1、换热器换热器一、概述一、概述 在炼油、化工生产中，绝大多数的工艺过程都有加热、冷却和冷凝的过程，这些过程总称为换热过程。传热过程的进行需要一定的设备来完成，这些使传热过程得以实现的设备就称之为换热设备。据统计，在炼油厂中换热设备的投资占全部工艺设备总投资的3540,因为绝大部分的化学反应或传质传热过程都与热量的变化密切相关，如反应过程中，有的要放热，有的要吸热，要维持反应的连续进行，就必须排除多余的热量或补充所需的热量；工艺过程中某些废热或余热也需要加以回收利用，以降低成本。另外，生产所得的油品或化工产品，需要将其冷却或冷凝，以便储存和运输。以上这些与热量有关的过程都需要使用换热设备。使用换热
2、设备是为了达到加热或冷却的目的，如果将那些需要加热的流体与需要冷却的流体，经过换热设备相互换热，既可回收热量，又可降低冷却水的消耗。综上所述，换热设备是炼油、化工生产中不可缺少的重要设备。换热设备在动力、原子能、冶金及食品等其他工业部门也有着广泛的应用。二、比较换热设备的指标二、比较换热设备的指标 1.效率要高。效率高就要求其传热系数大，传热系数是指在单位时间内、单位面积上温度每变化一度所传递的热量。2.结构紧凑。要使换热设备的结构紧凑就要求其比表面积大，比表面积是指单位体积的换热设备所具有的传热面积，即传热面积与换热设备体积之比。3.节省材料。要做到此点要求其比重量要小，所谓比重量是指单位传
3、热面积所耗用的金属量，即换热设备总金属用量与传热面积之比。4.压力降要小。流体在设备中流动阻力小、压力损失就小，节省动力、操作成本降低。5.要求结构可靠、制造成本低，便于安装、检修、使用周期长。由于要全面满足上述要求是非常困难的，因而产生了各种各样的换热器，以适应各种特定的工艺条件。三、换热器的分类三、换热器的分类 换热设备的分类方法很多，现将几种常见的分类方法介绍如下：1、按用途分类：分为热交换器、冷凝器、蒸发器、加热器及冷却器等五类。1）热交换器：两种不同温度的介质进行热量交换，使一种介质降温而另一种介质升温，以满足各自的需要。2）冷凝器：两种不同温度的介质进行热量交换，其中一种介质由汽态
4、被冷凝成液态。3）蒸发器：与冷凝器的操作刚好相反，两种介质中的一种介质由液体被蒸发成汽体。4）加热器：只单纯的完成一种介质的加热升温的操作。5）冷却器：如果热量不回收利用，完成用冷却剂（如水、空气）来冷却另外一种介质的操作的换热器称为冷却器。如用空气作为冷却剂的换热器称为空气冷却器，简称空冷器。2、按材料分类：分为金属材料和非金属材料换热器。3、按结构分类：分为管壳式换热器和板式换热器。1）管壳式换热器：特点是圆形的外壳中装有管束。一种介质流经换热管内的通道及其相贯通部分（称为壳程）。它可分为:浮头式换热器、U型管式换热器、套管式换热器、固定管板式换热器等。2）板式换热器：它是由压成各种形状的
5、薄板组成传热面的，冷、热两种介质分别在相邻两板之间流动。常见的板式换热器有平板式换热器、伞板式换热器、螺旋板式换热器及板壳式换热器。板式换热器的传热效率虽然较高，但由于其强度低，密封性能差，故其应用受到了限制。因此，在石油、化工工业中应用较多的是管壳式换热器，它已被当成传统的换热设备来加以使用。四、管壳式换热器的总体结构四、管壳式换热器的总体结构1、管壳式换热器的总体结构以及特点1）浮头式换热器浮头式换热器的一端管板是固定的。与壳体刚性连接，另一端管板是活动的，与壳体之间并不相连。活动管板一侧总称为浮头，浮头式换热器的管束可从壳体中抽出，故管外壁清洗方便，管束可在壳体中自由伸缩，所以无温差应力
6、；但结构复杂、造价高，且浮头处若密封不严会造成两种流体混合。浮头式换热器适用于冷热流体温差较大（一般冷流进口与热流进口温差可达110），介质易结垢需要清洗的场合。在炼油厂中使用的各类管壳式换热器中浮头式最多。总体结构图浮头式换热器和冷凝器，可采用内导流或外导流结构，管内均可承受高压。内导流换热器结构图内导流换热器结构图外导流换热器结构图外导流换热器结构图内导流筒与外导流筒换热器的区别内导流筒与外导流筒换热器的区别、内导流筒换热器是在换热器的壳程筒体内设置了内导流筒使换热器的前或后端未加导流筒前难以利用换热的换热管得以充分利用，从而增大换热器的有效换热面积。、外导流式换热器是在原换热器的壳程筒体
