《管壳式换热器》课件.pptVIP

管壳式换热器本课程介绍管壳式换热器的结构、原理和应用教学目标：掌握换热器设计计算、故障诊断和优化方法

换热器基础知识换热器定义利用热流体与冷流体间热量传递的设备能量传递原理通过传导、对流和辐射实现热量交换换热器分类按结构：管壳式、板式、螺旋板式等按流动方式：并流、逆流、错流

管壳式换热器简介发展历史19世纪开始应用，20世纪中期规范化应用领域石油化工、电力、食品加工等工业工业重要性工业生产热能回收和利用的关键设备

管壳式换热器的基本组成管程内部管道系统，通常由数百根小管组成管内通常为腐蚀性或高压流体壳程围绕管束的外壳空间通常为低压流体管束和隔板管束为热交换核心部件隔板改变流体流向增强换热

管壳式换热器的工作原理热流体进入高温流体进入管程或壳程热交换过程通过管壁传递热量冷流体升温低温流体吸收热量后温度升高温度梯度变化流体沿程温度逐渐变化

管壳式换热器的主要结构类型单程与多程按管内流体流动次数分类多程可提高换热效率1固定管板式最简单常见的结构管板与壳体固定连接2浮头式一端管板可自由移动适应热膨胀变形3U型管式管弯曲成U形消除热应力4

固定管板式结构详解结构特点两端管板与壳体固定连接结构简单，成本低局限性难以应对热膨胀不适合温差大的场合应用场景温差小的工况管壳侧流体温度接近

浮头式结构详解1基本构造一端管板可自由移动通过浮头密封结构实现密封2主要优点适应热膨胀变形减少热应力问题3应用场景温差大的工况需要频繁清洗维护

U型管式结构详解1U形设计可自由膨胀收缩180°弯曲角度标准U型管弯曲角度2-3倍弯曲半径一般为管直径的2-3倍

主要部件—壳体设计压力壳体需耐受内部压力材料要求耐高温、抗腐蚀制造标准符合压力容器规范制造工艺卷板焊接、封头冲压

主要部件—管板结构设计需考虑受力与温度膨胀密封要求管孔与换热管紧密结合加工工艺钻孔、扩孔、胀接或焊接

主要部件—换热管材质种类特点适用环境碳钢成本低非腐蚀性介质不锈钢耐腐蚀化工、食品铜合金导热性好民用冷却设备钛合金高耐腐蚀海水、强酸

主要部件—折流板增强流体湍动改变流向，打破边界层支撑换热管防止管束振动和变形常见形式单段式、双段式、盘环式

主要部件—封头与法兰封头种类：半球形、椭圆形、平板式法兰连接：确保可靠密封和拆装便利

管壳式换热器的工作流程热流体进入从进口管道进入管程或壳程1热量交换穿过管壁进行热传递冷流体升温在另一侧流道吸收热量介质排出完成热交换后离开换热器

换热效率影响因素

管壳式换热器的优缺点优点换热面积大承压能力强适应性广结构标准化维护便捷缺点体积较大金属消耗多存在污垢问题存在死区效率有限

应用领域举例石油化工催化裂化过程中回收热量产品冷却与预热电力行业汽轮机排汽冷凝给水预热食品制药杀菌冷却精确温度控制

设计参数介绍1热负荷需要传递的热量，单位kW2流量冷热流体的质量流量，kg/s3温度进出口温度及允许温差4压力工作压力和允许压降

管壳式换热器类型选择工况条件推荐机型选择理由温差小固定管板式结构简单经济温差大浮头式/U型管适应热膨胀高压侧管程布置壳体设计压力较低污垢严重可拆卸型便于清洗

基础热力计算热量守恒公式Q=m1c1(t1-t1)=m2c2(t2-t2)Q：热负荷，m：质量流量，c：比热热传递基本公式Q=KA△tmK：传热系数，A：面积，△tm：平均温差对数平均温差△tm=[(t1-t2)-(t1-t2)]/ln[(t1-t2)/(t1-t2)]

热传递系数计算综合换热系数K=1/(1/α1+δ/λ+1/α2+R垢)对流换热系数与流体流态、物性相关传导热阻管壁厚度与材料导热系数垢层热阻内外壁污垢沉积阻力

管内/壳程传热系数管内传热系数壳程传热系数

压力损失分析管程压损摩擦阻力+局部阻力进出口损失截面突变造成能量损失壳程压损折流板引起流向改变压损平衡合理折中传热与压降

强化换热措施表面强化螺纹、鳍片、波纹管增大面积流态优化扰流装置促进湍流折流板改进螺旋、花瓣型折流板流程改进多程组合提高温差利用率

管壳式换热器设计流程需求分析确定工艺条件：流量、温度、压力确定介质物性初步设计传热系数估算换热面积计算型号初选结构设计管束布置折流板设计强度校核详细计算与优化传热校核压降校核结构优化

管束结构设计正三角形排布旋转三角形排布正方形排布旋转正方形排布

折流板设计参数单段式设计简单经济适用普通场合双段式设计压降较低适用低压高流量场合间距参数一般为壳体内径的1/5-1/12影响流速与传热效率

管壳结构设计1壳径计算根据管束直径和壳程流通面积确定2壳厚设计依据压力容器设计规范计算3进出口设计考虑流体均布，避免死区4支撑结构保证设备稳固安装

典型结构案例展示图1：石化行业多壳程换热器组图2：电厂600MW机组冷却系统图3：特大型浮头式换热器现场安装

换热器选型案例分析