第二章管殼式熱交換器

2.1類型、標(biāo)準(zhǔn)與結(jié)構(gòu)

目前應(yīng)用最廣泛得一種換熱器，又稱列管式換熱器。把管子和管板連接，再用殼體固定，就構(gòu)成管殼式換熱器。由殼體、接管、管束、管板（又稱花板，固定管子用）、頂蓋（又稱封頭）、折流元件等組成。管殼式換熱器零部件名稱表

換熱器構(gòu)件名稱換熱器構(gòu)件名稱1-管箱(A,B,C,D，N型);2-接管法蘭;3-管箱法蘭;4-管板;5-殼程接管;6-拉桿;7-膨脹節(jié);8-殼體;9-換熱管;10-排氣管;11-吊耳;12-封頭;13-頂絲;14-雙頭螺柱;15-螺母;16-墊片;17-防沖板;18-折流板或支承板;19-定距管;20-拉桿螺母;21-支座;22-排液管;23-管箱殼體;24-管程接管;25-分程隔板;26-管箱蓋管殼式換熱器的分類

管殼式換熱器的主要組合部件有前端管箱，殼體和后端結(jié)構(gòu)（包括管束）三部分。一般按照結(jié)構(gòu)分類:結(jié)構(gòu)分類固定管板式換熱器浮頭式換熱器Ｕ形管式換熱器填料函式換熱器滑動(dòng)管板式、雙管板式、薄管板式等（一）固定管板式換熱器

固定管板式換熱器優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、能承受較高的壓力，造價(jià)低，管程清洗方便，管子損壞時(shí)易于堵管或更換。缺點(diǎn)：不易清洗殼程，殼體和管束中可能產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力。由于走管程和走殼程的兩種流體溫度不同，管子熱膨脹和殼體受熱膨脹的程度不同，當(dāng)兩流體的溫度差大于50℃時(shí)，如果將管束和殼體焊成一體，則因兩者受熱膨脹程度差別較大，可能將管子扭曲（當(dāng)管內(nèi)流體溫度高于管外流體時(shí)）或?qū)⒐茏訌墓馨迳侠桑ó?dāng)管內(nèi)流體溫度低于管外流體時(shí)），介質(zhì)泄漏。為減少熱應(yīng)力，就要考慮采取熱補(bǔ)償措施，通常在固管板式換熱器中設(shè)置柔性元件（如膨脹節(jié)、撓性管板等），來吸收熱膨脹差。帶膨脹節(jié)的固定管板式換熱器適用場(chǎng)合：適用于殼程介質(zhì)清潔，不易結(jié)垢，管程需清洗以及溫差不大或溫差雖大但是殼程壓力不大的場(chǎng)合。

固定管板式換熱器的使用場(chǎng)合

（二）U形管式換熱器

U形管式熱交換器(圖2.2)的管束由U字形彎管組成。管子兩端固定在同一塊管板上，彎曲端不加固定，使每根管子具有自由伸縮的余地而不受其他管子及殼體的影響。

U形管式換熱器優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，承受壓力能力強(qiáng)，不會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力。缺點(diǎn)：布管少，管板利用率低，管子壞時(shí)不易更換。適用場(chǎng)合：殼側(cè)可以抽出管板和殼體清洗、管側(cè)不易。特別適用于管內(nèi)走清潔而不易結(jié)垢的高溫、高壓、腐蝕性大的物料。U型管式換熱器浮頭式換熱器的一端管板與殼體固定，而另一端的管板可殼體內(nèi)自由滑動(dòng)，叫做浮頭。此種又稱內(nèi)浮頭。由于浮頭可以滑動(dòng)，管束膨脹是自由的，故當(dāng)兩介質(zhì)的溫差較大時(shí)，化解管束和殼體之間溫差應(yīng)力的應(yīng)變。浮頭端設(shè)計(jì)成可拆結(jié)構(gòu)，使管束能容易的裝入或抽出殼體。（也可設(shè)計(jì)成不可拆的）。這樣為檢修、清洗提供了方便。但該換熱器結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，而且浮動(dòng)端蓋小，在操作時(shí)無(wú)法知道泄露情況。因此在安裝時(shí)要特別注意其密封。浮頭端蓋法蘭造成管束和殼體間間隙大，不利于換熱。（四）浮頭式換熱器

優(yōu)點(diǎn)：管內(nèi)和管間清洗方便，不會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力應(yīng)變。缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)備笨重，造價(jià)高，浮頭端小蓋在操作中無(wú)法檢查。適用場(chǎng)合：殼體和管束之間壁溫相差較大，或介質(zhì)易結(jié)垢的場(chǎng)合。浮頭式換熱器（四）填料函式換熱器

