管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)

1、管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)李政2021年11月摘要 管殼式換熱器以其高度的可靠性和廣泛的適應(yīng)性，在長(zhǎng)年操作的過(guò)程中積 累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，迄今為止在各種換熱器中仍占主導(dǎo)地位。本文論述了各型式管殼式換熱 器的優(yōu)缺點(diǎn)以及各自的結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞 管殼式換熱器 優(yōu)缺點(diǎn) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一、前言換熱器分類：管殼式換熱器根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可分為下列兩類：1.剛性結(jié)構(gòu)的管殼式換熱器：這種換熱器乂稱為固定管板式，通?？煞譃閱喂艹毯投?管程兩種。換熱器的管端以焊接、脹接、脹焊并用的方法固定在兩塊管板上，而管板則以 焊接的方法與殼體相連。與其它型式的管殼式換熱器相比，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，當(dāng)殼體

2、直徑相同時(shí), 可安排更多的管子，也便于分程。制造成本較低。由于不存在彎管部分，管內(nèi)不易積聚污 垢，即使產(chǎn)生污垢也便于清洗。如果管子發(fā)生泄漏或損壞，也便于進(jìn)行堵管或換管。但無(wú) 法在管子的外表面進(jìn)行機(jī)械清洗，旦難以檢查，不適宜處理臟的或有腐蝕性的介質(zhì)。更主 要的缺點(diǎn)是當(dāng)殼體與管子的壁溫或材料的線膨脹系數(shù)相差較大時(shí)，在殼體與管中將產(chǎn)生很 大的溫差應(yīng)力。2.具有溫差補(bǔ)償裝置的管殼式換熱器：它可使受熱部分自由膨脹。該結(jié) 構(gòu)形式又可分成：浮頭式換熱器：所謂“浮頭”指的是換熱器兩端的管板，一個(gè)是固定的，另一個(gè) 是浮動(dòng)的。設(shè)計(jì)這種結(jié)構(gòu)的目的是：一、管束可以從殼體中抽出來(lái)，便于清洗；二、管束 的熱變形不會(huì)收到殼

3、體的約束，消除了熱應(yīng)力。然而為了實(shí)現(xiàn)上述目的也帶來(lái)一些結(jié)構(gòu)上 的問(wèn)題：一、為了使管板浮動(dòng)，在浮動(dòng)管板與外部頭蓋（即容器封頭）之間要增加一個(gè)浮 頭蓋以及相關(guān)的連接件，不但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且在這里的連接一旦發(fā)生泄漏還不易發(fā)現(xiàn)。二、 為了使浮動(dòng)管板能夠隨管束一起抽出，管束外緣與殼壁之間形成了一個(gè)寬度為1723mm 的環(huán)隙，不但減少了排管數(shù)目，而管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)旦容易引起殼程短路，為此需要在折流板之間焊裝縱向旁路擋板，旁路擋板可隨管束 一起抽出。浮頭式換熱器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工制造的費(fèi)用較高。u形管式換熱器：為了彌補(bǔ)浮頭式換熱器結(jié)構(gòu)復(fù)雜的缺點(diǎn)，同時(shí)乂保留換熱管束可 以抽出、熱應(yīng)力可以消除的優(yōu)點(diǎn)，于是有了

4、U形管換熱器。它只有一塊管板，換熱管彎成 U形，管子的兩端均固定在這僅有的一塊管板上，將所有管子的入口端集中在半塊管板上, 出口端集中在另半塊管板上，中間用管箱的分程隔板隔開(kāi)。但是這種換熱器的換熱管束雖 然可以抽出清洗其外表面，但管內(nèi)的清洗較為困難。U形管的排列是由里向外，最里層的 U形管必須保持一個(gè)最小彎曲半徑（其值大約為換熱管外徑的2倍）丁是導(dǎo)致殼程內(nèi)出現(xiàn) 了不能排管的條形空間，即影響結(jié)構(gòu)的緊湊，乂要安裝防短路的中間擋板或擋管，U形管 如果發(fā)生泄漏損壞，只能將壞管堵塞而不能更換。所以U形管換熱器只適用于管、殼程溫 差大，管內(nèi)介質(zhì)清潔但壓力較高的場(chǎng)合。填料函式換熱器：是浮頭式換熱器的乂一種改

