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1、2018/9/13,第七章 管壳式换热器的机械设计,7.1 概述,7.2 管子的选用及其与管板的联接,7.3 管板结构,7.5 温差应力,7.6 管箱与壳程接管,7.4 折流板、支撑板、旁路挡板及拦液板的作用与结构,7.7 管壳式换热器的机械设计举例,2018/9/13,第七章 管壳式换热器的机械设计,本章重点：固定管板式换热器的基本结构及其机械设计本章难点：管、壳的分程及隔板计划学时：8学时,2018/9/13,7.1 概 述,换热器是用来完成各种不同传热过程的设备。换热器质量好坏的衡量标准：1）先进性传热效率高，流体阻力小，材料省；2）合理性可制造加工，成本可接受；3）可靠性强度满足工艺条
2、件。根据不同的目的，换热器可以分为： 1、冷却器（cooler） 1）用空气作介质空冷器（aircooler） 2）用氨、盐水、氟里昂等冷却到020保冷器（deepcooler）,2018/9/13,7.1 概 述,2、冷凝器（condenser） 1）分离器 2）全凝器 3、加热器（一般不发生相变）（heater） 1）预热器（preheater）粘度大的液体，喷雾状不好，预热使其粘度下降； 2）过热器（superheater）加热至饱和温度以上。 4蒸发器(etaporater)发生相变 5再沸器（reboiler） 6废热锅炉（waste heat boiler）,2018/9/13,7
3、.1 概 述,7.1.1 管壳式换热器的结构及其主要零部件,2018/9/13,7.1 概 述,7.1.2 管壳式换热器的分类 1、固定管板式换热器优点：结构简单、紧凑、布管多，管内便于清洗，更换、造价低，应用广泛。管坏时易堵漏。缺点：不易清洗壳程，一般管壳壁温差大于50，设置膨胀节。,2018/9/13,7.1 概 述,适用场合：适用于壳程介质清洁，不易结垢，管程需清洗以及温差不大或温差虽大但是壳程压力不大的场合。,2018/9/13,7.1 概 述,2、浮头式换热器优点：管束可以抽出，便于清洗；缺点：换热器结构较复杂，金属耗量较大。适用场合：适用于介质易结垢的场合。,2018/9/13,7
4、.1 概 述,3、填料函式换热器优点：造价比浮头式低，检修、清洗容易，填料函处泄漏能及时发现；缺点：壳程内介质由外漏的可能，壳程中不宜处理易挥发、易燃、易爆、有毒的介质。适用场合：适用于低压小直径场合。,2018/9/13,7.1 概 述,4、U型管式换热器优点：结构简单，造价低，壳程可清洗，一个管 板，管子可自由伸缩，无温差应力；缺点：管程不能清洗，管板上布管少，结构不紧 凑，管子坏时不易修补。适用场合： 适用于管、壳壁温差较大的场合，尤,其是管内介质清洁不易结垢的高温、高压、腐蚀性较强的场合。,2018/9/13,7.1 概 述,7.1.3 管壳式换热器机械设计内容管壳式换热器的设计： 1
5、、根据化工生产工艺条件的要求，通过化工工艺计算，确定换热器的传热面积，同时选择管径、管长，决定管数、管程数和壳程数； 2、进行机械设计。内容有：1）壳体直径的决定和壳体厚度的计算；2）换热器封头选择，压力容器法兰选择；3）管板尺寸确定；4）折流板的选择与计算；5）管子拉脱力的计算；6）温差应力计算。,2018/9/13,7.2 管子的选用及其与管板的连接,7.2.1 管子的选用 1、直径小直径管子单位传热面积的金属消耗量小，传热系数稍高，但容易结垢，不易清洗，用于较清洁的流体；大直径管子用于粘性大或污浊的流体。 2、规格常采用无缝钢管规格（外径壁厚），长度按规定选用（1500mm、2000mm
