管壳式换热器

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17.1 换热设备
17.1.1 概述 (1)换热设备的作用 在过程工业生产中，为了合理而有效地利用 热(冷)量，常需采用各种换热设备进行不同 的换热过程，使热量由温度较高的流体向温 度较低的流体传递，使流体温度达到工艺规 定的指标，以满足生产过程的需要。 换热设备也是余热、废热特别是低品位热能 回收的有效装置。

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17.1.2.2 主要机械特征
(1)总体特征 管壳式换热设备实际上可认为是由压力容器(外壳) 加传热内件构成，其中压力容器即为壳体、封头和 支座等，而传热内件则包括管束、管板、折流板和 管箱等。 当壳程内流体介质为内压力，则壳体和封头按内压 进行设计；反之，当壳程内流体介质为外压力，则 壳体和封头按外压进行设计。 管束的设计则不仅需要考虑管程内流体介质本身压 力的大小，而且还需要考虑壳程内流体介质压力的 大小以及是否正常操作等工况，综合考虑后才能确 定设计方法。支座等标准件的选用和核算方法见前 述第14章。管板、折流板和管箱等内件的设计方法 31 则需要通过具体的分析才能得到。

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② 蓄热式换热设备 它是让两种不同温度的 流体交替通过同一种载 热体表面，从而实现 冷、热流体之间的热量 传递，其结构如图所 示。 蓄热式换热设备具有结构紧凑、价格便宜、 单位体积传热面大等优点，故较适合用于气 -气热交换的场合。

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③ 间壁式换热设备 它是利用一固体壁面将冷、热流体隔开，并 通过壁面进行热量交换的。这类换热设备在 工业生产中应用最为广泛。 2)按作用目的，可分为以下几种类型： ① 冷却器 用于冷却工艺物料的换热设备。 ② 加热器 用于加热工艺物料的换热设备。 ③ 再沸器 用于蒸馏塔底汽化物料的换热设 备。

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4)经济合理 换热设备的成本一般包括其 固定费用(设备的购买费、安装费等)和单 位时间内(通常为一年)的操作费(动力消 耗费、清洗费、维修费等)两部分，因此， 在换热设备的设计或选型中，需要综合考 虑多种因素，确定出最合适的换热设备结 构及其最适宜的工艺操作条件，从而使换 热设备在整个使用期间都能最为经济地运 行。
(a) 纵向翘片管
(b) 螺纹管
(c) 横向翘片管
(d) 波纹管
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(5)管板

管板的实物照片如下图所示。

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管板是管壳式换热设备中重要元件之一，其功能 主要是用于连接换热管，并将管程和壳程分隔开 来，避免管程和壳程的流体介质相混合。由于管 板与换热管、壳体、管箱和法兰等连接在一起， 其设计计算相当复杂，详见GB 151《管壳式换热 器》。 管板的结构与管壳式换热设备的类型有关，相应 也有平板式、浮头式、U形管式和双管板等多种 结构形式，其中平板式管板在中低压换热设备中 最为常用。管板的材料取决于换热流体介质的性 质：若换热流体介质无腐蚀或轻微腐蚀时，通常 采用碳素钢、低合金钢或其锻件制造管板；若换 热流体介质具有一定的腐蚀性，通常需要采用不 锈钢制作，工程中为了节省耐腐蚀材料，也常采 用复合钢板。

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④ 热管式换热设备 它是一种以热管作为主要传热元件的新型 热换热设备，其特点是： 结构简单、重量轻、经济耐用；在极小的 温差下具有极高的传热能力； 适用温度范围大；一般没有运动部件，不 需要维护，使用寿命长等。 目前已经在石油、化工、冶金、建材、电 力、电子等多领域中得到广泛的应用。

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(6)换热管与管板连接 换热管与管板连接是管壳式换热设备设计 和制造最关键的技术之一，其质量好坏不 仅对工艺操作的正常进行有影响，而且也 对管壳式换热设备的使用寿命有直接影响， 因此，必须保证牢靠和严密，不会产生泄 漏。 换热管与管板常用的连接方法主要有强度 胀接、强度焊接和胀焊并用。

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第17章
传热与传质设备
基本结构与工作原理 相关的标准和规范简介
合理选型或结构设计方法

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第 17 章 传 热 与 传 质 设 备
目录
17.1
换热设备
17.2
塔设备

