壳管式换热器

1 引 言 换热器是化工、石油、动力、钢铁、食品、发电及其他许多工业部门的通用设备，在生产中占有重要的地位。尤其是化工生产中，据统计,在现代化学工业中换热器的投资大约占设备总投资的30%,在炼油厂中占全部 工艺 钢结构制作工艺流程车尿素生产工艺流程自动玻璃钢生产工艺2工艺纪律检查制度q345焊接工艺规程 设备的40%左右,海水淡化工艺装置则几乎全部是由换热器组成的。对国外换热器市场的调查表明,虽然各种板式换热器的竞争力在上升,但管壳式换热器仍占主导地位约64%。换热器关系到生产的正常运行和操作费用。换热器的种类繁多，但管壳式换热设备在化工生产中仍占据主要地位，尤其在高温或有腐蚀性介质的作业中更能显出优势。以炼油厂为例，换热器占设备总金属消耗量的20%左右。它既是工艺 流程 快递问题件怎么处理流程河南自建厂房流程下载关于规范招聘需求审批流程制作流程表下载邮件下载流程设计 中的重要装备，同时又是企业减少能源消耗、降低生产成本的主要手段。因此换热器技术水平是炼油厂先进程度的重要标志之一。 由于世界性的能源危机，为了降低能耗，工业生产中对换热器的需求量越来越多，对换热器的质量要求也越来越高。换热器分类方式多样，按照其工作原理可分为：直接接触式换热器、蓄能式换热器和间壁式换热器三大类，其中间壁式换热器用量最大，据统计，这类换热器占总用量的99%。间壁式换热器又可分为管壳式和板壳式换热器两类，其中管壳式换热器以其高度的可靠性和广泛的适应性，在长期的操作过程中积累了丰富的经验，其 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 资料比较齐全，在许多国家都有了系列化 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 [[1]王元文.管壳式换热器的优化设计.广东化工.2005,(3):43-44.]。近几十年来，随着紧凑式换热器(板式、板翅式、压焊板式换热器等)、热管式换热器、直接接触式换热器等的发展，管壳式换热器面临着挑战，在某些场合，管壳式换热器已被一些新型的换热器所取代。尽管管壳式换热器受到了新型换热器的挑战，但由于管壳式换热器有高度的可靠性、广泛的适应性、结构简单、牢固、操作弹性大、应用材料广等优点，管壳式换热器目前仍然是化工、石油、制冷、核能和动力等工业中使用的主要类型换热器，它的产量至今仍占统治地位。目前工业装置中管壳式换热器的用量占全部换热器用量的70%[ [2]张石铭.化工容器及设备.湖北:湖北科技出版社,1984.]，尤其在高温、高压和大型换热设备中仍占有绝对优势。由于受到挑战，管壳式换热器在近几十年来也有较大的改进和发展，换热器的结构从原来传统的弓形隔板和光滑管的结构，发展为其他类型的管间支撑物和强化管的结构[[3]高莉萍,王励瑞.高效换热器的发展动态及其应用.石油化工设备技术,1995(3):8-14.]，由于这些结构上的改进，使得管壳式换热器的传热与流体阻力性能有了明显的改善,加上本身固有的优点，如耐高温、耐高压、结构简单、清洗方便等，使得管壳式换热器在激烈的换热器竞争中得以生存和发展。 我国现行服役的换热器大多采用20世纪50年代国外早期的设计结构，换热效率较低、阻力降大、易结垢，停工检修频繁。几十年来，虽然作了一些改进，但基本保持原设计思想，尤其是壳程介质的流动方式几乎没有太大的改进，仍沿袭统的垂直弓形板横向流，使得换热器总传热系数K值一直停滞在较低状态。 进入20世纪70年代后，随着石化行业技术的发展，国外换热器技术也有了显著的进步。首先在换热器两个传热界面之一的管程采用了螺纹管、异形管、内插物等强化传热新技术，使管程传热有了较大的突破。