管壳式换热器

青岛科技大学机电工程学院装控系 化工设备机械基础讲稿 第17章

第十七章 管壳式换热器（shell and tube heat exchange）

本章重点讲解内容：

（1）熟悉管壳式换热器的整体结构及其类型； （2）熟悉主要零部件的作用及适用场合； （3）熟悉膨胀节的功能及其设置条件。

第一节 总体结构

管壳式换热器又称列管式换热器，是一种通用的标准换热设备。它具有结构简单、坚固耐用、造价低廉、用材广泛、清洗方便、适应性强等优点，应用最为广泛，在换热设备中占据主导地位。管壳式换热器是把换热管束与管板连接后，再用筒体与管箱包起来，形成两个独立的空间。管内的通道及与其相贯通的管箱称为管程（tube-side）；管外的通道及与其相贯通的部分称为壳程（shell-side）。一种流体在管内流动，而另一种流体在壳与管束之间从管外表面流过，为了保证壳程流体能够横向流过管束，以形成较高的传热速率，在外壳上装有许多挡板。以下结合不同类型的管壳式换热器介绍其相应的总体结构。

1、固定管板换热器

其由壳体、管束、封头、管板、折流挡板、接管等部件组成。结构特点为：两块管板分别焊于壳体的两端，管束两端固定在管板上。换热管束可做成单程、双程或多程。它适用于壳体与管子温差小的场合。

图1 固定管板换热器结构示意图

优点：结构简单、紧凑。在相同的壳体直径内，排管数最多，旁路最少；每根换热管都可以进行更换，且管内清洗方便。

缺点：壳程不能进行机械清洗；当换热管与壳体的温差较大（大于50℃）时产生温差应力，需在壳体上设置膨胀节，因而壳程压力受膨胀节强度的限制不能太高。固定管板式换热器适用于壳方流体清洁且不易结垢，两流体温差不大或温差较大但壳程压力不高的场合。

2、浮头式换热器

浮头式换热器适用于壳体和管束壁温差较大或壳程介质易结垢的场合。结构特点是两端管板之一不与壳体固定连接，可在壳体内沿轴向自由伸缩，称为浮头。

图2 浮头式换热器结构示意图

1

青岛科技大学机电工程学院装控系 化工设备机械基础讲稿 第17章

优点：当换热管与壳体有温差存在，壳体或换热管膨胀时，互不约束，不会产生温差应力；管束可从壳体内抽出，便于管内和管间的清洗。

缺点：结构较复杂，用材量大，造价高；浮头盖与浮动管板之间若密封不严，发生内漏，造成两种介质的混合。

3、U形管式换热器

结构特点是只有一个管板，换热管为 U 型，管子两端固定在同一管板上。管束可以自由伸缩，当壳体与 U 型换热管有温差时，不会产生温差应力。可弥补浮头式换热器结构复杂的特点，同时又保留换热管束可以抽出，热应力可以消除的优点。

图3 U形管换热器结构示意图

优点：结构简单，只有一个管板，密封面少，运行可靠，造价低；管束可以抽出，管间清洗方便。

缺点：管内清洗比较困难；由于管子需要有一定的弯曲半径，故管板的利用率较低；管束最内层管间距大，壳程易短路；内层管子坏了只能堵塞而不能更换，因而报废率较高。

U 型管式换热器适用于管、壳壁温差较大或壳程介质易结垢，而管程介质清洁不易结垢以及高温、高压、腐蚀性强的场合。一般高温、高压、腐蚀性强的介质走管内，可使高压空间减小，密封易解决，并可节约材料和减少热损失。

4、填料函式换热器

浮头式换热器的一种改型结构，它把原置于壳程内部的浮头移至体外，用填料函来密封壳程内介质的外泄。结构特点是管板只有一端与壳体固定连接，另一端采用填料函密封。管束可以自由伸缩，不会产生因壳壁与管壁温差而引起的温差应力。

图4 填料函式换热器结构示意图

优点：结构较浮头式换热器简单，制造方便，耗材少，造价低；管束可从壳体内抽出，管内、管间均能进行清洗，维修方便。

缺点：填料函耐压不高，一般小于4.0MPa；壳程介质可能通过填料函外漏，对易燃、易爆、有毒和贵重的介质不适用。填料函式换热器适用于管、壳壁温差较大或介质易结垢，需经常清理且压力不高的场合。

第二节 管壳式换热器的主要零部件

1、壳体（shell）

（1）固定管板换热器中轴向内力的分析与计算

2

青岛科技大学机电工程学院装控系 化工设备机械基础讲稿 第17章

固定管板换热器的管束与管板、管束与壳体均为刚性连接，在工作时，若管束壁温与壳体壁温存在较大温差，会产生温差应力，再与介质压力产生的应力叠加起来，可能会造成管子的弯曲或使管子与管板连接处发生泄漏，甚至会使壳体或管子上的应力超过许用应力或造成管子从管板上拉脱。因此，必须对管子、壳体进行受力分析。 ? 管壁与壳壁因温差引起的轴向力及温差应力的计算

换热器在装配时，管束与壳体的壁温均为?0，长度为L，操作时管束与壳体的壁温分别为?t和?s，材料的线膨胀系数分别为?t和?s，则管束与壳体的自由伸长量为：

?t??t??t??0?L ⑴ ?s??s??s??0?L ⑵

管束与壳体的实际伸长量为同一数值?。一般?t??s，且?t??s，显然壳体被拉伸，产生拉应力，管束被压缩，产生压应力。此拉压应力就是温差应力（热应力）。温差使壳体被拉长的总拉伸力应等于所有管子被压缩的总压缩力，总拉伸力（总压缩力）称为温差轴向力，用F1表示。

图5 固定管板式换热器筒体的轴向受力分析

在弹性范围内，按虎克定律，管子被压缩的量为：

?t???F1L ⑶ EtAt壳体被拉伸的量为：

3

青岛科技大学机电工程学院装控系 化工设备机械基础讲稿 第17章

???s?F1L ⑷ EsAs⑶+⑷ 可得：

?t??s?F1L???11??EtAtEsAs??? ⑸ ?令：?t??s??e 由⑴ ⑵式可知： ∴ F1??e???t??t??0???s??s??0??L 为确定值 ?e?????L?EsAs?EtAt??eEsAsEtAt?11L???EAEAss?tt 为确定值

在管子与壳体中的温差应力分别为：

?t1?F1F ?s1?1 AtAs其中： L——两管板内侧距离 mm At——全部管子的横截面积 mm As——壳体的横截面积 mm ? 流体压力引起的轴向力及应力的计算

管程压力pt，壳程压力ps，由管壁与壳壁共同承担的轴向力为Q。根据力的平衡关系：

22Q? ??????????2?Di2pt??Di2?n??d?2?t??pt??Di2?n?d2?ps 444??4??42t?n?d?2??4pt?Di2?nd2ps

???式中：

d——换热管外径 mm； n——换热管根数

设作用在管壁上的轴向力为F2，壳壁上的轴向力为F3，则： Q?F2?F3 管子的伸长量： ??t?FLF2L； 壳体的伸长量： ??s?3 EtAtEsAsFLF2L?3 EtAtEsAs∵ ??t???s ∴

可求得： F2?EtAtEsAsQ； F3?Q

EsAs?EtAtEsAs?EtAt4