第六章 换热设备

1. 过程设备设计 第六章 换热设备 6.1 概述 6.2 管壳式换热器 6.3 余热锅炉 6.4 传热强化技术

2. 6.2 管壳式换热器 特点：结构坚固，弹性大，可靠性高，使用范围广， 使用经验丰富→仍占主导地位。 一、结构型式： 1. 总 体 结 构

3. 刚性结构—固定管板式 具有温度补偿装置 带膨胀节的固定管板式 使受热部分自由伸缩 按结构特点 浮头式 U形管式 填料函式 2.基本类型: (1)固定管板式：图6-13(a)

4. 结构: 特点: 管子、管板、壳体三者刚性连接/结构简单、紧凑/ 造价便宜/应用较广 缺点: 管外不能机械清洗 / 当Δt ↑→ 由于刚性连接 适用: Δt↓ (管子—壳体) 为减少热应力，通常在固定管板式换热器中设置柔性元件（如膨胀节、挠性管板等），来吸收热膨胀差。

5. 过程设备设计 浮头端 (2)浮头式: 图6-13(b)（内浮头式） 结构: 一块管板与壳体螺栓固定 另一块管板相对于壳体自由移动→ 浮头端可自由伸缩，无热应力

6. 特点: 管壳间不产生σ△t / 管束可自由抽出，便于清洗管 内外及拆修 / 相对填料函式能在较高的工作压力和 浓度下工作。 缺点: 结构复杂 / 金属消耗量大 / 造价高（比固定式高约20%） / 在浮头处发生内漏无法检查 适用: 管、壳Δt↑ / 介质易结垢需清洗的场合

7. 过程设备设计 (3)U形管式: 图6-13(c) 结构: 管被弯成U形 / 只有一块管板，管束两端固定在同一 管板上 / 管束可自由伸缩 U形管

8. 特点: 不产生σ△t / 结构简单 / 造价低 / 管束可抽出→管外清洗方便 缺点: 管束对管板无支撑作用，所需管板厚 / 管内清洗不便 / 常振动 / 管板布管少，管板利用率低 / 管外流体常短路 / 内层损坏不易更换，堵管后管子报废率高

9. 过程设备设计 (4)填料函式: 图6-13(d)(外浮头式) 结构: 浮头伸出壳外 / 浮头与壳体间用填料密封 填料函式密封

10. 特点: 管束自由伸缩→管壳间不产生σ△t / 较浮头式结构 简单 / 加工制造方便 / 检修清洗容易，填料处泄漏 能及时发现 缺点: 壳程有外泄可能，故壳程p↓/ 使用温度受填料性能 限制→t不可太高 / 不易处理易挥发，易燃，易爆， 有毒及贵重介质 适用: p ↓ ，D ↓ ，生产中不是为了消除σ△t，而是为了便于 清洗壳程才用这类换热器。现在已很少采用。

11. 过程设备设计 蒸发空间 (5)釜式重沸器: 图6-13(f) 结构: 管束可以浮头式，U形管，固定管板式 / 壳体上部 设置一个蒸发空间 特点: 根据管束形式而定 管束可以为浮头式、U形管式和固定管板式结构

12. 过程设备设计 二、结构设计 管程—与管束中流体相通的空间 壳程—换热管外面流体及相通空间 管程 壳程 管程

13. 就要 管数n ↑ (v↓ ) 为使管内v↑→提高传热效果→需分程 平行布置法 T形布置法 ③隔板布置方式 (表6-2) 1.管程结构 (1)管束分程(分程隔板): ①条件:当换热器所需换热面↑，而管子又不能太长时， ②管程数: 一般有1，2，4，6，8，10，12等七种, 最简单、 　最常用的是单管程。 ④分程的要求: a.避免流体温差较大的两部分管束紧邻 b.程与程之间温差不宜过大, 不超过20℃ c.应尽可能使各管程的换热管数大致相同 d.分程隔板槽形状简单, 密封面长度较短

15. 过程设备设计 表6-2 管束分程布置图 流向

16. ⑤分程隔板与管板的连接形式: 隔板密封面通常10mm; 对卧式换热器:设置φ6mm的排液孔, 其位置按具体情况而定

17. ⑵换热管 ①材料: ②管内流速: 使管内流体→达湍流, 提高传热效果 通常液体v=0.3～2m/s 气体v=8～25m/s φ19×2、φ25×2.5和φ38×2.5mm无缝钢管 φ25×2和φ38×2.5mm不锈钢管 ③结构尺寸: a.外径×壁厚 b.标准管长: 1.5、2.0、3.0、4.5、6.0、9.0m 注意: 考虑d、l→对换热器造价的影响。 如有可能，应选取多个d和l进行方案比较， 以确定最佳参数。

18. 光管 翅片管（在给热系数低侧） ④型式: 强化传热管 螺旋槽管 螺纹管 p ⑶布管: ①管子在管板上的排列 正三角形: 最普遍/布管多/声振小/管外流体扰动大→传热好 但不易清洗； 转角三角形: 易清洗，但传热效果不如正三角形 正方形及转角正方形: 管外清洗方便/但排管比三角形少

