孙兰义教授新作《换热器工艺设计》第3章 管壳式换热器ppt.pdf

第第3章章 管壳式换热器管壳式换热器 孙兰义孙兰义 2014/11/2 目录目录 3.1 管壳式换热器的特点管壳式换热器的特点 3.2 管壳式换热器结构参数选择管壳式换热器结构参数选择 3.3 管壳式换热器工艺条件的选择管壳式换热器工艺条件的选择 3.4 管壳式换热器计算方法及经验数据管壳式换热器计算方法及经验数据 3.5 软件计算结果分析与设计方案调整软件计算结果分析与设计方案调整 3.6 管壳式换热器管壳式换热器Aspen EDR示例示例 3.1 管壳式换热器的特点管壳式换热器的特点 目前，在换热器中应用最多的是管壳式换热器管壳式目前，在换热器中应用最多的是管壳式换热器管壳式 换热器适用的操作温度与压力范围较大，制造成本低，换热器适用的操作温度与压力范围较大，制造成本低， 清洗方便，处理量大，工作可靠，长期以来，人们已在清洗方便，处理量大，工作可靠，长期以来，人们已在 其设计和加工制造方面积累了许多经验，建立了一整套其设计和加工制造方面积累了许多经验，建立了一整套 程序，人们可以容易地查找到其可靠的设计及制造标准，程序，人们可以容易地查找到其可靠的设计及制造标准， 并且能使用众多材料制造，设计成各种尺寸及型式，因并且能使用众多材料制造，设计成各种尺寸及型式，因 此管壳式换热器往往成为人们的首选。

此管壳式换热器往往成为人们的首选 管壳式换热器的结构特点管壳式换热器的结构特点 管壳式换热器主要由外壳、管板、管束和封头等部件组成 ，图3-1为结构示意图 1—管箱；2—管程接管（管嘴）；3—管板； 4—壳程接管（管嘴）；5—管束；6—浮头 图图3-1 管壳式换热器结构管壳式换热器结构示意图示意图 管壳式换热器的类型及管壳式换热器的类型及适用范围适用范围 管壳式换热器通常有固定管板式、U形管式和浮头式三种型式 3.1 管壳式换热器的特点管壳式换热器的特点 从从经济的角度上来看经济的角度上来看，，在工艺条件允许时在工艺条件允许时，，应该应该优先优先 选选用用固定固定管板式换热器管板式换热器但是当遇到以下两种情况时但是当遇到以下两种情况时，，就就 应该选用应该选用浮头式换热器浮头式换热器 3.1 管壳式换热器的特点管壳式换热器的特点 （（1）壳体和管子的金属温差超过）壳体和管子的金属温差超过30℃℃或或50℃℃，或者冷流进口和热，或者冷流进口和热 流进口之间的极限温度差超过流进口之间的极限温度差超过110℃℃。

在此情况下如果采用固定管在此情况下如果采用固定管 板式换热器，就会因热应力使管板胀口处产生泄漏板式换热器，就会因热应力使管板胀口处产生泄漏 （（2）容易使管子腐蚀或者在壳程中容易结垢的介质不能采用固定管）容易使管子腐蚀或者在壳程中容易结垢的介质不能采用固定管 板式换热器，否则管束既无法更换，又无法机械清扫板式换热器，否则管束既无法更换，又无法机械清扫 表表3-1 管壳式换热器系列特征和适用范围管壳式换热器系列特征和适用范围 3.1 管壳式换热器的特点管壳式换热器的特点 类型 系列名称 系列范围 特性 适用范围 公称直径 /mm 管程 数 管长/m 管子 ① （外径 厚度）/（mm mm） 排列 方式 ② 固定 管板 式 GB/T 28712.2 —2012 159~1800 1，2， 4，6 1.5， 2， 3， 4.5，6，9 ϕ192 ϕ252.5 △ 热膨胀补偿方式：刚性，温差 ＜50℃；加膨胀节，温差＜ 90~120℃；结构简单、紧凑， 长管时造价最低，管束不可抽 出 温差较小； 壳程压 力低； 壳程流体清 洁且不易结垢； 可 立式或卧式 U 形 管式 GB/T 28712.3 —2012 325~1200 2，4 3，6 ϕ192 ϕ252.5 △ ◇ U 形端自由伸缩补偿性好；结 构简单，管束抽出容易；管子 排列不紧凑，管长分布不均匀 温差较大； 管内流 体较干净； 管内可 承受高压 浮头 式 GB/T 28712.1 —2012 325~1900 2，4， 6 3， 4.5， 6， 9 ϕ192 ϕ252.5 ◇ □ 浮头可伸缩，补偿性好，管束 可抽出；造价较高 适用面广泛； 管内 外均可承受高温 高压 管壳式换热器的主要组合管壳式换热器的主要组合部件部件 TEMA标准中规定的管壳式换热器的主要组合 部件如图3-2所示。

