下载文档原格式
管壳式换热器结构设计在化工、石油和能源等领域中，管壳式换热器是一种广泛应用的高效换热设备。
本文将详细探讨管壳式换热器的结构设计，包括材料选择、传热原理和应用特点等方面的内容，旨在提高设备的传热效率和可靠性。
一、管壳式换热器的基本结构管壳式换热器主要由壳体、管束、折流板、进出口接管等部件组成。
其核心部分是管束，它由许多平行排列的传热管组成。
这些传热管的一端与壳体连接，另一端则通过封头与进出口接管相连。
在操作时，一种流体（例如水或油）在管内流动，另一种流体（例如蒸汽或冷凝液）在壳侧流动，两种流体通过管壁进行热交换。
二、材料选择与优化管壳式换热器的材料选择对其性能和可靠性至关重要。
壳体通常采用碳钢、不锈钢和钛等材料，而管束则通常采用不锈钢、铜和钛等具有优良传热性能和抗腐蚀性的材料。
在某些特殊情况下，还可以考虑对关键部位进行表面处理，以提高抗腐蚀性和耐磨性。
三、传热原理与优化管壳式换热器的传热原理主要是通过对流传热和热传导的组合来实现的。
为了提高设备的传热效率，可以采用以下措施：1、改变折流板的形状和布置，以增加壳侧流体的湍流度。
2、选择具有高导热系数的材料，以提高管壁的热传导性能。
3、适当增加管束数量和布置密度，以增加传热面积。
四、应用特点与优势管壳式换热器在各种工业领域中得到了广泛应用，主要特点有：1、结构紧凑，占地面积小，易于布置。
2、材料选择广泛，适用于各种不同的工艺条件和腐蚀性介质。
3、传热效率高，能够实现两种流体的有效热交换。
4、制造工艺成熟，操作维护方便，使用寿命较长。
五、结论本文对管壳式换热器的结构设计进行了全面分析，包括材料选择、传热原理和应用特点等方面的内容。
通过合理的结构设计，可以显著提高管壳式换热器的传热效率和可靠性，使其在各种工业领域中发挥更加重要的作用。
随着技术的不断进步，管壳式换热器的设计和制造水平也将不断提升，为工业生产带来更大的价值。
六、展望随着工业生产的不断发展和能源紧缺的压力日益增大，管壳式换热器的应用前景更加广阔。
换热器折流板详解
展开全文
作用
折流板的作用是提高壳程内流体的流速并增加湍动程度，提高传热效率，增大壳程流体的传热系数，减少结垢，同时起到支撑换热管的作用。
结构形式
常用的折流板有弓形和圆盘--圆环形两种。
圆盘--圆环形折流板由于结构比较复杂，不便于清洗，一般用于压力较高和物料清洁的场合，其结构如下图所示。
弓形折流板结构如下图：
主要有单弓形、双弓形和三弓形三种类型(如下图)，其中单弓形折流板应用较为普遍。
折流板缺口
折流板弓形缺口高度应使流体通过缺口时与横向流过管束时的流速相近，一般取缺口高度h为壳体公称直径的0.2~0. 45，常取h=0.2Di。
折流板一般应按等间距布置，管束两端的折流板应尽量靠近壳程进口、出口接管，折流板的最小间距应不小于圆筒内径的1/5，且不小于50mm，最大间距应不大于圆筒内直径。
弓形折流板的布置也很重要，在卧式换热器中，折流板的缺口应上、下水平布置，若壳程流体为气体，且含有少量的液体时，则应在缺口朝上的折流板的最低处开通液口，以便排液，如图下图(a)所示；若壳程流体为液体，且其中含有少量气体时，则应在缺口朝下的折流板的最高处开通气口，如下图(b)所示；当壳程介质为气、液共存或液体中含有固体物料时，折流板应左、右垂直分布，并在折流板的最低处开通液口，如下图 (c)所示。
