管殼式換熱器內部結構分析

換熱管是換熱器的傳熱元件，需要根據工藝條件（介質壓力、溫度、物性）來選擇。①我國管殼式換熱器標準規(guī)定采用無縫鋼管作為換熱管，主要規(guī)格有（外徑×壁厚）：φ19×2.0；φ25×2.5；φ38×2.5；φ57×3.5等，表2-3；②長度可根據工藝計算確定，但應考慮管材的合理使用。我國軋制鋼管長度系列一般為：1.5m、2.0m、2.5m、3.0m、4.5m、6.0m、7.0m、9.0m等，以2.5—4m最常見。管殼式換熱器內部結構分析：（1）換熱管的選用③管子在管板上要保證一定的管間距(指兩相鄰換熱管中心的距離)，表2-5要求：換熱管中心距P≥1.25d0（d0

管子外徑，三角形排列時）管子的尺寸：小直徑管子單位傳熱面積的金屬消耗量小，傳熱系數稍高，但制造麻煩，容易結垢，不易清洗，用于較清潔的流體；大直徑管子用于粘性大或污濁的流體。（2）換熱管的結構類型：

換熱管一般采用無縫鋼管，材料常根據工藝條件和介質腐蝕性來選擇。常用的金屬材料有：碳素鋼、低合金鋼、不銹鋼和銅、鋁、鈦等有色金屬及其合金；非金屬材料有：石墨、陶瓷、聚四氟乙烯等。

結構類型：光管焊接管波紋管翅片管結構形式特點使用場合應用舉例光管結構簡單，制造容易，價格低廉，強化傳熱的性能不足廣泛應用管殼式換熱器焊接管管壁較薄價格越低使用壓力≤4.0MPa，極度和高度危險的化學介質不適用。波紋管（圖2-14）能強化傳熱效果，提高傳熱效率不適用于固體粉塵含量較高或易結焦的場合。主要用于冷水機組的發(fā)熱器翅片管（圖2-15）加大流體湍流速度，強化傳熱效果，傳熱面積是光管的2.5-5倍，傳熱能力增強30%-40%。廣泛應用空調和冷凍設備上的冷凝器和蒸發(fā)器

換熱管的選用2023/5/13

(3)、管子的排列順序

換熱管在管板上的排列形式有正三角形、轉角正三角形、正方形和轉角正方形等

換熱管的排列形式

其中，正三角形排列應用最為廣泛，因正三角形有利于殼程流體的湍流，且同一管板面積上，布置的管數也最多，但管間不易清洗；當殼程需要清洗時，不得采用正三角形或轉角正三角形，而要采用正方形排列，因正方形排列空間大，有利于殼程的清洗，但相同管板面積上，布管少10%~40%。在小直徑換熱器上，還可以采用一種同心圓（圖2-17）排列方式?？捎糜谔厥鈭龊?，如石油化工裝置中的固定床反應器等。無論采用那種排列方式，最外層換熱管與殼體的距離≥0.25Do,且不小于10mm。這樣會增大換熱面積，防止殼程流體短路。

3、管板的選用

管板是換熱器中較重要的受力單元。管板主要用來連接換熱管，同時將管程和殼程分隔，避免管程和殼程流體相混合。管板類型有：平板式、浮頭式、雙管板和高溫高壓換熱器管板，其中最常用的是平板形。(1)材料

根據壓力、溫度、介質的腐蝕性能決定。主要有碳素鋼、合金鋼、鋁合金、復合材料，不銹鋼等。工程上都采用復合鋼板，以不銹鋼抵抗腐蝕，以碳鋼和低合金鋼承受介質的壓力。(2)、管板與殼體的連接形式

不可拆（焊接式）；

可拆式：浮頭式、U型管式、填料函式換熱器的管束要從殼體中抽出，以便進行清洗，故需將管板設計成可拆連接，將管板夾持在殼體法蘭和管箱法蘭之間。（圖2-21）固定端管板與殼體的連接。

