固定管板式换热器结构设计.docx

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固定管板式换热器结构设计

固定管板式换热器的结构设计

摘要

换热器是化工、石油、动力、冶金、交通、国防等工业部门重要工艺设备之一，其正确的设置，性能的改善关系各部门有关工艺的合理性、经济性以及能源的有效利用与节约，对国民经济有着十分重要的影响。

换热器的型式繁多，不同的使用场合使用目的不同。

其中常用结构为管壳式，因其结构简单、造价低廉、选材广泛、清洗方便、适应性强，在各工业部门应用最为广泛。

固定管板式换热器是管壳式换热器的一种典型结构，也是目前应用比较广泛的一种换热器。

这类换热器具有结构简单、紧凑、可靠性高、适应性广的特点,并且生产成本低、选用的材料范围广、换热表面的清洗比较方便。

固定管板式换热器能承受较高的操作压力和温度，因此在高温高压和大型换热器中，其占有绝对优势。

固定管板式换热器主要由壳体、换热管束、管板、前端管箱（又称顶盖或封头）和后端结构等部件组成。

管束安装在壳体内，两端固定在管板上。

管箱和后端结构分别与壳体两端的法兰用螺栓相连，检修或清洗时便于拆卸。

换热器设计的优劣最终要看是否适用、经济、安全、运行灵活可靠、检修清理方便等等。

一个传热效率高、紧凑、成本低、安全可靠的换热器的产生，要求在设计时精心考虑各种问题.准确的热力设计和计算，还要进行强度校核和符合要求的工艺制造水平。

关键词：

换热器；固定管板式换热器；结构；设计

TheStructuralDesignofFixedTubePlateHeatExchanger

Author:

ChenHui-juan

Tutor:

LiHui

Abstract

Heatexchangerisoneofthemostimportantequipmentswhichisusedinthefieldsofchemical,oil,power,metallurgy,transportation,nationaldefenseindustry.Itsrightsettingandtheimprovementsofperformanceplayanimportantroleintherationalityotechnology,economy,energyutilizationandsaving,whichhasaveryimportantimpactonthenationaleconomy.

Thetypeofheatexchangerisvarious,thedifferentuseoccasionsandthepurposeisarecommonlyusedforthetubeshelltypestructure,becauseofitssimplestructure,lowcostandwideselection,easytoclean,strongadaptability,themostwidelyusedinvariousindustrydepartments.

Fixedtubeplateheatexchangerisakindoftypicalstructureoftubeandshellheatexchanger,alsoisakindofheatexchangerisappliedmorewidely.Thiskindofheatexchangerhassimpleandcompactstructure,highreliability,thecharacteristicsofwideadaptability,andtheproductionoflowcost,widerangeofselectionofmaterials,heatexchangesurfacecleaningmoreconvenient.Fixedtubeplateheatexchangercanoperateunderhighpressureandtemperature,therefore,theheatexchangerinhightemperatureandhighpressureandlargeinitspossessionofabsoluteadvantage.

Fixedtubeplateheatexchangerismainlycomposedofshell,heatexchangetubebundle,tubeplate,thefronttubebox（alsoknownastherooforhead）andtheback-endstructureparts.Tubebundleisinstalledonbothendsofcasing,whichisfixedonthetubeplate.Tubeboxandtheback-endrespectivelyconnectedtothe

flangeboltsattheendsoftheshellstructure,maintenanceorcleaningforeasydisassembly.Themeritsoftheheatexchangerdesignultimatelydependsonwhetherapplicable,economic,safe,flexibleandreliablerunning,convenientmaintenancecleaning,etc.Ahighheattransferefficiency,compact,lowcost,safeandreliableproductionofheatexchanger,requirescarefullyconsideredinthedesignofallsortsofproblems.Theaccuratethermaldesignandcalculation,butalsoforintensityandconformtotherequirementofprocessmanufacturinglevel.

