管壳式换热器资料.doc

管壳式换热器
    管壳式换热器是进行热交换操作的通用工艺设备。广泛应用于化工、石油、石油化工、电力、轻工、冶金、原子能、造船、航空、供热等工业部门中。特别是在石油炼制和化学加工装置中，占有极其重要的地位。
换热器的型式
◆ 按管板和壳体及其配合部分的形式可分为固定管板式、浮头式、U型管式、填料函式、釜式、滑动管板式和插管式等七种。
◆ 按换热管的类型可分为学管、波节管、螺旋管、螺纹管等。
◆ 按安装形式可分为卧式和立式两种。
换热器的材质
根据介质的不同，可选用碳素钢、不锈钢（SUS304、SUS316、SUS316L）、铜管及其它特殊材质。
换热器的技术性能
◆ 最高使用温度：350℃
◆ 最高工作压力：35MPa
详细参数请参阅我厂《管壳式换热器》产品样本。

板式换热器是一种新型高效换热设备。目前广泛应用于化工、石油、食品、冶金、机械、轻工、电力、矿山、医药、集中供热等工业部们的加热、冷却、冷凝、蒸发等工艺过程中。
结构
    板式换热器主要由一组传热板片、封头、框架、拉紧螺栓等零件组成。传热板片可在上下梁、支架组成的框架上移动，亦可方便地装上或取下

传热原理：
    传热板片是板式换热器的核心零件，它由金属薄板制造而成。板面压出不同方向形状的沟槽，两端冲出挂梁孔，四角冲有供介质通过的角孔
沟槽分类：
    1.密封槽，位于板片周边及角孔周围。组装时，橡胶垫片镶粘于此槽中。
    2.传热部分波纹槽平面是人字型等，断面呈波纹状。位于密封槽（长六边形）内圈范围内。该部分波纹沟槽使板片之间保持一定距离形成介质通道。
    3.导向沟槽，位于角孔处两道密封槽之间，起介质导向作用。
    4.辅助沟槽，位于密封槽外圈边缘部分，主要作用是提高板片钢性
以上四类沟槽在板片装成板组后，凹凸部分互相接触形成众多支点，都有起到提高板组钢性的作用。使金属薄板（0.6~0.8毫米）也能承受强大压力（高达1.6MPa）。
    夹紧后的板组，角孔自然形成进出口通道，介质经此通道流入传热板间的流道中去，由于密封垫片的特殊形状，可使两种介质分别流入传热板两侧的流道内，互不相混。这样，金属传热板片便可将热流体的热量传给冷流体，达到热交换的目的。传热部分的人字型波纹（或其他形状波纹）交成网状并形成众多触点。板间流首断面几何形状复杂。介质通过时，流动方向和流动速度不断变化，流速很低便可发生湍流，强化传热。因此，可获得较高传热系数。

板式换热器的优点：
    传热效率高 由于设计的传热板间的流道面极复杂，换热介质在较低的流速小即可产生紊乱，强化传热，从而达到较高的传热系数。比列管式换热器高2~4倍，比螺旋板式换热器高2倍（见下表）
项   目
列管换热器
螺旋版式换热器
板式换热器
产生全紊流时的雷诺数
Re>2000
Re>800
Re>300
传热系数M/m²°C
200-1000
200-2000
2000-6000
    结构紧凑 结构紧凑，重量轻，不需要庞大的基础。其安装面约为管壳式换热器的面积1/2~1/3。重量不到列管换热器重量的2/3。可大为节省占地面积与施工费用。
    拆装方便 可使原本繁杂、笨重的维修、清洗等工作变的更加简单。松开紧固螺栓，便可轻易的更换及彻底清洗板片，特别适用于卫生条件要求较高的工业领域。
    适应性强 可在同一机架上，根据需要改变换热面积或流程组合，而换热器不需要进行改装，从而适应各种工艺要求。
    热损失少 板式换热器只有传热板的外壳板暴露在大气中，其散热损失大于等于百分之一（可以忽略不计），不需要任何保温措施。
    热回收率高 板式换热器的流程数一般可以相等，在多数情况下冷热介质可以组成百分之百的逆向流，因此板式换热器能充分利用两种液体的温差，板式换热器的热回收率可高达95%，而列管式一般不超过50%。
    金属耗量低 每平方米传热面积的板片，消耗金属材料7-10公斤。而同样的螺旋板式换热器需要27公斤/平方米，列管式换热器需要40公斤/平方米。
    安全性 传热板片的密封胶圈能起到双重密封，避免两种气体混流。由于垫片上开有安全孔，板片内的流体与大气相连，当换热器有极少的泄漏出现时，被压出的流体溢出能有出口，并能立即发现

