钢制管壳式换热器讲义讲解

钢制管壳式换热器结构形式、各部位名称与代号

设计考虑的因素：

换热设备的类型很多，对每种特定的传热工况，通过优化选型都会等到一各最适合的设备型号民。如果将这个型号的设备使用到其它工况，则传热效果可能会有很大的改变。因此针对具体工况选择换热器类型，是很重要和复杂的工作，设计考虑以下因素：

流速的选择

流速是换热器设计和重要变量。提高流速则提高传热系数，同时压力降与功率消耗也随之增加。

高流速的优缺点

优点：1）提高总传热系数，减小传热面积；2）减小在管子表面生成的污垢的可能性。

缺点：1）提高了增加了阻力和动力消耗；2）含颗粒的介质流速过快对设备造成严重和磨损。

允许的压力降的选择

选择较高的压力降可以提高流速，从而增加传热效果，减小换热面积，但较大的压力降也使操作费用增加。

管壳各流体的确定

主要依据两流体的操作温度和压力、可以利用的压力降、结构和腐蚀性、以及所需设备材料的选择等方面，考虑液体适合走哪一程。

适于走管程的有水和水蒸汽或强腐蚀性液体；有毒性流体；容易结垢的流体，高温或高压操作的流体等。

适于走壳程和流体有塔顶冷凝蒸汽；类似冷凝和再沸；关键压力降控制的流体；粘度大的流体等。

当上述情况排除之后，介质走哪程的选择，应着眼于提高传热系数和最充分的利用压力降上。由于介质在过程和流动容易湍流，因而将粘度在或流量小的流体，即雷诺数低的流体走过壳程是有得的，反之如果在管程能够达到湍流时，则安排直管程比较合理

换热终温的确定

换热终温一般由工艺过程的需要确定，当换热终温可以时，其数值对换热器是否经济合理有很大和影响，在热流出口与冷流出口相等的情况下，热量的利用效率最高，但是有效传热温差小，换热面积最大。另外在确定物流出口温度时，不希望出现温度交叉现象，即热流出口温低于冷流出口温度，如果工艺流程需要，则必须选择多台串联。

设备结构的选择

强化传热元件和设备的性能特点：

换热设备具体结构参数选择依据

管子形式：1）光管（适用于任何条件，适用面广）；

2）螺纹管（壳程流体的膜传热系数相当于管程传热系数1/3-3/5的场合；强化壳程传热提高总传热系数；结垢速率低，操作周期长）；

3）波纹管（管程流体的膜传热系数低于壳程3/5以下，RE 低的场合；大幅度提高管内膜传热系数，流体处于低RE时尤为显著。防垢性能好。管外传热系数也相应提高。

管子排列方式：正三角形排列和正方形斜转45度排列。

管径：φ19、φ25

管长：3、6、9米

管径：325—2600

冷凝器

当蒸汽与低于其饱和温度的壁面相接触时会冷凝成液体，同时放出汽

化潜热并传递给壁面，这种热交换过程称为冷凝传热。

冷凝传热过程大致分为以下类型

按冷凝面的基本几何参数分，可分为管内冷凝和管外冷凝，管内冷凝包括水平管、垂直管和倾斜管；管外冷凝包括垂直音管及管束，水平单管及管束。

按管子类型分可分为光管、螺纹管（低翅处片管）、沟槽管等

按蒸汽的流体动力学分可分为：低速（重力控制）和高速（剪力控制）两种动力学状态。

按组分的数目和性质可分为：单组分和多组分混合物（冷凝液互溶和不互溶两种）、含不凝气的混合物。

按冷凝方式可分为：膜状冷凝、滴状冷凝、直接接触冷凝，均相流冷凝等。

冷凝传热的影响因素：

不凝气：不凝所的存在对冷凝传热将会产生十分不利的影响，如水蒸汽中含1%（重量）的空气将使冷凝膜传热系数下降60%。

气流的速度：气体的流速对冷凝传热的影响在低速时可忽略不计，但在高流速时，气流会对液膜表面产生明显的粘滞应力。在工业操作的流速范围内，气体流速对冷凝传热系数的影响极小

气流方向：如果气流的方向与液膜流动方向一致时，使液膜拉薄，对冷凝传热有得，相反则会使液膜加厚，使冷凝传热效率下降。

液膜雷诺数：在层流区，冷凝传热系数随液膜雷诺数的增加而减小，这与无相变换热器不同，在设计时应加以考虑。

管子排数

换热设备损坏和失效的主要形式及原因

一、腐蚀

1、介质引起的均匀腐蚀

1）硫及硫化物引起的均匀腐蚀。烃类介质中含硫及硫化物，尤其是在脱硫之前，硫化氢或硫醇的含量较高。硫引起的腐蚀会导致在金属表面直接形成一层金属硫化物。这种腐蚀产物一般较厚而疏松，对金属表面不能起保护作用。因此，这种腐蚀是以一定的速率使管壁减薄。碳钢在260度以上的硫化氢环境中就能产生明显的均匀腐蚀。如果硫化氢中含水，则在常温下也能产生均匀腐蚀。

2）盐酸产生的均匀腐蚀。使管束产生均匀腐蚀的另一常见的形式是盐酸引起的均匀腐蚀。原油中含盐特别是氯化物水解后产生盐酸，产生均匀腐蚀。

2）其他强酸腐蚀介质的腐蚀。

2 应力开裂腐蚀

1）奥式体不锈钢管产生的应力腐蚀开裂。当换热设备管束采用18—8、316等类型的奥式体不锈钢时，介质中又含有一定浓度的氯离子，管子本身存在轧制、固溶、弯制、焊接、胀接、装配时存在较高应力时管束将存在应力腐蚀开裂的敏感性。

机械及热应力损伤

1）管子与管板胀接处发生松动

当胀接的管端与管板间温差超过设计值时，会影响管子与管板的结合力。管子突然降温时，会因为胀接处的管子外径收缩发生泄漏；管子温度比管板温度高得太多时，胀接处的管子会因此发生塑性变形，当管子温度降至正常时，已塑性变形的管子由于外径已减少，同样会在管子与管板的胀接处发生泄漏。

2）管子与管板间的温差引起焊缝开裂、胀接松脱

管束轴向长度较长，壳体刚性大，两端为固定管板的换热器，当管子与壳体的温差出现大于设计值时，在管子与管板的联接处，无论是焊接形式还是胀接形式，都会因为管壳之间存在热膨胀量的差太大，对管子与管板的联接处产生较大的附加应力而发生焊缝开裂或胀接处松脱，其结果是在联结处发生泄漏。

3）振动产生的疲劳损伤

与换热器相联接的转动机械，如泵、压缩机等设备的振动，以及介质的流动及介质的压力的脉动，都会引起管束的振动。过度的管束振动会使管子受到疲劳损伤。其结果是产生疲劳开裂或腐蚀疲劳开裂。这种因管束振动而产生的疲劳裂纹。环向裂纹一般出现在管子中间。

新技术应用：

1、螺纹管换热器的

螺纹管属于管外径扩展表面积的类型，在普通换热管外壁轧制成螺纹状的低翅片，用以增加外侧的传热面积。翅片部分的最大外径比管子的光端要小，而翅片根部要小得多，因此在与光管相同的管间距下净