Keywords:

Heatexchanger,Fixedtubeplateheatexchanger,Structure,Design

1绪论

换热器的用途

换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，又称热交换器。

换热器的应用广泛，日常生活中取暖用的暖气散热片、汽轮机装置中的凝汽器和航天火箭上的油冷却器等，都是换热器。

它还广泛应用于化工、石油、动力和原子能等工业部门[1]。

它的主要功能是保证工艺过程对介质所要求的特定温度，同时也是提高能源利用率的主要设备之一[2]。

换热器在节能技术改革中具有的作用表现在两个方面：

一是在生产工艺流程中使用着大量的换热器的效率显然可以减少能源的消耗；另一方面，用换热器来回收工业余热，废热，特别是低品位热能的有效装置，可以显著提高设备的热效率[3]。

换热器的分类

换热器的种类划分方法很多，方法也各不相同。

按其用途：

可将换热器分为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器、再沸器。

按其传热方式和作用原理：

可分为混合式换热器、蓄热式换热器、间壁式换热器等。

其中间壁式换热器为工业应用最为广泛的一种换热器。

它按传热面形状可分为管式换热器、板面式换热器、扩展表面换热器等。

这其中又以管壳式换热器应用最为广泛，它通过换热管的管壁进行传热。

具有结构简单牢固、制造简便、使用材料范围广、可靠程度高等优点，是目前应用最为广泛的一种换热器。

管壳式换热器的类型

根据管壳式换热器的结构特点，常将其分为固定管板式、浮头式、U型管式、填料函式、滑动管板式、双管式等[4]。

1）固定管板式换热器

固定管板式换热器的典型结构如下图1-1所示。

管束连接在管板上，管板与壳体焊接。

其优点是结构简单、紧凑、能承受较高的压力，造价低，管程清洗方便，管子损坏时易于堵塞或更换；缺点是当管束与壳体的壁温或材料的线胀系数相差较大时，壳体与管束将会产生较大的热应力。

这种换热器适用于壳测介质清洁且不易结垢、并能进行清洗、管程与壳程两侧温差不大或温差较大但壳测压力不高的场合[5]。

图1-1固定管板式换热器结构图

2）浮头式换热器

浮头式换热器的典型结构如下1-2所示。

两端管板中只有一端与壳体固定，另一端可相对壳体自由移动，称浮头。

浮头由浮头管板、钩圈和浮头端盖组成，是可拆连接，管束可从壳体内抽出。

管束与壳体的热变形互不约束，因而不会产生热应力[6]。

浮头换热器的特点是管间与管内清洗方便，不会产生热应力；但其结构复杂，造价比固定管板式换热器高，设备笨重，材料消耗大，且浮头端小盖在操作中无法检验，制造时对密封要求较高。

适用于壳体与管束之间壁温差较大或壳程介质易结垢的场合。

图1-2浮头式换热器结构图

3）U形管换热器

U形管式换热器的典型结构如下图1-3所示。

这种换热器的结构特点是，只有一块管板，管束由多根U形管组成，管的两端固定在同一根管板上管子可自由伸伸缩。

当壳体与U形换热管有温差时，不会产生热应力[7]。

图1-3U形管换热器结构图

由于弯管曲率半径的限制，其换热管排布较少管束最内层管间距较大，管板的利用率较低，壳程流体易形成短路，对传热不利，当管子泄漏损坏时，只有管束外围处的U形管才便于更换，内层换热管坏了不能更换，只能堵死，而且坏一根U形管相当于坏两根管，报废率较高。