7、上增加一个放大筒节用以扩散壳程流体，并使流体从换热器壳程的两端进入壳程，从而避免了在换热器布管时考虑布管弓形的高，而使增加了同规格上换热器的布管数目并有效利用了换热器前后端的换热管从而增大了有效换热面积。2）固定管板式换热器这类换热器的结构简单，重量轻，造价较低，在相同的壳层情况下，可较其他型式的列管换热器多排一些传热管子。但是壳体与管程之间的流体的温差不能太大，因温差太大时，会产生较大的热应力，使管子与管板结合处松脱而产生泄漏。此外这类换热器因管板是固定的，所以在检修，更换管子或清洗壳层时，都比较困难。此换热器适用于壳程介质不易结垢，或是有结垢但可进行化学清洗的场合；壳壁与管壁因温度差而引起
8、的膨胀量之差不大，或膨胀差虽大但壳程压力不高的情况。总体结构图3）U型管式换热器这种换热器不同于固定管板式和浮头式，只有一块管板，换热管作为U字形、两端都固定在同一块管板上；管板和壳体之间通过螺栓固定在一起。这种换热器结构简单、造价低，管束可在壳体内自由伸缩，无温差应力，也可将管束抽出清洗且还省了一块管板；但U形管管内清洗困难且管子更换也不方便，由于U形弯管半径不能太小，故与其他管壳式换热器相比布管较少，结构不够紧凑。它适用于冷热流体温差较大、管内走清洁不易结垢的高温、高压、腐蚀性较大的流体的场合。总体结构图4）釜式换热器这种换热器的壳体直径一般为管束直径的1.52.0倍，管束偏置于壳体的下方
9、，液面淹没管束，使管束上部形成一定的汽液分离空间。此换热器多用来做蒸发器、分馏塔的重沸器或简单的废热锅炉。根据需要，管束可以是固定管板型、浮头型或U型管型。5）折流杆管壳式换热器）折流杆管壳式换热器 折流杆换热器主要特点是：壳程不再设置折流板，而由折流杆组成的折流圈来代替折流板，既对管子起支撑作用，又对流体起扰动作用，藉以达到强化传热的目的。折流杆管壳式换热器的结构特点：折流杆换热器的核心部分是由一系列焊有折流杆的折流圈组成折流圈笼。图5-1为折流圈的示意图。图5-2则为折流圈笼和管板的组装图。图5-1 折流圈的示意图1壳体；2折流圈；3折流杆dbi、db0、d0分别为折流圈的内径、外径和壳体
10、内径 图5-2 折流圈笼和管板的组装图 从以上两图可以看出折流杆是均匀地焊在折流圈上，每一个折流圈侧相隔一定的距离，按一定排列分别焊接在拉杆上，从而形成一个折流圈笼。折流杆可以是圆形、方形或长方形。通常相邻两个折流圈的折流杆其方向是互相垂直的，即如果前一个折流圈的折流杆是垂直布置的，则后一个折流圈的折流杆就为水平布置。传热管穿过折流圈时可以有不同的情况，例如可以是两根折流杆中间夹一根传热管子，也可以是两根折流杆之间夹两根传热管。而且前后折流圈的折流杆与传热管之间也可以有不同的组合情况。例如前面折流圈的折流杆是水平地支撑第1、3、5-排传热管，随后一个折流圈的折流杆则是垂直地支撑第2、4、6-排
11、传热管，然后依次交替布置。当然也可以有其它的组合和布置方式，但不论何种布置方式都必须保证每根传热管能被四个折流圈的四根折流杆从四个方向将其牢牢固定。折流圈中的折流环可以用圆杆、方杆或方条制作，其内径等于管束的外径，其外径则等于壳体内径减去设计标准所规定的间隙。折流环的形式有杆式、板式和带式三种。其中板式折流环的径向厚度大于纵向厚度，而带式折流环的径向厚度小于纵向厚度。优点：、不易发生诱导振动损失；、传热死区小，传热效率提高20%以上；、压降小；、抗垢性能优良；、有强化冷凝的机理；、适用于换热器大型化，特别是在核电换热器应用；适用于冷凝、沸腾场合的换热器；、适用于压缩机级间冷却和烟气预热器。缺点
12、：、在低雷诺数Re6000（液相）、Re10000（气相）热效率较低；、造价提高35%。6）双弓形板换热器 结构形式 双弓形板换热器与通常使用的单弓形板换热器相比，仅在于折流板形状的不同。双弓形折流板由A、B两种结构组成。6）双弓形板换热器）双弓形板换热器 性能特点 双弓形板换热器的管束由相邻两种折流板组成支撑件，流体呈顺错流流动，从而克服了普通单弓形板换热器的壳程流体，在流动中的180度转弯所造成的死区、阻力大、易震动等缺陷。在相同壳程压力降下，双弓形板换热器壳程流体的流速一般可提高1.5倍以上，从而强化了传热。通过管束的阻力仅为单弓形扳换热器的1/51/8，因此减少板间距和壳径来提高流速是