但是从间壁传热原理上讲，控制一台换热器传热效率的是传热能力相对较差一侧的传热能力，而这一侧往往是壳程。于是美国人首先发明了折流杆列管式换热器。首先它的轴向流动方式，减少了壳程流体的滞流、回流和死区，提高了佩克莱常数Pe值，减少了压降和污垢沉积；而且杆后的卡门涡街脱落效应在传热管子表面产生紊流，提高了壳侧膜传热系数。折流杆的夹持作用又抑制了破坏性振动，使换热器大型化成为可能。但是折流杆传热器不是万能的，它有着自己的局限性，特别在低Re数、高粘度介质中很难形成有效卡门涡街，达不到高传热效率的要求。为进一步提高壳程传热能力，于是产生了螺旋折流板式列管换热器。螺旋折流板换热器壳程中的介质既不是横向流，也不是纵向流，而是一种螺旋状斜向流，该种流动方式能适用包括高粘原油、渣油在内的所有介质，这种结构显著地提高了换热效率，大幅度降低了压力降，控制了振动造成的破坏，减少了污垢沉积的可能性，为换热器的大型化提供了广阔的前景。 2 管壳式换热器的简介 在各种型式的换热器中，管壳式换热器是目前应用最广泛，也是最重要的一种。管壳式换热器是在个圆筒形壳体内设置许多平行管子(称为管束)，让这两种流体分别从管内空间(称为管程)和管外空间(称为壳程)流过进行热量交换。它在化工生产中，无论是国内还是国外，在所有的换热设备中占主导地位。 1.1管壳式换热器的基本原理和结构 管壳式换热器是由管子和外壳构成的换热装置。是以封闭在壳体中管束的壁面作为传热面的间壁式换热器，结构一般由壳体、传热管束、管板、折流板（挡板）和管箱等部件组成。图1是最简单的管壳式换热器，也称为套管式换热器。它由一根管子套上一根直径较大的管子组成，冷、热流体分别在内管和夹层中流过。[2]如图1中，A流体从接管1流人壳体内．通过管间从接管2流出。B流体从接管3流入，通过管内从接管4流出。如果A流体的温度高于B流体，热量便通过管壁由A流体传递给B流体；反之，则通过管壁由B流体传递给A流体。壳体以内、管子和管箱以外的区域称为壳程，通过壳程的流体称为壳程流体(A流体)。管子和管箱以内的区域称为管程，通过管程的流体称为管程流体（B流体)。管壳式换热器主要由管箱、管板、管子、壳体和折流板等构成。通常壳体为圆筒形；管子为直管或U形管。为提高换热器的传热效能，也可采用螺纹管、翅片管等。[3] 在换热器选材方面，当换热介质无腐蚀或有轻微腐蚀时，一般采用低炭钢或普通钢板制造或锻造管板;当处理腐蚀性介质时，则采用耐腐蚀材料，如不锈钢材料;当管板很厚时，可采用复合管板，即以不锈钢抵抗腐蚀，以炭钢或普通钢承受介质的压力;有时为适应高温高压卜的热应力和机械应力的叠加，而采用薄管板，如椭圆管板，碟形管板等。 1.2 管壳式换热器传热途径 目前,壳程强化传热的途径主要有2 种: (1) 改变管子外形或在管外加翅片,即通过管子形状或表面性质的改造来强化传热,以提高换热器的效率,如螺纹管、表面多孔管、钉头管、太阳棒管、外翅片管等; (2) 改变壳程挡板或管支承物的形式,以减少或消除壳程流动与传热的滞留死区,使传热面积得到充分利用。第一种途径与强化管程传热的高效传热管的型式和机理相似。第二种途径由于消耗于这些支承物上的动量大大减少,泵功率绝大部分用于增强传热方面,因而从能量利用方面来说是十分可取的。 1.3 管壳式换热器类型 由于管内外流体的温度不同，因之换热器的壳体与管束的温度也不同。如果两温度相差很大，换热器内将产生很大热应力，导致管子弯曲、断裂，或从管板上拉脱。因此，当管束与壳体温度差超过50℃时，需采取适当补偿措施，以消除或减少热应力。根据所采用的补偿措施，管壳式换热器可分为以下几种主要类型： 固定管板式换热器、浮头式换热器、U型管换热器。 