管壳式换热器教案

第二章换热设备【课时安排】1、概述70分钟2、管壳式换热器基本类型15分钟3、管壳式换热器基本结构250分钟4、其它115分钟总计450分钟【掌握内容】1、管壳式换热器的分类。

2、管壳式换热器基本结构。

3、固定管板式换热器的管板载荷及受力分析。

4、固定管板的应力校核。

5、管束的振动与防止。

【熟悉内容】1、换热器的分类。

【了解内容】1、各种换热器的特点及应用。

【教学难点】1、管板的应力分析。

2、管板的应力校核。

【教学目标】1、掌握管壳式换热器相关基本概念和结构。

2、能对重要结构进行辨析。

3、能按规范设计换热设备。

2.1 概述【教学内容】一.换热器的应用二.换热器的分类及特点三.换热器的选型【授课时间】70分钟【教学重点】基本概念的建立【教学难点】各种换热器的区别【教学目标】了解换热器的特点及应用【教学手段】课堂讲授，辅以设备挂图。

25【教学过程】2.1.1 换热设备的应用换热设备：使热量从热流体传递到冷流体的设备。

化工厂：换热设备的投资约占总投资的10%～20%；炼油厂：换热设备的投资约占总投资的35%～40%。

2.1.2换热器的分类及特点2.1.2.1按作用原理或传热方式分类一.直接接触式换热器（混合式换热器）利用冷、热流体直接接触与混合的作用进行热量的交换。

如：冷却塔等。

二.蓄热式换热器（回热式换热器）借助于固体构成的蓄热体与热流体和冷流体交替接触，把热量从热流体传递给冷流体的换热器。

两种流体有少量混合。

如：回转式空气预热器等。

三.间壁式换热器（表面式换热器）利用间壁（固体表面）将进行热交换的冷、热两种流体隔开互不接触。

热量由热流体通过间壁传递给冷流体的换热器。

如：管壳式换热器等。

四.中间载热体式换热器把两个间壁式换热器由在其中循环的载热体连接起来的换热器。

载热体在高温流体和低温流体之间循环。

如：热管式换热器等。

2.1.2.2间壁式换热器分类一.分类二.特点1.管式换热器通过管子壁面进行传热的换热器。

优点：结构坚固、可靠性高、适应性广、易于制造，能承受较高的温度和压力。

缺点：传热效率、结构紧凑性及金属的消耗量等均不如高效紧凑式换热器。

2.板面式换热器通过板面进行传热的换热器。

优点：传热性比管式换热器优越，流体在较低流速下即可达到湍流，强化了传热。

制造成本低，结构紧凑、使用灵活、清洗和维修方便、能精确控制换热温度等。

缺点：a. 密封周边太长，不易密封，渗漏的可能性大；26b. 承压能力低,耐压性差；c.使用温度受密封垫片材料耐温性能的限制不宜过高；沉浸式蛇管蛇管式换热器喷淋式蛇管套管式换热器管式换热器管壳式换热器缠绕管式换热器螺旋板式换热器板式换热器间壁式换热器板面式换热器板翅式换热器板壳式换热器伞板式换热器石墨换热器其它型式换热器聚四氟乙烯换热器热管换热器3. 其它型式换热器为满足工艺特殊要求，具有特殊结构的换热器。

2.1.3换热器选型需要考虑的因素：1.流体的性质；272.压力、温度、允许的压力降；3.清洗、维修的要求；4.材料、价格；5.使用寿命等。

2.2管壳式换热器【教学内容】一.管壳式换热器的基本类型二.管壳式换热器结构三.管板设计四.膨胀节设计五.管束振动和防止【授课时间】330分钟【教学重点】管壳式换热器结构的建立【教学难点】管板的应力分析【教学目标】熟悉管壳式换热器的结构及应用【教学手段】课堂讲授，辅以设备挂图。

