管殼式換熱器結(jié)構(gòu)介紹

1、管殼式換熱器傳熱機(jī)理簡(jiǎn)介 一般來(lái)說(shuō)，管殼式換熱器制造容易，生產(chǎn)成本低，選材范圍廣，清洗方便，適應(yīng)性強(qiáng)，處理量大，工作可靠，且能適應(yīng)高溫高壓。雖然它在結(jié)構(gòu)緊湊性、傳熱輕度和單位金屬消耗量方面無(wú)法與板式和板翅式換熱器相比，但它由于具有前述的一些優(yōu)點(diǎn)，因而在化工、石油能源等行業(yè)的應(yīng)用中仍處于主導(dǎo)地位。 管殼式換熱器是把管子與管板連接，再用殼體固定。它的型式大致分為固定管板式、釜式浮頭式、U型管式、滑動(dòng)管板式、填料函式及套管式等幾種。根據(jù)介質(zhì)的種類(lèi)、壓力、溫度、污垢和其他條件，管板與殼體的連接的各種結(jié)構(gòu)型式特點(diǎn)，傳熱管的形狀和傳熱條件，造價(jià)，維修檢查方便等情況來(lái)選擇設(shè)計(jì)制造各種管殼式換熱器。1、管殼式

2、換熱器結(jié)構(gòu)介紹 管殼式換熱器：是以封閉在殼體中管束的壁面作為傳熱面的間壁式換熱器，這種換熱器結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單、操作可靠，可用各種結(jié)構(gòu)材料（主要是金屬材料）制造，能在高溫、高壓下使用，是目前應(yīng)用最廣的類(lèi)型。（設(shè)計(jì)制造遵循標(biāo)準(zhǔn)：國(guó)外 TEMA ASME 國(guó)內(nèi) GB151、GB150）換熱器封頭選取原則 1、管殼側(cè)是否需要清洗； 2、是否需要移動(dòng)管束； 3、是否需要考慮熱膨脹；前封頭類(lèi)型：A、B、C、D、N后封頭類(lèi)型：L、M、N、P、S、T、W 后封頭又分為固定式、浮頭式以及U型管，相對(duì)于固定式，浮頭式造價(jià)更高、需要更大的殼徑、低的換熱效果（由于泄漏流C的存在），優(yōu)點(diǎn)則是一端具有自由度可以處理好熱膨脹問(wèn)題

3、。前封頭A型封頭：適應(yīng)于管程流體較臟，需要經(jīng)常清洗的情況。B型封頭：?jiǎn)畏ㄌm經(jīng)濟(jì)型最好，由于易于采購(gòu)，是最常用的封頭C型封頭：帶管板和可拆蓋，管側(cè)清洗方便，可以處理管程高壓和高危介質(zhì)（適當(dāng)），適于殼側(cè)管束較重以及殼側(cè)需要清洗的情況。D型封頭：特種高壓型，適用于特殊高壓的工況（管箱焊在管板上）N型封頭：帶管板和可拆蓋，管束不可拆，此種封頭經(jīng)濟(jì)性最好，接近管板容易；可以處理殼側(cè)高危介質(zhì)。 A型封頭與B型封頭相比多了一片法蘭，其耐壓性沒(méi)有B型封頭好，其優(yōu)點(diǎn)是換熱器檢修時(shí)不許將封頭拿掉，相對(duì)于B型封頭來(lái)說(shuō)更加方便。C型封頭、N型封頭換熱器中的管束是可抽出的，其中C型封頭的換熱器中的管板和管箱是焊在一起的