1.3.1固定管板式换热器[3] 固定管板式换热器的结构：主要有外壳、管板、管束、顶盖(又称封头)等部件构成。在圆形外壳内，装入平行管束，管束两端用焊接或胀接的 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 固定在管板上，两块管板与外管直接焊接，装有进口或出口管的顶盖用螺栓与外壳两端法兰相连。它的特点是结构简单。没有壳侧密封连接，相同的壳体内径排管最多，在有折流板的流动中旁路最小，管程可以分成任何管程数，因两个管板由管子互相支撑，故在各种管壳式换热器中它的管板最薄。造价最低，因而得到广泛应用。这种换热器的缺点是：壳程清洗困难，有温差应力存在。当冷热两种流体的平均温差较大．或壳体和传热管材料膨胀系数相差较大，热应力超过材料的许用应力时，在壳体上需设膨胀节，由于膨胀节强度的限制，壳程压力不能太高。这种换热器适用于两种介质温差不大，或温差较大但壳程压力不高及壳程介质清洁，不易结垢的场合。 1.3.2 浮头式换热器[3] 浮头式换热器的结构：两端管板中只有一端与壳体固定，另一端可相对壳体自由移动，称为浮头。浮头由浮动管板、钩圈和浮头端盖组成，是可拆连接，管束可从壳体内抽出。管束与壳体的热变形互不约束．因而不会产生热应力。它的特点是壳体和管束的热膨胀是自由的，管束可以抽出，便于清洗管间和管内。其缺点是结构复杂，造价高(比固定管板高20％)，在运行中浮头处发生泄漏，不易检查处理。浮头式换热器适用于壳体和管束温差较大或壳程介质易结垢的场合。 1.3.3 U型管换热器[3] u形管式换热器的结构：它只有一块管板，管束由多根U形管组成，管的两端固定在同一块管板上，管子可以自由伸缩。当壳体与U形换热管有温差时，不会产生热应力。它的特点是结构比较简单、价格便寅，承压能力强，适用于管、壳壁温差较大或壳程介质易结垢需要清洗，又不适宜采用浮头式和固定管板式的场合。特别适用于管内需清洁而不易结垢的高温、高压、腐蚀性大的物料。其缺点是由于受弯曲率半径的限制，其换热管排布较少，管束最内层管间距较大，管板的利用率较低。壳程流体易形成短路，对传热不利。当管子泄漏损坏时，只有管束外围处的U形管才便于更换，内层换热管坏了不能更换，只能堵死，而坏一根U形管相当于坏两根管．报废率较高。 1.4 管壳式换热器的缺点 管壳式换热器由一些直径较小的圆管加上管板组成管束,外套一个外壳而构成。其特点是结构坚固，操作弹性大，适应性强，可靠程度高，，处理能力大，能承受高温高压等特点，易于加工、清洗,选材及应用范围广，成本低，。以上优点使其成为传统换热器的标准设备。但在追求高效传热的今天,传统的管壳式换热器单位体积的传热面积较低，传热系数不高，金属消耗量大，难以满足生产要求,因而,换热器强化传热技术的研究越来越得到重视。 3 管壳式换热器的强化传热 管壳式换热器是当前应用最广、理论研究和设计技术完善，运用可靠性良好的一类换热器，目前各国为改善该换热器的性能对其强化传热技术开展了大量的研究【1方运惠，童军杰．管壳式换热器传热强化及技术进展[J]，应用技术，2006；3（3）：89-91】。管壳式换热器的研究和发展主要表现在两方面：一是新型高效传热管（如螺纹管、横纹管、波纹螺旋管、缩放管、绕丝花环管、异形翅片管）等的开发和应用，以强化管程传热。二是管束支撑结构的变化，使壳程流体流动状态发生变化，主要是从横向流变成纵向流和螺旋流，以提高传热效率和降低壳程阻力。 所谓换热器传热过程的强化就是力求使换热器在单位时间内、单位传热面积传递的热量尽可能增多[1]。应用强化传热技术的目的是为了进一步提高换热设备的效率,减少能量传递过程中的不可逆损失,更合理更有效地利用能源,减少换热面积,降低金属消耗,这就要求合理的设计、制造出高效的换热器。