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1、上一内容下一内容回主目录2024/7/23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上一内容下一内容回主目录2024/7/23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：6学时上一内容下一内容回主目录2024/7/237.1 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
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）上一内容下一内容回主目录2024/7/23空气冷却器空气冷却器上一内容下一内容回主目录2024/7/23电厂空冷塔上一内容下一内容回主目录低温热管换热器2024/7/23上一内容下一内容回主目录空调全热回收器2024/7/23上一内容下一内容回主目录2024/7/23LNG空气汽化器上一内容下一内容回主目录2024/7/237.1 概 述2、冷凝器（condense
3、r）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(evaporater)发生相变5再沸器（reboiler）6余热锅炉（waste heat boiler）上一内容下一内容回主目录2024/7/23冷凝器上一内容下一内容回主目录再沸器2024/7/23上一内容下一内容回主目录2024/7/23余热锅炉余热锅炉上一内容下一内容回主目录2024/7/23上一内容下一内容回主目录2024/7/23上一内容下一内容回主目录板式换热器2024
4、/7/23上一内容下一内容回主目录2024/7/237.1 概 述7.1.1 管壳式换热器的结构及其主要零部件上一内容下一内容回主目录2024/7/23上一内容下一内容回主目录2024/7/237.1 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：不易清洗壳程和管外，一般管壳壁温差大于50，设置膨胀节。上一内容下一内容回主目录2024/7/237.1 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。上一内容下一内容回主目录2024/7/23
5、7.1 概 述2、浮头式换热器 优点：不产生温差应力，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，浮头处发生内漏时不便检查，管束与壳体间隙较大，影响传热。 适用场合：适用于介质易结垢的场合。上一内容下一内容回主目录2024/7/237.1 概 述3、填函式换热器 优点：管束一端可自由膨胀，造价比浮头式低，检修、清洗容易，填函处泄漏能及时发现； 缺点：壳程内介质有外漏的可能，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。上一内容下一内容回主目录2024/7/237.1 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
6、可自由伸缩，无温差应力； 缺点：管内不便清洗，管板上布管少，结构不紧凑，管子坏时不易修补。管外介质易短路，影响传热； 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。上一内容下一内容回主目录2024/7/237.1 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、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）壳体直径的确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；
7、 5）管子拉脱力的计算； 6）温差应力计算。上一内容下一内容回主目录2024/7/237.2 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），规格如表71所示，管束长度按规定选用（1500mm、2000mm、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。上一内容下一内容回主目录2
8、024/7/237.2 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。上一内容下一内容回主目录2024/7/23上一内容下一内容回主目录2024/7/23上一内容下一内容回主目录2024/7/237.2 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，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
9、。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。上一内容下一内容回主目录2024/7/237.2 管子的选用及其与管板的连接上一内容下一内容回主目录2024/7/237.2 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。上一内容下一内容回主目录2024/7/237.2 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，工艺较胀接简单，压力较低时可使用较薄的管