    液体滞留量少 板式换热器内的流道中滞留液体较少，只是列管式换热器滞留液体量的8%以下，故能迅速起动，控制操作改变时反应迅速。
    不易积垢 由于板片波纹的特殊形状，具有良好的流体流动分布性，几乎不存在死区或低流速度区，表面光滑，不会腐蚀。所以流体在较低的流速小就产生湍流，使得粒子处于悬浮状态，不易产生积垢。
    应用范围广 由于板式换热器的结构提点和无比优异的性能，其应用范围非常广大。从通常的水到高粘度的甚至非牛顿型的液体，从含小直径固体颗粒到含纤维的悬浮温度，从-25度~200度都可以使用，对于用在需要严格控制温度和热敏性大或是年度高的物料情况下，尤其适宜。从工艺过程看，可用于加热、冷却、冷凝、蒸发、混合以及连续反应等过程。
    节省投资 板式换热器由于结构紧凑、重量轻，传热效率高，单位占用面及积耗费金属低，减少了维修费用，建筑费用等，使得使用板式换热器更为节省投资（见图1）。
指标
换热器型式
列管式换热器
螺旋板式换热器
板式换热器
换热面积
1
0.72
0.51
设备重量
1
0.86
0.39
每m²材料耗费
1
1.15
0.55
设备占据空间
1
0.53
0.32
克服流体阻力的运力消耗
1
0.30
0.95
维修费用
1
2.0
0.20
    维修方便 板式换热器的维修比列管式容易得多,而螺旋板则不可拆.停机后,先切断热液体,然后让冷液体循环数分钟以使设备冷却,然后关闭全部阀门,这时便可均匀松开压紧螺栓,移开活动压紧板露出传热板组以供检查.只有机械清洗,更换板片和改装时才需打开板式换热器.

主要技术特性：
传热面积 最大100m²（每台）
传热系数（水-水） 最大7000W/m²°C
接口尺寸 最大Ø125mm
工作压力 最大2.0MPa(特殊设计)
工作温度 -25°C~200°C
       蒸汽150度~300度

固定管板式换热器结构如上图所示，换热器的两端管板采用焊接方法与壳体连接固定。换热管可为光管或低翅管。其结构简单，制造成本低，能得到较小的壳体内径，管程可分成多样，壳程也可用纵向隔板分成多程，规格范围广，故在工程中广泛应用。
  其缺点是壳侧不便清洗，只能采用化学方法清洗，检修困难，对于较脏或对材料有腐蚀性的介质不能走壳程。壳体与换热管温差应力较大，当温差应力很大时，可以设置单波或多波膨胀节减小温差应力。

浮头式换热器结构如图所示，其一端管板与壳体固定，而另一端的管板可以在壳体内自由浮动。壳体和管束对热膨胀是自由的，故当两种介质的温差较大时，管束与壳体之间不会产生温差应力。浮头端设计成可拆结构，使管束可以容易地插入或抽出，这样为检修和清洗提供了方便。这种形式的换热器特别适用于壳体与换热管温差应力较大，而且要求壳程与管程都要进行清洗的工况。
  浮头式换热器的缺点是结构复杂，价格较贵，而且浮头端小盖在操作时无法知道泄漏情况，所以装配时一定要注意密封性能。

上图为双壳程U形管式换热器。U形管式换热器是将换热管弯成U形，管子两端固定在同一块管板上。由于换热管可以自由伸缩，所以壳体与换热管无温差应力。因U形管式换热器仅有一块管板，所以结构较简单，管束可从壳体内抽出，壳侧便于清洗，但管内清洗稍困难，所以管内介质必须清洁且不易结垢。U形管式换热器一般用于高温高压情况下，尤其是壳体与换热管金属壁温差较大时。
  壳程可设置纵向隔板，将壳程分为两程(如图中所示)。

上图为填料函式双管程双壳程换热器，填料函式换热器的换热管束可以自由滑动，壳侧介质靠填料密封。对于一些壳体与管束温差较大，腐蚀严重而需经常更换管束的换热器，可采用填料函式换热器。它具有浮头换热器的优点，又克服了固定管板式换热器的缺点，结构简单，制造方便，易于检修清洗。
  填料函式换热器的缺点：使用直径小；不适于高温、高压条件下；壳程介质不适于易挥发、易燃、易爆、有毒等介质。