6、、2500mm、3000mm、4500mm、5000mm、6000mm、7500mm、9000mm、12000mm）。其长度与公称直径之比，一般为425，常用的为610，立式换热器多为46。,2018/9/13,7.2 管子的选用及其与管板的连接,3、结构型式多用光管，因为结构简单，制造容易；为强化传热，也采用异型管、翅片管、螺纹管等。,2018/9/13,7.2 管子的选用及其与管板的连接,4、材料根据压力、温度、介质的腐蚀性能决定。主要有碳素钢、合金钢、铜、钛、塑料、石墨等。 7.2.2管子与管板的连接 1、胀接 1）过程：最普通的是利用胀管器挤压伸入管板孔中的管子端部，使管端发生塑性变形
7、，管板孔同时产生弹性变形，取去胀管器后，管板与管子产生一定的挤压力，贴在一起达到密封紧固连接的目的。 2）适用范围：换热管为碳素钢，管板为碳素钢或低合金钢，设计压力4Mpa，设计温度300，且无特殊要求的场合。外径d14mm，不适合胀接。,2018/9/13,7.2 管子的选用及其与管板的连接,2018/9/13,7.2 管子的选用及其与管板的连接,3）要求管板硬度大于管子硬度，否则将管端退火后再胀接。胀接时管板上的孔可以是光孔，也可开槽。,2018/9/13,7.2 管子的选用及其与管板的连接,2、焊接优点：在高温高压条件下，焊接连接能保持连接的紧密性，管板加工要求可降低，节省孔的加工工时，
8、工艺较胀接简单，压力较低时可使用较薄的管板。缺点：在焊接接头处产生的热应力可能造成应力腐蚀开裂和疲劳破裂，同时管子、管板间存在间隙，易出现间隙腐蚀。,2018/9/13,7.2 管子的选用及其与管板的连接,结构：主要有4种,2018/9/13,7.2 管子的选用及其与管板的连接,3、胀焊并用前面我们讲了胀接、焊接后，会发现它们各自有优、缺点，因而目前广泛应用了胀焊并用的方法，这种方法能提高连接处的抗疲劳性能，消除应力腐蚀和间隙腐蚀，提高使用寿命。胀焊并用连接形式主要有： 1）先焊后胀：强度焊贴胀高温高压换热器中大多用厚壁管，胀接时要使用润滑油，进入接头后缝隙中会在焊接时生成气体，恶化焊缝质量，
9、只要胀接过程控制得当，先焊后胀可避免这一弊病。,2018/9/13,7.2 管子的选用及其与管板的连接,2）先胀后焊：强度胀密封焊适用于管子与管板材料焊接性能较差的材料，胀接时不用润滑油，可防止产生焊接裂纹。,2018/9/13,7.3 管板结构,7.3.1换热管排列方式 1 正三角形和转角正三角形排列三角形排列紧凑，传热效果好，同一板上管子比正方形多排10%左右，同一体积传热面积更大。适用于壳程介质污垢少，且不需要进行机械清洗的场合。,2018/9/13,7.3 管板结构,正方形和转角正方形排列，管间小桥形成一条直线通道，便于机械清洗。要经常清洗管子外表面上的污垢时，多用正方形排列或转角正方
10、形排列。,2、正方形和转角正方形排列,2018/9/13,7.3 管板结构,3组合排列法多程换热器中。 7.3.2 管间距：管间距指两相邻换热管中心的距离。其值的确定需要考虑以下几个因素： 管板强度； 清洗管子外表面时所需要的空隙； 换热管在管板上的固定方法。一般要求管间距1.25d0，还应符合规定：,2018/9/13,7.3 管板结构,最外层管壁与壳壁之间的最小距离为10mm，主要是为折流板易于加工，不易损坏。7.3.3 换热器管板强度计算的理论依据简介 1、影响固定管板应力大小的因素 管板自身的直径、厚度、材料强度和使用温度等； 管束对管板的支撑作用； 管孔对管板强度和刚度的影响； 管板
11、周边支撑形式的影响； 温度对管板的影响； 其他因素。,2018/9/13,7.3 管板结构,2、管板厚度的设计方法 1）实心园平板模型 将管板当作受均布载荷的实心园板，以按弹性理论得到的圆平板最大弯曲应力为主要依据，并加以适当的修正系数来考虑管板开孔削弱和管束的实际支承作用，由此得到管板厚度的计算公式，偏于安全。 2）弹性基础模型 将管束当作弹性支承，而管板则作为放置于这弹性基础上的圆板，然后根据载荷大小、管束的刚度及周边支承情况来确定管板的弯曲应力。由于它较全面地考虑了管束的支承和温差的影响，因而较精确，但计算公式较多，计算过程繁琐，GB151-1999采用的就是此法。,2018/9/13,