U形管结构比较简单、价格便宜、承压能力强、壳壁温差较大或壳程介质易结垢需清洗、又不适宜采用浮头式和固定管板式的场合。

特别适用于管内清洁

而不易结垢的高温、高压、腐蚀性大的物料。

4）填料函式换热器

填料函式换热器的典型结构如下图1-4所示。

这种换热器的结构特点与浮头式换热器相类似，浮头部分露在壳体以外，在浮头与壳体的滑动接触面处采用填料函式密封结构。

由于采用填料函式密封结构，使得管束在壳体轴向可自由伸缩，壳壁与管壁不会产生热变形差，从而避免可热应力。

其结构较浮头式换热器简单，加工制造方便，节省材料，造价比较低廉，且管束从壳体内可以抽出你，管内，管间都能清洗，维修方便[8]。

图1-4填料函式换热器结构图

管壳式换热器结构

管壳式换热器的主要零部件有壳体、接管、封头、管板、换热管、折流元件等，对于温差较大的固定管板式换热器，还应包括膨胀节。

管壳式换热器的结构应该保证冷、热两种流体分走管程和壳程，同时还要承受一定温度和压力的能力[9]。

（1）管板：

管板是换热器的重要元件，主要是用来连接换热器，同时将管程和壳程分隔，避免冷热流体相混合。

当介质无腐蚀或有轻微腐蚀时，一般采用碳素钢、低合金钢板或其锻件制造。

（2）管子与管板的连接：

管子与管板的连接必须牢固，不泄漏。

既要满足其密封性能，又要有足够的抗拉强度。

其连接形式主要有强度胀接、强度焊接、胀焊结合等[10]。

（3）管箱：

其作用是把管道中来的流体均匀分布到各换热管中，将换热管内流体汇集在一起送出换热器[11]。

（4）折流板和支承板：

壳程内侧装设折流板或支承板，折流板的作用是组壳间流道，使流体以适当的流速冲刷管束，提高传热系数，改善传热效果，以达到一定的传热强度。

常用的折流板有弓形和圆环形两种，弓形折流板又分为单弓形、双弓形和三弓形[12]。

（5）拉杆和定距管：

折流板的安装一般是用拉杆和定距管组合并与管板固在一起。

拉杆与管板连接的一端可用焊接或螺纹连接，另一端也用焊接或螺纹固定。

一般拉杆的直径不得小于10mm、数量不得小于4根[13]。

（6）管板与壳体的连接：

其连接型式可分为不可拆式和可拆式。

板式换热器的特点（板式换热器与管壳式换热器的比较）

（1）传热系数高由于不同的波纹板相互倒置，构成复杂的流道，使流体在波纹板间流道内呈旋转三维流动，能在较低的雷诺数（一般Re=50~200）下产生紊流，所以传热系数高，一般认为是管壳式的3~5倍。

（2）占地面积小板式换热器结构紧凑，单位体积内的换热面积为管壳式的2~5倍，也不像管壳式那样要预留抽出管束的检修场所，因此实现同样的换热量，

板式换热器占地面积约为管壳式换热器的1/5~1/10。

（3）容易改变换热面积或流程组合，只要增加或减少几张板，即可达到增加或减少换

热面积的目的；改变板片排列或更换几张板片，即可达到所要求的流程组合，适应新的换热工况，而管壳式换热器的传热面积几乎不可能增加。

（4）重量轻板式换热器的板片厚度仅为~，而管壳式换热器的换热管的厚

度为~，管壳式的壳体比板式换热器的框架重得多，板式换热器一般只有管壳

式重量的1/5左右。

　　（5）价格低采用相同材料，[14]在相同换热面积下，板式换热器价格比管壳式约低40%~60%。

　　（6）制作方便板式换热器的传热板是采用冲压加工，标准化程度高，并可大批生产，管壳式换热器一般采用手工制作。

　　（7）不易结垢由于内部充分湍动，所以不易结垢，其结垢系数仅为管壳式换热器的1/3~1/10。

（8）容易清洗框架式板式换热器只要松动压紧螺栓，即可松开板束，卸下板片进行机械清洗，这对需要经常清洗设备的换热过程十分方便。

（9）热损失小板式换热器只有传热板的外壳板暴露在大气中，因此散热损失可以忽略不计，也不需要保温措施。

而管壳式换热器热损失大，需要隔热层。

（10）对数平均温差大，末端温差小在管壳式换热器中，两种流体分别在管程和壳程内流动，总体上是错流流动，对数平均温差修正系数小，而板式换热器多是并流或逆流流动方式，其修正系数也通常在左右，此外，冷、热流体

在板式换热器内的流动平行于换热面、无旁流，因此使得板式换热器的末端温

差小，对水换热可低于1℃，而管壳式换热器一般为5℃。

（11）容量较小是管壳式换热器的10%~20%。

　（12）单位长度的压力损失大由于传热面之间的间隙较小，传热面上有凹凸，因此比传统的光滑管的压力损失大。

　　（13）工作压力不宜过大，介质温度不宜过高，有可能泄露板式换热器采用密封垫密封，工作压力一般不宜超过，介质温度应在低于250℃以下，否则有可能泄露。

　　（14）易堵塞由于板片间通道很窄，一般只有2~5mm，当换热介质含有较大颗粒或纤维物质时，容易堵塞板间通道。

板式换热器的传热原理

传热，即热量传递，是自然界中最普遍存在的物理现象，凡是有温度差存在的物系之间，会导致热量从高温处向低温处的传热过程，解决传热问题，都需要从总的传热速率方程出发，即：