同TEMA主要组合部件相比，我国GB/T 151— 1999规定的主要组合部件中增加了U形管换热器壳 体（I）和外导流筒结构（O），在釜式再沸器（K ）中增加了双管束型式，取消了穿流壳体（全错流 X），在GB/T 151—1999中，将管壳式换热器的主 要组合部件分为前端管箱、壳体和后端结构（包括 管束）三部分，详细分类及代号见图3-3 3.1 管壳式换热器的特点管壳式换热器的特点 图图3-2 TEMA 管壳式换热器管壳式换热器 中的主要部件和部件代号图中的主要部件和部件代号图 壳体壳体 各壳体详细介绍见书各壳体详细介绍见书《《第第3章章 管壳式换热器管壳式换热器 》》p2~p5 根据各种根据各种壳体类型的特点，可以归纳出壳体类型的特点，可以归纳出壳体壳体 类型选择的主要原则类型选择的主要原则如下：如下： 图图3-3 GB/T 151-1999 管壳式管壳式 换热器中的主要部件和部件代号图换热器中的主要部件和部件代号图 3.1 管壳式换热器的特点管壳式换热器的特点 ①① E型壳体为标准壳体，采用最多；型壳体为标准壳体，采用最多； ②② G型和型和H型壳体多用于卧式热虹吸再沸器，或阻力降型壳体多用于卧式热虹吸再沸器，或阻力降 要求较低的场合；要求较低的场合； ③③ J型壳体多用于塔顶冷凝器，或阻力降要求较低的场型壳体多用于塔顶冷凝器，或阻力降要求较低的场 合；合； ④④ K型壳体用于一次通过式釜式再沸器；型壳体用于一次通过式釜式再沸器； ⑤⑤ F型壳体用于需要多壳体的工况，它可起到两台或多型壳体用于需要多壳体的工况，它可起到两台或多 台串联换热器的作用，并允许换热器温度交叉的出现。

台串联换热器的作用，并允许换热器温度交叉的出现 前端管箱和后端管箱 前端管箱有封头管箱和平盖管箱两种基本型式封头管箱（B）最常用，一 般是在管侧流体较清洁的情况下使用平盖管箱可以是可拆式（A）也可以与 管板做成一个整体（C）对于水冷却器，当管侧需要定期清洗且管侧设计压 力小于1 MPa时，前封头可选A型，对于高压换热器前封头宜选择D型各管箱 详细介绍见书p6~p7 可参考的一般选型指导： 3.1 管壳式换热器的特点管壳式换热器的特点 壳侧和管侧有污垢时，前端管箱与后端管箱分别选壳侧和管侧有污垢时，前端管箱与后端管箱分别选A和和S；； 管侧无污垢时分别选管侧无污垢时分别选B和和U；； 壳侧无污垢时，分别选壳侧无污垢时，分别选N和和N；壳侧和管侧无污垢选；壳侧和管侧无污垢选B和和M；； 当换热器操作压力为高压时选当换热器操作压力为高压时选DEU 管壳式换热器型号表示方法管壳式换热器型号表示方法 3.1 管壳式换热器的特点管壳式换热器的特点 图图3-4换热器型号表示方法换热器型号表示方法 3.2 管壳式换热器结构参数选择管壳式换热器结构参数选择 换热换热管管  管子外形管子外形 换热器的管子外形有光滑管、螺纹管和波纹管等多种型式。