4、。 后封頭L型后封頭：和A型前封頭相同M型后封頭：和B型前封頭相同N型后封頭：和N型前封頭相同U型：U型管束，管束可移動(dòng)，殼側(cè)容易清洗；熱膨脹處理優(yōu)秀，經(jīng)濟(jì)（無(wú)法蘭）；缺點(diǎn)是管側(cè)無(wú)法清洗，更換管束困難，彎頭部位容易沖刷損傷。P型封頭和W型封頭已經(jīng)被淘汰，不在使用。S型封頭：其尺寸特點(diǎn)是其后封頭要比殼體的直徑大，優(yōu)點(diǎn)是可以解決換熱器設(shè)計(jì)過(guò)程中的兩個(gè)問(wèn)題，一是可以消除換熱器的熱應(yīng)力，二是換熱器的管殼側(cè)都可以進(jìn)行清洗。T型封頭和S型封頭相似，但其后封頭尺寸和殼體直徑相同，且其內(nèi)封頭和管束可以直接抽出,但T型封頭和S型封頭相比，受力情況沒(méi)有S型封頭好，唯一的好處是抽芯方便，在工程設(shè)計(jì)中一般不選用T。換

5、熱器殼體E型殼體：為單程殼體，在設(shè)計(jì)過(guò)程中一般優(yōu)先選擇，它適用于所有的情況，單相換熱更優(yōu)，缺點(diǎn)是壓降較大。F型殼體：適用于場(chǎng)地受限，需要雙殼程的情況，比較適合于單相換熱，純逆流換熱，傳熱溫差大；缺點(diǎn)是F型殼體有分程隔板，此處會(huì)發(fā)生漏流，而且殼程進(jìn)口與出口處的壓差和溫差都是最大的，會(huì)發(fā)生漏溫且分程隔板也容易發(fā)生變形。所以F型殼體適用于壓差和溫差都不大的情況下。G型殼體：屬于平行流換熱器，該換熱器的熱流體出口溫度可以比冷流體出口溫度低，適用于需要做殼側(cè)強(qiáng)化的臥式熱虹吸再沸器、冷凝器等。H型殼體：雙平行流換熱器，主要用于冷凝和蒸發(fā)的工況下，而且殼體中不使用折流板。G/H型殼體的優(yōu)點(diǎn)是傳熱溫差大，比E

6、型要高。J型殼體：分流殼體，一是適用于殼體氣相壓降較大，振動(dòng)解決不了的情況；二是用于再沸器，相對(duì)于E型使得傳熱的效果比較穩(wěn)定；三是用于部分冷凝的工況，其缺點(diǎn)則是傳熱溫差較小，傳熱系數(shù)也不大。K型殼體：主要用于管程熱介質(zhì)，殼側(cè)蒸發(fā)的工況，在廢熱回收條件下使用。X型殼體：冷熱流體屬于錯(cuò)流流動(dòng)，其優(yōu)點(diǎn)是壓降非常小，當(dāng)采用其他殼體發(fā)生振動(dòng)，且通過(guò)調(diào)整換熱器參數(shù)無(wú)法消除該振動(dòng)時(shí)可以使用此殼體形式，其不足之處是流體分布不均勻，X型殼體并不經(jīng)常使用。 在化工工藝手冊(cè)中，I型殼體類(lèi)型可EDR軟件中的不是同一種殼體，其形式見(jiàn)I1，它的使用方式僅有一種搭配，就是BIU，U型管換熱器。換熱器折流板單弓形折流板：優(yōu)點(diǎn)

7、是可以達(dá)到最大的錯(cuò)流，缺點(diǎn)是壓降較高，且窗口的管束容易發(fā)生振動(dòng)；設(shè)計(jì)要點(diǎn)是折流板圓缺率在17%-35%之間，折流板間距在0.2-1.0倍的殼徑。此種類(lèi)型折流板適用于大部分場(chǎng)合。NITW：該折流板窗口不布管，管子支撐完美，不引起管束振動(dòng)，缺點(diǎn)是相同的殼徑大小，布管數(shù)較少，需要的殼體直徑大。設(shè)計(jì)要點(diǎn)：15%的折流板圓缺率。適合的場(chǎng)合是氣體振動(dòng)和壓降受限。雙弓形折流板：優(yōu)點(diǎn)是壓降低，更好的規(guī)避振動(dòng)的問(wèn)題；缺點(diǎn)是大的窗口流動(dòng)面積；設(shè)計(jì)要點(diǎn)：5%-30%的圓缺率，默認(rèn)兩排管重疊；適合場(chǎng)合時(shí)振動(dòng)和壓力受限的換熱器（相對(duì)于單弓形折流板來(lái)說(shuō)）。螺旋折流板：分為單螺旋折流板和雙螺旋折流板優(yōu)點(diǎn)是換熱好，壓降低，流

