常见管壳式换热器的型式与结构介绍


管壳式换热器是把管子与管板连接,再用壳体固定。它的型式大致分为固定管板式、釜式浮头式、U型管式、滑动管板式、填料函式及套管式等几种。根据介质的种类、压力、温度、污垢和其他条件,管板与壳体的连接的各种结构型式特点,传热管的形状与传热条件,造价,维修检查方便等情况来选择设计制造各种管壳式换热器。

1.固定管板式换热器

固定管板换热器的两端管板,采用焊接方法与壳体连接固定,如图1和图2所示。这种换热器结构简单;在相同的壳体直径内,排管最多,比较紧凑;在有折流板的壳侧流动中,管程可以分成任一偶数程数。由于两个管板被换热管互相支撑,与其他管壳式换热器相比,管板最薄,不仅造价低而且每根管子内侧都能进行清洗。但壳侧清洗较难,不能进行机械清洗,所以宜用于不易结垢和清洁的流体。当管束和壳体之间的温差太大而产生不同的热膨胀时,常会使管子与管板的接口脱开,从而发生介质泄漏。为此常在外壳上焊一膨胀节,但它仅能减小而不能完全消除由于温差而产生的热应力,且在多程换热器中,这种方法不能照顾到管子的相对移动。由此可见,这种换热器比较适合用于温差不大或温差较大但壳程压力不高以及壳程结垢不严重或能用化学清洗的场合。由于此类换热器集中了管壳式换热器的优点,因此应用相当广泛。

图1  固定管板换热器(BJM)

1一防冲板;2一拉杆;3一单弓形折流板;4一分流割板;

5一旁路挡板;6一带法兰管板;7一传热管

图2  BEM立式固定管板式换热器

2.浮头式换热器

浮头式换热器如图3所示。浮头式换热器针对固定管板式换热器的缺陷在结构上做了改进,两端管板只有一端管板与壳体固定,而另一端的管板可以在壳体内自由移动,该端称为浮头。这类换热器壳体和管束对热膨胀是自由的,故当两种介质温差较大时,管束与壳体之间不产生温差应力。浮头端设计成可拆结构,使管束可以容易地插入或抽出(也有设计成不可拆的),这样为检修、清洗提供了方便。但结构较复杂,而且浮头端小盖在操作时无法知道泄漏情况,所以在安装时要特别注意其密封。
浮头式换热器适用于管壳壁间温差较大,或易于腐蚀和易于结垢的场合。但这类换热器结构复杂,笨重,造价约比固定管板式高20%左右,材料消耗量大。管束和壳体的间隙较大,故流体易走短路而影响传热效果,在设计时要尽量避免这一短路。至于壳程的压力也受到滑动接触面的密封限制。

图3  AES、BES浮头式换热器

3.U型管式换热器

U型管式换热器如图4和图5所示,U型管式换热器仅有一块管板。它是将管子弯成U型,管子两端固定在同一块管板上。由于壳体和管子分开,管束可以自由伸缩,不会因管壁、壳壁之间的温度差而产生热应力,热补偿性能好。管程为双管程,流程较长,流速较高,传热性能好,承压能力强。因U型管式换热器仅有一块管板,且无浮头,所以结构简单,造价比其他换热器便宜,管束可以从壳体内抽出,管外便于清洗,但管内清洗困难,所以管内的流体必须是清洁及不易结垢的物料。由于传热管的结构型式关系,管子的更换除外侧管了外,内部管子大部分不可能更换,管束中心部分存在间隙,所以流体易走短路,影响传热效果,故通常在此处设有假管或中间挡板(见图4)以减少这一流动死区。而且管板上排列的管子较少,结构不紧凑。U型管的弯管部分曲率不同,管子长度不一,因而物料分布不如固定管板式换热器均匀。管子因渗漏而堵死后,将造成传热面积的损失。

图4  BIU U型管式换热器

图5  双売程U型管式换热器(AFU)

1一盘环形折流板环板;2一盘环形折流板盘板;3一纵向隔板;

4一换热管;5一管箱;6-分程隔板;7一定距管;8一拉杆

U型管式换热器,一般使用于高温高压的情况下。尤其使用在压力较高的情况下,在弯管段壁厚要加厚,以弥补弯管后管壁的减薄。
如壳程需要经常清洗的管束,则要求采用正方形排列,一般情况下都按三角形排列,管程为偶数。
完程内可按工艺要求设置纵向隔板组成双壳程换热器,以增加壳侧介质流速(图5),提高换热设备的传热效果。纵向隔板安装在平行于传热管方向(纵向隔板按工艺要求决定)。

4.填料函式换热器

对于一些腐蚀严重,温差较大而经常要更换管束的冷却器,采用填料函式换热器要比浮头式或固定式换热器优越得多。它具有浮头式换热器的优点,又克服了固定式换热器的缺点,结构较浮头简单,制造方便,易于检修清洗。
填料函式换热器的管板也仅有一端与壳体固定,另一端采用填料函密封,如图6所示,它的管束也可以自由膨胀,所以也不需考虑由于管壁、壳壁温度差引起的热应力,且管程和壳程都能清洗,加工制造较浮头方便,且造价较低。但由于填料密封处易于泄漏,故壳程压力不能过高,也不易用于壳程内为易挥发、易燃、易爆和有毒介质的场合。
目前所使用的填料函式换热器都较小,使用在直径700mm以下,大直径填料函式换热器采用得很少,尤其在操作压力及温度较高的条件下就更少。

图6  AFP填料函双壳程换热器

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