换热器结构类型与损坏

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,换热器,四分厂设备科,苑来喜,1,换热设备,1 基本类型,2 管壳式换热器结构,3 管板设计,4 膨胀节设计,5 管束振动和防止,2,定义,换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体，使流体温度达到工艺流程规定的指标的热量交换设备，又称热交换器；,根据冷、热流体热量交换的原理和方式基本上可分三大类即：间壁式、混合式和蓄热式三类换热器，其中间壁式换热器应用最多,3,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,4,管壳式换热器,5,6,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。,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。,管壳两物流温差60时应设置膨胀节，最大使用温差不应大于120,应用,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。,7,二、浮头式,结构,浮头端可自由伸缩，无热应力,浮头端,8,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。（,管壳两物流温差120时，内垫片易渗漏,）,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。,9,三、U形管式换热器,结构,U形管,GB151 6.3.3：同一根换热管的对接焊缝，直管不得超过一条；U形管不得超过二条；最短管长不应小于300mm；包括至少50mm直管段范围内不得有拼接焊缝。,10,U形管式换热器,11,优点,结构比较简单、价格便宜，承压能力强。,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；,缺点,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。,（规定：,U形管弯管段的弯曲半径R应不小于两倍的换热管外径）,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。,12,四、填料函式,结构,填料函式密封,13,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。,缺点,填料处易泄漏。,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。,14,五、釜式重沸器,蒸发空间,结构,管束可以为浮头式、U形管式和固定管板式结构,15,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）。,特点,16,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,17,管壳式换热器结构,管程结构,一、换热管,二、管板,三、管箱,四、管束分程,五、换热管与管板连接,18,一、换热管,1.换热管型式,光管,强化传热管,翅片管（在给热系数低侧）,螺旋槽管,螺纹管,2.换热管尺寸,192、252.5和382.5mm无缝钢管252和382.5mm不锈钢管,标准管长1.5、2.0、3.0、4.5、6.0、9.0m等,19,小管径,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,阻力大，不便清洗，易结垢堵塞,用于较清洁的流体,粘性大或污浊的流体,大管径,20,3.换热管材料,金属材料,碳素钢,低合金钢,不锈钢,铜,铜镍合金,铝合金,钛等,非金属材料,石墨,陶瓷,聚四氟乙烯等,21,4.换热管排列形式及中心距,p,三角形布管多，但不易清洗；,正方形及转角正方形较易清洗,管桥强度,清洗通道,P1.25d,0,22,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,16,19,25,32,40,48,57,72,23,图4-12 径向翅片管,图4-13 螺纹管,24,一、流体在管内外的选择,管程:,1)毒性介质 2)腐蚀性流体,3) 压力高的流体 4)易结垢介质,5)温度高的介质,壳程:,粘度大、流量小的介质 雷诺系数小 的流体 饱和蒸汽宜走壳程,4.3.3 管壳式换热器选择中应注意的问题,25,二、管板,作用,用来排布换热管；,将管程和壳程流体分开，避免冷、热流体混合；,承受管程、壳程压力和温度的载荷作用。,26,1.管板材料,力学性能,介质腐蚀性（及tube-tubesheet间电位差对腐蚀影响）,贵重钢板价格,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。,27,2.管板结构,厚度,满足强度前提下，尽量减少管板厚度,热应力,28,薄管板,平面形,椭圆形,碟形,球形,挠性薄管板等,目前主要有,29,管板最小厚度,1、用于易燃易爆有毒有害介质严格场合时管板的最小厚度应不小于换热管的外径,2、一般场合时管板的最小厚度应符合,管外径25时，管板最小厚度0.75管外径,25管外径50时，管板最小厚度0.75管外径,管外径 50时，管板最小厚度0.65管外径,管板与换热管采用焊接时，管板的最小厚度应满足结构设计和制造要求且不小于12mm,30,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。,31,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,图6-17 双管板结构,1空隙 2壳程管板,3短节 4管程管板,1,2,3,4,32,三、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),(c),(d),33,四、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,换热面积要变大,管数增加,流速下降,传热系数下降,多管程,管子加长,34,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,35,分程原则,各程换热管数应大致相等；,相邻程间平均壁温差一般不应超过28；,各程间的密封长度应最短；,分程隔板的形状应简单。,36,二、管程数、壳程数的选择,分程原因,当换热器所需的换热面积较大，而管子做得太长时，就得增大壳体直径，排列较多的管子。此时，为了增加管程流速，提高传热效果，须将管束分程，使流体依次流过各程管子。