U形管换热器的整体结构设计

1 U形管换热器的整体结构设计

第1章 绪论

管壳式换热器(shell and tube heat exchanger)又称列管式换热器。是以封闭在壳体中管束的壁面作为传热面的间壁式换热器。这种换热器结构较简单，操作可靠，可用各种结构材料（主要是金属材料）制造，能在高温、高压下使用，是目前应用最广的类型。

1.1 概述

换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，又称热交换器[1]。换热器的应用广泛，日常生活中取暖用的暖气散热片、汽轮机装置中的凝汽器和航天火箭上的油冷却器等，都是换热器。它还广泛应用于化工、石油、动力和原子能等工业部门。在炼油、化工装置中换热器占总设备数量的40%左右，占总投资的30%～45%。它的主要功能是保证工艺过程对介质所要求的特定温度，同时也是提高能源利用率的主要设备之一。换热器既可是一种单独的设备，如加热器、冷却器和凝汽器等；也可是某一工艺设备的组成部分，如氨合成塔内的热交换器。由于制造工艺和科学水平的限制，早期的换热器只能采用简单的结构，而且传热面积小、体积大和笨重，如蛇管式换热器等。随着制造工艺的发展，逐步形成一种管壳式换热器，它不仅单位体积具有较大的传热面积，而且传热效果也较好，长期以来在工业生产中成为一种典型的换热器。管壳式换热器按用途分为无相变传热的换热器和有相变传热的冷凝器和重沸器；按结构可分为固定管板、U形管、浮头式三种形式，而固定管板式换热器最为常见。

国内各研究机构、高等院校对传热理论及高效换热器的研究一直非常重视，走过了从引进、消化、吸收、发展到自主开发的历程。二十世纪20年代出现板式换热器，并应用于食品工业。以板代管制成的换热器，结构紧凑，传热效果好，因此陆续发展为多种形式。30年代初，瑞典首次制成螺旋板换热器。接着英国用钎焊法制造出一种由铜及其合金材料制成的板翅式换热

2 器，用于飞机发动机的散热。30年代末，瑞典又制造出第一台板壳式换热器，用于纸浆工厂。在此期间，为了解决强腐蚀性介质的换热问题，人们对新型材料制成的换热器开始注意。50～60年代的照搬发展到70年代消化和吸收，进入80年代以来国内又出现了自主开发传热技术的新趋势，大量的强化传热元件被推向市场，形成第一次开发浪潮。到90年代中期，大量的强化传热技术应用于工业装置中，带来了良好的社会效益和经济效益。国内80年代传热技术高潮时期的代表杰作有折流杆换热器、新结构高效换热器、高效重沸器 、高效冷凝器、双壳程换热器、管壳式换热器、表面蒸发式空冷器等一批优良的高效换热器。当前换热器发展的基本趋势是：继续提高设备的传热效率，促进设备结构的紧凑性，加强生产制造的标准系列化和专业化，并在广泛的范围内继续向大型化的方向发展，模型化技术、强化传热技术及新型换热器开发等形成一个高技术体系。

一般来说，管壳式换热器制造容易、生产成本低、选材范围广、清洗方便、适应性强、处理量大、工作可靠、且能适应高温高压。虽然它在结构紧凑性、传热强度和单位金属消耗量方面无法与板翅式换热器相比，但它由于前述的一些优点，因而在化工、石油、能源等行业的应用中仍处于主导地位。在换热器向高温、高压、大型化发展的今天，随着新型高效传热管不断出现，使得管壳式换热器的应用范围得以扩大，更增添了管壳式换热器的新的生命力。

国外换热器市场管壳式换热器占64％。虽然各种板式换热器的竞争力在上升，但管壳式换热器仍将占主导地位。随着动力、石油化工工业的发展，其设备也继续向着高温、高压、大型化方向发展。

而换热器在结构方面也有不少新的发展。现就几种新型换热器的特点简介如下：

一、气动喷涂翅片管换热器俄罗斯提出了一种先进方法，即气动喷涂法，来提高翅片表面的性能。其实质是采用高速的冷的或稍微加温的含微粒的流体给翅片表面喷镀粉末粒子。用该方法不仅可喷涂金属，还能喷涂合金和陶瓷（金属陶瓷混合物），从而得到各种不同性能的表面。