光滑管适用于任何条件，应用面广 当壳程流体的传热系数只有管程的1/3时，采用螺纹管，能强化壳程传热过 程 当管程流体的传热系数低于壳程的3/5以下，雷诺准数低时，选用波纹管能 大幅度提高管内传热系数 图图3-5螺纹管示意图螺纹管示意图 图图3-6波纹管示意图波纹管示意图 管径管径 换热管一般推荐选用外径为19 mm的管子对于易结垢的物料（一 般认为污垢热阻大于0.00034 m2 K/W），或允许压力降较小时采用外 径为25 mm的管子对于如再沸器等有相变的换热环境多采用32 mm 到38 mm的管径直接受火加热时多采用76 mm的管径在国外一些 石油化工装置中，甚至有采用10 mm的管子，在深冷和空分装置中， 已有采用5~7.5 mm的管子相关换热管规格见书p31~p33 3.2 管壳式换热器结构参数选择管壳式换热器结构参数选择 正三角形排列正三角形排列——应用最普遍，其传热系数高于正方形排列一般适用于不应用最普遍，其传热系数高于正方形排列一般适用于不 产生污垢或生成污垢但能以化学方法处理，以及允许压力降较高的操作产生污垢或生成污垢但能以化学方法处理，以及允许压力降较高的操作。

转角三角形排列转角三角形排列——应用不如正三角形排列那样普遍，传热系数也不如它高，应用不如正三角形排列那样普遍，传热系数也不如它高， 但高于正方形排列使用情况与上述正三角形排列相同但高于正方形排列使用情况与上述正三角形排列相同 正方形排列正方形排列——常用于要求流体压力降较低和需用机械方法清洗管子外部的常用于要求流体压力降较低和需用机械方法清洗管子外部的 情况下，但传热系数比正三角形排列的低情况下，但传热系数比正三角形排列的低 转角正方形排列转角正方形排列—多应用于要求压力降较低（但又不如正方形排列的那样低）多应用于要求压力降较低（但又不如正方形排列的那样低） 和需用机械方法清洗的情况下，传热系数比正方形排列的高和需用机械方法清洗的情况下，传热系数比正方形排列的高 转角三角形与正方形排列均不适用于卧式冷凝器，因下流凝液会使下方管表转角三角形与正方形排列均不适用于卧式冷凝器，因下流凝液会使下方管表 面液膜迅速增厚面液膜迅速增厚 正三角形排列 转角三角形排列 正方形排列 转角正方形排列  管子管子排列方式排列方式 3.2 管壳式换热器结构参数选择管壳式换热器结构参数选择 管间距管间距 管间距是相邻两根管子中心的直线距离，一般选用（1.25~1.5）d（d为管 子外径） 管长管长 管长与壳径比不宜超过6~10（对直立设备为4~6），常用的为4~6米，对 于需要传热面积大、或无相变换热器可以选用8~9米以上的管长。

在炼厂设 计中最常用的是6米管长壳径较大的换热器采用较长的管子更为经济用 较小的管径和较长的管子，按三角形排列，能够节约较多的钢材 管程数管程数 管程数有1~8程几种，常用的为1、2或4管程 壳程型式程型式 （a）单壳程 （b）双壳程 （c）分流式 （d）双分流式 图图3-8 壳程的型式壳程的型式 3.2 管壳式换热器结构参数选择管壳式换热器结构参数选择 壳径壳径 换热器的壳径一般在325~1800 mm，采用一台大的换热器比采用几台小 换热器更经济 壳程折流板壳程折流板  折流板型式 最常用的折流板型式为圆缺形折流板圆缺形折流板（弓形折流板）可 分为单弓形、双弓形和三弓形折流板 单弓形折流板 双弓形折流板 三弓形折流板 弓形区不排管 图图3-9 圆缺形折流板几种型式圆缺形折流板几种型式 对于上述几种常用类型折流板，它们的优缺点详细介绍见下表 3.2 管壳式换热器结构参数选择管壳式换热器结构参数选择 折流板类型折流板类型 优点优点 缺点缺点 单弓形折流板单弓形折流板 传热效率高；价廉；易于生产传热效率高；价廉；易于生产 压力降最高；不适用于高粘度流体压力降最高；不适用于高粘度。