這是一種使一端管板固定而讓另一端管板在填料函中滑動(dòng)的熱交換器，其結(jié)構(gòu)如到2.4所示，實(shí)際上它是將浮頭露在殼體外面的浮頭式熱交換器，所以又稱外浮頭式熱交換器。由于填料密封處容易泄漏，故不宜用于易揮發(fā)、易燃、易爆、有毒和高壓流體的熱交換、而且制造復(fù)雜，安裝不便．因而此種結(jié)構(gòu)不常采用。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工制造方便，造價(jià)低，管內(nèi)和管間清洗方便。缺點(diǎn)：填料處易泄漏。適用場(chǎng)合：4MPa以下，且不適用于易揮發(fā)、易燃、易爆、有毒及貴重介質(zhì)，使用溫度受填料的物性限制。目前使用的都較小且較少使用。填料函式換熱器（五）其他類型管殼式換熱器

滑動(dòng)管板式

雙管板式薄管板式管殼式換熱器型號(hào)

按《管殼式換熱器》（GB151-1999）標(biāo)準(zhǔn)分類。詳細(xì)分類以及代號(hào)（英文字母）如下所示：

主要部件的分類及代號(hào)：現(xiàn)舉例說明：浮頭式換熱器平蓋管箱，公稱直徑500mm，管稱和殼稱設(shè)計(jì)壓力為1.6MPa，公稱換熱面積為54m2,碳素鋼較高級(jí)冷拔換熱管外徑25mm，管長(zhǎng)6m，4管程，單殼程的浮頭式熱交換器，其型號(hào)為：AES500-1.6-54-6/25-4I固定管板式換熱器封頭管箱，公稱直徑700mm，管程設(shè)計(jì)壓力為2.5MPa，殼程設(shè)計(jì)壓力為1.6MPa，公稱換熱面積200m2，較高級(jí)冷拔換熱管外徑25mm，管長(zhǎng)9m，4管程單殼程的固定管板式換熱器，其型號(hào)為：

BEM700-2.5/1.6-200-9/25-4I主要部件:

1、前端管箱和后端結(jié)構(gòu)2、換熱管3、管板4、殼體5、其他結(jié)構(gòu)

(1)前端管箱管箱的作用是將進(jìn)入管程的流體均勻分布到各換熱管，把管內(nèi)流體匯集在一起送出換熱器。在多管程換熱器中，管箱還可通過設(shè)置隔板起分隔作用。由換熱器是否需要清洗和管束是否需要分程等因素決定管箱類型，分兩種基本類型：1）封頭型：圖（a）接頭少，適用較清潔的介質(zhì)，因檢查管子及清洗時(shí)只能將管箱整體拆下，故不太方便；2）平蓋型：圖（b）在管箱上裝有平蓋，只要將平蓋拆下即可進(jìn)行清洗和檢查，所以工程應(yīng)用較多，但材料消耗多；圖（c）是將管箱與管板焊成一體，這種結(jié)構(gòu)密封性好，但管箱不能單獨(dú)拆下，檢修、清洗都不方便，實(shí)際應(yīng)用較少。1

前端管箱和后端結(jié)構(gòu)

(2)后端結(jié)構(gòu)型式1）固定管板2）浮頭3）U型管4）填料函(3)分程隔板

（一）分程原因

當(dāng)換熱器所需的換熱面積較大，而管子又不能做得太長(zhǎng)時(shí)，就得增大殼體直徑，排列較多的管子。此時(shí)，為了減少管程流體截面積、增加管程流速，提高傳熱效果，須將管束分程，使流體依次流過各程管子。（二）分程原則①各程換熱管數(shù)應(yīng)大致相等；②相鄰程間平均壁溫差一般不應(yīng)超過28℃；③各程間的密封長(zhǎng)度應(yīng)最短；④分程隔板的形狀應(yīng)簡(jiǎn)單。（三）分程隔板（四）分程方式

管程布置表2換熱管束

(1)換熱管(2)管束排列方式、管間距（1）換熱管

管子的選用（一）直徑小管徑單位體積傳熱面積增大、結(jié)構(gòu)緊湊、金屬耗量減少、傳熱系數(shù)提高阻力大，不便清洗，易結(jié)垢堵塞。用于較清潔的流體大管徑粘性大或污濁的流體大管徑（二）規(guī)格

（外徑×壁厚），長(zhǎng)度按規(guī)定決定常用規(guī)格和尺寸偏差見國(guó)標(biāo)GB151-1999附錄C

φ19×2、φ25×2.5和φ38×2.5mm無(wú)縫鋼管φ25×2和φ38×2.5mm不銹鋼管

標(biāo)準(zhǔn)管長(zhǎng)系列1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、4.5、6.0、7.5、9.0、12.0m等