通常在实践中翅片底面接触阻力是限制管子加装翅片的因素之一。

3 为了评估翅片底面接触阻力对翅片效率的影响，特对气动喷涂翅片管换热器元件进行了试验研究。试验证明，气动喷涂翅片的底面的接触阻力对效率无实质性影响。

因而气动喷涂法不但可用于成型，还可用来将按普通方法制造的翅片固定在换热器管子的表面上，也可用来对普通翅片的底面进行补充加固。可以预计，气动喷涂法在紧凑高效换热器的生产中，将会得到广泛应用。

二、螺旋折流板换热器

在管壳式换热器中，壳程通常是一个薄弱环节。通常普通的弓形折流板能造成曲折的流道系统（Z字形流道），这样会导致较大的死角和相对高的返混。

为此，美国提出了一种新方案，即建议采用螺旋状折流板。这种设计的先进性已为流体动力学研究和传热试验结果所证实，此设计已获得专利权。此种结构克服了普通折流板的主要缺点。

螺旋折流板的设计原理很简单：将圆截面的特制板安装在“拟螺旋折流系统”中，每块折流板占换热器壳程中横剖面的四分之一，其倾角朝向换热器的轴线，即与换热器轴线保持一定倾斜度。相邻折流板的周边相接，与外圆处成连续螺旋状。折流板的轴向重叠，如欲缩小支持管子的跨度，也可得到双螺旋设计。

螺旋折流板结构可满足相对宽的工艺条件。此种设计具有很大的灵活性，可针对不同操作条件，选取最佳的螺旋角；可分别情况选用重叠折流板或是双螺旋折流板结构。

三、新型麻花管换热器

瑞典Alares公司开发了一种扁管换热器，通常称为麻花管换热器。

美国休斯顿的布朗公司做了改进。螺旋扁管的制造过程包括了“压扁”与“热扭”两个工序。改进后的麻花管换热器同传统的管壳式换热器一样简单，但有许多激动人心的进步，它获得了如下的技术经济效益：改进了传热，减少了结垢，真正的逆流，降低了成本，无振动，节省了空间，无折流元件。

该换热器严格按照ASME标准制造。凡是用管壳式换热器和传统装置之处均可用此种换热器取代。

4 1.2 管程式换热器结构

由壳体、传热管束、管板、折流板（挡板）和管箱等部件组成。壳体多为圆筒形，内部装有管束，管束两端固定在管板上。进行换热的冷热两种流体，一种在管内流动，称为管程流体；另一种在管外流动，称为壳程流体。为提高管外流体的传热分系数，通常在壳体内安装若干挡板[2]。挡板可提高壳程流体速度，迫使流体按规定路程多次横向通过管束，增强流体湍流程度。换热管在管板上可按等边三角形或正方形排列。等边三角形排列较紧凑，管外流体湍动程度高，传热分系数大；正方形排列则管外清洗方便，适用于易结垢的流体。

流体每通过管束一次称为一个管程；每通过壳体一次称为一个壳程，为最简单的单壳程单管程换热器。为提高管内流体速度,可在两端管箱内设置隔板，将全部管子均分成若干组。这样流体每次只通过部分管子，因而在管束中往返多次，这称为多管程。同样，为提高管外流速，也可在壳体内安装纵向挡板，迫使流体多次通过壳体空间，称为多壳程。多管程与多壳程可配合应用。

1.2.1 分类及特点

由于管内外流体的温度不同，因之换热器的壳体与管束的温度也不同。如果两温度相差很大，换热器内将产生很大热应力，导致管子弯曲、断裂，或从管板上拉脱。因此，当管束与壳体温度差超过50℃时，需采取适当补偿措施，以消除或减少热应力[3]。根据所采用的补偿措施，管壳式换热器可分为以下几种主要类型：