12、7.3 管板结构,3）菱形面积法 取管板上相邻四根管子之间的菱形面积，按弹性理论求此面积在均布压力作用下的最大弯曲应力。由于此方法与管板实际受载情况相差较大，所以尽用于粗略估算。7.3.4 管程的分程及管板与隔板的连接1、分程原因当换热器所需的换热面积较大，而管子做得太长时，就得增大壳体直径，排列较多的管子。此时，为了增加管程流速，提高传热效果，须将管束分程，使流体依次流过各程管子。,2018/9/13,7.3 管板结构,2、分程原则 各程换热管数应大致相等； 相邻程间平均壁温差一般不应超过28； 各程间的密封长度应最短； 分程隔板的形状应简单。 3、分程隔板,分为单层和双层两种。双层隔板具有
13、隔热空间，可防止热流短路。,2018/9/13,7.3 管板结构,7.3.4 管板与壳体的连接结构 1、不可拆的焊接式（应用于固定管板式换热器管板与壳体的连接） （图7-21）兼做法兰 ；（图7-22）不兼做法兰,2018/9/13,7.3 管板结构,2018/9/13,7.3 管板结构,2、可拆式浮头式、U型管式及填料函式换热器固定端管板与壳体的连接（图7-23）,2018/9/13,7.4 折流板、支撑板、旁路挡板及拦液板的作用于结构,7.4.1 折流板及支承板1、作用提高壳程内流体的流速；加强湍流强度；提高传热效率；支撑换热管。 （当工艺上无折流板要求而管子较细长时，应考虑有一定数量的支
14、承板，以便安装和防止管子变形；支撑板的尺寸、形状可与折流板相同。）2、结构折流板和支撑板的常用形式有弓形、圆盘圆环形和带扇形切口三种。,2018/9/13,7.4 折流板、支撑板、旁路挡板及拦液板的作用于结构,3、尺寸 厚度与壳体直径和折流板间距有关；折流板最小厚度按表76选取。 弓形折流板间距：最小间距max0.2Di，50mm 最大间距：按表77规定选取，且Di。 间隙：折流板外径与壳体之间的间隙要适当，因为过小给安装带来困难，过大又影响传效率，详见表78。,2018/9/13,7.4 折流板、支撑板、旁路挡板及拦液板的作用于结构,2018/9/13,7.4 折流板、支撑板、旁路挡板及拦液
15、板的作用于结构,2018/9/13,7.4 折流板、支撑板、旁路挡板及拦液板的作用于结构,2018/9/13,7.4 折流板、支撑板、旁路挡板及拦液板的作用于结构,4、折流板的固定 1）拉杆定距管结构（适用于换热管外径19mm的管束）折流板和支承板的固定是通过拉杆和定距管来实现的，如图727。,2018/9/13,7.4 折流板、支撑板、旁路挡板及拦液板的作用于结构,2）拉杆点焊结构，适用于换热管外径14mm的管束。拉杆的数量不少于四根，直径不小于10mm。应尽量布置在管束的外边缘，对于大直径换热器，在布管区或靠近折流板缺口处也应布置适当数量的拉杆。7.4.2 旁路挡板 1、作用阻止流体短路，
16、迫使壳体流体通过管束进行热交换 2、结构及安装加工成规则的长条状，长度等于折流板或支承板的板间距，两端焊在折流板或支承板上。,2018/9/13,7.4 折流板、支撑板、旁路挡板及拦液板的作用于结构,2018/9/13,7.4 折流板、支撑板、旁路挡板及拦液板的作用于结构,7.4.3 拦液板作用：立式冷凝器中起到截拦液膜作用。在立式冷凝器中为减薄管壁上的液膜而提高传热膜系数。,2018/9/13,7.5 温差应力,7.5.1 管壁与壳壁温度差引起的温差应力 1、温差应力产生的原因如图所示,固定管板式换热器的壳体与管子,在安装温度下,它们的长度均为L(图a);当操作时(图b),壳体和管子的温度都升高,若管壁温度高于壳壁温度,则管子自由伸长量t和壳体自由伸长量s分别为：,2018/9/13,7.5 温差应力,式中 t，s分别为管子和壳体材料的温度膨胀系数，1/；t0安装时的温度， tt ，ts分别为操作状态下管壁温度和壳壁温度，;由于管子与壳体是刚性连接，所以管子和壳体的实际伸长量必须相等，见图c，因此就出现壳体被拉伸，产生拉应力；管子被压缩，产生压应力。此拉、压应力就是温差应力。这就是温差应力产生的原因。,