【教学过程】2.2.1基本类型可分为固定管板式、浮头式、U形管式、填料函式和釜式重沸器五类，如图2.1所示。

一. 固定管板式固定管板式换热器的典型结构如图2.1（a）所示。

结构特点：管束连接在管板上，管板与壳体焊接。

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：是当管束与壳体的壁温或材料的线膨胀系数相差较大时，壳体和管束中将产生较大的热应力。

适用范围：1.适用于壳侧介质清洁且不易结垢并能进行清洗；2.管、壳程两侧温差不大或温差较大但壳侧压力不高的场合。

二.浮头式换热器浮头式换热器的典型结构见图2.1（b）。

结构特点：两端管板中只有一端与壳体固定，另一端可相对壳体自由移动，称为浮头。

28浮头的组成：浮头由浮头管板、钩圈和浮头端盖组成。

优点：管间和管内清洗方便，不会产生热应力。

缺点：结构复杂，造价比固定管板式换热器高，设备笨重，材料消耗量大，且浮头端盖在操作中无法检查，制造时对密封要求较高。

适用范围：适用于壳体和管束之间壁温差较大或壳程介质易结垢的场合。

三. U形管式换热器U形管式换热器的典型结构如图2.1（c）所示。

结构特点：只有一块管板，管束由多根U形管组成，管的两端固定在同一块管板上，管子可自由伸缩。

优点：结构比较简单、价格便宜，承压能力强，不会产生热应力。

缺点：由于受弯管曲率半径的限制，其换热管排布较少，管束最内层管间距较大，管板的利用率较低，壳程流体易形成短路，对传热不利。

当管子泄漏损坏时，内层换热管坏了不能更换，只能堵死。

适用范围：适用于管、壳壁温差较大或壳程介质易结垢需要清洗，又不适宜采用浮头式和固定管板式的场合。

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。

四. 填料函式换热器填料函式换热器结构如图2.1（d）、（e）所示。

结构特点：与浮头式换热器相类似，浮头部分露在壳体以外，在浮头与壳体的滑动接触面处采用填料函式密封结构。

优点：比浮头式换热器简单，加工制造方便，节省材料，造价较低廉，管束可抽出，清洗，维修方便。

缺点：填料处易产生泄漏，不适用于易挥发、易燃、易爆、有毒及贵重介质，使用温度也受填料的限制。

适用范围：适用于4MPa以下的工作条件。

五.釜式重沸器釜式重沸器的结构如图2.1（f）所示。

结构特点：其管束可以为浮头式、U形管式和固定管板式结构，它具有浮头式、U形管式换热器的特性。

在结构上与其他换热器不同之处在于壳体上部设置一个蒸发空间，蒸发空间的大小由产气量和所要求的蒸气品质所决定。

此种换热器和浮头式、U形管式换热器一样，清洗维修方便，可处理不清洁、易结垢的介质，并能承受高温、高压。

2.2.2、管壳式换热器的结构管程：流体流经换热管内的通道及与其相贯通部分。

壳程：流体流经换热管外的通道及与其相贯通部分。

29(a)固定管板式换热器；(b)浮头式换热器；(c)U形管式换热器；(d)填料函双壳层换热器；(e)填料函分流式换热器；(f)釜式重沸器图2.1 管壳式换热器的主要型式302.2.2.1管程结构一.换热管1. 换热管型式光管、翅片管、螺旋槽管、螺纹管等。

当管内外两侧给热系数相差较大时，翅片管的翅片应布置在给热系数低的一侧。

2. 换热管尺寸（常用）无缝钢管：φ19×2 φ25×2.5 φ38×2.5不锈钢管：φ25×2 φ38×2.5标准管长为：10、1.5、2.0、2.5、3.0、4.5、6.0、7.5、9.0、12.0m等。