（1）固定管板式换热器是将两端管板直接与壳体焊接在一起[4]。主要由外壳、管板、管束、封头等主要部件组成。壳体中设置有管束,管束两端采用焊接、胀接或胀焊并有的方法将管子固定在管板上,管板外周围和封头法兰用螺栓紧固。固定管板式换热器的结构简单、造价低廉、制造容易、管程清洗检修方便,但壳程清洗困难,管束制造后有温差应力存在。当换热管与壳体有较大温差时,壳体上还应设有膨胀节。

5 图1-1 固定管板式换热器

（2）浮头式换热器一端管板固定在壳体与管箱之间,另一端管板可以在壳体内自由移动,也就是壳体和管束热膨胀可自由。故管束和壳体之间没有温差应力。一般浮头可拆卸,管束可以自由地抽出和装入。浮头式换热器的这种结构可以用在管束和壳体有较大温差的工况。管束和壳体的清洗和检修较为方便,但它的结构相对比较复杂,对密封的要求也比较高。

图1-2 浮头式换热器

（3）U形管式换热器是将换热管炜成U形,两端固定在同一管板上。由于壳体和换热管分开,换热管束可以自由伸缩,不会由于介质的温差而产生温差应力。U形管换热器只有一块管板,没有浮头,结构比较简单。管束可以自由的抽出和装入,方便清洗,具有浮头式换热器的优点,但由于换热管做成半径不等的U形弯,最外层换热管损坏后可以更换外,其它管子损坏只能堵管。同时,它与固定管板式换热器相比,由于换热管受弯曲半径的限制它的管束中心部分存在空隙,流体

6 很容易走短路,影响了传热效果

图1-3 U形管式换热器

（4) 釜式重沸器 壳程体积大，除保持液体淹没管束外，在壳体液面上还留有作为汽液分离用的一定空间。液面的高度由所设的挡板(溢流堰)维持。管束有浮头式和U形管式。此种重沸器热源定管程，被加热介质走壳程。

图1-4 釜式重沸器

（5）填料函式换热器将密封软填料(或称盘根)填入填料函而实现壳体与浮头或滑动管板密封的管壳式换热器，也称外浮头式换热器[5]。一般不适用于易挥发、易燃、易爆、有毒及贵重介质的换热。 对于化工生产中强腐蚀性流体的换热，需采用陶瓷、玻璃、聚四氟乙烯、石墨等非金属材料制作管壳式换热器。

7 这类换热器的换热性能较差，只用于压力低、振动小、温度较低的场合。

图1-5 填料函式换热器

1.3 流道选择

进行换热的冷热两流体，按以下原则选择流道：

(1)不洁净和易结垢流体宜走管程，因管内清洗较方便；

(2)腐蚀性流体宜走管程，以免管束与壳体同时受腐蚀；

(3)压力高的流体宜走管程，以免壳体承受压力；

(4)饱和蒸汽宜走壳程，因蒸汽冷凝传热分系数与流速无关,且冷凝液容易排出；

(5)若两流体温度差较大,选用固定管板式换热器时，宜使传热分系数大的流体走壳程，以减小热应力。 管壳式换热器选型时，需要考虑的因素有很多，主要是流体的性质;压力、温度以及允许压力降的范围、对清洗、维修的要求；材料价格；使用寿命等[6]。

1.4 材料选择

材料选择 选择压力容器用材的时候必须考虑设备的操作条件（如设计压力、设计温度、介质的特性）、材料的焊接性能、冷热加工性能、热处理以及容器的结构等。 钢材的使用温度上限为本章各许用应力表中各钢号所对应的上

8 限温度。碳素钢和碳锰钢在高于温度425℃下长期使用时，应考虑钢中碳化物相的石墨化倾向。奥氏体钢的使用温度高于525℃时，钢中含碳量应不小于0.04%。钢材的使用温度下限，除奥氏体钢及本章有关条文另行规定者外，均为高于-20℃。钢材的使用温度低于或等于-20℃时，应按标准的规定进行选择。奥氏体钢的使用温度高于或等于-196℃时，可免做冲击试验。当对钢材有特殊要求时如要求特殊冶炼方法较高的冲击功指标附加保证高温屈服强度提高无损检测要求增加力学性能检验率等设计单位应在图样或相应技术文件中注明。 选择压力容器用材时必须满足上述条件，考虑经济合理性。一般情况下，下列规定是经济合理的。