8、動(dòng)均勻；缺點(diǎn)是制造困難；設(shè)計(jì)要點(diǎn)是螺旋角度5-45，適合的場(chǎng)合時(shí)壓降受限，容易結(jié)垢的場(chǎng)合。折流桿：優(yōu)點(diǎn)是支撐優(yōu)，流動(dòng)均勻，壓降低基本無(wú)振動(dòng)問(wèn)題；缺點(diǎn)是低的換熱效果；管子布置只能為45和90；適合場(chǎng)合是低壓降氣體冷凝和換熱。窩巢型：支撐優(yōu)，流動(dòng)均勻，壓降低；缺點(diǎn)是比換熱效果不好，設(shè)計(jì)基本無(wú)要求。蛋框型：支撐好，制造經(jīng)濟(jì)；缺點(diǎn)是高溫應(yīng)力下發(fā)生變形；設(shè)計(jì)基本無(wú)要求。2、管殼式換熱器設(shè)計(jì)所需考慮的因素 換熱設(shè)備的類(lèi)型很多，對(duì)每種特定的傳熱工況，通過(guò)優(yōu)化選型都會(huì)得到一種最合適的設(shè)備型號(hào)，如果將這個(gè)型號(hào)的設(shè)備使用到其他工況，則傳熱的效果可能有很大的改變。因此，針對(duì)具體工況選擇換熱器類(lèi)型，是很重要和復(fù)雜的工

9、作。對(duì)管殼式換熱器的設(shè)計(jì)，有以下因素值得考慮。 1、流速的選擇 流速是換熱器設(shè)計(jì)的重要變量，提高流速則提高傳熱系數(shù)，同時(shí)壓力降與功耗也會(huì)隨之增加，如果采用泵送流體，應(yīng)考慮將壓力降盡量消耗在換熱器上而不是調(diào)節(jié)閥上，這樣可依靠提高流速來(lái)提高傳熱效果。 采用較高的流速有兩個(gè)好處：一是提高總傳熱系數(shù)，從而減小換熱面積；二是減少在管子表面生成污垢的可能性。但是也相應(yīng)的增加了阻力和動(dòng)力的消耗，所以需要進(jìn)行經(jīng)濟(jì)比較才能最后確定適宜的流速。 此外在選擇流速上，還必須考慮結(jié)構(gòu)上的要求。為了避免設(shè)備的嚴(yán)重磨損，所算出的流速不應(yīng)超過(guò)最大允許的經(jīng)驗(yàn)流速。 以下的三個(gè)表格分別表示了介質(zhì)的流速范圍和水在管內(nèi)的流速余材質(zhì)的

10、關(guān)系等。下表為殼程氣體的最大允許速度與氣體成分的分子量和氣體壓力的關(guān)系： 2、允許壓力降的選擇 選擇較大的壓力降可以提高流速，從而增強(qiáng)傳熱效果減少換熱面積。但是較大的壓力降也使得泵的操作費(fèi)用增加。合適的壓力降值需要以換熱器年總費(fèi)用為目標(biāo)，反復(fù)調(diào)整設(shè)備尺寸，進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算而得出。 在大多數(shù)設(shè)備中，可能會(huì)發(fā)現(xiàn)一側(cè)的熱阻明顯的高于另一側(cè)，此側(cè)的熱阻成為控制熱阻?？蓺こ痰臒嶙枋强刂苽?cè)時(shí)，可以用增加折流板塊數(shù)或者縮小殼徑的方法，來(lái)增加殼側(cè)流體流速、減少傳熱熱阻，但是減少折流板間距是有限制的，一般不能小于殼徑的1/5或50mm。當(dāng)管程的熱阻是控制側(cè)時(shí)，則依靠增加管成熟來(lái)增加流體流速。 在處理粘稠物料時(shí)，如果

