10-10第10篇换热器 第3章管壳式换热器 管壳式换热器又称列管式换热器。它适用于冷壳体与管東对热膨胀均无约束,因而管束与壳体之 却、冷凝、加热、蒸发及废热回收等方面 间无温差应力。 管壳式换热器虽然在换热效率、设备的体积和1.1固定管板式换热器 金属材料的消耗量等方面不如其它新型换热器,但 它具有结构坚固、操作弹性大、可靠程度高、使用 图10-3-2示出了固定管板式换热器主要零部 范围广等优点,所以在工程中仍得到普遍使用。 件的名称及相互关系。左端管箱6有两种形式:下 在工业生产中,可大量选用标准系列产品,也侧A为平盖管箱,上侧B为封头管箱。图中安装形 常按特定条件进行设计,以满足工艺上的需要。 式为卧式,20为排气口,21为排液口。若将支座改 变为立式,A(B)端在上,则20变为排液口,21为 1管亮式换热器的形式及结构 排气口。 管壳式换热器的几种典型结构示于图10-3-1 这种设备结构较简单,制造成本低,能得到最 其中(a)为固定管板式,换热管束固定在管板上,小的壳体内径,管程可分成多样,规格范围广,故 管板分别焊在外壳的两端,因此,管子、管板和壳在工程中广泛应用。 体的连接都是刚性的 缺点是壳侧不能清洗,检查困难,不能用于较 当管壁与壳体壁温度相差较大(如△t>60°c)脏或有腐蚀性的介质。适用于壳体与管子温差小 即管束与壳体的热膨胀之差较大时,为了减小或消或温差稍大但壳程压力不高,壳程结垢不严重并可 除两者因温差而产生的热应力,必须设有温差补偿能用化学清洗的场合。热膨胀之差较大时,可在壳 装置或相应措施。图中(b)在壳体上装置补偿器,体上设置膨胀节装置(见图10-3￥b)),以减小 (c)浮头式、(d)填函式和(e)U形管式,它们的热应力 a)固定式(b)带补偿器的固定式(c)浮头式(d)填函式ce)U形管式 图103-1管壳式换热器典型结构
第8章管壳式换热器 10-11 固定管板式换热 1一筒体;2-封头,3一设备法兰,4-管板;5-管箱,6法兰盖,7一垫片;8-换热管,9一折流板或支承板 10一拉杆;11-定距管;12-管程接管,13一壳程接管;14-故形膨胀节;15—隔板;16-防护板,17一支座; 18—双头螺柱,19蠣母,20一排气日;21一排液日 2浮头式换热器 浮头式换热器如图10-3-1(c)所示。一端管板 与壳体固定,另一端管板可以在壳体内自由浮动。 壳体和管束对膨胀是自由的,故管束与壳体之间无 温差应力。浮头端设计成可拆结构,使管束易于插 入或抽出(也有设计成不可拆的),为检修、清洗 提供了方便。但结构较复杂,而且在操作时无法知 道浮头端小盖有无泄漏,所以安装时要特别注意其 密封。 图10-3-4浮头结构之 浮头结构有各种形式,除考虑管束能在設备内国』B168-8.各制造厂均采用此结构,浮头證法 自由移动外,还必须考虑便于浮头部分的检修、安兰直接与钩圈用螺栓紧固,使浮头法兰和活动管板 夆 装和清洗。在图10-3-3中,用夹钳形半环和若千个密封结合起来。由于钩圈较厚,所以密封性能较 压紧螺钉使浮头盖和活动管板(其间有密封垫片)好。缺点是钩圈锻件较大,浮头端壳程介质的死角 密封结合,以保证管内和管间流体互不渗漏。不过 增大,管束的有效传热面积减少。从日本引进30 这种螺钉夹紧力往往不够大,夹错形半环也较为笨万吨乙烯装置中的浮头式换热器,其钩圈结构与图 重,密封处的泄漏不易检查,装拆比较麻烦。