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传热与传质设备，通常指换热设备和塔设 备，是化工、炼油、食品、轻工、制药等 部门应用最广、使用较多的两种通用设备， 因此，下面就逐一进行介绍。

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(2)换热设备的类型 在过程工业生产中，由于使用场合、操作 条件和物料特性的不同，换热设备有多种 类型和结构，并可按不同的方法进行分类。 1)按作用原理和实现传热的方式，可分为 如下三种类型：

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① 混合式换热设备 它是利用冷、热流体直接 接触与混合的作用进行热 量交换的，其结构如图所 示。 化工生产中所用的冷却 塔、气压冷凝器等都属 于这一类换热设备。这类换热设备的结 构简单、价格便宜，为使两流体达到充分 换热，常采用塔状结构。

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本篇将着重介绍过程工业生产中常用的传热 与传质设备、化学过程设备、机械过程设备 三类过程设备的类型、结构、原理、设计及 应用。 通过学习，可以掌握这些常用过程设备的基 本结构、工作原理和工程应用，根据生产实 际需要进行合理选型或结构设计，并能进一 步借助有关的技术资料进行必要的工程计算， 以培养解决工程实际问题的能力。

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④ 冷凝器 用于使气态物料冷凝成液态物 料的换热设备。 ⑤ 过热器 用于对饱和蒸汽再加热升温的 换热设备。 ⑥ 废热锅炉 用于回收高温物流或废气热 量的换热设备。

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3)按传热面的形状和结构，可分为如下几种 主要类型： ① 管壳式换热设备


这种换热设备的结构坚固、可靠性高、选 材范围广、适应性强、处理量大，管内清 洗方便，高温高压条件下也能应用。 但其传热效率、结构的紧凑性和单位传热 面的金属消耗量等方面不及其它类型换热 设备。

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(3)Ｕ形管式换热设备 U形管式换热设备的结构如下图所示。 它只有一块管板，管束由多根U形管组成， 管的两端固定在同一块管板上。

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其特点为：管子可以自由伸缩，因而当壳 体与U形换热管有温差时，不会产生热应 力；只有一块管板，加工费用低；管束可 取出，有利于管外部的清洗和检查等。 但由于受弯管曲率半径的限制，管板上布 管少，结构不紧凑，管板利用率低；管束 内层间距较大，壳程流体易形成短路，影 响传热效果；内层管束损坏后无法更换， 只能堵管，因而坏一根U形管相当于坏两 根管，报废率较高。

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(2)浮头式换热设备 浮头式换热设备的结构如下图所示。 它的一块管板与壳体固定，另一块管板能 自由移动，故称之为浮头。浮头由浮头管 板、钩圈和浮头端盖组成，属可拆连接。

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浮头式换热设备的特点为管束与壳体的热 变形互不约束，因而不会产生热应力，且 管束内外清洗方便。 但其结构复杂，制造成本较高，金属材料 消耗量大，且浮头端小盖在操作中无法检 查，制造时对密封要求较高。 浮头式换热设备仅适用于管、壳程温差较 大或介质易结垢需清洗的场合。

(2)壳体


由于管壳式换热设备的壳体内需要安置管 束、管板和折流板等零部件，为了便于安 装、检修和维护，因而一般Fra Baidu bibliotek用圆筒形结 构，通常由钢板卷焊而成。 壳体的材料取决于壳程内流体介质是否具 有腐蚀性，若壳程内流体介质无腐蚀或轻 微腐蚀，通常采用锅炉和压力容器专用钢 板Q245R或Q345R制作；若壳程内流体介 质具有一定的腐蚀性，通常需要采用不锈 钢板制作。

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17.1.2 管壳式换热设备 17.1.2.1 基本类型
(1)固定管板式换热设备 固定管板式换热设备的结构如下图所示。 它是由许多管子组成管束，管束两端通过焊接或 胀接的方法固定在两块管板上，而管板则通过焊 接的方法与壳体相连。 其特点是结构简单、紧凑、制造成本较低，管程 清洗方便，且管子损坏时易于堵管或更换。

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(5)釜式重沸器 釜式重沸器的结构如下图所示。

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其特点为：这种换热设备的管束可以为浮 头式、U形管式和固定管板式结构，所以它 具有浮头式、U形管式换热设备的特性。 在结构上与其它换热设备不同之处在于壳 体上部设置了一个蒸发空间，蒸发空间的 大小由产气量和所要求的蒸汽品质所决定。 釜式重沸器适用于管、壳程温差较大的场 合，清洗、维修方便。尤其适用于不清洁、 易结垢介质，并能承受高温、高压的场合。