13、常用手段。7）螺旋折流板换热器）螺旋折流板换热器 螺旋折流板换热器是管壳式换热器的一种形式。每块折流板占1/4的横截面积，呈螺旋状自进口至出口方向逐一布置。折流板对换热器中心线保持一定的倾斜角度，四块折流板完成360。内的旋转，这样在壳体内形成连续的螺旋，使流体流动接近柱塞流动。7）螺旋折流板换热器）螺旋折流板换热器螺旋折流板换热器基本原理及折流板形式 螺旋折流板换热器的提出基于这样一种思想:通过改变壳侧折流板的布置，使壳侧流体呈连续的螺旋状流动。因此，理想的折流板布置应该为连续的螺旋曲面。但是，螺旋曲面加工困难，而且换热管与折流板的配合也较难实现.考虑到加工上的方便，采用一系列的扇形平面板(
14、称之为螺旋折流板)替代曲面相间连接，在壳侧形成近似螺旋面，使壳侧流体产生近似连续螺旋状流动。一般来说，出于加工方面的考虑，一个螺距取 24 块折流板，相邻折流板之间有连续搭接和交错搭接两方式，按流道又可分为单螺旋和双螺旋两种结构。性能特点：与普通的弓形折流板换热器相比，螺旋折流板换热器有以下的性能改进：衡量换热效果好坏的综合效益系数(即传热速率与压力降的比值)有较大的提高：ABB公司以水一水为介质，进行普通弓形折流板和螺旋折流板的传热与压力降实验对比，结果为：(a)螺旋折流板换热器壳程传热系数约提高1.8倍；(b)压力降减少约4.5倍。壳程流体流动状态的改变：弓形折流板使壳程流体基本上处于横穿
15、管子的错流流动，在90度转弯处易有固体颗粒堆积和结垢产生。而螺旋折流板每块折流板仅占1/4横截面积，与中心线有一定角度的倾斜。折流板按一定的间距和不同方位相继排列，使壳程流体呈旋转柱塞流动。这就消除了流动死区，减少了固体颗粒堆积和结垢的生成。因为没有横穿管间的流动，因此即使在较高的流速下也不易引起管子的振动。较低的压力降允许流体提高流速，以使膜传热系数有较大的提高：因为壳程压力降仅为普通弓形折流板的1/4-1/5，故可以允许介质高速流过从而强化传热效果。在满足管程需求的同时，可以尽量提高壳程流动速度来提高膜传热系数。这样，螺旋折流板换热器需要精心设计，寻求适合的壳径与管长的比例，以达到提高总传
16、热速率、减少换热面积的目的。对于限制壳程压力降的设备，在利用原有壳径的基础上，螺旋折流板换热器可以发挥自身优势。8）螺纹锁紧环换热器螺纹锁紧环换热器，其结构主要由管箱、壳体、管束、管箱盖、固定环、螺纹锁紧环、压紧环、密封装置等零部件组成。一般设计压力820 MPa，设计温度300550，材料为2.25Cr-1Mo+347L或15CrMoR+321，是目前高压换热器设计难度高，制造难度大的换热设备，螺纹锁紧环换热器结构复杂，金属耗量大，机加工配合件较多。密封结构密封结构螺纹锁紧环螺纹锁紧环 1-管箱壳体；管箱壳体；2-固定螺栓；固定螺栓；3-固定螺栓；固定螺栓；4-管箱盖；管箱盖；5-垫片压板；
17、垫片压板；6-固定环；固定环；7-螺纹锁紧环；螺纹锁紧环；8-压紧环；压紧环；9-管程垫片；管程垫片；10-压环；压环；11-内法兰；内法兰；12-管程开口接管；管程开口接管；13-密封装置；密封装置；14-管板；管板；15-传热管；传热管；16-壳体；壳体；17-壳程开口接管；壳程开口接管；18-壳程垫片；壳程垫片；19-分程隔板；分程隔板；20-内部固定螺栓；内部固定螺栓；21-内套筒内套筒密封结构密封结构螺纹锁紧环螺纹锁紧环优点：、结构上安全可靠；、耐高温、高压，温度550，压力20MPa；、密封性能好；、结构独特；、壳壁与管束壁温差大，管束可自由伸缩，吸收膨胀差；、可拆卸、可清洗；、耐