折流板固定
折流板通过拉杆和定距管固定，拉杆一端的螺纹拧入管板，折流板用定距管定位，最后一块折流板靠拉杆端螺母固定。
拉杆和定距管结构如下图所示：
也有采用下图所示的螺纹与焊接相结合或全焊接的连接结构：。
设计折流板的设计壳式换热器折流板的管壳式换热器HTRI2012 上海CC China Meeting11062012-11-06管壳式换热器折流板的设计管壳式换热器中折流板的常用形式----单弓----NTIW（单弓窗口不布管）----双弓----螺旋折流板----双螺旋折流板----折流杆（Rod Baffle）管壳式换热器折流板的设计•单弓折流板的阻挡和扰流作用使得流体冲击折流板时改变流向,同时由于流通截面的突变而在弓形折流板缺口处形成流体速度突变和压力突变,且在折流板背面形成回流区,造成压力损失。
管壳式换热器折流板的设计•单弓折流板间距与切割率增大，将降低壳程压降, 但同时壳程传热系数减小；折流板间距与切割率减小,将增大壳程传热系数, 但同时壳程压降也急剧增大。
即壳程压降与壳程传热系数同增或同减, 但壳程压降增大或减小的幅度大于壳程传热系数。
为此, 在压降允许范围内, 减小折流板间距与圆缺率, 加强传热效果。
管壳式换热器折流板的设计•单弓-窗口不布管减小管子的无支撑间距，牺牲部分换热空间，降低诱导及弹性振动的可能性，同时增加壳程流体的流通量。
管壳式换热器折流板的设计•双弓双弓弓形折流板换热器保留了弓形折流板的结构形式, 但增加了切割面积, 使壳程流动形式从单弓时的错流改变成顺错流态, 并克服了流体急剧回弯流动造成的管束震动,在相同压降下即可把流速提高至二倍以上, 从而提高传热速率。
尤其适合用于壳侧流体流量大, 粘度大的场合。
管壳式换热器折流板的设计•螺旋折流板螺旋折流板换热器突破了壳程介质流横向垂直和管子相切的传统观念, 流体在壳侧呈连续柱塞状螺旋流动,不会出现传统折流板换热器内的流动死区,并且由于旋流产生的涡与管束传热界面边界层相互作用, 使湍流度大幅度增强, 有利于提高壳侧膜传热系数。
管壳式换热器折流板的设计•螺旋折流板连续螺旋折流板换热器的折流板形状是自壳体进口向出口推进的完全螺旋面，介质在壳体内做到相对连续平稳旋转流动。
螺旋折流板换热器壳程内的折流通道突破了传统垂直弓形折流板换热器壳程内横向流动多次折返的流动模式。
其管束骨架是由若干块1/4壳体横截面面积的扇形折流板，自进口处呈螺旋状组装形成的。
这种结构,壳程中的介质既不是弓形折流板换热器中的横向流，也不是折流杆换热器中的纵向流，而是围绕换热器管束中心呈螺旋状向前连续平稳流动。
螺旋折流板有单壳程和双壳程结构，极大地提高了管、壳程介质的传热效率，较大幅度的降低了壳程压力降，减少了换热器管束振动且不易结垢。
●换热管型式：光管、波纹管、螺纹管、螺旋波纹管、内波外螺纹管。
●换热管材质：10#、不锈钢、双相不锈钢、碳钢渗铝、08Cr2AlMo、铜、镍、钛、锆。
●适用范围：即可用于干净的介质，也适用于高粘原油和渣油等介质。
