《管壳式换热器》课件

管壳式换热器本课程介绍管壳式换热器的结构、原理和应用教学目标掌握换热器设计计算、故障诊断和优化方法换热器基础知识换热器定义能量传递原理换热器分类利用热流体与冷流体间热量传递的设备通过传导、对流和辐射实现热量交换按结构管壳式、板式、螺旋板式等按流动方式并流、逆流、错流管壳式换热器简介发展历史应用领域工业重要性世纪开始应用，世纪中期规范石油化工、电力、食品加工等工业工业生产热能回收和利用的关键设1920化备管壳式换热器的基本组成管程壳程内部管道系统，通常由数百根小围绕管束的外壳空间管组成通常为低压流体管内通常为腐蚀性或高压流体管束和隔板管束为热交换核心部件隔板改变流体流向增强换热管壳式换热器的工作原理热流体进入高温流体进入管程或壳程热交换过程通过管壁传递热量冷流体升温低温流体吸收热量后温度升高温度梯度变化流体沿程温度逐渐变化管壳式换热器的主要结构类型单程与多程固定管板式按管内流体流动次数分类最简单常见的结构12多程可提高换热效率管板与壳体固定连接型管式浮头式U管弯曲成形43一端管板可自由移动U消除热应力适应热膨胀变形固定管板式结构详解结构特点局限性应用场景两端管板与壳体固定连接难以应对热膨胀温差小的工况结构简单，成本低不适合温差大的场合管壳侧流体温度接近浮头式结构详解基本构造1一端管板可自由移动通过浮头密封结构实现密封主要优点2适应热膨胀变形减少热应力问题应用场景3温差大的工况需要频繁清洗维护型管式结构详解U1180°形设计弯曲角度U可自由膨胀收缩标准型管弯曲角度U倍2-3弯曲半径一般为管直径的倍2-3主要部件壳体—设计压力壳体需耐受内部压力材料要求耐高温、抗腐蚀制造标准符合压力容器规范制造工艺卷板焊接、封头冲压主要部件管板—结构设计需考虑受力与温度膨胀密封要求管孔与换热管紧密结合加工工艺钻孔、扩孔、胀接或焊接主要部件换热管—材质种类特点适用环境碳钢成本低非腐蚀性介质不锈钢耐腐蚀化工、食品铜合金导热性好民用冷却设备钛合金高耐腐蚀海水、强酸主要部件折流板—增强流体湍动改变流向，打破边界层支撑换热管防止管束振动和变形常见形式单段式、双段式、盘环式主要部件封头与法兰—封头种类半球形、椭圆形、平板式法兰连接确保可靠密封和拆装便利管壳式换热器的工作流程热流体进入热量交换1从进口管道进入管程或壳程穿过管壁进行热传递介质排出冷流体升温完成热交换后离开换热器在另一侧流道吸收热量换热效率影响因素管壳式换热器的优缺点优点缺点换热面积大体积较大••承压能力强金属消耗多••适应性广存在污垢问题••结构标准化存在死区••维护便捷效率有限••应用领域举例石油化工电力行业食品制药催化裂化过程中回收热量汽轮机排汽冷凝杀菌冷却产品冷却与预热给水预热精确温度控制设计参数介绍1热负荷需要传递的热量，单位kW2流量冷热流体的质量流量，kg/s3温度进出口温度及允许温差4压力工作压力和允许压降管壳式换热器类型选择工况条件推荐机型选择理由温差小固定管板式结构简单经济温差大浮头式型管适应热膨胀/U高压侧管程布置壳体设计压力较低污垢严重可拆卸型便于清洗基础热力计算热量守恒公式热传递基本公式Q=m1c1t1-t1=m2c2t2-Q=KA△tmt2传热系数，面积，K A热负荷，质量流量，平均温差Q mc△tm比热对数平均温差△tm=[t1-t2-t1-t2]/ln[t1-t2/t1-t2]热传递系数计算综合换热系数垢K=1/1/α1+δ/λ+1/α2+R对流换热系数与流体流态、物性相关传导热阻管壁厚度与材料导热系数垢层热阻内外壁污垢沉积阻力管内壳程传热系数/压力损失分析管程压损摩擦阻力局部阻力+进出口损失截面突变造成能量损失壳程压损折流板引起流向改变压损平衡合理折中传热与压降强化换热措施表面强化螺纹、鳍片、波纹管增大面积流态优化扰流装置促进湍流折流板改进螺旋、花瓣型折流板流程改进多程组合提高温差利用率管壳式换热器设计流程需求分析确定工艺条件流量、温度、压力