18、硫化氢腐蚀缺点：、结构复杂，设计繁琐；、重量大，造价高；、零部件较多，密封要求高；、检修、维修量大。9）环高压换热器 环高压换热器结构由管箱、壳体、管束、环等零部件组成，与普通U型管换热器结构相同，所不同的是密封垫片由环代替。其原理是：工作状态下介质进入环中，由于小管子承压高，故可承受压力32MPa，由于采用0Cr18Ni11Ti耐温可达550，由于操作过程中环中介质存在，故垫片比压可选择为零，减少了螺栓预紧载荷而使螺柱直径减小，减少螺柱预紧时管板产生的载荷，减薄了管板的厚度，由此重量低，造价降低。优点：、结构简单，设计简单；、密封安全可靠；、耐高温、高压，温度550，压力32MPa；、结构独
19、特；、壳壁与管束壁温差大，可吸收热膨胀；、拆卸方便，可清洗；、采用流路分析法设计，传热效率提高20%以上；、耐硫化氢腐蚀；、重量可比螺纹锁紧环降低23%，锻件耗量少，造价节省21%；、适用于832 MPa压力的加氢换热器、合成氨换热器、化肥装置废锅换热器、巨毒介质换热器以及绝对保证无泄露的场合。缺点：环加工复杂，要求较高。10）、板式换热器板式换热器其结构由板片、压紧板、胶垫、支架等零部件组成，是一种传热效率高，占地面积小，重量轻、结构紧凑、维修、检修、安装较方便的换热器。板片间采用胶垫密封或焊接。（1）、板式换热器的优点 传热系数高：板式换热器具有较高的传热系数，一般约为管壳式换热器的2-5
20、倍。主要原因是流体在管壳式换热器的壳程中流动时存在着折流板-壳体、折流板-换热管、管束-壳体之间的旁路，通过这些旁路的流体，没有充分参与换热。而板式换热器，不存在旁路，而且板片的波纹能使流体在较小的流速下产生湍流，湍流效果明显，(雷诺数约为200即为湍流)，故能获得较高的传热系数。末端温差小：板式换热器两种流体可实现纯逆流。在管壳式换热器中，两种流体分别在壳程和管程内流动，总体上是错流的流动方式，降低了对数平均温差。板式换热器由于可实现温度交叉，末端温差可达到1；管壳式换热器不能实现温度交叉(即二次侧出口温度不能高于一次侧的出口温度)，末端温差只能达到5。污垢系数低板式换热器内的流体由于剧烈湍
21、动造成对板面的冲刷，同时不锈钢换热面光滑，杂质不易沉积；因此，板式换热器的污垢系数远低于管壳式换热器。板式换热器的污垢系数约为管壳式换热器的1/10。压降低：板式换热器板片相互叠放，不存在传统管式换热器管间距的限制，因此板式空冷器具有较大的流通面积，一般情况下，在相同换热面积时板式换热器流通面积比管式换热器大5倍，而且板的表面光滑，因而可降低压力损失。结构紧凑：由于板式空冷器单板换热面积大，同时就紧凑度指标而言，板式换热器紧凑度约为220m2/m3，远大于列管式换热器的78m2/m3。在换热量相同时，板式换热器所需的换热面积比管壳式换热器小，其重量约为管壳式的1/5。板式换热器的占地面积是管壳
22、式换热器的1/51/10。容易实现大型化单板面积最大可达21m2，单台板式换热器的面积可达10000m2。(2)板式换热器的缺点承压能力相对较低焊接板式换热器是一种新产品，结构还未定型，受压元件的计算仍在探讨之中。目前还没有成熟的设计标准。按目前的制造水平板式换热器的最高工作压力约为4MPa。不宜用于易堵塞通道的介质板式换热器的板间通道较窄，一般为38mm，当换热介质中含有较大的固体颗粒或纤维物质时，就容易堵塞板间通道。对这种换热场合采用焊接板式换热器是不适宜的。板式换热器的结构型式（1）板片的形式板片是板式换热器的传热元件，冷热流体通过板间形成的流道完成热交换。为了提高板式换热器的传热效率，
23、通常将板片压制成不同形状的波纹。波纹的形式有水平平直波纹、斜波纹竖直波纹、球形波纹、人字形波纹和方形波纹。（2）板片材料选用的基本原则 板片要具有良好的耐腐蚀性 板片材料的选用要考虑进入换热器的介质的腐蚀性。特别是要注意氯离子对不锈钢引起的应力开裂腐蚀。一般情况，对于氯离子腐蚀可按下述原则选材：A、当介质中的氯离子浓度小于50mgL，温度小于60，可选用304；B、当介质中的氯离子浓度小于200mgL，温度小于60时，可选用316；C、当介质中的氯离子浓度高于200mgL时，应选用高级不锈钢或钛合金；板片材料应具有耐高温性能板式换热器用于高温条件时，板片材料必须具有耐高温性能，如用于高温烟气余