5、形結(jié)構(gòu)，它是把原置殼程內(nèi)部的 浮頭移至體外，并用填料函來(lái)密封殼程內(nèi)介質(zhì)的外泄，結(jié)構(gòu)上的這種改動(dòng)，除了保留管束 可以抽出，熱應(yīng)力可以消除的優(yōu)點(diǎn)外，還省去了浮頭式換熱器的外頭蓋，而且免除了內(nèi)泄 漏不易發(fā)現(xiàn)之憂。然而將原來(lái)的法蘭連接靜密封改為填料函式動(dòng)密封以后，殼程介質(zhì)的少 量外泄就難于避免，這一點(diǎn)限制了它的運(yùn)用。采用這種型式的換熱器，不但殼程的壓力和 溫度不宜過(guò)高，而且介質(zhì)必須是無(wú)毒、非易燃易爆的。填料函式換熱器現(xiàn)在很少采用。 二、設(shè)計(jì)條件的審查：1.換熱器的設(shè)計(jì)，用戶應(yīng)提供以下設(shè)計(jì)條件（工藝參數(shù)）：管、殼程的操作壓力管、殼程的操作溫度（進(jìn)口/出口）金屬壁溫（工藝計(jì)算得出（用戶提供） 物料名稱及特

6、性管、殼程材質(zhì)管、殼程腐蝕裕量程數(shù)換熱面積管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)換熱管規(guī)格保溫材料及厚度（以便確定銘牌座伸出高度）?油漆：I .如用戶有特殊要求，請(qǐng)用戶提供牌號(hào)，顏色I(xiàn)I .用戶無(wú)特殊要求，設(shè)計(jì)人 員自己選定2.幾個(gè)重點(diǎn)設(shè)計(jì)條件操作壓力：作為判定設(shè)備是否上類的條件之一，必須提供物料特性：如用戶不 提供物料名稱則必須提供物料的毒性程度因?yàn)榻橘|(zhì)的毒性程度關(guān)系到設(shè)備的鋼板、焊縫的無(wú)損探傷要求、熱處理、氣密性試驗(yàn)、 鍛件的級(jí)別等設(shè)計(jì)狀況三、設(shè)計(jì)計(jì)算殼體壁厚計(jì)算包括管箱短節(jié)、封頭、殼程筒體的壁厚計(jì)算管、殼程筒體壁厚應(yīng)滿足GB15L1999中表8、表9最小壁厚的規(guī)定，對(duì)于碳素鋼和低 合金鋼最小壁厚是按腐

7、蝕裕量C2=lmm考慮的，對(duì)于C2大于1mm的情況，殼體的最小壁厚 應(yīng)相應(yīng)增加。開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算對(duì)于殼體采用鋼管制的，建議采用整體補(bǔ)強(qiáng)（增加筒體壁厚或采用厚壁管）；對(duì)于比 較厚的管箱上開(kāi)大孔考慮綜合經(jīng)濟(jì)性不另行補(bǔ)強(qiáng)應(yīng)滿足的幾點(diǎn)要求：設(shè)計(jì)壓力 W2. 5Mpa相鄰兩孔中心距應(yīng)不小于兩孔直徑之和的兩倍接管公稱直徑W89mm接管最小壁厚應(yīng)滿足GB150-1998中表8-1的要求（接管腐蝕裕量為1mm）設(shè)備法設(shè)備法蘭采用標(biāo)準(zhǔn)法蘭時(shí)應(yīng)注意法蘭與墊片、緊固件的匹配，比如甲型平焊法蘭在標(biāo) 準(zhǔn)中與其匹配的墊片為非金屬軟墊片；當(dāng)采用纏繞墊片應(yīng)對(duì)法蘭重新計(jì)算，選JB/T4701 4703標(biāo)準(zhǔn)的法蘭可免于強(qiáng)度計(jì)算管板需

