管殼式換熱器內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析

換熱管是換熱器的傳熱元件，需要根據(jù)工藝條件（介質(zhì)壓力、溫度、物性）來(lái)選擇。①我國(guó)管殼式換熱器標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定采用無(wú)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(zhǎng)度可根據(jù)工藝計(jì)算確定，但應(yīng)考慮管材的合理使用。我國(guó)軋制鋼管長(zhǎng)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(jiàn)。管殼式換熱器內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(shí)）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(shù)稍高，但制造麻煩，容易結(jié)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(jié)構(gòu)類型：

換熱管一般采用無(wú)縫鋼管，材料常根據(jù)工藝條件和介質(zhì)腐蝕性來(lái)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(jié)構(gòu)類型：光管焊接管波紋管翅片管結(jié)構(gòu)形式特點(diǎn)使用場(chǎng)合應(yīng)用舉例光管結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，價(jià)格低廉，強(qiáng)化傳熱的性能不足廣泛應(yīng)用管殼式換熱器焊接管管壁較薄價(jià)格越低使用壓力≤4.0MPa，極度和高度危險(xiǎn)的化學(xué)介質(zhì)不適用。波紋管（圖2-14）能強(qiáng)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(jié)焦的場(chǎng)合。主要用于冷水機(jī)組的發(fā)熱器翅片管（圖2-15）加大流體湍流速度，強(qiáng)化傳熱效果，傳熱面積是光管的2.5-5倍，傳熱能力增強(qiáng)30%-40%。廣泛應(yīng)用空調(diào)和冷凍設(shè)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(zhuǎn)角正三角形、正方形和轉(zhuǎn)角正方形等

換熱管的排列形式

其中，正三角形排列應(yīng)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(shù)也最多，但管間不易清洗；當(dāng)殼程需要清洗時(shí)，不得采用正三角形或轉(zhuǎn)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?chǎng)合，如石油化工裝置中的固定床反應(yīng)器等。無(wú)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(huì)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(lái)連接換熱管，同時(shí)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(jù)壓力、溫度、介質(zhì)的腐蝕性能決定。主要有碳素鋼、合金鋼、鋁合金、復(fù)合材料，不銹鋼等。工程上都采用復(fù)合鋼板，以不銹鋼抵抗腐蝕，以碳鋼和低合金鋼承受介質(zhì)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(jìn)行清洗，故需將管板設(shè)計(jì)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(qiáng)度。根據(jù)管、殼程的設(shè)計(jì)壓力、設(shè)計(jì)溫度、介質(zhì)的腐蝕性，管板的結(jié)構(gòu)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(jié)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(chǎn)生塑性變形，同時(shí)迫使管板產(chǎn)生彈性變形，依靠?jī)烧咧g的相互作用力達(dá)到密封和牢固連接的目的。脹接適用于設(shè)計(jì)壓力不超過(guò)4MPa、設(shè)計(jì)溫度不超過(guò)300℃，操作中無(wú)劇烈的振動(dòng)，無(wú)過(guò)大的溫度變化及無(wú)明顯應(yīng)力腐蝕的場(chǎng)合?！窈附?/p>

設(shè)計(jì)溫度超過(guò)300℃，設(shè)計(jì)壓力超過(guò)4MPa、大都采用焊接連接。主要適用于：（1）管間距太小以至于無(wú)法脹接時(shí)；（2）當(dāng)熱循環(huán)劇烈和溫度很高時(shí)，因?yàn)闇囟冗^(guò)高會(huì)使管子和管板產(chǎn)生蠕變，使脹接松動(dòng)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(diǎn)：焊接密封性能良好，承壓高；連接強(qiáng)度大，抗拉托能力強(qiáng)；對(duì)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(jiǎn)單，尤其是高溫或者要求接頭絕對(duì)不漏以及管板不易脹接的不銹鋼時(shí)，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(shì)。缺點(diǎn)：當(dāng)管壁和管板厚度相差較大時(shí)，會(huì)因冷卻速度不同而產(chǎn)生熱應(yīng)力，使焊縫裂開(kāi)；且因存在環(huán)形間隙而造成“環(huán)隙腐蝕”。●脹焊結(jié)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(shí)，抗疲勞性能差，連接處易產(chǎn)生松動(dòng)；而焊接，雖然強(qiáng)度和密封性能好，但管子與管板孔壁處有環(huán)形縫隙，易產(chǎn)生間隙腐蝕；因此，工程上常采用脹焊結(jié)合的方式來(lái)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(yīng)力腐蝕和間隙腐蝕，同時(shí)提高了使用壽命。先焊后脹：適用于有間隙腐蝕時(shí)，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(chǎng)合，加強(qiáng)密封。

管箱位于殼體兩端，其作用將管道輸送來(lái)的流體均勻分布到各傳熱管和把管內(nèi)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(dòng)方向的作用。