24、热回收系统的板式换热器，烟气的温度甚至高达1000。因此，在板式换热器的板片材料就应考虑与使用温度相应的牌号。板片材料应具备良好的加工性能：板式换热器的板片须通过压制形成不同的形状和深度的波纹。因而，对板片材料的金属延展性有一定的要求。一般情况下，奥氏体不锈钢都具很高的延展性，冷压加工性能不会成为问题。用于焊接的板式换热器的板片材料，还应具有良好的焊接性能。板式换热器结构选型 板式换热器的结构可分为板框式(可拆式)和板壳式两大类。在石油化工装置中，选用板式换热器结构形式时，要考虑下列因素。操作介质的温度：操作介质的温度对板式换热器的结构有决定性作用，当介质的操作温度超过180 ，不应采用垫片密
25、封的可拆式板式换热器，因为耐温最好的垫片长期在180 以上的温度下工作也会出问题。因此对介质的温度高于180 时，必须采用焊接式结构的板式换热器。操作的可靠性：石油化工装置是长周期连续操作的，操作周期长达5年甚至更多。因此对设备的可靠性要求很高。基于这点，应采用全焊接的板式换热器。操作介质的黏稠度 当操作介质在工作温度下黏度较大时，且工作温度低于密封垫的许用温度之下时，可采用可拆式板式换热器，可有利于板片的清洗和维护。2、管壳式换热器的主要组合部件管壳式换热器的主要组合部件有前端管箱，壳体和后端结构（包括管束）三部分，详细分类以及代号（英文字母）如下所示：3、换热器型号的表示方法级 换 热 器
26、管/壳 程 数，单 壳 程 时 写 公 称 长 度（），换 热 管 外径（）公 称 换 热 面 积（）管/壳 程 设 计 压 力（),压 力 相 等 时 只 写公 称 直 径（），对 于 釜 式 重 沸 器 用 分 数 表 示，分 子 为 管箱 内 直 径，分 母 为 圆 筒 内 直 径。第 一 个 字 母 代 表 前 端 管 箱 型 式第 二 个 字 母 代 表 壳 体 型 式第 三 个 字 母 代 表 后 端 结 构 型 式现举例说明现举例说明u 浮头式换热器平盖管箱，公称直径500mm，管程和壳程设计压力均为1.6MPa，公称换热面积54，较高级冷拔换热管外径25mm，管长6m，4管程单
27、壳程的浮头式换热器，其型号为：AES500-1.6-54-6/25-4u 固定管板式换热器封头管箱，公称直径700mm，管程设计压力2.5MPa，壳程设计压力1.6MPa，公称换热面积200，较高级冷拔换热管外径25mm,管长9m，4管程单壳程的固定管板式换热器，其型号为：BEM700-2.5/1.6-200-9/25-4u U型管式换热器封头管箱，公称直径500mm，管程设计压力4.0MPa，壳程设计压力1.6MPa，公称换热面积75，较高级冷拔换热管外径19mm,管长6m，2管程单壳程的U型管式换热器，其型号为：BIU500-4.0/1.6-75-6/19-2u 釜式重沸器平盖管箱，管箱内
28、直径600mm，圆筒内直径1200mm，管程设计压力2.5MPa，壳程设计压力1.0MPa，公称换热面积90，普通级冷拔换热管外径25mm,管长6m，2管程釜式重沸器，其型号为：AKT-600/1200-2.5/1.0-90-6/25-2u 浮头式冷凝器封头管箱，公称直径1200mm，管程设计压力2.5MPa，壳程设计压力1.0MPa，公称换热面积610，普通级冷拔换热管外径25mm,管长9m，4管程单壳程的浮头式冷凝器，其型号为：BJS1200-2.5/1.0-610-9/25-4五、管壳式换热器的主要零部件五、管壳式换热器的主要零部件（一）换热管及在管板上的排列方式换热管是管壳式换热器的传
29、热元件，它直接与两种介质接触，所以换热管的形状和尺寸对传热有很大的影响。小管径利于承受压力，因而管壁较薄且在相同的壳径内可以排列较多的管子，使换热器单位体积的传热面积增大、结垢紧凑，单位传热面积金属耗量少，传热效率也稍高一些，但制造麻烦，且小直径管子易结垢，不易清洗。所以一般对清洁流体用小直径管子，粘性较大的或污染的流体采用大直径管子。我国管壳式换热器常用换热管为：碳钢、低合金钢管有192、252.5、383、573.5；不锈钢管有252、382.5。在相同的传热面积的情况下，换热管越长则壳体、封头的直径和壁厚就越小，经济性越好；但换热管过长，经济效果不再显著且清洗、运输、安装都不太方便。换热