10、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。上一内容下一内容回主目录2024/7/237.2 管子的选用及其与管板的连接 结构：主要有4种不开坡口强度差60度坡口结构好，使用多管子不突出管板，焊接质量不易保证，可避免管板积水在孔四周开沟槽，可有效减少焊接应力，焊接变形小上一内容下一内容回主目录2024/7/237.2 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
11、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，只要胀接过程控制得当，先焊后胀可避免这一弊病。上一内容下一内容回主目录2024/7/237.2 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。上一内容下一内容回主目录2024/7/237.3 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
12、械清洗的场合。上一内容下一内容回主目录2024/7/237.3 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形排列。2、正方形和转角正方形排列上一内容下一内容回主目录2024/7/237.3 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：上一内容下一内容回主目录2024/7/237.3 管板结构 最外层管壁与壳壁之间的最
13、小距离为10mm，主要是因为折流板易于加工，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； 管板周边支撑形式的影响； 温度对管板的影响； 其他因素。上一内容下一内容回主目录2024/7/237.3 管板结构2、管板厚度的设计方法1）实心圆平板模型 将管板当作受均布载荷的实心圆板，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
14、，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。上一内容下一内容回主目录2024/7/237.3 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，所以仅用于粗略估算。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
15、速，提高传热效果，须将管束分程，使流体依次流过各程管子。管程数一般有1，2，4，6，8，10，12等7种，具体布置如表76所示。上一内容下一内容回主目录2024/7/237.3 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、分程隔板分程隔板分为单层和双层两种。双层隔板具有隔热空间，可防止热流短路。上一内容下一内容回主目录2024/7/237.3 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7-20）兼做法兰 ；（图7-21）不兼做法兰图7-21
16、上一内容下一内容回主目录2024/7/237.3 管板结构图7-20上一内容下一内容回主目录2024/7/237.3 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）图7-22上一内容下一内容回主目录2024/7/23上一内容下一内容回主目录2024/7/237.4 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
17、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。上一内容下一内容回主目录2024/7/237.4 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77选取。弓形折流板间距：最小间距max0.2Di，50mm 最大间距：按表78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79。图7-25上一内容下一内容回主目录2024/7/237.4 折流板、支撑板、旁路挡板及拦液板的作用于结构表77上一内容下一内容回主目录2024/7/237.4 折流板、支撑板、旁路挡板及拦液板的作用于结
18、构表78上一内容下一内容回主目录2024/7/237.4 折流板、支撑板、旁路挡板及拦液板的作用于结构表79上一内容下一内容回主目录2024/7/237.4 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726。拉杆直径与数量见表710.图7-26上一内容下一内容回主目录2024/7/237.4 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
19、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，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。上一内容下一内容回主目录2024/7/237.4 折流板、支撑板、旁路挡板及拦液板的作用于结构图7-27上一内容下一内容回主目录2024/7/237.4 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。图7-28上一内容下一内容回主目录2024/7/237.5 温差应力7.5.1 管壁