确定介质物性初步设计传热系数估算换热面积计算型号初选结构设计管束布置折流板设计强度校核详细计算与优化传热校核压降校核结构优化管束结构设计折流板设计参数单段式设计双段式设计间距参数简单经济压降较低一般为壳体内径的1/5-1/12适用普通场合适用低压高流量场合影响流速与传热效率管壳结构设计壳径计算1根据管束直径和壳程流通面积确定壳厚设计2依据压力容器设计规范计算进出口设计3考虑流体均布，避免死区支撑结构4保证设备稳固安装典型结构案例展示图石化行业多壳程换热器组1图电厂机组冷却系统2600MW图特大型浮头式换热器现场安装3换热器选型案例分析500kW热负荷需换热量150m²换热面积计算所需面积

1.6MPa设计压力壳程最高工作压力180°C设计温度最高工作温度换热器制造工艺部件加工材料准备管板钻孔、卷制壳体下料、坡口加工焊接组装各部件焊接成型检测试验胀管连接压力试验、无损检测换热管与管板连接换热器组装工艺细节机械胀接焊接连接采用胀管器扩张管端管端与管板焊接适用普通工况密封性好便于拆卸维修适用高温高压场合复合连接先胀接再封焊结合两种方式优点广泛应用于重要设备检验与质量控制射线检测渗透检测压力试验检查焊缝内部缺陷发现表面微小裂纹验证整体密封性能材质检验确保材料符合规格换热器运行维护日常巡检数据监控压力温度监测温度压力趋势分析••泄漏检查效率计算••外观检查阻力变化监测••振动噪声监测能效评估••支架紧固检查异常报警••清洗与防垢技术1物理清洗机械冲刷、高压水射、弹丸清洗2化学清洗酸洗、碱洗、溶剂清洗3防垢技术水处理、缓蚀剂添加4在线清洗刷球、微泡、超声波技术换热器常见故障类型泄漏原因分析与措施泄漏检测压力试验、氦检、气泡法原因分析材料选择不当、热应力、腐蚀穿孔修复方法焊补、换管、密封改进预防措施选材优化、结构改进、防腐堵塞与结垢问题解决常见垢类机械清洗化学清洗水垢、油垢、聚合物垢可拆卸结构现场清洗酸洗去除无机垢生物粘泥高压水射、弹丸清洗有机溶剂去除油垢腐蚀故障案例腐蚀类型识别1点蚀、应力腐蚀、电化学腐蚀原因分析介质特性、流速、温度、应力解决方案材质升级、添加缓蚀剂、阴极保护换热器节能优化措施流向优化多程组合合理布置进出口提高温差平均利用率避免短路和死区减少不可逆损失定期维护流速控制防垢清洁维持最佳流速范围保持高效传热状态平衡传热与压降新型换热管技术螺纹管波纹管复合管表面螺旋凹槽增强湍流表面波纹破坏边界层双层材质结合优势传热系数提高提高换热效率以上兼顾导热性与耐腐蚀性30-50%40%材料新进展材料类型特点适用场合双相不锈钢耐点蚀、高强度海水环境镍基合金耐高温、耐腐蚀强酸环境钛合金超高耐腐蚀氯化物环境碳复合材料轻量、高强度移动设备智能监控与数字化运维传感器网络温度压力流量多点监测数据采集实时数据收集与存储分析处理趋势分析与效率评估智能诊断AI预测性维护与故障报警管壳式换热器未来发展方向紧凑化更小体积、更高效率模块化标准模块组合灵活应用智能化自我诊断与优化能力绿色环保低能耗材料与制造工艺相关设计与应用标准标准标准TEMA ASME美国管壳式换热器制造商协会标美国机械工程师学会标准准规定压力容器设计制造要求规定换热器结构型式与制造要求GB/T151中国管壳式换热器国家标准规定结构设计计算与检验方法工程实例分析1实施效果技术方案换热效率提升38%项目背景采用高效螺纹管替代光管年节约能源成本万元120石化厂蒸馏塔底产品冷却器改造优化折流板布置原设备传热效率低、压降大工程实例分析2600MW15%机组容量效率提升大型电厂凝汽器改造后效率提升吨2000标煤节约年节约标准煤课堂思考与讨论题结构选择效率优化行业应用发展趋势如何为特定工况选择提高热交换效率的创不同行业换热器设计未来换热器技术发展最佳换热器结构？新方法？特点与挑战？方向与突破点？总结与答疑核心收获掌握换热器设计计算方法实践能力具备换热器选型与故障诊断能力知识体系建立换热器系统知识框架。