30、管的长度规格有1.5、2.0、3.0、4.5、6.0、7.5、9.0、12.0m，在炼油厂所用的换热器中最常用的是6m管长。换热管一般都用光管，为了强化传热，也可用螺纹管、带钉管及翅片管。换热管在管板上的排列形式有正三角形、转角正三角形、正方形和转角正方形等。如图所示。三角形排管多，结构紧凑，但管外清洗不方便；正方形排管少，结构不够紧凑，但管外清洗较方便。一般在固定管板式换热器中多用三角形排列，浮头式换热器多用正方形排列。（二）管板及换热管的连接管板一般采用圆形平板，在板上开孔并装设换热管，在多管程换热器中管板上还设置分程隔板。管板还起分隔管程和壳程空间，避免冷热流体混合的作用。管板与换热管间
31、可采用胀接、焊接或二者并用的连接方式。管板与换热管的胀接连接是利用管子与管板材料的硬度差（选材时管板材料硬度要高于管子材料硬度），使管子在管孔中在胀管器的作用下直径扩大并产生塑性变形，而管板只产生弹性变形，在胀管后管板在弹性恢复力的作用下与管子外表面紧紧贴合在一起，达到密封和紧固连接的目的，如图所示。胀接连接结构简单、便于管子更换与修补，但不宜在高温、高压下工作。随着温度和压力增高，胀接的密封性和牢固性将逐渐下降。焊接连接是将换热管的端部与管板焊在一起，这种连接形式工艺简单、不受管子与管板材料硬度的限制，而且在高温、高压下仍能保持良好的连接密封性和牢固性，所以在高温、高压下甚至某些压力并不太高
32、的场合都使用焊接连接，如图所示。焊接连接的缺点是只在管子端部与管板焊死，而沿管板厚度方向的大部分管段其外壁与管板之间存在环行间隙，在这些间隙中流体不流动，及易造成“间隙腐蚀”，为消除间隙可采用胀接和焊接并用的连接方式。（三）壳体及管板的连接管壳式换热器的壳体都是圆筒形的，直径较小时用无缝钢管制作，直径较大时用钢板卷制焊接而成；壳体所用材料及要求与一般的压力容器相同。不同类型的管壳式换热器其壳体与管板的连接方式不同，在固定管板式换热器中，两端管板均与壳体采用焊接连接，这种连接称为管板与壳体的不可拆连接；根据管板是否兼作法兰其结构不用，如图所示，多数情况下采用管板兼作法兰的结构。在浮头式、U形管式
33、换热器中固定端的管板与壳体采用可拆连接，将管板夹持在壳体法兰与管箱法兰之间，这样便于管束从壳体中抽出进行清洗和维修，如图所示。（四）管箱管箱的作用是将进入管程的流体均匀分布到各换热管，把管内流体汇集在一起送出换热器。在多管程换热器中，管箱还可通过设置隔板起分隔作用。管箱结构如图所示，其中图（a）适用较清洁的介质，因检查管子及清洗时只能将管箱整体拆下，故不太方便；图（b）在管箱上装有平盖，只要将平盖拆下即可进行清洗和检查，所以工程应用较多，但材料消耗多；图（c）是将管箱与管板焊成一体，这种结构密封性好，但管箱不能单独拆下，检修、清洗都不方便，实际应用较少。（五）折流板折流板是设置在壳体内与管束垂
34、直的弓形或圆盘圆环形平板，如图所示。安装折流板迫使壳程流体按照规定的路径多次横向穿过管束，既提高了流速又增加了湍流速度，改善了传热效果，在卧式换热器中折流板还可起到支撑管束的作用。但在冷凝器中，由于冷凝传热系数与蒸汽在设备中的流动状态无关，因此不需要设置折流板。（六）、高效传热管型 1、螺纹管 普通换热管外壁轧制成螺纹状的低翅片，用以增加外侧的传热面积。翅片部分的最大外径比管子两端未轧翅片的光管直径要小，翅片根部要小得更多。因此在与光管相同的管间距下，净错流面积比光管显著增大。2、波纹管 横纹波纹管是一种双面强化传热的管型，内外壁被轧成环状波纹凸肋，其内壁能改变流体边界层的流动状态，外壁能增大
35、传热表面和扰动，达到双面强化传热的目的。3、T形翅片管 T形翅片管用于强化壳程介质的沸腾传热。以普通光滑换热管为基管，采用无切削的滚扎工艺轧制而成。T形翅片管是靠坯管表层金属的塑性变形而形成翅片，因其形状类似英文字母T而得名。T形翅片管加工过程控制参数是螺距和翅片之间的开口度，目前常用的螺距为13mm、开口度为0.10.4mm、翅高在0.91.2mm之间。4、机械加工多孔表面管(MH管)机械加工多孔表面强化沸腾传热管(简称MH管)，是宁波广厦热力成套设备有限公司2003年自主研制开发成功的新管型。已经用于工业生产中，显示出了优良的传热性能和很好的稳定性。MH管选用普通工业换热管为基管，一次轧制