20、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：图7-29上一内容下一内容回主目录2024/7/237.5 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
21、应力产生的原因。上一内容下一内容回主目录2024/7/237.5 温差应力2、温差应力的计算（1）温差轴向力F 由于温差而使壳体被拉长的总拉伸力应等于所有管子被压缩的总压缩力，总拉伸力(或总压缩力)就是温差轴向力。符号规定F为+，表示壳体被拉，管子被压；反之则反之。由虎克定律可知： 管子被压缩的量为： 壳体被拉伸的量为：上一内容下一内容回主目录2024/7/237.5 温差应力（2）温差应力 在管子及壳体中的温差应力为：Et，Es：分别为管子和壳体材料的弹性模量，MPaAt：表示换热管的总截面积，mm2As：表示壳壁的横截面面积，mm2上一内容下一内容回主目录2024/7/237.5 温差应力
22、7.5.2 管子拉脱力的计算1、产生原因1）原因：由于介质压力与温差应力的联合作用，使管 子和管板接头处产生拉脱力，使管子与管板 有分离趋势。2）拉脱力：管子每平方米胀接周边上所受到的力（单 位Mpa）。3）破坏性：对于焊接接头，拉脱力不足以引起接头的 破坏。对于胀接接头，拉脱力则可能引起 接头处密封性的破坏或使管子松动。上一内容下一内容回主目录2024/7/237.5 温差应力2、计算1）操作压力下，每平方米胀接周边所受到的力qp为：式中 p设计压力，取管程压力pt和壳程压力ps二者中 较大值，Mpa； do管子外径，mm； l管子胀接长度，mm； f每四根管子之间的面积，mm2。具体见图7
23、-30上一内容下一内容回主目录2024/7/237.5 温差应力2）在温差应力作用下，管子每平方米胀接周边所产生的力qt为：3 管子拉脱力 由温差产生的管子周边力与压力产生的管子周边力可能是作用再同一方向的，也由可能是作用再向反方向的。若两者作用于管子周边力方向相同，管子的拉脱力为qpqt；反之，管子拉脱力为|qtqp|，方向同qp和qt两者中较大者。上一内容下一内容回主目录2024/7/237.5 温差应力4 校核：管子拉脱力必须小于许用拉脱力，即qq 上一内容下一内容回主目录2024/7/237.5 温差应力7.5.3、温差应力的补偿措施（1）减少壳体与管束间的温度差 可考虑将表面传热系数
24、大的流体通入管间空间，减少壳体和管壁的温差，另外当壳体温度低于管束时，可对壳壁保温，提高壳壁温度，降低壳壁和管束间的温差。（2）装设挠性构件 用的最多的是在固定管板式换热器上装设波形膨胀节，利用膨胀节的弹性变形来补偿壳体与管束膨胀的不一致，部分减少温差应力。（3）使壳体和管束自由热膨胀 如填函式换热器、浮头式换热器，U形管换热器以及套管式换热器，它们的管束一段能自由伸缩，壳体与管束的热胀冷缩互不牵制，可自由进行，所以这几种结构可以完全消除温差应力。上一内容下一内容回主目录2024/7/237.5 温差应力（4）双套管温度补偿在高温高压换热器中，也可以采用插入式双套管温度补偿结构，如图73所示（
25、P221），这种结构可以完全消除温差应力。7.5.4 膨胀节的结构及设置 （自学）上一内容下一内容回主目录2024/7/237.6 管箱与壳程接管7.6.1管箱 换热器管内流体进出口的空间称为管箱。其深度有一定的要求，满足流通面积的需要。其结构应便于装拆清洗和检修。(图738图741）7.6.2 壳程接管 壳程流体进出口的设计，直接影响换热器的传热效率和换热管的寿命。当加热蒸汽或高速流体流入壳体时，对换热管会造成很大的冲刷，所以常将壳程接管在入口处加以扩大，即将接管做成喇叭形，这样起缓冲作用，如图742所示，或者在换热器进口处设置挡板，其结构如图743图745所示。 上一内容下一内容回主目录2
26、024/7/237.6 管箱与壳程接管图743(a)所示结构的筒形，常称为导流筒，它可使蒸汽或流体在靠近管板处才进入管束间，充分利用换热面积，消除死区，防止流体对换在热管造成很大的冲刷，目前常用这种结构来提高换热器的换热能力。通常采用的挡板有圆形挡板和方形挡板。如图744所示为圆形挡板。为了减少流体阻力，挡板与壳壁距离不应太小，至少要保证此处流道截面积不小于流体进口接管的截面积，且距离不小于30mm。但若距离太大也妨碍管子的排列，减少换热面积。当需增加流体通道时，可在当板上开些圆提孔来增加流体通过的截面积。对于蒸汽在壳程冷凝的立式换热器或立式冷凝器，应尽量减少冷凝液在管板上的积留，以保证传热面
27、的充分利用，故采用图746所示结构的冷凝液排出管。此外还应在壳程的尽可能高的位置，一般在上管板上，安装不凝气体排出管。上一内容下一内容回主目录管壳式换热器工艺设计举例2024/7/23R12：CCl2F2上一内容下一内容回主目录例题2热物流苯流率为65800kg/h、温度200、压力2.8MPa，冷物流正十二烷流率为222200kg/h、温度40、压力1.4MPa，换热完成后，苯冷却至100。两股物流逆流换热，热物流走壳程。1）采用HeatX模块用简捷计算，Peng-Rob方程2）换热器水平放置，采用单壳程双管程的换热器，壳径850mm，壳/管间隙15mm，管子用碳钢，总管数200根，管长8m，管子规格252.5mm，正方形排列，管心距30mm，折流板24块，圆缺率0.2，折流板间距300mm；壳程和管程接管直径分别为150,200mm2024/7/23