換熱器的換熱管長(zhǎng)度與公稱直徑之比，一般在4～25之間，常用的為6～10。立式換熱器，其比值多為4～6。換熱管尺寸（三）結(jié)構(gòu)型式

換熱管型式光管強(qiáng)化傳熱管翅片管（在換熱系數(shù)低側(cè)）螺旋槽管螺紋管多用光管，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，為強(qiáng)化傳熱，也采用強(qiáng)化傳熱管。波紋管（四）材料通常普通級(jí)和較高級(jí)的冷拔碳鋼管。由壓力、溫度、介質(zhì)的腐蝕性能決定，主要有碳素鋼、合金鋼、銅、鈦、塑料、石墨等。金屬材料碳素鋼低合金鋼銅不銹鋼銅鎳合金鋁合金鈦等非金屬材料石墨陶瓷聚四氟乙烯（2）管束排列方式，管間距

Ⅰ、管束排列方式排列原則：1）要保證管板有必要的強(qiáng)度，管子和管板的連接要堅(jiān)固和緊密。2）設(shè)備要緊湊，以減小管板和殼體的直徑，并使殼程流通截面減小，以提高殼程流體的流速。3）要使制造、安裝和修理維護(hù)方便。換熱管排列方式（一）正三角形和轉(zhuǎn)角正三角形排列正三角形排列的管子

等邊三角形是最常用的方式，布管緊湊，傳熱系數(shù)值高，便于管板劃線及鉆孔，但管間不易清洗；按等邊三角形排列時(shí)，流體流動(dòng)方向與三角形一條邊垂直，通常在管板周邊與六邊形的邊之間的六個(gè)弓形部分不排列管子，但當(dāng)層數(shù)大于6時(shí)，弓形部位也應(yīng)排列管子，此時(shí)最外層管子的中心不超過最大六邊形的外接圓周。（二）正方形和轉(zhuǎn)角正方形排列

正方形排列的管子（三）組合排列法

在多程換熱器中多采用組合排列方法。即每一程中都采用三角形排列法，而在各程之間，為了便于安裝隔板，則采用正方形排列法，如右圖所示。對(duì)于臥式冷凝器，按轉(zhuǎn)角等邊三角形排列時(shí)，管板的軸線與水平軸線間比較有利的偏轉(zhuǎn)角，如圖

2.10所示，可按下式計(jì)算：θ＝30o－arcsin(do/2s)do：管子外徑；s：管間距。目的：減少液膜在換熱管上的包角及液膜厚度。(四)同心圓排列

按同心圓排列時(shí)，管距s既為兩層圓周之間的距離，也為圓周上管子的間距；但直線間距與弧形間距稍有差別，因而在圓周上布置管子只取整數(shù)，所以各層圓周上的管間距是不等的。使管板劃線、制造和裝配困難。優(yōu)點(diǎn)是緊湊、靠近殼體處布管均勻，小直徑換熱器中布管數(shù)比等邊三角形多，但層數(shù)>6時(shí)，不如等邊三角形多。Ⅱ、管間距（一）定義

管間距指兩相鄰換熱管中心的距離。（二）要求

管間距≥1.25d0，符合表2.3規(guī)定，便于管子與管板間的連接，因?yàn)閷?duì)于脹接或焊接來講，管子間距離太近，那么都會(huì)影響連接質(zhì)量。最外層管壁與殼壁之間的距離為10mm，主要是為折流板易于加工，不易損壞。表2.3常用換熱管中心距/mm

最外層換熱管中心至殼體內(nèi)表面的距離不應(yīng)小于[(換熱管外徑的一半)＋10mm]。布管限定圓

在排列管子時(shí)，換熱器管束外緣直徑受殼體內(nèi)徑限制，要將管束外緣布置在布管限定圓之內(nèi)。其直徑DL按結(jié)構(gòu)形式而不同：對(duì)于浮頭式換熱器如圖2.11(a)DL＝Di-2(b1＋b2

＋b）對(duì)于固定管板式、U形管式如圖2.11(b)DL＝Di-2b33、管板

管板作用是固定換熱管束，并用來作為換熱器兩端間壁將殼、管程流體相互分開，一般多采用單層管板，但對(duì)有危險(xiǎn)或腐蝕性的物料或當(dāng)管、殼程流體一旦相互滲漏就會(huì)產(chǎn)生危險(xiǎn)的場(chǎng)合，可采用雙層隔板。

由于管板的受力情況復(fù)雜，影響管板強(qiáng)的因素很多，因此管板厚度在計(jì)算條件不同的情況下相差較大。依據(jù)我國(guó)管板計(jì)算條件規(guī)定的管板厚度為：管束與管板的連接

管子與管板的連接是管殼式換熱器生產(chǎn)中最主要的工序之一。由于這類工程需耗費(fèi)大量工時(shí),更重要的是,連接的地方在運(yùn)行中容易發(fā)生故障。因此,發(fā)展高效率、高質(zhì)量的連接技術(shù)已成為制造中的重點(diǎn)研究課題。根據(jù)換熱器的使用條件不同,加工條件不同,連接的方法基本上分為脹接、焊接和脹焊結(jié)合三種,由于脹接法能承受較高的壓力,特別適用于材料可焊性差的情況。4、殼體