8、注意以下幾個(gè)問(wèn)題：管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)管板的設(shè)計(jì)溫度：根據(jù)GB150-1998的3. 4. 6及GB151-1999的3. 12. 1規(guī)定，應(yīng)取不 低于元件的金屬溫度，但在管板計(jì)算中無(wú)法保證管殼程介質(zhì)作用，旦管板的金屬溫度很難 計(jì)算，故一般取較高側(cè)的設(shè)計(jì)溫度為管板的設(shè)計(jì)溫度（GB151-1999標(biāo)準(zhǔn)）管板的有效厚度管板的有效厚度系指管程分程隔板槽底部的管板厚度減去下列二者之和a管程腐蝕裕 量超出管程隔板槽深度的部分b殼程腐蝕裕量與管板在殼程側(cè)的結(jié)構(gòu)開(kāi)槽深度二者中的最大值膨脹節(jié)的設(shè)置在固定管板換熱器中，由于管程外介質(zhì)與管程內(nèi)介質(zhì)之間具有溫差，而換熱管和殼體 與管板固定連接，這樣在使用狀態(tài)時(shí)，

9、殼體與管子之間有膨脹差存在，殼體和管子受到軸 向載荷。為了避免殼體和換熱管破壞、換熱管失穩(wěn)、換熱管從管板上拉脫，就應(yīng)設(shè)置膨脹 節(jié)，以降低殼體和換熱管的軸向我荷。一般在殼體和換熱管壁溫差較大時(shí)，需考慮設(shè)置膨 脹節(jié)，并不是所有的固定管板式換熱器都需要安裝膨脹節(jié)。當(dāng)下述的三個(gè)條件中任何一個(gè) 不能滿足時(shí)，必須加膨脹節(jié)，這三個(gè)條件是：（1）換熱器的殼體和管束的軸向應(yīng)力應(yīng)滿 足強(qiáng)度條件：（2）換熱器的殼體和管束的軸向壓縮應(yīng)力應(yīng)滿足穩(wěn)定條件；（3）管板與換 熱管間的拉脫力q不得大于許用拉脫力沁）。四、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1.管箱（1）管箱的長(zhǎng)度a最小內(nèi)側(cè)深度軸向開(kāi)孔的單管程管箱，開(kāi)口中心處的最小深度應(yīng)不小于接管內(nèi)直徑的

10、1/3多程 管箱的內(nèi)側(cè)深度應(yīng)保證兩程之間的最小流通面積不小于每程換熱管流通面積的1.3倍b最 大內(nèi)側(cè)深度考慮內(nèi)件焊接和清理是否方便，尤其對(duì)于公稱直徑較小的多管程換熱器。具體可參照 鋼制列管式固定管板換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)一書（2）分程隔板管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)隔板的最小厚度和布置按GB151-1999表6和圖15,對(duì)于厚度大于10mm的分程隔板， 密封面應(yīng)削邊至10mm；對(duì)于列管式換熱器，隔板上應(yīng)設(shè)置淚孔（排凈孔），排凈孔的直徑 一般為6mm 2.殼體及管束管束級(jí)別GB151-1999中規(guī)定碳鋼、低合金鋼換熱管可以用“較高級(jí)”（1級(jí)）和“普通級(jí)” （H級(jí)），不銹鋼換熱管用“較高級(jí)”（1級(jí)），1級(jí)、H級(jí)管束的區(qū)別主要在于換熱管 的外徑、壁厚偏差不同，相應(yīng)地管孔尺寸和偏差不同，1級(jí)管束的精度要求高一些管 板a管孔尺寸偏差注意I、1【級(jí)管束的區(qū)別b分程隔板槽I槽深一般不小于4mmII分程隔板槽寬：碳鋼12mm；不銹鋼11mmIII分程隔板槽拐角處的倒角一般為45度，倒角寬度b近似等于分程墊片的圓角半徑Ro 折流板a管孔尺寸：按管束級(jí)別區(qū)分b弓形折流板的缺口高度缺口高度應(yīng)使流體通過(guò)缺口時(shí)與橫過(guò)管束的流速相近，缺口弦高一般取0.20 0.45 倍的圓筒內(nèi)直徑，缺口一般切在管孔中心線以下或切于兩排管孔的小