19. 原则: 无论哪种排列都必须在管束周围的弓形空间 尽可能 多布管→传热面积↑，且可防壳程流体短路 ②管心距:保证管子与管板连接时，管桥有足够的强度和刚度 影响因素有: 结构紧凑性 / 传热效果 / 清洗难易 t≥1.25d0 (保证管桥强度和清洗通道) 取值: 表6-1 常用换热管中心距/mm

20. ⑷管板: ①作用: a. 排布换热管； b. 分隔管程和壳程流体→避免冷、热流体混合 c. 承受管程、壳程压力和温度的载荷作用

21. 一般: 碳素钢或低合金钢板或锻件制造 流体腐蚀性较强 ②材料: 不锈钢、铜、铝、钛 复合板 堆焊衬里 堆焊复合板 轧制复合板 爆炸复合板 复合板 ③结构: 满足强度前提下，尽量减少管板厚度。 平管板: 可用钢板、锻件制成 薄管板: 一般8～20mm，图6-15 椭圆形管板: 图6-16 双管板: 图6-17

22. 过程设备设计 比较四种用于固定管板换热器的薄管板结构 （b） （a） 图6-15 薄管板结构形式

23. 过程设备设计 （d） （c）

24. 过程设备设计 图6-16 椭圆形管板 以椭圆形封头作为管板，与换热器壳体焊接在一起。 受力情况比平管板好得多，可以做得很薄，有利于降 低热应力；适用于高压、大直径的换热器。

25. 过程设备设计 3 2 4 1 用于严格禁止管程 与壳程介质互相混 合的场合。 方法： 从短节排出 短节圆筒充入高于 管程、壳程压力的 惰性介质 图6-16 双管板结构 1—空隙 2—壳程管板 3—短节 4—管程管板

26. 良好的密封性→防止流体短路 足够的紧固强度→有足够的抗拉脱力 连接要求 胀接 焊接 胀焊并用 连接方法 液压胀接 液袋胀接 橡胶胀接 爆炸胀接 　均匀胀接 非均匀胀接—机械滚胀法，常用 方法: ⑸管子与管板的连接: ①强度胀: 定义: 保证换热管与管板连接的密封性能及抗拉脱强度的胀接

27. 过胀→否则影响密封性 欠胀→否则影响紧固性 结构形式: 图６－19 12.5 原理: a.管子不能排的太密 管板强度、刚度 管子温度不易太高 会消除接头处残余应力 b.不能 c.材料要求:管板硬度＞管子硬度 若两者材料相同, 应把管子端部退火 d.结合面粗糙度:一般要求为 要求: 设计压力≤4.0MPa；设计温度≤300℃； 操作中无剧烈振动、无过大温度波动， 及无明显应力腐蚀等场合。 适用范围: 注意: 当管板是不易胀紧的不锈钢材料时,不能用强度胀

28. 应力腐蚀 疲劳破坏 ②强度焊: 定义: 保证换热管与管板连接的密封性能及抗拉脱强度 的焊接. 优点: a.比胀接密封性↑，连接强度↑ b.对管板孔及管子端部加工要求低，对管板及管子 材料要求低。 c.允许采用较小的管板厚度。 d.制造容易，加工简单。 缺点: a.焊缝处:开孔→应力集中+焊接残余应力→ →运行时可能引起 b.管板孔与管子间有缝隙→产生间隙腐蚀

29. 结构形式: 图６－20 适用范围: 除较大振动和缝隙腐蚀场合外，该方法应用广泛; 薄管板不能胀，只能焊。 ③胀焊并用 特点: 连接处抗疲劳性能↑/ 消除应力腐蚀和间隙腐蚀 / 使用寿命↑（具有胀、焊优点） 连接方式: 强度胀+密封焊、强度焊+贴胀、强度焊+强度胀等 名词术语:强度胀—为保证换热管与管板连接的密封性能及 抗拉脱强度的胀接 贴胀—为消除换热管与管孔间隙的轻度胀接,并不 承担拉脱力 强度焊—保证换热管与管板连接的密封性能及 抗拉脱强度的焊接 密封焊——保证换热管与管板连接的密封性能的焊接

30. 过程设备设计 课堂讨论 关于先焊还是先胀的讨论 机械胀接——先焊后胀 液压胀接——先胀后焊

31. 密封性能要求较高； 承受振动和疲劳载荷； 有缝隙腐蚀； 需使用复合管板等的场合 应用:

32. 过程设备设计 (6)管箱 作用——流体送入换热管和送出换热器； 在多管程结构中，还起到改变流体流向的作用。 结构形式决定因素——清洗？管束分程？ (d) (a) (b) (c) 图6-18