这种10-3-4的相类似,稍有改进,钩圈具有质量轻、结 结构在50年代采用较多 构紧凑的优点。 图10-3-4为国内较常用的卡紧式钩圈结构,我 1.3填料函式换热器 支承板 片浮头盖 活动管板 对于一些因腐蚀严重,温差较大而经常要更换 新螺订 管束的冷却器,采用填料函式要比浮头式或固定式 换热器优越得多。它具有浮头式的优点,又克服了 固定式换热器的缺点,结构较浮头简单,制造方 便,易于检修清洗 夹钳形半环 目前所使用的填料函式换热器都较小,直径在 700mm以下,大直径填料函式很少采用,尤其在操 作压力及温度较高的条件下就更少采用。由于填料 图10-3-3浮头结构之 函密封性能的限制,壳程内为易挥发、易燃、易爆
10-12第10篇,换热器 及有莓介质时,不宜采用填料函式换热器。 斗壳体 填料丽式换热器的結构特点是浮头部分与壳体 间采用填料函密封,允许管束自由伸长。图10-3-5 中,填料函安置在浮斗端的接管处。这种结构密封 周边较少,不易泄漏,但由于管束与壳体之间环隙 空间比较大,壳程流体易于通过,造成流体“短 路”。图10-3-6中,填料函安置在管板处,可避免 检查孔 上述缺点,显得比较紧凑。目前称这种形式为滑动 浮动管板 管板式,被认为有一定的发展前途。这种结构的缺 A部放大图 点是密封性差,不宜在较高压力下使用,同时管束 的伸长量也受管板厚度限制。 图10-3-6填料函结构之二 图10-3-7示出外填料函式浮头结构。通常在力不大于1MPa时,应用三圈填料;设计压力不大 2,5MPa以下使用,若采用石棉编织填料,其使用于2.0MPa时,应用四圈填料;对于设计压力小于 温度不超过315°C。采用石棉编织填料,当设计压1MPa,温度低于150°C和非危险性操作条件, 可采用较少圈数的填料。填料函尺寸见图10-3-7和 表10-3-1。 1.4U形管式换热器 U形管式换热器中的管子成U形,两端固定在 同一块管板上,如图10-3-1所示。由于壳体与管子 分开,可以不考虑热膨胀。U形管式换热器仅有 块管板,且无浮头,所以结构简单,造价比其他换 热器便宜,管束可以从壳体内抽出。管外便于清洗, 但管内清洗困难,所以要求管内的介质必须是清 洁及不易结垢的物料,由于传热管呈U形。除外面 图10-3-5填料函结构之 层管子外,中间的不可能更换。管束中心部分存在空 表103-1外填料函式浮头结构尺寸 壳体直径 1.OMPa<2.OMPa 数量(个)规 350-450 M16 750-850 14.5 1100-1300 17。5 1300-1500
第8章管亮式换热器10-13 以下)换热设备上,已取得较满意的结果。 设计这类换热器可省去繁复的管板厚度计算 并可减少厚板材的供应困难。由于管板材料可节约 70—80%压力较高时可达90%,而且加工方便 所以薄管板换热器是一种很有发展前途的换热设 薄管板的结构有三种形式,如图10-3-8所示 其法兰比较厚,而管板则远远薄于同级换热器兼作 法兰的管板。(a)是引进的联邦德国装置中的结 部放大 大为08 最大为08 构,管板贴于法兰表面;(b)为苏联roCT标准的 结构,管板嵌入法兰内,表面车平;(c)为上海医 药设计院设计的结构,管板在法兰下面与筒体焊 接 软金属环 薄管板也用于多程换热器,密封槽和分程槽均 直接开在薄管板上(如(a)),或焊在隔板上(如(c) 填料匪 2工艺条件的确定 2.1温度 图10-3-7外填料函式浮头绪构 冷却水的出口温度不宜高于60°C,以免绪垢 隙,流体易走短路,影响传热效果。