36、成带沟槽的多孔表面。MH管型的基本参数：25mm3.0mm的换热管，隧道开口度0.3mm；齿高0.9mm、齿距约1.5mm；横切槽距1.2mm。管壁厚度2.7mm；孔穴密度56个/cm2。六、换热器中流动引起振动的分析1、流动诱发振动基本原理 换热管是换热器中细长的弹性元件，流体流人和流过管子引发振动是自然结果。在大多数换热器中，振动的强度很低，不会造成问题。当振动强度增加到会引起某些机械部件损坏时，振动就成问题了。换热管根据不同的结构和材料，呈现不同的振动频率称作自然频率。这种振动强度用管子周期性运动来表示，从波峰到波峰运动的程度叫振幅。随流速的增加使得振幅增加，当诱发频率与自然频率一致时，
37、会产生共振。管子在大振幅下长期振动导致管子的机械破坏。机械损坏有几种不同的机理而发生：如果振动的振幅大到足以使相邻管子彼此撞击或撞击壳体，管壁就会随时间磨薄，最终开裂。管子撞击会在其中部产生菱形的磨损，即发生碰撞损坏。管子损坏的部位在穿过挡板的地方，为挡板损坏。因为折流板管孔比管外径约大0.81.2mm，振动中的管子被挡板切割，会使管壁减薄，直到泄漏。由于疲劳而发生机械损坏，管子的重复弯曲会导致管材断裂。疲劳损坏还会因腐蚀和冲蚀而加快。管接头损坏是管子与管板之间的接头处，振动使胀接接头脱开。即便是焊接方式，也发现伸出管板的管子，因管孔锐边对管壁的切割作用而造成损坏。当壳程介质为水蒸气或气体时，
38、过大的操作噪声在管箱内可能引起声振动。其特点是单调低频的强烈噪声。流动诱发振动的激振机理通常分为：漩涡分离或流动的周期性；湍流抖振；流体弹性不稳定性和声激振动。前三者当激振频率与管子频率同步就产生振动响应。在流体横流速度低于流体弹性不稳定临界速度时，不会发生流体弹性不稳定振动。达到和超过临界速度，就会发生不稳定性振动状态。2、影响管子振动的参数（1）、管子的自然频率（2）、外壳声振（3）、流速3、流动诱发振动问题可能的解决方法3.1可能做的设计修改（1）、降低壳程流速 如果壳程流率是固定的，可通过增大管心距来降低速度。在设计压力降为约束条件时，这种处理很有吸引力，但是会使壳径增加。（2）、改变
39、管子布置角度 改变管子布置角度可以降低速度和物流诱导振动的激发频率，但是传热与压力降会有所改变。（3）、增加管子的自然频率 最为有效的方法是减少最长的末端支撑的长度。例如将TEMA规范中标准跨距长度最低值减少20，就可增加自然频率50以上。改变管子材质和增加壁厚也会起一定作用，但是不会大幅度地增加自然频率。在制作管束期间，管子由于过轧而处于压缩状态，造成自然频率减少。对控制U形管换热器弯头区的振动，在管子间打入棒、板或楔子来防止移动，也可增加自然频率，这些都是防止振动的有效措施。（4）、降低接管处的速度 可增加接管尺寸来降低速度。如果有防冲板，需要保证离开防冲板边缘的速度不过分高。分布器是降低
40、进入管束流体流速的最有效办法。（5）、改变折流板的类型 折流板类型的改变往往可以解决振动问题，折流杆换热器和螺旋折流板换热器，已经成功地解决了低压力降换热器中的振动问题。国内皆已开发成功，在工业生产中正逐步扩大应用。3.2现场发生振动问题可能的解决方法 首先要确定振动是由于壳程流体流动引起的，还是从某个外源诱发的。如果肯定是物流诱导，有以下解决方法供参考。(1)堵塞泄漏管 不管泄漏是什么原因在造成的，对泄漏管临时的解决办法就是在管头打入堵头，以封闭泄漏管。(2)降低壳程流率 降低壳程流率可以使物流引导的振动停止。这种处理只有在操作允许的范围内，才可行。(3)插入棒、钢丝和楔子来加强管束 在管子
