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1、化化 工工 设设 备备 机机 械械 基基 础础小结小结l1 1 立式容器支座：耳式支座、腿式支座、立式容器支座：耳式支座、腿式支座、支承式支座、裙座支承式支座、裙座l 耳式支座的结构、选型及标记耳式支座的结构、选型及标记标准号标准号耳座耳座型号型号支座号支座号JB/4725-92耳座耳座AN3材料：材料：Q235-A.F化化 工工 设设 备备 机机 械械 基基 础础l2 2 卧式容器支座：双鞍式支座、圈式支座、卧式容器支座：双鞍式支座、圈式支座、腿式支座腿式支座l双鞍式支座的结构、应力校核、选型及标双鞍式支座的结构、应力校核、选型及标记记 JB/T 4712-92 JB/T 4712-92 鞍
2、座鞍座 A2600A2600S S化化 工工 设设 备备 机机 械械 基基 础础l3 3 开孔应力集中现象及原因开孔应力集中现象及原因l 容器开孔后，在孔边附近的局部地区，容器开孔后，在孔边附近的局部地区，应力会达到很大的数值，这种局部的应力应力会达到很大的数值，这种局部的应力增长现象称为应力集中。增长现象称为应力集中。l以应力集中系数表示。以应力集中系数表示。l原因是由于结构的连续性被破坏。原因是由于结构的连续性被破坏。l具有局部性和自限性具有局部性和自限性化化 工工 设设 备备 机机 械械 基基 础础l4 4 开孔补强的结构开孔补强的结构l 补强圈补强、加强元件补强、整体补强补强圈补强、加
3、强元件补强、整体补强化化 工工 设设 备备 机机 械械 基基 础础l5 5 开孔补强设计的等面积补强法开孔补强设计的等面积补强法 局部补强的金属面积必须等于或大于局部补强的金属面积必须等于或大于开孔所减去的壳体截面积。在于补强壳壁开孔所减去的壳体截面积。在于补强壳壁的平均强度。的平均强度。 即即 A1+A2+A3A不能完全解决应力集中问题不能完全解决应力集中问题化化 工工 设设 备备 机机 械械 基基 础础l6 6 容器附件容器附件l 人孔和手孔的作用，常用的结构人孔和手孔的作用，常用的结构l 视镜的作用视镜的作用化化 工工 设设 备备 机机 械械 基基 础础第三篇第三篇 典型化工设备的机械设
4、计典型化工设备的机械设计第七章第七章 管壳式换热器的机械设计管壳式换热器的机械设计第一节第一节 概述概述 1 1 应用应用 换热器是许多工业部门广泛应用的通用工换热器是许多工业部门广泛应用的通用工艺设备，一般在化工厂的设计中，换热器约艺设备，一般在化工厂的设计中，换热器约占总投资的占总投资的1111，它的先进性、合理性和运，它的先进性、合理性和运转可靠性将直接影响产品的质量、数量和成转可靠性将直接影响产品的质量、数量和成本。本。化化 工工 设设 备备 机机 械械 基基 础础l2 2 衡量换热器的标准衡量换热器的标准 衡量一台换热器好坏的标准是传热效率衡量一台换热器好坏的标准是传热效率高，流体阻
5、力小；强度足够，结构可靠；节高，流体阻力小；强度足够，结构可靠；节省材料，成本低；制造、安装、检修方便。省材料，成本低；制造、安装、检修方便。l3 3 换热器发展的方向换热器发展的方向 强化传热、大型化和高效紧凑、降低阻力强化传热、大型化和高效紧凑、降低阻力及防止流体诱导振动等方面发展，种类繁多，及防止流体诱导振动等方面发展，种类繁多，新结构不断出现。新结构不断出现。化化 工工 设设 备备 机机 械械 基基 础础l4 4 管壳式换热器的特点管壳式换热器的特点 l1 1）结构坚固）结构坚固处理能力大处理能力大选材范围广选材范围广l2 2）易于制造）易于制造生产成本较低生产成本较低清洗较方便清洗较
6、方便l3 3）适应性强）适应性强在高温高压下也能使用在高温高压下也能使用l4 4）在传热效能）在传热效能紧凑性和金属消耗量方面紧凑性和金属消耗量方面不及板式换热器不及板式换热器板翅式换热器和板壳式板翅式换热器和板壳式换热器等高效能换热器先進。换热器等高效能换热器先進。 化化 工工 设设 备备 机机 械械 基基 础础l5 5 材料选择材料选择l 碳素钢和低合金钢大多用于制造中碳素钢和低合金钢大多用于制造中低压换热器。低压换热器。l 不锈钢主要用于不同的耐腐蚀条件不锈钢主要用于不同的耐腐蚀条件l 奧氏体不锈钢可作为耐高奧氏体不锈钢可作为耐高低温的材料低温的材料l 铜铜铝及其合金多用于制造低温换热器