可广泛应用于炼油、化工企业的节能降耗、挖潜扩容改造项目以及新项目。
2014.7.23宋小平 裴志中 2006.6.2 S防短路螺旋折流板管壳式换热器螺旋折流板的一周螺旋，仍有X 块折流板连续组成，但每一块折流板直边，增加一至二排管距宽度C 。
组装时重叠搭接部分由同根管子穿过，为避免接触点干涉，在交叉处开一宽度为C 的缺口以便相邻两螺旋折流板相交。
这种交叉重叠搭接方式接续，可以对流经管束的介质起到引导作用，减少两相邻扇形板直边交叉形成三角形空间的短路现象，同时强化了折流板之间的连续性，避免了装配时的径向分离。
防短路螺旋折流板搭接形式示意图华南理工大学 徐白平 江楠 2006.1.20 F复杂流场螺旋折流板换热器及其减阻强化传热方法换热器内螺旋折流板由与换热器中心轴线倾斜的椭圆扇形板拼接成单螺旋或双螺旋状，位于壳体中心；外螺旋折流板为与换热器中心轴线倾斜的椭圆环扇形板拼接成螺旋状，位于内螺旋折流板外围。
该换热器利用内外螺旋折流板不同结构的导流作用，引入复杂流场，改善流体在壳体内壁附近及折流板背风侧的流动状态，强化壳体处与中心外围区域的混合，提高流体在换热器内整体湍动程度，较大幅度地提高壳程的传热膜系数，提高换热器的有效利用面积，强化壳程传热。
换热器结构加工、装配、维护方便，制造成本低，突破了限制螺旋折流板向大流量操作的瓶颈，节能降耗，市场前景好。
一种管壳式换热器王秋旺 贺群武 2003.10.17 F本发明涉及一种管科式换热器，主要应用于气体压缩机中间冷却器。
包括一个壳体，位于壳体中心的中心气体通道，分别位于壳体两端的两个挡板，一束平行固定于两个挡板之间的内翅片管束，位于壳侧的冷却水入口和冷却水出口，若干位于内翅片管束和外壳之间的螺旋形折流板，翅片管两端固定于两块挡板之间，中心气体通道与前后两个挡板以及壳侧外壳共轴，其中，每个内翅片管包括外管，堵塞的芯管和内翅片，内翅片管中的内翅片采用弯曲形状翅片。
本发明所采用螺旋形折流板和内翅片管采用锯齿形翅片或者螺旋形翅片的结构方式，可以使得换热器更加紧凑，换热效率更高，而且壳侧结垢少，使用寿命增加。
螺旋折流板换热器管束及管板的结构设计
国德文邢芳刘晓凤
（大庆石油化工机械厂，黑龙江大庆１６３７１１）
摘要：文中介绍了螺旋折流板的几何形状及螺旋折流板换热器管束的结构型式，并据此说明了螺旋折流板换热器管束的设计方法。
通过图示证明螺旋折流板的曲线边是一条椭圆曲线，给出螺旋折流板几何尺寸的计算方法。
关键词：螺旋折流板；管束；结构设计
中图分类号：ＴＫ１７文献标识码：Ｂ文章编号：１６７１－４９６２（２００８）０２－００３９－０２
近年来，国内采用新型高效螺旋折流板换热器的企业逐渐增多。
大庆石油化工机械厂也经常采用螺旋折流板来设计管壳式换热器。
文中对螺旋折流板管束的结构设计［１］进行了探讨。
１螺旋折流板的几何形状
螺旋折流板换热器的折流板为准扇形。
与壳体横截面有一定的安装倾角α，其在壳体横截面上的投影刚好为１／４圆面。
见图１。
根据折流板间距所需要的若干个螺旋折流板与管束轴线以某一角度呈连续螺旋状排列，这种排列须保证介质自壳程进口向出口呈螺旋状推进，避免了采用弓形折流板时，介质以“Ｚ”字形流动剧烈折返带来的严重压降。