,37,分程隔板槽,GB151规定,1、槽深一不小于4mm,分程隔板宽度：碳钢12mm,不锈钢11mm,分程隔板导角一般45度,38,五、换热管与管板连接,强度胀,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,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。,应用,39,非均匀胀接,均匀胀接,胀接机理,方法,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,40,2.强度焊,保证换热管与管板连接的,密封性能,及,抗拉脱强度,的焊接。,用于整体管板,用于复合管板,图6-20 强度焊接管孔结构,41,强度焊,不易用于有较大振动及有间隙腐蚀的场合,42,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能力。,泄露处可补焊和更换。,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破坏；,缝隙腐蚀。,缺点,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。,应用,43,3.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,应用：,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,44,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,45,壳程结构,一、壳体,二、折流板,三、折流杆,四、防短路结构,五、壳程分程,46,47,流路分析法,流路分析法，将流体在壳程中的流动分为五股:,A:折流板管孔与管子之间的短路流,B:理想的横流流路,C:壳体与管束之间的旁路流,D:由于管箱隔板造成的换热管空档造成的短路流,E:壳体与折流板之间的短路流,流路分析法，通过对这五股流的分析，对各个间隙与状况进行优化。,兰石所,48,一、壳体,1. 接管,2. 防冲挡板,3. 导流筒,焊在壳体上，供壳程流体进、出。,防止进口流体直接冲击管束造成管子的侵蚀和,振动，在壳程进口接管处安装，也叫缓冲板。,焊接在拉杆、定距管、I折流板上,焊接在圆筒上,用U型螺栓固定在换热管上,固定形式,减少流体滞留区，改善两端流体的分布，,增加换热管的有效换热长度，提高传热效率；,起防冲挡板的作用。,49,导流筒,50,二、折流板,1.,作用,提高壳程流体流速，增加湍动程度；,使壳程流体垂直冲刷管束，提高壳程传热系数；,减少结垢。,2.,结构形式（见图）,弓形,圆盘-圆环形,堰形折流板,51,(a)单弓形,(d)圆盘-圆环形,(c)三弓形,(b)双弓形,弓形缺口高度h,应使流体流过缺口时与横向流过管束时的流速相近,缺口大小用弓形弦高占壳体内直径的百分比来表示，,如单弓形折流板，h一般取0.200.45Di，最常用0.25Di。,图,6-21,折流板形式,52,3.,弓形缺口及通液口设置,（A）,壳程为单相清洁液体时，折流板缺口上下布置,图6-22 折流板缺口布置,通液口,通气口,53,（B）,卧式换热器的壳程介质为气液相共存或液体中含有固体颗粒时，折流板缺口应垂直左右布置，并在折流板最低处开通液口,通液口,图6-22 折流板缺口布置,54,4.,折流板布置,位置：管束两端的折流板尽量靠近进出口接管,间距：,L,min,不小于0.2Di，且不小于50mm；（特殊情况下也可以取较小的间距）,L,max,不大于Di；,55,折流板上管孔与换热管的间隙以及折流板与壳体内壁之间的,间隙,过大,泄露严重，不利传热；易引起振动。,过小,安装困难。,当换热管的无支撑跨距超过了标准中规定值时，,必须设置一定数量的支撑板，按照折流板处理。,56,5.,折流板的固定,B、,换热管外径,14mm时,点焊结构,A、,换热管外径,14mm时,拉杆-定距管结构（适用于外径大于或等于19mm的管束）,dn,dn,图,6-23,拉杆结构,57,三、折流杆,作用管束支撑结构,特点减轻折流板对换热管的剪切破坏和流体诱导振动；,避免折流板导致的传热死区，减小流体阻力，,提高传热效率；,（1）支撑杆,（2）折流杆,（3）滑轨,图6-24 折流杆结构,58,四、防短路结构,1.旁路挡板,旁路挡板 挡管（或称假管） 中间挡板,为了防止,壳程边缘,介质短路,旁路挡板,折流板,图,6-25,挡管结构,59,旁路挡板可用,钢板,或,扁钢,制成，其厚度一般与,折流板相同。,旁路挡板嵌入折流板槽内，并,与折流板焊接,。,壳体公称直径DN500mm时，增设一对旁路挡板；,DN = 500mm时，增设二对挡板；,DN1000mm时，增设三对旁路挡板。,60,2、挡管,图6-26 挡管结构,防止管间短路；,分程隔板槽背面两管板之间设置两端堵死的管子，即挡管；,挡管一般与换热管规格相同，可与折流板点焊固定，也可用,拉杆（带定距管或不带定距管）代替。,挡管每隔34排换热管设置一根，但不设置在折流板缺口处,61,隔板与挡管,62,3.中间挡板,中间挡板,图6-27,中间挡板,U形管束中心部分存在较大间隙 ，防止管间短路；,中间挡板一般与折流板点焊固定；,中间挡板的数量:DN500mm时，设置1块挡板；,500mmDN1000mm时，设置2块挡板；,DN1000mm时，设置不少于3块挡板。,63,五、壳程分程,根据工艺设计要求，,为增大壳程流体传热系数，,也可将换热器壳程分为多程的结构。,64,换热设备,1 基本类型,2 管壳式换热器结构,3 管板设计,4 膨胀节设计,5 管束振动和防止,65,三、薄管板设计,主要载荷由管壁与壳壁的温度差决定，,流体压力引起的应力与挠度相对说来是不大的。,管子的稳定性验算,公称,直径,300,400,500,600,700,800,900,1200,1400,1800,管板,厚度,8,10,12,14,16,表6-3 薄管板的厚度 mm,66,换热设备,6.2.1 基本类型,6.2.2 管壳式换热器结构,6.2.3 管板设计,6.2.4 膨胀节设计,6.2.5 管束振动和防止,67,膨胀节设计,一、膨胀节的作用,二、是否设置膨胀节的判断,68,一、膨胀节的作用,1.膨胀节的作用,降低由于管束和,壳体间热膨胀差,所引起的,管板应,力,、换热管与壳,体上的,轴向应力,以及管板与换热,管间的,拉脱力,。,U形膨胀节,69,膨胀节,70,2.膨胀节的结构形式,a. U膨胀节,b. 膨胀节,c. 平板膨胀节,二、是否设置膨胀节的判断,别忽视其他有效方法,标准：GB16749压力容器波形膨胀节,71,换热设备,1 基本类型,2 管壳式换热器结构,3 管板设计,4 膨胀节设计,5 管束振动和防止,72,5,管束振动和防止,一、振动原因,二、振动防止,73,一、振动原因,1.外激振力,2.流体诱导振动,现象,a.纵向流体诱导振动,b.横向流体诱导振动,卡门漩涡频率,紊流抖振主频率,声学驻波平率,声频振动,74,二、振动防止,1.改变流速,2.改变管子固有频率,3.增设消声板,4.抑制周期性旋涡,5.设置防冲板或导流筒,75,谢谢,76,