第六章 换热设备 6.1 概述 6.2 管壳式换热器 6.3 传热强化技术

6.2 管壳式换热器

6.2.1 基本类型 一、固定管板式 二、浮头式 三、U形管式 四、填料函式 五、釜式重沸器

一、固定管板式换热器 结构

双管程固定管板换热器

优点 ——结构简单、紧凑、能承受较高的压力，造价 低，管程清洗方便，管子损坏时易于堵管或更换。 缺点 ——当管束与壳体的壁温或材料的线膨胀系数相 差较大时，壳体和管束中将产生较大的热应力。 ——适用于壳侧介质清洁且不易结垢并能进行溶 解清洗，管、壳程两侧温差不大或温差较大但壳 侧压力不高的场合。 应用 当壳壁与管壁的温差较大时，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。

浮头端 二、浮头式 结构: 一块管板与壳体螺栓固定 另一块管板与内封头构成的浮头管箱可以相对于壳体自 由移动，故管、壳间不产生温差应力 结构: 一块管板与壳体螺栓固定 另一块管板与内封头构成的浮头管箱可以相对于壳体自 由移动，故管、壳间不产生温差应力 浮头端 浮头端可自由伸缩，无热应力

浮头式换热器

优点——管间和管内清洗方便，不会产生热应力； 缺点——结构复杂，造价比固定管板式换热器高，设备笨重，材料消耗量大，且浮头端小盖在操作中无法检查，制造时对密封要求较高。 应用——壳体和管束之间壁温差较大或壳程介质易结垢的场合。

三、U形管式换热器 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

U形管式换热器

优点 结构比较简单、价格便宜，承压能力强。 缺点 受弯管曲率半径限制，布管少； 管束最内层管间距大，管板利用率低； 壳程流体易短路，传热不利。 当管子泄漏损坏时，只有外层U形管可更换，内层管 只能堵死，坏一根U形管相当于坏两根管，报废率较高。 应用 管、壳壁温差较大或壳程介质易结垢需要应用清洗， 又不宜采用浮头式和固定管板式的场合。特别适用于 管内走清洁而不易结垢的高温、高压、腐蚀性大的物料。

四、填料函式 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

优点 结构较浮头式简单，加工制造方便； 节省材料，造价比较低廉; 管束从壳体内可抽出; 管内、管间都能进行清洗，维修方便。 填料处易泄漏。 缺点 应用 4MPa 以下，且不适用于易挥发、易燃、易爆、有毒及贵重 介质，使用温度受填料的物性限制。 注：填料函式换热器现在已很少采用。

蒸发空间 五、釜式重沸器 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 与浮头式、U形管式换热器一样，清洗维修方便； 可处理不清洁、易结垢介质，能承受高温、高压（无温差应力）。

6.2.2 管壳式换热器结构 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

一、换热管 二、管板 6.2.2.1 管程结构 三、管箱 四、管束分程 五、换热管与管板连接

6.2.2.2 壳程结构 一、换热管 翅片管（在给热系数低侧） 光管 1.换热管型式 螺旋槽管 强化传热管 螺纹管 φ19×2、φ25×2.5和φ38×2.5mm无缝钢管φ25×2和φ38×2.5mm不锈钢管 2.换热管尺寸 标准管长1.5、2.0、3.0、4.5、6.0、9.0m等

可使单位体积传热面积增大、结构紧凑、金属耗量减少、传热系数提高 小管径 阻力大，不便清洗，易结垢堵塞 用于较清洁的流体 大管径 粘性大或污浊的流体

3.换热管材料 碳素钢 低合金钢 不锈钢 铜 铜镍合金 铝合金 钛等 石墨 陶瓷 聚四氟乙烯等 非金属材料 金属材料 设计时根据工作压力、温度和介质腐蚀性等选择合适 的材料

4.换热管排列形式及中心距 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

换热管中心距P要保证管子与管板连接时，管桥（相邻两管间的净空距离）有足够的强度 P≥1.25d0 管间还要留清洗通道 表6-1 常用换热管中心距/mm 换热管外径 do 12 14 19 25 32 38 45 57 换热管中心距 16 40 48 72

二、管板: ①作用: a. 用来排布换热管； 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

1.管板材料 考虑力学性能、 介质腐蚀性 贵重钢板价格等 流体无腐蚀性或有轻微腐蚀性时，管板采用压力容器用碳素钢或低合金钢板或锻件制造； 腐蚀性较强时，用不锈钢、铜、铝、钛等材料， 为经济考虑，采用复合钢板或堆焊衬里。

2.管板结构 厚度——满足强度前提下，尽量减少管板厚度

厚度计算标准 GB151《管壳式换热器》 美国管式换热器制造商协会标准TEMA 西德AD标准 厚度 “厚管板”——GB151《管壳式换热器》、美国管式换热器制造商协会标准TEMA “薄管板”——西德AD标准8-20mm

薄管板 平面形 椭圆形 碟形 球形 挠性薄管板等 目前主要有

比较四种用于固定管板换热器的薄管板结构 （b） （a） 薄管板嵌入法兰内，并将表面车平。不论管程和壳程是否有腐蚀性介质，法兰都会与腐蚀性介质接触，需采用耐腐蚀材料，※而且管板受法兰力矩的影响较大 薄管板贴于法兰表面上，当管程通过腐蚀性介质时，密封槽开在管板上，法兰不与管程介质接触

●薄管板在法兰下面且与筒体焊接。壳程通入腐蚀性介质时，不必采用耐腐蚀材料； ●管板离开了法兰，减小了法兰力矩和变形对管板的影响，降低了管板因法兰引起的应力； ●管板与刚度较小的筒体连接，也降低了管板的边缘应力； （c） ●是一种较好的结构。