33. 过程设备设计 (a) 特点 清洗时要拆除管线； 该结构适用于较清洁的介质。

34. 过程设备设计 (b) 特点 清洗时不要拆除管线； 缺点是用材较多。

35. 过程设备设计 (1) (2) (c) 特点 检查、清洗不方便, 很少使用

36. 过程设备设计 (d) 特点 设置多层隔板的管箱结构

37. 过程设备设计 焊接在拉杆、定距管、折流板上 焊接在圆筒上 用U型螺栓固定在换热管上 壳体 折流板 2.壳程结构 折流杆 防短路结构 壳程分程 ⑴壳体 ①接管→焊在壳体上，供壳程流体进、出。 ②防冲挡板 作用:减小流体的不均匀分布和对管束的侵蚀和震动， 在壳程进口接管处设置防冲挡板. 固定形式

38. 条件:a.当壳程进口管流体的ρv2值为下列数值时，条件:a.当壳程进口管流体的ρv2值为下列数值时， 应在壳程进口管处设置防冲板或导流筒 (i)非腐蚀, 非磨蚀性单相流体ρv2＞2230kg/(m.s2) (ii)其他液体，包括沸点下液体ρv2＞740kg/(m.s2) b.有腐蚀或有磨蚀的气体、蒸汽及汽液混合物， 应设置防冲板 ③导流筒 作用:a.充分利用换热面积, 减小壳程进出口处死区 b.也起防冲作用 c.减少壳程进出口处压降(外导流结构) 条件: 当壳程进出口接管距管板较远，流体停滞区过大时， 应设置导流筒

39. 过程设备设计 弓形 圆盘-圆环形 堰形折流板 ⑵折流板、支持板 ①折流板 作用:a.提高壳程流体流速，增加湍动程度； 使壳程流体垂直冲刷管束，提高壳程传热系数； b.减少结垢。 c.支承管束 结构形式 （见图6-21）

40. 过程设备设计 (c)三弓形 (a)单弓形 (d)圆盘-圆环形 (b)双弓形 弓形缺口高度h 应使流体流过缺口时与横向流过管束时的流速相近 缺口大小用弓形弦高占壳体内直径的百分比来表示， 如单弓形折流板，h=(0.20～0.45)Di，最常用0.25Di。

41. 布置原则: a.一般应按等间距布置 b.管束两端的折流板尽可能靠近壳程进出口接管 c.间距：Lmin不小于0.2Di，且不小于50mm； Lmax不大于Di； 折流板缺口布置原则: a.壳程为单相清洁流体时，折流板缺口 (卧式） 应水平上下布置。 若气体中含有少量液体, 应在缺口朝上的 折流板最低处开设通液口, 见图6-22(a); 若液体中含有少量气体，应在缺口朝下 的折流板最高处开通气口,见图6-22(b); b.壳程介质为气液共存或液体中含有固体 颗粒时，折流板应垂直左右布置，并在 折流板最低处开通液口,见图6-22(c)

42. 过程设备设计 通气口 通液口 壳程为单相清洁液体时，折流板缺口上下布置 (b) (a) 图6-22 折流板缺口布置

43. 过程设备设计 通液口 卧式换热器的壳程介质为气液相共存或液体中含有固体颗粒时，折流板缺口应垂直左右布置，并在折流板最低处开通液口 图6-22 折流板缺口布置 (c)

44. 间隙→ 过大—泄露严重,不利传热; 易引起振动。 过小—安装困难。 折流板上管孔与换热管 折流板与壳体内壁之间

45. ②支持板 设置条件: 当换热器在工艺上无须设置折流板， 但管子又比较长，超过最大无支撑跨距时， 需设置一定数量的支持板，按照折流板处理. 作用: a. 减小跨距→防振 b.支承管子→增加管子刚度，防止管子产生过大挠度 形状尺寸: 同折流板 最大无支撑跨距:

46. 过程设备设计 dn dn ③折流板、支持板固定方式： A、换热管外径≤14mm时——点焊结构 B、换热管外径 ＞14mm时——拉杆-定距管结构

47. 拉杆数量: 与拉杆直径，壳体DN有关 拉杆布置:尽量布置在管束的外边缘，对于大直径的 换热器，在布管区内或靠近折流板缺口处 应布置适当数量的拉杆 ⑶折流杆 针对传统折流板: 有传热死区, 流体阻力↑, 易产生管振动等缺点→开发 新型折流杆 结构: 图6-24 1支撑杆 2折流杆 3滑轨

48. 旁路挡板 图6-25 挡管 图6-26 中间挡板 图6-27 优点: a.传热量相同下，Δp比弓形折流板降低50%； b.没有传热死区 c.结垢速度快； d.管束不易振动(壳程流体流向由横流变为轴流) (4)防短路结构 目的: 防止壳程流体，在某些区域短路→使传热效率增加 结构：

49. 过程设备设计 旁路挡板 折流板 为了防止 壳程边缘 介质短路 旁路挡板 图6-25

50. 过程设备设计 防止管间短路； 分程隔板槽背面两管板之间设置两端堵死的管子，即挡管； 挡管一般与换热管规格相同，可与折流板点焊固定，也可用 拉杆（带定距管或不带定距管）代替。 挡管每隔3～4排换热管设置一根，但不设置在折流板缺口处 挡 管 图6-26 挡管结构 挡管