管板上排列的严重 管子较少,结构不紧凑。U形管的弯管曲率不同, 高温端的温差不应小于20°C,低温端的温差 管子长短不一,因而物料分布不如固定管板式换热不应小于5°C。当两工艺物流之间进行换热时,低 器均匀。管子因损坏而堵死后,将造成传热面积的温端的温差不应小于20°C 采用多管程、单壳程的管壳式换热器,并用水 U形管式换热器,一般使用于高温高压的场作为冷却剂时,冷却水的出口温度不应高于工艺物 合。在压力较高的情况下,应加厚夸管段的壁厚,流的出口温度 以弥补弯管后管壁的减薄 在冷却或者冷凝工艺物流时,冷却剂的入口温 如壳程需要经常清洗,则换热管采用正方形排度应高于工艺物流中易结冻组分的冰点,一般高 列。一般情况下按三角形排列。管程为偶数程 5°C 壳程内可装置折流板、纵向隔板等,以提高传 在对反应物进行冷却时,为了控制反应,应维 热效果。纵向隔板为矩形平板,安装在平行于传热持反应物流和冷却剂之间的温差不低于10°C。 管的方向,以增加壳程介质的流速。 当冷凝带有惰性气体的工艺物料时,冷却剂的 出口温度应低于工艺物料的露点,一般低5C。 1.5薄管板换热器 换热器的设计温度应高于最大使用温度,一般 薄管板换热器属于固定管板式。它的管板厚度高 比常规的薄得多。 2.2流程的选择 薄管板的计算,认为管子对管板是固定支撑 管版是在管子固定支撑下的平板,因此管子必须在 不洁净或易于分解结垢的物料应流经易清洗的 操作中保持刚性,即保持纵向稳定,因而管子与管 侧。对于直管管束,上述物料一般应走管内,当 板必须采用焊接。薄管板厚度一般为10-15mm左管束能拆出清洗时,也可以走管外 需要提高流速以增大对流传热系数的流体应当 薄管板换热器用在中压、大直径(在2000mm走管内,因为管内截面积通常比管间的小,而且易
10-14第10篇换热器 程 图10-3-8几种薄管板的绪构形式 于采取多程以增大流巡。 致管路堵塞,严重影响设备的使用。但增大流速又 具有腐蚀性的物料应走管内,这样可以用普通会使流体阻力显著增大,因此,选择适宜的流速十 材料制造壳体,仅仅管子、管板和封头采用耐蚀材分重要。表10-3-2、表10-3-3、表10-3-4列出了 料 些工业上常用的流速范围 压力高的物料走管内,外壳可以不承受高压。 表10-3-2管亮式热交换器内常用的流速范 温度很高(或很低)的物料走管内,以减少热 量(或冷量)的散失。如果为了更好地散热,则应 液体性质 让高温物料走壳程 蒸汽一般通入壳程,便于排出冷凝液,而且蒸 一般液体 05-30.2-15 汽较清洁,其对流传热系数又与流速关系较小。 易结垢液体,如海水、河水等>1 >05 5-30 3-15 粘度大的流体〔p>(15×108-2.5×108) Pa·s)一般走壳程,因为在设有挡板的壳程中流动 表103-3普亮式热交换备中不同黏度的 时,流道截面和流向都在不断改变,在低Re数(Re 流遠范围(以铜管为例) >100)下即可达到湍流,有利于提高管外流体的 液体粘度Pa·s 最大流速m/s 对流传热系数。 >1,5 2.3流速的选择 0。75 0.5-0。1 流体的流速,不仅直接影响对流传热系数,而 01-0。035 15 且与污垢热阻有关,从而影响总传热系数。特别对 0.035-1×10-3 于含有泥沙等易沉积颗粒的流体,流速过低可能导 <1×10