外径范围：φ10 ～φ573. 换热管材料黑金属：碳素钢、低合金钢、不锈钢等。

有色金属：铜、铜镍合金、铝合金、钛合金等。

非金属：石墨、陶瓷、聚四氟乙烯等。

4. 换热管排列形式及中心距换热管在管板上的排列形式：正三角形、正方形、转角正三角形、转角正方形。

如图2.2所示，在同样的管板面积上正三角形排列的管数最多，故用得最为普遍，但管外不易清洗。

为便于管外清洗，可以采用正方形或转角正方形排列的管束。

30°60°45°90°(a)正三角形(b)转角正三角形(c)正方形(d)转角正方形图2.2 换热管排列型式换热管中心距一般不小于1.25倍的换热管外径。

常用的换热管中心距见表2-1。

31二. 管板作用：a. 用来排布换热管b. 分隔管程和壳程的流体，避免冷、热流体混合。

c. 同时受管程、壳程压力和温度的作用。

1. 管板材料选择管板材料，除力学性能外，还应考虑管程和壳程流体的腐蚀性，以及管板和换热管之间的电位差对腐蚀的影响。

工程上常用材料：a. 碳素钢b. 低合金钢钢板、锻件c. 不锈钢d. 不锈钢＋钢e. 钛＋钢复合板f. 铜＋钢g. 堆焊衬里。

2. 管板结构在满足强度的前提下，应尽量减少管板厚度。

薄管板一般为：8～20mm。

形状主要有：平面形、椭圆形、碟形、球形、挠性薄管板等。

最为常用的是平面形薄管板。

(a)(b)(c)(d)图2.3 薄管板结构形式41－空隙；2－壳程管板；3－短节；4－管程管板图2.4 椭圆形管板图2.5 双管板结构32图2.3所示为用于固定管板式换热器中的薄管板四种结构形式。

图2.4所示为椭圆形管板。

图2.5所示为双管板结构三.管箱管箱位于管壳式换热器的两端。

作用：把从管道输送来的流体均匀地分布到各换热管和把管内流体汇集在一起送出换热器。

在多管程换热器中，管箱还起改变流体流向的作用。

图2.6 管箱结构形式管箱的结构形式主要以换热器是否需要清洗或管束是否需要分程等因素来决定。

图2.6为管箱的几种结构形式。

图2.6（a）的管箱结构适用于较清洁的介质情况。

因为在检查及清洗管子时，必须将连接管道一起拆下，很不方便。

图2.6（b）为在管箱上装箱盖，将盖拆除后（不需拆除连接管），就可检查及清洗管子，但其缺点是用材较多。

图2.6（c）形式是将管箱与管板焊成一体，从结构上看，可以完全避免在管板密封处的泄漏，但管箱不能单独拆下，检修、清理不方便，所以在实际使用中很少采用。

图2.6（d）为一种多程隔板的安置形式。

四.管束分程管程：管内流动的流体从管子的一端流到另一端为一个管程。

在管壳式换热器中，最简单常用的是单管程的换热器。

也可采用多管程结构。

从制造、安装、操作等角度考虑，偶数管程有更多的方便之处，最常用的程数为2、4、6。

★注意：管束分程可采用多种不同的组合方式，对于每一程中的管数应大致相等，且程与程之间温度相差不宜过大，温差以不超过20℃左右为宜，最大不超过28℃。

否则在管束与管板中将产生很大的热应力表2-2列出了1～6程的几种管束分程布置形式。

33表2－2 管束分程布置图对于4程的分法，有平行和工字形两种，一般为了接管方便，选用平行分法较合适，同时平行分法亦可使管箱内残液放尽。

工字形排列法的优点是比平行法密封线短，且可排列更多的管子。

五.换热管与管板的连接换热管与管板的连接是管壳式换热器的关键部位，是换热器事故率最多的部位。

管子与管板的连接方法：胀接、焊接、胀焊并用。

①胀接保证换热管与管板连接的密封性能及抗拉脱强度的胀接。

管孔结构示于图2.7。

一般采用光孔，管端伸出2～3mm。

胀接时，管端翻边成圆锥形，能提高管子的抗拉脱能力。

当管子承受压应力时，翻边可取消。

图2.7 胀接的型式带槽孔的结构用于抗拉脱能力与密封性要求高的场合。