深入了解管壳式换热器

admin

深入了解管壳式换热器：你真的看透了吗？
换热器，作为工厂中热量变换的关键设备，扮演着举足轻重的角色。而在众多换热器类型中，管壳式换热器以其广泛的应用脱颖而出。那么，这种换热器究竟是何方神圣，其内部构造又是怎样的呢？接下来，让我们一起探索管壳式换热器的奥秘。

管壳式换热器，又被人们称为列管式换热器，其传热面是由封闭在壳体内的管束壁面构成，属于典型的间壁式换热器。这种换热器在设计上独具匠心，通过其特定的结构，实现了高效的热量传递。

管壳式换热器的结构组成是怎样的呢？在众多类型的管壳式换热器中，固定管板式换热器以其简单的结构和低廉的制造成本，成为了工程中的优选。它能够提供较小的壳体内径，同时，管程和壳程都可以通过纵向隔板进行灵活多变的分隔，从而满足不同的换热需求。这种换热器在工程中得到了广泛的应用。
管箱作为管壳式换热器的重要组成部分，其结构型式多种多样。
在众多结构中，常见的管箱类型可大致归纳为四类。


A型管箱

A型管箱适用于单管程和多管程的换热器，其显著优点在于清洗管程时极为便捷。然而，其管箱盖结构所需材料较多，若尺寸过大，则需采用锻件制造，因此，建议A型管箱主要应用于DN≤900mm的场合。

B型管箱

B型管箱同样适用于单管程和多管程的换热器，其结构相对简单，制造方便。但需要注意的是，在检修和清洗管程的换热管内时，必须拆开管箱上的接管法兰和设备法兰，并整体取下管箱，这可能会增加操作的复杂性。

C型管箱

C型管箱专为多管程换热器的返回管箱而设计。

D型管箱

D型管箱则专为单管程换热器的进出口管箱打造。

在选择管箱时，还需考虑其平盖的设计。

平盖作为管箱的关键部分，其设计可以根据特定用途、材料消耗以及清洁便利性等因素进行优化。此外，还存在多种不同的平盖结构型式，可以根据实际需求进行选择。
整体结构的管箱盖，主要适用于管箱采用碳钢或低合金钢材质的情况。
复合结构的管箱盖，特别适用于管箱采用不锈钢或耐蚀合金材质的环境。
衬板塞焊的管箱盖虽然结实耐用，但不适用于真空状态的场合。
在考虑整体结构管箱盖的有效厚度时，需从实际厚度中减去管箱腐蚀裕量，或取管箱腐蚀裕量与分程隔板槽深度的较大值。需特别注意的是，对于复合管箱盖和衬层管箱盖，其复合层或衬层厚度并不计入有效厚度之内。此外，管板的设计也至关重要，它根据与管箱、壳体的连接方式，可分为延长部分兼作法兰的固定管板，以及不兼作法兰且与壳程、管程筒体焊成一体的固定管板。

根据管板的不同使用功能，管板可分为以下几类：
a) 固定管板换热器所采用的固定管板；
b) 浮头换热器特有的固定管板与浮动式管板；
c) U形管式换热器所涉及的固定管板；
d) 双管板换热器中不可或缺的双管板设计；
e) 针对特定情境的薄管板。

在固定管板换热器中，为了防止壳体和换热管因拉伸而受损，以及换热管因失稳或拉脱而发生故障，通常会设置一个挠性补偿元件——膨胀节。这种膨胀节位于壳体中部，其作用是减轻壳体与换热管之间的轴向载荷，同时缓解热膨胀差异所导致的管板应力，进而合理降低管板的厚度。

关于换热器用膨胀节的类型，有多种选择。
根据其截面形状，膨胀节可分为U型、Ω形、S型等。然而，在固定管板式换热器的实际应用中，U形波形膨胀节因其结构特点和适用性而受到广泛青睐，成为最常用和普遍的膨胀节类型。

U形膨胀节主要由波形管和直边段两部分构成，根据需要，还可能配备内衬筒和加强环等部件。此外，换热器用膨胀节还可分为单层和多层类型。在固定管板换热器的设计中，若能满足承载能力、补偿刚度和疲劳寿命的要求，应优先考虑选用单层波形膨胀节。然而，在某些特定情况下，也可能需要选择多层波形膨胀节。

• 需承受高压力，同时要求具备大位移补偿能力；
• 满足高疲劳寿命的需求。
  多层波形膨胀节的结构特点如下：
  多层波形膨胀节具有出色的柔性，使得其补偿能力显著提高。相较于单层结构，其疲劳寿命得到了显著提升，据国外资料显示，可达单层结构的6倍。此外，该膨胀节的结构设计得相当紧凑，有效节省了材料。在高压环境下，它能够保持稳定，不会突然破裂，从而确保了使用的安全性。
  