(3)管板和管子的連接

管子與管板的連接必須牢固，不泄露，既要滿足密封性要求，又要有足夠的抗拉托強度。根據管、殼程的設計壓力、設計溫度、介質的腐蝕性，管板的結構等選擇合適的連接方式。管板和管子的連接方式有脹接、焊接、脹焊結合三種方式。

●脹接

脹接是將脹管器放入已插入管板中的管子，擠壓管壁，使管壁產生塑性變形，同時迫使管板產生彈性變形，依靠兩者之間的相互作用力達到密封和牢固連接的目的。脹接適用于設計壓力不超過4MPa、設計溫度不超過300℃，操作中無劇烈的振動，無過大的溫度變化及無明顯應力腐蝕的場合?！窈附?/p>

設計溫度超過300℃，設計壓力超過4MPa、大都采用焊接連接。主要適用于：（1）管間距太小以至于無法脹接時；（2）當熱循環(huán)劇烈和溫度很高時，因為溫度過高會使管子和管板產生蠕變，使脹接松動而發(fā)生泄露；管板與換熱管的焊接連接

脹接與焊接性能比較：優(yōu)點：焊接密封性能良好，承壓高；連接強度大，抗拉托能力強；對管板孔和管板的加工要求低；允許較小的管板厚度，焊接工藝簡單，尤其是高溫或者要求接頭絕對不漏以及管板不易脹接的不銹鋼時，采用焊接連接。焊接法已被廣泛采用，并有被優(yōu)先采用的趨勢。缺點：當管壁和管板厚度相差較大時，會因冷卻速度不同而產生熱應力，使焊縫裂開；且因存在環(huán)形間隙而造成“環(huán)隙腐蝕”?！衩浐附Y合

采用脹接雖然管子與管板貼合較好，但在壓力與溫度有變化時，抗疲勞性能差，連接處易產生松動；而焊接，雖然強度和密封性能好，但管子與管板孔壁處有環(huán)形縫隙，易產生間隙腐蝕；因此，工程上常采用脹焊結合的方式來改善鏈接處的狀況，這種方法不僅可以提高連接處的抗疲勞性能，消除應力腐蝕和間隙腐蝕，同時提高了使用壽命。先焊后脹：適用于有間隙腐蝕時，消除間隙，防止間隙腐蝕；先脹后密封焊：適用于壓力很高或不允許泄露的場合，加強密封。

管箱位于殼體兩端，其作用將管道輸送來的流體均勻分布到各傳熱管和把管內流體匯集在一起送出換熱器。在多管程換熱器中，還起著分割管程，改變流體流動方向的作用。

4、管箱

選用管箱時，應考慮以下因素：是否易于清洗、檢查；管路系統是否合理，檢修時不必拆開管路；壓力、溫度和沖蝕情況；成本。

5、折流板圓盤-圓環(huán)形折流板弓形折流板

圓缺型折流板●折流板的作用

提高殼程流體的流速，增加流體的湍流速度，提高傳熱效率，同時可減少結垢。在臥式換熱器中，折流板還可起到支撐管束的作用?！裾哿靼宓姆诸?/p>

常用折流板有圓盤-圓環(huán)形、弓形和圓缺型。圓盤-圓環(huán)形結構復雜，不便清洗，一般用于壓力較高，物料清潔的場合。

折流板的布置原則1、折流板一般應等距布置，管束兩端的折流板應盡量靠近殼程進出口接管。2、折流板最小間距應≥殼體內徑的20%，且不小于50mm，最大間距應≤殼體內直徑。3、折流板管孔與換熱管間隙、折流板與殼體內壁間隙應符合要求。間隙過大，會因短路而影響傳熱效果，且易引起振動；間隙過小，安裝、拆卸困難。4、折流板缺口高度h,應使流體通過缺口時與橫向通過管束時的流速大致相等，一般?。?.20-0.45）D（殼體公稱直徑），通常取h=0.25Di。5、對于臥式換熱器，為排除殼體內的剩余液體，折流板應開小缺口（通液口）。立式換熱器不必開小缺口。殼程輸送氣體：氣體中含少量液體——應在缺口朝上的折流板下部開通液口；液體中含少量氣體——應在缺口朝下的折流板上部開通液口；氣、液相共存或液體中含有固體顆粒時——折流板應垂直左右分布，且在最低處開通液口；