外形图
剖视图

方形壳体翅片管换热器的壳体为方箱形(如上图所示)，其换热管为带翅片的翅片管。换热管可为单排或多排换热管。翅片材料可采用碳钢、不锈钢、铝或铜材等。翅片的翅高、翅距和翅片厚度可根据实际工况而定。
  这种形式的换热器因为采用了翅片管，可大大强化传热面积，所以特别适用于给热系数较低的流体。壳程流通面积可设计较大，流动阻力较小，所以对于压力较低和对压力降要求较小的流体特别适用。在实际生产中，常常用这种换热器来加热或冷却低压空气。
  其缺点：因为壳体为方箱形，虽然管程可承受高压介质，但壳程只能承受较低压力的介质。这种换热器的金属消耗量大，制造成本较高。
  在实际生产装置中，为提高壳程的耐压能力，往往将壳体做成圆形，而管束采用方形布管。结构可参见下面附图

  左图为我厂设计制造的空气段间冷却器的剖视图。该换热器的管束采用方形排列的翅片管，管束长度为3.7m。为提高壳体的承压能力，壳体采用圆筒形，直径900mm。
  换热管为紫铜整体轧制翅片管，翅片外径36mm，翅片根径为20mm，换热管内径16mm，翅片间距2.5mm，翅片厚度为0.5mm，换热总面积为440m2。
  空气条件：
      流量：30000Nm3/h
      温度：100-40ºC
      工作压力：0.1MPa
      压降:150mm水柱
  总热负荷:597000kcal/h

在石油、化工装置中，换热器占据着重要的位置。通常在化工厂的建设中，换热器约占总投资的10-20%；在石油炼油厂中，换热器约占全部工艺设备投资的35-40%。石油、化工装置中的换热设备，应用最广泛的是管壳式换热器。
   虽然现在出现大量结构紧凑高效的换热设备，例如：波纹板换热器、板翅式换热器、螺旋板换热器、伞板换热器等，但在各行业的换热设备中，管壳式换热器仍占据着主导地位。因为许多工艺过程都具有高温、高压、高真空、有腐蚀等特点，而管壳式换热器具有选材范围广(可为碳钢、低合金钢、高合金钢、铝材、铜材、钛材等)，换热表面清洗较方便，适应性强，处理能力大，特别是能承受高温和高压等特点，所以管壳式换热器被广泛应用于化工、炼油、石油化工、制药、印染以及其它许多工业中，它适用于冷却、冷凝、加热、蒸发和废热回收等方面。

管壳式换热器就是具有换热管和壳体的一种换热设备，换热管与管板连接，再用壳体固定。按其结构型式，主要分为：固定管板式换热器、浮头式换热器、U形管式换热器、填料函式换热器、方形壳体翅片管换热器等。详细结构如下：

1.
固定管板式换热器

2.
浮头式换热器

3.
U形管式换热器

4.
填料函式换热器

5.
方形壳体翅片管换热器
  管壳式换热器主要由换热管束、壳体、管箱、分程隔板、支座等组成。换热管束包括换热管、管板、折流板、支持板、拉杆、定距管等。换热管可为普通光管，也可为带翅片的翅片管，翅片管有单金属整体轧制翅片管、双金属轧制翅片管、绕片式翅片管、叠片式翅片管等，材料有碳钢、低合金钢、不锈钢、铜材、铝材、钛材等。壳体一般为圆筒形，也可为方形。管箱有椭圆封头管箱、球形封头管箱和平盖管箱等。分程隔板可将管程及壳程介质分成多程，以满足工艺需要。
  管壳式换热器在结构设计时，必须考虑许多因素，例如传热条件、材料、介质压力、温度、管壳程壁温温差、介质结垢情况、流体性质以及检修和清洗条件等等，从而确定一种适合的结构形式。对于同一种形式的换热器，由于各种不同工况，往往采用的结构并不相同。在工程设计中，应按其特定的条件进行分析设计，以满足工艺需要。

换热器的振动分析：
对于管壳式换热器，一个容易被忽视的问题是换热管的振动。而换热管束的振动往往是换热管破坏的主要原因，使换热器过早报废。
  引起换热管振动的因素很多，也较复杂。当介质流量接近使换热管产生共振的临界流量时，将引起换热管束产生较大的振动。另外换热器内部介质的局部湍流、涡流也会引起换热管振动。
  换热管振动的位置较广，可以是某两个折流板间的所有换热管同时产生振动，或只有几排换热管产生振动。也可能是在介质进口或出口端的某些换热管产生振动。总之，换热管的振动可能发生在换热管束的任何一处或多处。
  换热器的管束振动分析，就是要确定换热管的振动位置以及振动性质，了解引起换热管产生振动的原因，从而消除换热管的振动。消除换热管振动的方法有很多，可以通过改变换热器的结构尺寸来改变换热管束的固有频率或流体的流动状态，从而消除换热管的振动。或者在换热管束的振动部位增加局部支撑板，来约束换热管的振动。
附 图