化工原理 列管换热器 列管换热器.doc

煤化工技术专业教学资源库 煤化工技术专业 教学资源库 教 案 课程名称 化 工 原 理 模块名称 传热操作技术 知 识 点 列管换热器 编制人员 崔芙红 PAGE PAGE 2 第41讲 列管换热器 教学目的： ★ 深刻理解列管换热器的基本结构 ★ 理解不同列管换热器的结构及特点 一 列管换热器的基本结构 列管换热器又称为管壳式换热器，已有较长的历史，由于其结构简单、坚固耐用、用材广泛、适应性较强，在生产中得到了广泛的应用。 列管换热器主要由壳体、管束、管板和封头等部件构成，操作时一流体由封头一端的入口进入换热器内，经封头分配室分配至各管内，流过管束后，由另一端封头的出口流出换热器，其行程称为管程。另一流体由壳体一端接管进入，从壳体的另一端接管流出，其行程称为壳程。管束的壁面即为传热面。 图1 列管换热器的结构 当管内流体的流速过低，影响传热速率时，为了提高管内流速，可在换热器封头内装置隔板，将全部换热管分隔成若干组，流体每次只流过一组管，然后折回进入另一组管，依次往返流过各组管，最后由出口处流出。流过一组管称为一程，流体来回流过几次就称为几管程。采用多管程，管内流体流通截面减小，流速增大，对流传热系数增大，可强化传热，但同时其阻力损失增大，并且平均温差会降低，因此管程数不宜太多，一般为二、四管程。 在壳体内，也可在与管束轴线平行方向设置横向隔板使壳程分为多程，但是由于制造、安装及维修上的困难，工程上较少使用。往往在壳体内安装一定数目与管束垂直的折流挡板，在壳体安装折流板，既可提高壳程流体流速，增大湍动程度，强化壳程传热过程，也可以冲刷沉积物，减小污垢热阻，对壳体起到支撑作用，但于此同时，壳体阻力增大，系统的动力消耗也会增大。 常见的折流挡板有弓形和圆盘形。图中所示就是这两种折流板在换热器内的排布及流体流动的情况。 图2 弓形 图3 圆盘形 因为冷、热流体温度不同，则壳体和管束受热不同，其膨胀程度也不同。温差不大时，管束、壳体、管板间热效应不大，即热膨胀不大，不需热补偿。如两者温差大于50℃，管子会扭弯、断裂或从管板上脱落，毁坏换热器。因此，必须从结构上考虑热膨胀的影响，采取各种补偿的办法，消除或减小热应力。按其消除热应力的方式，将其分为固定管板式，浮头式和U形管式换热器。 二 常见的列管换热器 1.固定管板式 它两端的管板都固定在壳体上。其优点是结构简单，成本低。缺点是壳程检修和清洗困难。因此要求壳程必须是清洁、不易产生垢层和腐蚀性小的介质。 当壳体和管束之间的温差小于50℃时，不需要热补偿，这时就采用固定管板式的。当温差大于50℃，在壳体壁上焊上补偿圈，也称膨胀节，当壳体和管束热膨胀不同时，补偿圈发生弹性变形来适应它们之间不同的热膨胀。这种补偿方法简单，但膨胀节不能消除太大的热应力。所以，一般用于温差应小于70℃，壳程流体压力不高于600kPa的场合。 图4 固定管板式换热器 2.浮头式换热器 它有一端管板不与壳体相连，这端称为浮头，可自由沿管长方向浮动。当壳体与管束因温度不同而引起热膨胀时，管束连同浮头可在壳体内沿轴向自由伸缩，可完全消除热应力，而与外壳的膨胀无关。浮头式换热器不但解决了热补偿问题，而且由于固定端的管板是用法兰与壳体相连的，因此整个管束可以从壳体中抽出来，便于检修和清洗。由于这些优点，浮头式换热器是应用较多的一种结构形式。但它也有结构较复杂，加工困难，金属耗量大，成本高等缺点。 图5 浮头式换热器 3.U型管式换热器 所有管子都成U形，管子的两端分别固定在同一管板的两侧，用隔板将封头分成两室。因为每根管子可自由伸缩，而与其它管子和壳体无关，当壳体与管束有温差时，不会产生热应力，所以可用于温差很大的情况下。它与浮头式换热器相比结构较简单，造价低，适用于高温、高压的场合。其主要缺点是U形管内不易清洗，因此要求管内流体要清洁、不易结垢。 图6 U形管式换热器 思考题： 1.为什么管程数多为二四管程呢？