●管板与壳体间有一个圆弧过渡连接，并且很薄，管板具有一定弹性，可补偿管束与壳体间的热膨胀； ●过渡圆弧可减少管板边缘的应力集中。 ●该种管板没有法兰力矩的影响。 ●壳程流体通入腐蚀性介质时，法兰不会受到腐蚀。 （d） 挠性薄管板结构 ●挠性薄管板加工比较复杂。

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。

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，避免两种介质混合 图6-16 双管板结构 1—空隙 2—壳程管板 3—短节 4—管程管板

三、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？ (a) (b) 图6-18 (c) (d)

(a) 特点 清洗时需将连接管件一起拆下，不方便； 该结构适用于较清洁的介质。

(b) 特点 有箱盖，清洗时将盖拆除，不需要连接管； 缺点是用材较多。

(1) (2) (c) 特点 管箱与管板焊成一体，避免密封处的泄漏； 但管箱不能单独拆下，检查、清洗不方便, 很少使用

(d) 特点 设置多层隔板的管箱结构

四、管束分程 管内流动的流体从管子的一端流到另一端，称为一个管程

管束分程布置图 每程管数大致相同，温差不超过20℃左右为好 流向

强度胀 五、换热管与管板连接 强度焊 胀焊并用 （1）强度胀 保证换热管与管板连接的密封性能及抗拉脱强度的胀接

胀接机理 方法: 均匀胀接 非均匀胀接—机械滚胀法，常用 液压胀接 液袋胀接 橡胶胀接 爆炸胀接 管子硬度一般须低于管板硬度，若达 不到，可进行管头退火处理

机械滚胀法 是利用滚柱胀管器的滚碾使伸入管板孔内的换热管端直径变大， 产生塑性变形，而套在管端外表面上的管板仍处于弹性变形， 胀接后管板孔弹性收缩，紧紧抱住因塑性变形而增大的管子， 依靠两者的挤压力（残余应力），达到密封和紧固的目的。 由于这种形式连接简单，管子更换方便，所以应用较广。 因挤压力会随温度的升高逐渐消失，使管端失去密封和紧固能力。 因次要注意应用范围 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。

爆炸胀接 利用炸药爆炸时产生的能量来胀接管子与管板 液压胀接 将胀接接头心轴塞进待胀管端，依靠心轴两端设置O形密封圈 的密封，将高压液（油或水）直接注入管内，使管壁受到高压力， 达到胀管目的。

液压胀接接头

橡胶胀接 利用橡胶等弹性体受轴向压缩时在径向产生鼓胀力来胀管。鼓胀处表面光滑，无加工硬化现象，无裂纹发生。 液袋胀接 把液压注入液袋，借助液袋鼓胀加工的原理，把压力施加 到管子内壁上，使管子与管板胀接

（2）.强度焊 管子与管板的焊接结构，因管孔不需要开槽，管孔的粗糙度要求不高，加工制作方便，抗拉脱力强，结构强度高，补焊、拆卸都比胀管方便，应用较广泛，通常称强度焊。 典型结构如图所示。(a)为孔端开坡口，连接质量好，最常用的焊接结构形式； (b) 结构在管孔周围开沟槽，能减少焊接应力，适用于管板经焊接后(氩弧焊)不允许产生变形的场合，不锈钢管与管板的焊接多采用此结构，但加工麻烦，工作量大。 (c)结构可避免停车后管板上积有残液，同时减少流体进管口时的阻力。 (d)结构管板孔端没开坡口，连接质量较差，用于小直径管子不能胀接时。

保证换热管与管板连接的密封性能及抗拉脱强度的焊接。 图6-20 强度焊接管孔结构 用于复合管板 用于整体管板

优点 焊接结构强度高，抗拉脱力强度高。 高温下也能保证连接处的密封性能和抗拉脱力。 泄露处可补焊和更换。 缺点 焊后，管子与管板中存在残余热应力和应力集中， 运行时可能引起应力腐蚀与疲劳； 容易产生缝隙腐蚀。 应用 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 高温高压下，管端接头面临着极其苛刻的工作环境，无论是焊接，或是胀接，都难以保证满足要求。 胀接法虽可以承受较高的压力，但当温度升到300-400℃以上时，蠕变造成胀接残余应力的松弛，将很快使胀口失效。 焊接法虽然可以耐更高的温度，但高温循环应力易使焊口发生疲劳裂纹，故需考虑胀焊并用.

主要有强度胀+密封焊、强度焊+贴胀、强度焊+强度胀等 不仅能提高连接处的抗疲劳性能，而且还可消除应力腐蚀和缝隙腐蚀，提高使用寿命 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：

对于密封要求较高的场合，或承受振动，疲劳载荷的场合，及有间隙腐蚀和采用复合管板的场合，先胀后焊可提高焊缝抗疲劳的性能，且管壁贴合于管板孔壁，可防止焊接时产生裂纹。 但胀管残留的润滑油易在焊接过程中产生气孔，严重影响焊缝质量。而先焊后胀可不必清理胀管后残留的油污，但对焊后胀接时的胀管位置要求较高，必须保10~12mm的范围内不进行胀节，否则损坏焊缝。 在胀焊结合结构中，常用的是强度胀加密封焊，如图1，和强度焊加贴胀如图2。前者用胀接来承受作用力，用密封焊保证密封性，而后者是用焊接来承受作用力，用贴胀来消除管子与管板之同的间隙。 强度胀加密封焊 强度焊加贴胀

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