41、之间插入绕带和打人楔子来限制管束移动，就可以增加换热器的自然频率。在U形管换热器的U形弯头处，经常使用这种方法。(4)拆下窗口区的管子，形成旁路 这样可以降低横流速度，足以控制振动。不过需要核实传热与压力降的性能是否符合需求。(5)更换防振动管束。七、管壳式换热器流体通过管程或壳程的选择七、管壳式换热器流体通过管程或壳程的选择 流体经过换热器时应走管程还是走壳程，需要考虑多方面因素，不能提出一定的规则。但总的原则是有利传热、防止腐蚀、减少阻力、不易结垢、便于清扫。腐蚀性介质走管程，以免使管程和壳程材质都遭到腐蚀。有毒介质走管程，这样泄漏的机会就少一些。流量小的流体走管程，以便选择理想的流速，流
42、量大的流体宜走壳程。高温、高压流体走管程，因管子直径较小可承受较高的压力。容易结垢的流体在固定管板式和浮头式换热器中走管程，在U形管式换热器中走壳程，这样便于清洗和除垢；若是在冷却器中，一般是冷却水走管程、被冷却流体走壳程。流体的流向对传热也有较大的影响，为充分利用同一介质冷热对流的原理，以提高传热效率和减少动力消耗，无论管程还是壳程，当流体被加热或蒸发时，流向应由下向上；当流体被冷却或冷凝时应由上向下。八、换热设备的操作八、换热设备的操作 无论是冷凝、冷却器还是加热器，换热器的操作必须抓住两个主要问题，即防止泄漏与正确开停。防止泄漏：为防止换热器因安装不好而泄漏，在开工前必须试压（用热水或水
43、蒸汽）。试验压力一般应是公称压力的1.5倍，但根据现有的设备制造水平似乎太高，可以适当降为最高操作压的1.251.5倍。试压时重点检查法兰接合面和胀口是否漏，检查内漏的方法是重点观察压力降的变化。正确开停：为了延长换热器寿命和保证平稳操作，必须正确地开停和切换换热器，使用和切换时应先通冷流（油、水）后通热流（油、水蒸汽）同时打开放空阀排除器内气体后关闭放空阀。某些重油换热器为避免初通入时，重油凝死，故要先通入水蒸汽预热和扫通，再进行正常切换启用。停换热器时，先关热流，后关冷流，同时进行扫线放油排空。总之，开时先开冷后开热；关时先关热后关冷，其目的都是为了使换热器逐渐升温（或降温），避免由于突然
44、升温（或降温）而使换热器热胀冷缩，引起漏油或遭到破坏。九.日常维护1.装置系统蒸汽吹扫时，应尽可能避免对有涂层的冷换设备进行吹扫，工艺上确实避免不了，应严格控制吹扫温度（进冷换设备）不大于200。以免造成涂层破坏。2.装置开停工过程中，换热器应缓慢升温和降温，避免造成压差过大和热冲击，同时应遵循停工时“先热后冷”，即先退热介质，再退冷介质；开工时“先冷后热”，即先进冷介质，后进热介质。3.螺纹锁紧环式换热器在开工前应确认系统通畅，避免管板单面超压。4.认真检查设备运行参数，严禁超温、超压。对按压差设计的换热器，在运行过程中不得超过规定的压差。5.操作人员应严格遵守安全操作规程，定时对换热设备进
45、行巡回检查，检查基础支座稳固及设备泄漏等。6.应经常对管、壳程介质的温度及压降进行检查，分析换热器的泄漏和结垢情况。在压降增大和传热系数降低超过一定数值时，应根据介质和换热器的结构，选择有效的方法进行清洗。7.应常检查换热器的振动情况。8.有防腐涂层的冷换设备在操作运行时，应严格控制温度，避免涂层损坏。9.保持保温层完好。十、常见故障与处理序号故障现象故障原因处理方法1两种介质互串（内漏）1.换热管腐蚀穿孔、开裂。2.换热管与管板胀口（焊口）裂开。3.浮头式换热器浮头法兰密封漏。4.螺纹锁紧环式换热器管板密封漏。更换或堵死漏管。重胀（补焊）或堵死。紧固螺栓或更换密封垫片紧固内圈压紧螺栓或更换盘
46、根（垫片）2法兰处密封泄漏1.垫圈承压不足、腐蚀、变质。2.螺栓强度不足，松动或腐蚀。3.法兰刚性不足与密封面缺陷4.法兰不平行或错位。5.垫片质量不好。紧固螺栓。更换垫片螺栓材质升级、紧固螺栓或更换螺栓更换法兰，或处理缺陷重新组对或更换法兰更换垫片序号故障现象故障原因处理方法3传热效果差1.换热管结垢2.水质不好、油污与微生物多3.隔板短路化学清洗或射流清洗垢物加强过滤、净化介质，加强水质管理。更换管箱垫片或更换隔板4阻力降超过允许值1.过滤器失效2.壳体、管内外结垢清扫或更换过滤器用射流或化学清洗垢物5振动严重1.因介质频率引起的共振2.外部管道振动引发的共振改变流速或改变管束固有频率加固管道,减小振动
