的能效比，大容量机组能效提 升更加明显。【在冻水回水12℃, 出水7℃的条件下, 蒸发
温度可达5℃( 而干式仅为2℃) 】
满液式蒸发器缺点 ➢ 满液式蒸发器需要注入大量的制冷剂 ➢ 在采用氟利昂制冷剂时, 润滑油的分离较困难。
干式蒸发器优点 ➢ 无需回油装置就能将润滑油带回压缩机。 ➢ 制冷剂用量少, 为相同制冷量满液式蒸发器的1/3。
液膜与加热管的热阻小，传热系数高。可以多效 作业，很小的温差（6-8℃），就能正常工作。
广泛用于医药、食品、化工、轻工等行业的水或有机溶媒溶 液的蒸发浓缩，并可广泛用于以上行业的废液处理。
管壳式热交换器的计算
结构计算 传热计算 流动阻力计算
2.2 管壳式热交换器的结构计算
管程流通截面积的计算 壳体直径的计算 壳体流通截面积的计算 进出口连接管直径的计算
换热管
构成换热器的传热面.碳钢、合金钢、铜、塑料、 石墨材料。
在管壳式热交换器使用各种各样的管子，大部分 为直管和U形管。
一般情况下使用光管，当壳侧的传热系数比管侧 低时，如壳内为高粘度液体，气体，蒸汽时，使用 低翅管加强换热。
在另外一些特定情况下，选用双层管
横纹槽管
双面强化管，内表面环形凸肋，外表面环形凹肋. 管内换热系数为光管换热系数的2~3倍； 管外纵流条件下，管外传热系数为光管的1.6倍. 传递热量相同，泵功率相同，取代光管，节约材
管；17—拉杆；18—支座；19—垫片；20、21—螺栓、螺母
优点：结构简单、紧凑、能承受较高的压力， 造价低，管程清洗方便，管子损坏时易于堵 管或更换。
缺点：不易清洗壳程，壳体和管束中可能 产生较大的热应力。
适用场合：适用于壳程介质清洁，不易结垢，管程 需清洗以及温差不大或温差虽大但是壳程压力不大的 场合。 为减少热应力，通常在固定管板式换热器中设置柔性 元件（如膨胀节、挠性管板等），来吸收热膨胀差。
分类： 常用折流板有弓形和圆盘-圆环形两种，弓形的有
单弓形、双弓形及三弓形，单弓形和双弓形应用最多。
弓形折流板
圆盘-圆环形折流板
折流板缺口尺寸
折流板的固定 通过拉杆和定距管来实现。
拉杆结构
折流杆换热器
折流板使流体横掠管束，在增强传热的同时， 也会引起流体的诱导振动。
诱导振动对换热器的损伤
传热因子
科恩传热因子
jh
NugPr1/3 (
/
)0.14 w
柯尔本传热因子
jH Nu / RegPr1/3 ( / w )0.14
jh jH gRe
2. 壳侧换热 流动复杂且存在旁流、漏流，需专门的公式
1) 无折流板时，按照纵向流过管束考虑； 2) 盘环形折流板
Re 3 : 2104
一边与流向平行，特点皆于等边三角形与正 方形排列之间，不宜用于卧式冷凝器底部， 换热管外表面的冷凝液膜削弱传热.
最不紧凑，便于机械清洗，用于需要将管束 抽出清洗的换热器，如浮头式换热器中。
对比正方形排列，板间距相同的情况下，流 通面积比正方形小，有利于流速提高.
多种排列方式组合 p45
降膜蒸发器
将料液自降膜蒸发器加热室上管箱加入，经液体 分布及成膜装置，均匀分配到各换热管内，并沿换热 管内壁呈均匀膜状流下。在流下过程中，被壳程加热 介质加热汽化，产生的蒸汽与液相共同进入蒸发器的 分离室，汽液经充分分离，蒸汽进入冷凝器冷凝（单 效操作）或进入下一效蒸发器作为加热介质，从而实 现多效操作，液相则由分离室排出。
组合排列与转角排列
换热管中心距
定义：管板上两管子的中心线距离。 涉及清洗，固定方法。
确定方法： 换热管中心距不小于1.25倍管外径。
布管限定圆
用来决定壳体内管束的大小。
管板和管子的连接
管板和管子的连接方式有胀接和焊接，对 于高温高压下常采用胀、焊并用的方式。
胀接 胀接适用于换热管为碳钢，管板为碳钢或
2.2.1 管程流通截面积的计算
At M t tt
式中：At—管程流通截面积，m^2; Mt—管程流体的质量流量，kg/s; ρ—管程流体的密度，kg/m^3;
ωt—管程流体的流速，m/s
所需管数：
n 4At / di2
式中： di — 管子内径
每根管子的长度
L F / dn
传热面积