换热管作为换热器的核心部件，其管径、形状以及排列方式都会对换热器的效率产生直接影响。因此，在选择换热管时，需要综合考虑这些因素，以确保换热器能够高效、安全地运行。
换热管的常用规格包括1.5米、2.0米、2.5米、3.0米、4.5米、6.0米、7.5米、9.0米和12.0米等多种尺寸。
这些规格的换热管广泛应用于各种换热器中，其管径、形状及排列方式对换热器的效率有着至关重要的影响。在选择时，需根据实际需求和换热器的设计要求，综合考量这些因素，以确保选用的换热管能够满足高效、安全运行的需求。

U形换热管是换热器中常用的管型之一。

其弯管段的弯曲半径R需满足一定的要求，以确保换热管能够顺畅工作且不易受损。通常，这个弯曲半径R不应小于两倍的换热管外径。在选择时，可以参考常用换热管的最小弯曲半径Rmin，该数据可查阅相关表格进行选取。
换热管的最小弯曲半径与换热管外径的关系

在选用U形换热管时，我们必须关注其最小弯曲半径。这个半径的大小直接影响到换热管的使用效果和寿命。一般来说，换热管的最小弯曲半径不应小于其外径的两倍。这一标准有助于确保换热管在弯曲过程中能够保持结构的完整性和工作的顺畅性，从而有效地延长其使用寿命。
当U形管内流速过高或面临腐蚀时，为确保其结构完整性和顺畅工作，应适当增加弯管半径较小的U形管壁厚。此外，换热管的排列方式也至关重要。三角形排列，包括正三角形和转角三角形，是固定管板换热器中常用的布局，尤其适用于壳程介质清洁且无需清洗换热管外的场合。而正方形排列则更多见于需要清洗换热管外的浮头换热器和U形管换热器。在传热方面，正三角形和转角正方形排列称为错列，这种布局能使介质流动时形成湍流，从而促进传热。相比之下，转角三角形和正方形排列在传热上被称作直列，其介质流动中部分为层流，可能对传热产生不利影响。


因此，在无相变的换热器中，由于传热过程与介质流动状态紧密相关，所以推荐采用正三角形或转角正方形排列。而在有相变的冷凝器中，传热主要受管壁凝液流动方向的影响，与介质流动关系相对较小，因此可以采用转角三角形和正方形排列。

接下来，我们来看看壳程结构。
典型的壳程元件组成包括：

折流板是壳程结构中的关键元件，其作用主要体现在以下几个方面：首先，它能够增加壳程管间的介质流速，进而提升传热效率；其次，折流板对换热管提供必要的支承，确保其稳定工作；最后，通过调整折流板的间距，可以有效避免管束诱发振动的问题。在形状上，常用的折流板和支持板主要包括弓形和圆盘-圆环形两种，同时，根据特定需求，还可能采用其他形式的折流板和支持板，例如矩形孔圆板和矩形挡板等。


单弓形折流板是最为普遍采用的一种设计，其结构简洁，然而，由于其设计特点，会带来相对较大的压降。

• 上下排列（水平切口）是指物料进口与弓形缺口垂直设置，以增强介质的扰动，从而提高传热系数。
• 左右排列（竖直缺口）则是物料进口与弓形缺口平行设置，常见于卧式冷凝器或蒸发器，利于冷凝液和气体的顺畅流动。
• 转角排列多用于换热管正方形排列，通过流体湍流的形成来提升传热效率。
  

此外，双弓形和三弓形折流板适用于壳程流量大或流体密度低的场合，能有效降低压降并提高传热系数，同时还有助于防止介质流动过程中的振动。而圆盘—圆环形折流板则以其轴心对称的介质流动特征为特点。

对于矩形折流板，其横放和竖放形式灵活，横放适用于壳程介质为气相，竖放则用于壳程介质为液相或有冷凝液的场合。这两种形式特别适合大直径和大流量的情况。

另外，折流板和支持板的固定通常采用拉杆或拉杆结合定距管与管板进行。常用的固定结构包括拉杆定距管结构和点焊结构。


拉杆定距管结构适用于换热管外径大于或等于19mm的管束，其特点是稳定性好，能够确保折流板的精确间距。而对于换热管外径小于或等于14mm的管束，则采用拉杆与折流板点焊结构，这种结构简单且便于安装。此外，拉杆的尺寸选择也是关键，其连接尺寸需参照相关表格进行确定，以确保折流板的有效固定。
拉杆的连接尺寸应参照以下表格进行确定，以确保折流板的稳固固定。
拉杆的布置对于确保折流板的稳固固定至关重要。在布置拉杆时，应尽量将其均匀地分布在管束的外边缘。特别是对于大直径的换热器，在布管区域或靠近折流板缺口的位置，更需要布置适量的拉杆。

此外，双壳程结构也是一种常用的设计方式。它通过在壳程内安装一个平行于换热管轴线的矩形平板，即纵向隔板，将壳程划分为两个部分，从而形成了双壳程结构。这种设计不仅能够提高壳程内物料的流速，进而改善传热效果，还能从经济角度出发，使得一台双壳程换热器的成本低于两台单管程换热器的成本。