4、管箱

選用管箱時(shí)，應(yīng)考慮以下因素：是否易于清洗、檢查；管路系統(tǒng)是否合理，檢修時(shí)不必拆開(kāi)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(shí)可減少結(jié)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(jié)構(gòu)復(fù)雜，不便清洗，一般用于壓力較高，物料清潔的場(chǎng)合。

折流板的布置原則1、折流板一般應(yīng)等距布置，管束兩端的折流板應(yīng)盡量靠近殼程進(jìn)出口接管。2、折流板最小間距應(yīng)≥殼體內(nèi)徑的20%，且不小于50mm，最大間距應(yīng)≤殼體內(nèi)直徑。3、折流板管孔與換熱管間隙、折流板與殼體內(nèi)壁間隙應(yīng)符合要求。間隙過(guò)大，會(huì)因短路而影響傳熱效果，且易引起振動(dòng)；間隙過(guò)小，安裝、拆卸困難。4、折流板缺口高度h,應(yīng)使流體通過(guò)缺口時(shí)與橫向通過(guò)管束時(shí)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(duì)于臥式換熱器，為排除殼體內(nèi)的剩余液體，折流板應(yīng)開(kāi)小缺口（通液口）。立式換熱器不必開(kāi)小缺口。殼程輸送氣體：氣體中含少量液體——應(yīng)在缺口朝上的折流板下部開(kāi)通液口；液體中含少量氣體——應(yīng)在缺口朝下的折流板上部開(kāi)通液口；氣、液相共存或液體中含有固體顆粒時(shí)——折流板應(yīng)垂直左右分布，且在最低處開(kāi)通液口；

●折流板的固定(圖2-27）折流板的固定是通過(guò)拉桿和定距管來(lái)實(shí)現(xiàn)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(lái)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(jié)構(gòu)

5、拉桿與定距離管的選用

在殼程進(jìn)口接管處常裝有防沖板（緩沖板）。

進(jìn)口接管及防沖板的布置

6、防沖板的選用

當(dāng)加熱蒸汽或高速流體流入殼程時(shí)，對(duì)換熱器會(huì)造成很大的沖刷，容易引起侵蝕和振動(dòng)，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(yīng)適中，太大會(huì)妨礙管子排列，且減少了傳熱面積；太小影響流體流速。當(dāng)需加大流體通道時(shí)，可在擋板上開(kāi)些圓孔以加大流體通過(guò)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(dǎo)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(jìn)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(dòng)截面大致相等，導(dǎo)流筒端部至管板的距離s應(yīng)適中，以使該處的環(huán)形流動(dòng)面積不小于導(dǎo)流筒外側(cè)的流動(dòng)截面積。

導(dǎo)流筒形式：

內(nèi)導(dǎo)流筒—圓筒形：在殼體內(nèi)部設(shè)置一個(gè)圓筒形結(jié)構(gòu)，靠近管板的一端敞開(kāi)，另一端近似封閉。適用于管板在過(guò)熱的情況下，使冷卻介質(zhì)均勻地與管板接觸，從而對(duì)管板起冷卻作用。此結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作方便，但占有殼程空間而使排管數(shù)減少。外導(dǎo)流筒—斜口形：為保證氣體沿圓周方向均勻的進(jìn)入，在進(jìn)口處采用擴(kuò)大環(huán)形通道方式，導(dǎo)流筒做成斜口形。在導(dǎo)流體下方，均勻設(shè)置數(shù)個(gè)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(shí)，便會(huì)在管板、板束和殼體系統(tǒng)中產(chǎn)生附加應(yīng)力，這一應(yīng)力是因管壁和殼壁的溫度不同引起的，稱為溫差應(yīng)力。

當(dāng)溫差應(yīng)力過(guò)大時(shí)，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(dǎo)致生產(chǎn)無(wú)法運(yùn)行。膨脹節(jié)是一種能自由伸縮的彈性補(bǔ)償裝置，當(dāng)溫差較大時(shí)，可通過(guò)膨脹節(jié)變形協(xié)調(diào)，從而大大減少溫差應(yīng)力。膨脹節(jié)壁厚越薄，彈性越好，補(bǔ)償能力越大，但厚度必須滿足強(qiáng)度要求。

設(shè)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(chǎn)生的熱應(yīng)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只適用于常壓和低壓的場(chǎng)合；波形—

可以由單層或多層構(gòu)成，或采用多波膨脹節(jié)，具有較大的補(bǔ)償量；

Ω形—用于壓力較高的場(chǎng)合。

三、管殼式換熱器的標(biāo)準(zhǔn)

◆GB151—1999《管殼式換熱器》

是由國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局發(fā)布的關(guān)于管殼式換熱器的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)是管殼式換熱器設(shè)計(jì)和制造的主要依據(jù)?！魳?biāo)準(zhǔn)代號(hào)為JB／T4714～4720－92

該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)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(jié)構(gòu)形式、基本參數(shù)及其組合都作了具體的規(guī)定(定型)。

◆換熱器的型號(hào)

×××

DN

—--A------Ⅰ或Ⅱ

管束的級(jí)別

管程/殼程