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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
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6.2 管壳式换热器
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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
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一、固定管板式换热器 结构
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双管程固定管板换热器
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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。
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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
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浮头式换热器
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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。
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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
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U形管式换热器
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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。
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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
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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。
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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
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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)。
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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
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一、换热管 二、管板 管程结构 三、管箱 四、管束分程 五、换热管与管板连接
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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。
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2.管板结构 厚度——满足强度前提下,尽量减少管板厚度
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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
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薄管板 平面形 椭圆形 碟形 球形 挠性薄管板等 目前主要有
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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
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●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。
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●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。
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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。
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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
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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)
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(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。
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(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。
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(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
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(d) 特点 设置多层隔板的管箱结构
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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
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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
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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
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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
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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。
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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。
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液压胀接接头
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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
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(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。
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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
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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。
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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 ℃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.
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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:
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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
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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
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