管壳式换热器采用螺旋折流板是基于这样一种思想：通过改变壳程侧折流板的布置，使壳程侧流体呈连续螺旋流动，因此，理想的折流板布置应该为连续的螺旋曲面。
但是，螺旋曲面加工困难，而且换热管与折流板的配合很难实现。
考虑到加工上的方便，采用一系列的准扇形平面板（称之为螺旋折流板）替代曲面相间连接，在壳程侧形成近似的螺旋面，使换热器的壳程侧流体产生连续的螺旋状流动，见图２。
２螺旋折流板间距
螺旋折流板布置应使壳程内介质的螺旋状流场稳定，这就要求螺旋折流板之间有一致的间隔称为折流板间距Ｆ），相同的安装角α，一般还应要求：螺旋折流板应布置在上方进出口轴线的下方或下方进出口轴线的上方，见图３。
从图３可以看出，在１个螺旋节距Ｈ（波长）长度上等距依次安装４个螺旋折流板，环绕壳程轴线位置的１根与换热管规格相同的中心管，用定距管定位，形成螺旋状。
壳程进出口间距为Ｈ的整数倍加１／２Ｈ，折流板间距Ｆ为１／４Ｈ。
３拉杆及定距管
拉杆直径和数量应按ＧＢ１５１－１９９９《管壳式换热器》的有关规定［２］，但为保证螺旋折流板的稳定，每块螺旋折流板上最少应布置３根拉杆，螺旋折流板的中心安装部位须加工与中心管相配的圆弧缺口，见图４。
根据安装位置的不同，定距管的结构一般分２种，具体结构见图５。
４壳程进口处的防冲结构
在壳程进口处，为保证介质流束均匀，螺旋折流板换热器管束一般采用防冲杆结构，防冲杆直径为Φ１６的钢棒，分２层布置，见图６。
防冲杆的上表面到壳体内壁的距离应大于１／４接管外径，其排列后的防冲面应为接管外径加５０ｍｍ的方形。
５螺旋折流板的设计
螺旋折流板的形状类似扇形，由１个等腰三角形和１个椭圆曲线边的弓形组成，其安装后在壳体横截面上的投影为由１个等腰三角形和１个弓形组成扇形，即１／４圆面，见图７。
当螺旋折流板安装倾角为α时，其椭圆曲线边为１个椭圆的１部分，该椭圆由以与壳体横截面夹角为α的平面切割圆柱体而得到，见图８。
螺旋折流板尺寸可由该椭圆所确定的椭圆方程求得，见图９。
从图９可以看出，螺旋折流板尺寸参数Ａ、Ｒ与其投影图上对应尺寸参数相等。
弦高Ａ的计算公式［３］为：
Ａ＝Ｒｃｏｓ４５°
椭圆长轴的计算公式为：
Ｐ＝Ｒ／ｃｏｓα
椭圆方程为：
Ｚ２／Ｐ２＋Ｙ２／Ｒ２＝１
式中Ｐ—椭圆长半轴长度，ｍｍ；Ｒ—圆柱体半径（即椭圆短半轴长度），ｍｍ；α—螺旋折流板安装倾角。
螺旋折流板椭圆曲线边上任意点（Ｚ１，Ｙ１）的数值可以计算得出。
当Ｙ１＝Ａ时，可以得出此时的Ｚ１值：
则螺旋折流板的弦长Ｃ的计算公式为：
螺旋折流板的边长Ｓ的计算公式为：
螺旋折流板的扇形角β的计算公式为：
β＝２ａｒｃｓｉｎ（Ｃ／２Ｓ）
６结束语
螺旋折流板换热器管束在设计时需采用新结构，与弓形换热器管束相比，具有诸多优点，特别是它能够有效地降低介质流动阻力、增加传热效率和减震等优点，因此具有广阔的应用前景。
参考文献：
［１］潘镇，陈保东，商丽艳．螺旋折流板换热器的研究与进展［Ｊ］．节能技术，２００６，２４（１）：８１－８５．
［２］化工设备标准化委员会．ＧＢ１５１－１９９９管壳式换热器［Ｓ］．北京：中国标准出版社，２００３．
［３］李久生，刘莉．螺旋折流板的结构特点及板片尺寸计算［Ｊ］．石油化工设备，２００６。
