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(MechanicalDesignofShellandTubeHeatExchanger)
换热器是工业部门广泛应用的通用工艺设备。根据不同的目的,换热器可以是热交换器(Heatexchanger)、加热器(Heater)、冷却器(Cooler)、蒸发器(Evaporator)、冷凝器(Condenser)等,结构型式也多种多样,常用的换热器有板式换热器(Plateheatexchanger)、管壳式换热器(Shellandtubeheatexchanger)。
管壳式换热器又称列管式换热器。管壳式换热器具有处理能力大适应性强,可靠性高,设计和制造工艺成熟,生产成本低,清洗较为方便等优点,是目前生产中最为广泛使用的一种换热设备。
管壳式换热器的设计和选用除了满足规定的化工工艺条件外,还需满足下列各项基本要求:
(1)换热效率高;
(2)流体流动阻力小,即压力降小;
(3)结构可靠,制造成本低;
(4)便于安装、检修。
换热器构件名称
(ClassificationofShellandTubeHeatExchanger)
管壳式换热器种类很多,根据换热器所受温差应力以及是否采用温差补偿装置,分为刚性结构和具有温差补偿的两类。常用的管壳式换热器有固定管板式,浮头式,填函式和U型管式。
1、固定管板式换热器(Fixedtubeheatexchanger)
固定管板式换热器分为刚性结构的固定管板式和带膨胀节的固定管板式两种。换热器壳体和管束通过两端的管板刚性地连在一起。
固定管板式换热器
带膨胀节的固定管板式换热器
优点:换热器结构简单、造价低,每根管子都能单独更换,管内便于清洗
缺点:管外清洗困难,管壳间有温差应力存在。当两种介质温差较大时,必须设置膨胀节。
固定管板式换热器适用于壳程介质清洁、不易结垢、温差不大和壳程压力不高的场合。
3、填函式换热器(Fillfunctionheatexchanger)
填函式换热器的浮头与壳体间采用填料函进行密封和热补偿。
优点:结构简单,造价较浮头式低。检修、清洗容易,填函处的泄漏能及时发现。
缺点:壳程受到填料密封的限制,不能承受过高的压力和温度。且壳程内介质有外漏的可能,壳程内不宜处理易挥发、易燃、易爆、有毒的介质。
为减少管束与壳体之间的环隙,可采用滑动式管板结构。
填函式换热器
4、U型管式换热器(U-tubeheatexchanger)
换热器的管束弯成U型,U型管两端固定在同一块管板上,在管箱中加有一块隔板。
U型管式换热器
优点:换热器只有一块管板,结构简单,造价便宜。管束可以抽出清洗,管子可以自由膨胀。
缺点:管内不便清洗,管板上布管少,结构不紧凑。管外介质易短路,影响传热效果。内层管子损坏后不易更换。
U型管式换热器主要用于管内清洁而不结垢的高温、高压介质。壳层介质适应性强,常用于高压、高温、粘度较大的场合。
管壳式换热器的设计,首先根据化工生产工艺条件的要求,通过化工工艺计算,确定换热器的传热面积,同时选择管径。管长,确定管数、管层数和壳层数,然后进行机械设计。机械设计包括:
(1)壳体直径的决定和壳体厚度的计算;
(2)换热器封头选择,压力容器法兰选择;
(3)管板尺寸确定;
(4)折流板的选择与计算;
(5)管子拉脱力的计算;
(6)温差应力计算。
(ShellandTubeHeatExchangerDesign)
(Selectionofpipe)
1、管子直径的选择(Choiceofpipediameter)
换热管直径的确定要考虑管内介质的物性和管内流速、流量。为了提高传热效率,通常要求管内流体呈湍流,故一般要求管径较小;而且采用小直径的管子,换热器单位体积的换热面积大些,设备较紧凑。但制造较麻烦,容易结垢,不易清洗,适用于较清洁的流体。粘度大或污浊的流体,宜选用大直径的管子。
常用的碳钢和低合金钢无缝钢管的规格有Ø19×2、Ø25×、Ø32×3、Ø38×3、不锈钢常采用Ø25×2、Ø38×。
3、管子长度的选择(Choiceofpipelength)
管子长度主要根据工艺计算和整个换热器的几何尺寸的布局来确定,管子越长,换热器单位材料消耗越低。但管子不能太长,否则对流体产生较大阻力,维修、清洗、运输、安装都不方便,管子本身受力也不好。、2、、3、、5、6、、9、12m等。
径向翅片管
螺纹管
2、焊接(Welding)
管子与管板间采用焊接连接
优点:连接结构简单、适用范围广;管板的加工要求低、生产过程简单、生产效率高;管子与管板选材要求简化、管端不须退火;在压力不高的场合可使用较薄的管板。
缺点:焊接接头处产生的热应力可能造成应力腐蚀和破裂;管子与管板间存在着间隙,这些间隙中的介质会形成死区,造成间隙腐蚀。
焊接间隙
管板孔上不开坡口
管板孔上开60°坡口
管子头部不突出管板
孔的四周开沟槽