●折流板的固定(圖2-27）折流板的固定是通過拉桿和定距管來實現的。折流板就穿在拉桿上，各板之間則以套在拉桿上的定距離管來保持板間距離，最有一塊折流板則可用螺母擰在拉桿上緊固。

拉桿結構

5、拉桿與定距離管的選用

在殼程進口接管處常裝有防沖板（緩沖板）。

進口接管及防沖板的布置

6、防沖板的選用

當加熱蒸汽或高速流體流入殼程時，對換熱器會造成很大的沖刷，容易引起侵蝕和振動，從而影響傳熱效率和換熱器的壽命，因此，在入口處常安防沖板。有圓形或方形。擋板與殼壁的距離e應適中，太大會妨礙管子排列，且減少了傳熱面積；太小影響流體流速。當需加大流體通道時，可在擋板上開些圓孔以加大流體通過的截面。厚度也要適中，碳鋼：4.5mm；不銹鋼：3mm。固定方式：焊在定距離管或拉桿上；焊在圓筒上；螺栓固定。7、導流筒

通常安裝與殼程流體的入口處。作用：起到防沖板的作用；控制加熱流體或流體靠近管板處才進入管束，更充分地利用換熱器的換熱面積，提高傳熱效果。為使流動截面大致相等，導流筒端部至管板的距離s應適中，以使該處的環(huán)形流動面積不小于導流筒外側的流動截面積。

導流筒形式：

內導流筒—圓筒形：在殼體內部設置一個圓筒形結構，靠近管板的一端敞開，另一端近似封閉。適用于管板在過熱的情況下，使冷卻介質均勻地與管板接觸，從而對管板起冷卻作用。此結構簡單，制作方便，但占有殼程空間而使排管數減少。外導流筒—斜口形：為保證氣體沿圓周方向均勻的進入，在進口處采用擴大環(huán)形通道方式，導流筒做成斜口形。在導流體下方，均勻設置數個排液淚孔，以排除凝液或殘存液用。8、膨脹節(jié)的選用

在換熱器中，殼壁和管壁由于流體溫度不同引起自身的變形量不相等時，便會在管板、板束和殼體系統中產生附加應力，這一應力是因管壁和殼壁的溫度不同引起的，稱為溫差應力。

當溫差應力過大時，管子發(fā)生彎曲變形，甚至造成管子從管板上拉托或頂出，導致生產無法運行。膨脹節(jié)是一種能自由伸縮的彈性補償裝置，當溫差較大時，可通過膨脹節(jié)變形協調，從而大大減少溫差應力。膨脹節(jié)壁厚越薄，彈性越好，補償能力越大，但厚度必須滿足強度要求。

設置膨脹節(jié)的作用：（1）可以有效地減小殼體和換熱管由于溫差產生的熱應力。（2）防止管子與管板連接處被拉脫或頂出。膨脹節(jié)的型式：平板形、波形、Ω形（夾克式）三種。平板形—結構簡單，只適用于常壓和低壓的場合；波形—

可以由單層或多層構成，或采用多波膨脹節(jié)，具有較大的補償量；

Ω形—用于壓力較高的場合。

三、管殼式換熱器的標準

◆GB151—1999《管殼式換熱器》

是由國家技術監(jiān)督局發(fā)布的關于管殼式換熱器的國家標準。該標準是管殼式換熱器設計和制造的主要依據。◆標準代號為JB／T4714～4720－92

該標準對浮頭式換熱器和冷凝器、固定管板式換熱器、立式熱虹吸式重沸器及U形管式換熱器的具體結構形式、基本參數及其組合都作了具體的規(guī)定(定型)。

◆換熱器的型號

×××

DN

—--A------Ⅰ或Ⅱ

管束的級別

管程/殼程