11、流體處于層流流動(dòng)則將此物料走殼程。由于在殼程的流體流動(dòng)易達(dá)到湍流狀態(tài)，這樣可以得到較高的傳熱速率，還可以改進(jìn)對(duì)壓力降的控制。下圖為不同介質(zhì)在不同設(shè)備類(lèi)型中的允許壓力降參考值： 3、管殼程流體的確定 主要根據(jù)流體的操作壓力和溫度、可以利用的壓力降、結(jié)構(gòu)和腐蝕特性，以及所需設(shè)備材料的選擇等方面，考慮流體適宜走哪一程。下面的因素可供選擇時(shí)考慮：u適于走管程的流體有水和水蒸氣或強(qiáng)腐蝕性流體；有毒性流體；容易結(jié)構(gòu)的流體；高溫或高壓操作的流體等。u適于走殼程的流體有塔頂餾出物的冷凝；烴類(lèi)的冷凝和再沸；管件壓力降控制的流體；粘度大的流體等。 當(dāng)上述情況排除后，介質(zhì)走哪一程的選擇，應(yīng)著眼于提高傳熱系數(shù)和最充分

12、的利用壓力降上。由于介質(zhì)在殼程的流動(dòng)容易達(dá)到湍流（Re100），因而將粘度大的或流量小的流體，即雷諾數(shù)低的流體走殼程一般是有利的。反之，如果流體在管程能夠達(dá)到湍流時(shí)，則安排走管程較合理。若從壓力降的角度考慮，一般是雷諾數(shù)低的走殼程合理。 4、換熱終溫 的確定 換熱終溫一般由工藝過(guò)程的需要確定。當(dāng)換熱終溫可以選擇時(shí)，其數(shù)值對(duì)換熱器是否經(jīng)濟(jì)合理有很大的影響。在熱流體出口溫度與冷流體出口溫度相等的情況下，熱量利用效率最高，但是有效傳熱溫差最小，換熱面積最大。 另外，在確定物流出口溫度時(shí)，不希望出現(xiàn)溫度交叉現(xiàn)象，即熱流體出口溫度低于冷流體出口溫度。 5、設(shè)備結(jié)構(gòu)的選擇 對(duì)于一定的工藝條件，首先應(yīng)確定設(shè)

13、備的形式，例如選擇固定管板形式還是浮頭形式等。參照下表1-7. 在換熱器設(shè)計(jì)過(guò)程中，強(qiáng)化傳熱總的目標(biāo)概括有：在給定換熱量下減少換熱器的尺寸；提高現(xiàn)有換熱器的性能；減小流動(dòng)工質(zhì)的溫差；或者降低泵的功率。 傳熱過(guò)程是指兩種流體通過(guò)硬設(shè)備的壁面進(jìn)行熱交換的過(guò)程，按照流體的傳熱方式基本上可以分為無(wú)相變和有相變兩種類(lèi)型。無(wú)相變過(guò)程強(qiáng)化傳熱技術(shù)的研究，一般依據(jù)控制熱阻側(cè)而采取相應(yīng)的措施：如采用擴(kuò)展管內(nèi)或者管外表面；采用管內(nèi)插異物；改變管束支撐件形式；加入不互溶的低沸點(diǎn)添加劑等方法，以增強(qiáng)傳熱效果。 螺紋管性能特點(diǎn) 在管子類(lèi)型中，螺紋管屬于管外擴(kuò)展表面的類(lèi)型，在普通換熱管外壁軋制成螺紋狀的低翅片，用以增加外側(cè)的傳熱面積。螺紋管表面積比光管可擴(kuò)展1.6-2.7倍，與光管相比，當(dāng)管外流速一樣時(shí)，殼程傳熱熱阻可以縮小相應(yīng)的倍數(shù)，而管內(nèi)流體因管徑的減小，則壓力降會(huì)略有增大。螺紋管比較適宜于殼程傳熱系數(shù)相當(dāng)于管程傳熱系數(shù)1/3-3/5的工況。 波紋管換熱器的性能特點(diǎn) 以改變