Q=KA△tm

式中：

Q—冷流体吸收或热流体放出的热流量，W；

K—传热系数，W/（m2·0C）；

A—传热面积，m2；

△tm—平均传热温差，0C。

传热基本方式

根据热量传递机理的不同，传热基本方式有三种，即传热导、对流和辐射。

（1）热传导：

传热导又称导热，是指热量从物体的高温部分向同一物体的低温部分、或者从一个与它直接接触的低温物体传热的过程。

（2）对流传热：

对流传热是依靠流体的宏观位移，将热量有一处带到别一处的传热现象。

在化工生产中的对流传热，往往是指流体与固体壁面直接接触的热量传递。

（3）辐射传热：

又称为热辐射，是指因热的原因而产生的电磁波在空间的传递。

物体将热能变为辐射能，以电磁波的形式在空中传播，当遇到另一物体时，又被全部或部分吸收而变成热能。

作为换热设备，我们主要关心的是热传导和对流传热。

对流传热大多数是指流体与固体壁面之间的传热，其传热速率与流体性质及边界层的状况密切相关。

如图在靠近避免处引起温度的变化形成温度边界层。

温度差主要集中在层流底层中。

假设流体与壁面的温度差全部集中在厚度为

1的有效膜内，该膜既不是热边界层，也非流动边界层，而是一集中了全部传热温差并以导热方式传热的虚拟膜。

对流传热速率方程可用牛顿冷却定律来描述，该定律是一个实验定律：

=

对两侧流体，均可使用牛顿冷却定律，即：

Q=ɑA△T

式中：

Q---对流传热的热流量，W；

A---对流传热面积，m2；

△T---壁面温度与壁面法向上流体的平均温度之差，K；

ɑ---比例系数，称为表面传热系数，W/。

对流传热过程的计算，归结为如何获取ɑ。

ɑ一般有实验测定，采用科学的试验方法。

对流传热的分类：

无相变化传热：

强制对流、自然对流

有相变化传热：

蒸汽冷凝、液体沸腾

无相变化时对流传热过程的因次分析

利用因次分析的方法可获得描述对流传热的几个重要的特征数：

（努赛尔数）

本课题的研究内容及意义

本课题主要研究的是固定管板式换热器，查阅换热器相关标准，分析固定管板式各部分性能影响，并进行了换热器的热工计算、结构计算和强度计算[15]。

换热器的应用广泛，日常生活中取暖用的暖气散热片、汽轮机装置中的凝汽器和航天火箭上的油冷却器等，都是换热器。

它还广泛应用于化工、石油、动力和原子能等工业部门。

本文的研究结果对指导换热器的规模化生产，扩大其应用领域，以在广泛范围内逐步取代进口同类材料，降低使用成本具有重要意义。

近年来，随着制造技术的进步，强化换热元件的开发，使得新型高效换热器的研究有了较大的发展，根据不同的工艺条件与工况设计制造了不同结构形式的新型换热器，也取得了较大的经济效益。

故我们在选择换热设备时一定要根据不同的工艺、工况要求选择。

换热器的作用可以是以热量交换为目的。

在即定的流体之间，在一定时间内交换一定数量的热量；也可以是以回收热量为目的，用于余热利用；也可以是以保证安全为目的，即防止温度升高而引起压力升高造成某些设备被破坏[16]。

换热器的发展趋势

二十世纪20年代出现板式换热器，并应用于食品工业。

以板代管制成的换热器，结构紧凑，传热效果好，因此陆续发展为多种形式。

30年代初，瑞典首次制成螺旋板换热器。

接着英国用钎焊法制造出一种由铜及其合金材料制成的板翅式换热器，用于飞机发动机的散热。

30年代末，瑞典又制造出第一台板壳式换热器，用于纸浆工厂。

在此期间，为了解决强腐蚀性介质的换热问题，人们对新型材料制成的换热器开始注意。

60年代左右，由于空间技术和尖端科学的迅速发展，迫切需要各种高效能紧凑型的换热器，再加上冲压、钎焊和密封等技术的发展，换热器制造工艺得到进一步完善，从而推动了紧凑型板面式换热器的蓬勃发展和广泛应用。

此外，自60年代开始，为了适应高温和高压条件下的换热和节能的需要，典型的管壳式换热器也得到了进一步的发展。

70年代中期，为了强化传热，在研究和发展热管的基础上又创制出热管式换热器。

当前换热器发展的基本趋势是：

继续提高设备的传热效率，促进设备结构的紧凑性，加强生产制造成本的标准系列化，并在广泛的范围内继续向大型化发展，并CDF（ComptationalFluidDynamics）模型化技术、强化传热技术及新型换热器开发等形成一个高技术体系。