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其特点为：管束可自由移动伸缩，不会产 生管壳间温差应力；结构简单，制造方便， 造价较低；管束可从壳体内取出，管内、 管间都可以清洗，维修方便。 但填料处易泄漏，且壳程的适用温度受填 料函性能的限制。 填料函式换热设备只是在低压与小直径的 场合下使用，且不宜处理易挥发、易燃、 易爆、有毒介质。

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(a)外形图
(b)剖面图 固定管板式换热设备立体图

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但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。 通常可采用在固定管板式换热设备中设置 柔性元件(如膨胀节、挠性管板等)来吸收 热膨胀差以减少其热应力。 这种换热设备适用于壳程介质清洁且不易 结垢，管、壳程两侧温差不大或温差较大 但壳侧压力不高的场合。

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(3)换热管

由于无缝钢管结构简单、制造容易，因此，换热 管通常采用无缝钢管。不过，为了强化传热，也 可采用翘片管、螺纹管、波纹管等其他形式的强 化换热管，如下图所示。考虑到换热管需要与两 种流体介质直接接触，其材料主要是根据操作条 件和介质的腐蚀性确定，常用的材料有碳素钢、 不锈钢、铜、铝、石墨和PVC塑料等。

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1)强度胀接


强度胀接是利用胀管器使换 热管扩张产生塑性变形，而 管板只产生弹性变形，胀管 后换热管与管板间依靠产生 的挤压力，紧紧贴合在一起， 从而实现换热管与管板连接 的目的，其基本原理如右图 所示。 强度胀接比较简单、技术成 熟，适用于设计压力 p≤4.0MPa，设计温度 t≤300°C，操作中无剧烈振 动、无过大温度波动以及无 明显应力腐蚀的场合。
第5篇 过程设备概论
过 程 设 备 概 论
常用设备类型、结构
常用设备原理、应用
工作原理、结构特点、应用场合、技术规范、选用和设计

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过程设备在各种过程工业生产中应用十分 广泛，是化工、炼油、轻工、食品、制药、 冶金、纺织、动力、交通、海洋工程等传 统工业部门的关键设备，也是航空航天、 核能等高新技术领域不可缺少的设备。 工业生产从原材料到产品，需要经过一系 列的物理、化学或生物的加工处理步骤， 而这些加工处理步骤都是由过程设备来完 成的。

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② 板面式换热设备 它是通过板面进行传热的换热设备。有板翘 式、螺旋板式、板式、板壳式等多种结构形 式，其主要特点是传热效率高、结构紧凑。 ③ 新材料换热设备 这类换热设备主要是指一些为满足工艺特殊 要求而设计的采用特殊材料结的换热设备， 例如，为了使换热设备能用于耐压、耐热和 介质强腐蚀性的场合，可以采用玻璃、石墨、 聚四氟乙烯等非金属材料或稀有金属材料— —钛等来制作换热设备。

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Ｕ形管式换热设备适用于管、壳程温差较 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、 介质腐蚀性大的物料。

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(4)填料函式换热设备 填料函式换热设备结构如下图所示。 其结构与浮头式换热设备相似，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。

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(3)换热设备设计或选型的基本要求 换热设备的种类、结构形式很多，但每种 结构形式的换热设备都有其本身的结构特 点和工作特性，因此，对换热设备进行合 理的选型和正确的设计，其基本要求是： 1)满足工艺要求 过程工业生产的工艺要 求通常包括流体的物理化学性质(如密度、 黏度、腐蚀性等)和流体的各种工艺参数 (如温度、压力、流量、相态等)，无论换 热设备的设计或选型，首先都必须满足这 些工艺要求，实现热量传递的目的。

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2)使用安全可靠 由于换热设备也是压力 容器，为了确保其使用安全可靠，其设计、 制造、安装、维护都必须遵守GB 150《压 力容器》和GB 151《管壳式换热器》的有 关规定。 3)便于换热设备的安装、操作、维修和清 洗 在换热设备的设计或选型时，就能 够充分考虑到这些因素，必定会有利于换 热设备在整个使用期间更为经济地运行。