E型殼體為單程殼體，經(jīng)濟(jì)上便宜、平均溫差修正系數(shù)大，但是換熱不充分，進(jìn)出口溫差小。F型為雙殼程，壓降大，縱向折流板受到流體和漏熱限制，設(shè)計(jì)與制造要仔細(xì)，同時(shí)拆裝不便。J型用于壓降小、流量大，也可用G，H型。5、其他結(jié)構(gòu)2.1.5縱向隔板、折流板和支持板目的：為了提高流體的流速和湍流程度，強(qiáng)化殼程流體的傳熱，在殼程常設(shè)置縱向隔板或折流板。縱向隔板在U型管殼式換熱器內(nèi)常有應(yīng)用。其最小厚度為6mm，當(dāng)殼程壓降較大時(shí)，需適當(dāng)加厚。由于安裝難度大，同時(shí)它與殼體內(nèi)壁之間容易存在間隙產(chǎn)生流體泄漏；它兩側(cè)流體溫度不同又存在熱泄漏，降低其效果，因此兩塊以上縱向隔板在實(shí)際中應(yīng)用較少。折流板是設(shè)置在殼體內(nèi)與管束垂直的弓形或圓盤－圓環(huán)形平板，如圖所示。安裝折流板迫使殼程流體按照規(guī)定的路徑多次橫向穿過管束，既提高了流速又增加了湍流速度，改善了傳熱效果，在臥式換熱器中折流板還可起到支撐管束的作用。但在冷凝器中，由于冷凝傳熱系數(shù)與蒸汽在設(shè)備中的流動(dòng)狀態(tài)無(wú)關(guān)，因此不需要設(shè)置折流板。折流板常用形式有：弓形折流板、盤環(huán)形流板、扇形折流板和管孔形折流板等幾種。弓形折流板又分單弓、雙弓、三弓型三種。在弓形折流板中，流體流動(dòng)死角較小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，用的最多。盤環(huán)形結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不便清洗，一般用在壓力較高和物料比較清潔的場(chǎng)合；扇形和管孔形應(yīng)用較少。弓形折流板在臥式換熱器中的排列分為缺口上下方交替排列和缺口左右方向交替排列兩種。殼程流體全是單相的清潔物料用上下排列；若氣體中含少量液體時(shí)，應(yīng)在缺口朝上的折流板最低處開通液口。如圖2.18a若液體中含少量氣體時(shí)，應(yīng)在缺口朝下的折流板最高處開通氣口，如圖2.18b臥式換熱器、冷凝器的殼程流體為氣液共存或液體中含有固體物料時(shí)，折流板缺口應(yīng)垂直左右布置，并在折流板最低處開通液口，如圖2.18c對(duì)常用的圓缺形擋板，弓形切口過大或過小，會(huì)產(chǎn)生流動(dòng)“死區(qū)”，均不利于傳熱，一般弓形缺口高度與殼體內(nèi)徑之比為0.15～0.45，常采用0.20和0.25兩種。擋板的間距過大，就不能保證流體垂直流過管束，使流速減小，管外對(duì)流傳熱系數(shù)下降；間距過小不便于檢修，流動(dòng)阻力也大。一般取擋板間距為殼體內(nèi)徑的0.2～0.1倍，我國(guó)系列標(biāo)準(zhǔn)中采用的擋板間距為：固定管板式有150，300和

600mm三種；浮頭式有150，200，300，480和600mm五種。

弓形折流板的最大間距不能超過表2.5中之定；兩側(cè)管板與端部?jī)蓧K折流板的距離通常大于中間折流板的間距，以便為殼程流體出口提供額外空間。中間折流板一般等間距布置。為了防振和能承受拆換管子時(shí)的扭拉用。折流板必須具有一定厚度。折流板的厚度與殼體直徑及折流板間距有關(guān)，一般情況下至少要比管壁厚一倍，最薄約3mm,但其最小厚度不能低于表2.6中所規(guī)定的數(shù)據(jù)。折流板的安裝固定是通過拉桿和定距實(shí)現(xiàn)的。對(duì)于管徑≥19mm的管束，拉桿和管板的連接如圖2.19a。拉桿是一根兩端帶螺紋的長(zhǎng)桿，一端擰入管板，折流板穿在拉桿上，折流板之間以套在拉桿上的定距管來保持板間距離，最后一塊折流板用螺母擰在拉桿上緊固。對(duì)于管子外徑≤14mm的管束可把折流板焊接在拉桿上，如圖2.19b，此時(shí)不需定距管。拉桿直徑dn與換熱管外徑d有