换热器相关技术的发展主要表现在以下几发面：

防腐技术，大型化与小型化并重，强化技术，抗振技术，防结垢技术，制造技术，研究手段。

随着工业中经济效益与社会环境保护的要求，制造水平的不断提高，新能源的逐渐开发，研究手段的日益发展，各种新思路的与新结构的涌现，换热器将朝着更高效、经济、环保的方向发展[17]。

2固定管板式换热器的工艺计算

设计工艺条件

热水锅炉的进出口温度为95℃/70℃；热水配水温度为50℃，若市政上的水温为30℃，生活热水量为5吨/小时。

要求高温水和被加热水经过板式换热器的压降均不大于,设计压力。

热力计算

已知工艺参数

1）管程—水

定性温度：

tm=（t1+t2）/2=（95+75）/2=C

工作压力：

P≤

查《化工原理》上册，附录二

粘度：

·s

×10-6m2/s

比热容：

Cp=（kg·k）

密度：

=（kg/m3）

导热系数：

=（m·k）

2）壳程—水

定性温度：

tm=（t1+t2）/2=（30+50）/2=40oC

工作压力：

P≤流量qm2=5000kg/h

查《化工原理》上册，附录二

粘度：

·s

×10-6m2/s

比热容：

Cp=（kg·k）

密度：

=（kg/m3）

导热系数：

=（m·k）

热量计平衡算

壳程：

过热冷却部分的传热量

管程：

由

，得，被加热水用量

工艺结构尺寸

管径和管内流速

换热管的规格包括管径和管长，换热管直径越小，换热器单位体积的换热面积越大。

因此，对于洁净的流体管径可取小些，但对于不洁净或易结垢的流体，管径应取得大些，以免堵塞。

本设计选用Φ25×较高级冷拔传热管（碳钢），取管内流速

=s

管程数和传热管数

根据传热管内径和流速确定单程传热管数[18]：

按单程管计算，所需的传热管长度为：

按单程管设计传热管过长，宜采用多管程结构。

根据本设计实际情况，采用非标设计，现取传热管长

=6m，则该换热器的管程数为:

（管程）

传热管总根数

（根）

平均传热温差校正及壳程数

平均温差校正系数

按单壳程，双管程结构，查得：

平均传热温差：

由于平均温差校正系数大于，同时壳程流体流量较大，故取单壳程合适。

传热管排列和分程方法

管子的排列方式有等边三角形，正方形，转角正方形三种。

与正方形相比，等边三角形排列比较仅凑，管外流体湍动程度高，表面传热系数大。

正方形排列虽然比较松散，传热效果也较差，但管外清洗比较方便，对易结垢流体更为适用。

若将正方形排列的管束斜转45°安装，可在一定程度上提高对流传热系数。

综合本设计结构和工艺结构考虑采用正三角形排列方法如图2-1所示。

图2-1换热管排列方式

取管心距

（焊接时），则t=

=

（mm）

隔板中心到力气最近一排管中心距离：

各程相邻管的管心距为44mm

壳体内径

壳体内径采用多管程结构，取管板利用率η=，则壳体内径为

按卷制壳体的进级档，可取D=600mm。

折流板

安装折流挡板的目的是为了提高壳程内流体的流速和加强湍流强度，从而提高传热效率，是强化传热的一种结构.为取得良好效果，挡板的形状和间距必须适当，本设计采用弓形折流板，弓形缺口太大或太小都会产生死区，太大不利于传热，太小又增加流体阻力[19]。

取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的25%，则切去的圆缺高度为：

h=×600=150mm

取折流板最小间距B=，则：

B=×600=120mm，可取B为200mm。

折流板数

：

本换热器换热管外径为25mm，故其拉杆直径为

16mm拉杆数量不得少于4。

接管

壳程流体进出口接管：

取接管内水流速为

=s，则接管内径为

圆整后可取管内径为70mm

管程流体进出口接管：

取接管内水流速

=s，则接管内径为

圆整后去管内径为80mm

换热器核算

热流量核算

1）壳程表面传热系数

当量直径，有

壳程流通截面积

有需要的同学们，已经参加工作