7、铝及其合金多用于制造低温换热器l 镍合金用于高温条件下。镍合金用于高温条件下。化化 工工 设设 备备 机机 械械 基基 础础l 非金属材料除制作垫片零件外非金属材料除制作垫片零件外有有些已开始用于制作非金属材料的耐蚀些已开始用于制作非金属材料的耐蚀换热器换热器如石墨换热器如石墨换热器氟塑料换热氟塑料换热器和玻璃换热器。器和玻璃换热器。 化化 工工 设设 备备 机机 械械 基基 础础l一一 管壳式换热器的结构及主要零部件管壳式换热器的结构及主要零部件shell and tube heat exchanger 化化 工工 设设 备备 机机 械械 基基 础础l二二 管壳式换热器的分类管壳式换热器的分
8、类l 按结构特点分为固定管板式换热器按结构特点分为固定管板式换热器浮浮头式换热器头式换热器型管式换热器型管式换热器双重管式双重管式换热器换热器填函式换热器和双管板换热器等。填函式换热器和双管板换热器等。前前3 3种应用比较普遍种应用比较普遍l1 1 固定管板式换热器固定管板式换热器化化 工工 设设 备备 机机 械械 基基 础础第七章图第七章图 列管换热器列管换热器. .swfswf 第七第七章图章图 固定管板固定管板.rmrm化化 工工 设设 备备 机机 械械 基基 础础优点：优点：1 1）结构简单，造价低；）结构简单，造价低；2 2）两管板有管子互相支撑，因而在各种列管）两管板有管子互相支撑
9、，因而在各种列管式换热器中管板最薄。式换热器中管板最薄。缺点：缺点：1 1）管外清洗困难；）管外清洗困难；2 2）参与换热的两流体的温差受一定限制）参与换热的两流体的温差受一定限制, ,当当介质温差较大时，须设膨胀节。介质温差较大时，须设膨胀节。化化 工工 设设 备备 机机 械械 基基 础础l适用场合：适用场合：l 壳程压力不高，壳程介质清洁，不易结壳程压力不高，壳程介质清洁，不易结垢的场合。垢的场合。化化 工工 设设 备备 机机 械械 基基 础础l2 2 浮头式换热器浮头式换热器 第七章图第七章图 浮头式换浮头式换热器二热器二. .rmrm 化化 工工 设设 备备 机机 械械 基基 础础化化
10、 工工 设设 备备 机机 械械 基基 础础l化化 工工 设设 备备 机机 械械 基基 础础l特点：特点：l1 1）管壳间不产生温差应力；）管壳间不产生温差应力；l2 2）管束可抽出便于清洗；）管束可抽出便于清洗；l3 3）结构较复杂，金属耗量大；）结构较复杂，金属耗量大；l4 4）浮头的内漏不便检查；）浮头的内漏不便检查；l5 5）管、壳间隙较大，影响传热）管、壳间隙较大，影响传热l 适用于管、壳温差较大，以及介质易结适用于管、壳温差较大，以及介质易结垢的场合垢的场合化化 工工 设设 备备 机机 械械 基基 础础l3 3 填函式换热器填函式换热器化化 工工 设设 备备 机机 械械 基基 础础化
11、化 工工 设设 备备 机机 械械 基基 础础l特点：特点：l1 1）管束一端可以自由膨胀，造价较浮头式低）管束一端可以自由膨胀，造价较浮头式低l2 2）检修、清洗容易，填函处泄漏能及时发现）检修、清洗容易，填函处泄漏能及时发现l3 3）壳程内介质有外漏可能）壳程内介质有外漏可能l应用：应用：l 可用于管、壳温差较大；壳程中不宜处理可用于管、壳温差较大；壳程中不宜处理易挥发、易燃、易爆、有毒的介质易挥发、易燃、易爆、有毒的介质化化 工工 设设 备备 机机 械械 基基 础础l4 U4 U型管式换热器型管式换热器第七章图第七章图UU型管式型管式. .rmrm化化 工工 设设 备备 机机 械械 基基
12、础础化化 工工 设设 备备 机机 械械 基基 础础l特点：特点：l1 1）只有一个管板，管程至少为两程，）只有一个管板，管程至少为两程，l2 2）管束可抽出清洗，管子能自由膨胀，）管束可抽出清洗，管子能自由膨胀，l3 3）管内不便清洗，）管内不便清洗，l4 4）管板上布管少，结构不紧凑。）管板上布管少，结构不紧凑。l应用：适于温差大，管内介质清洁不易应用：适于温差大，管内介质清洁不易结垢的高温、高压、腐蚀性较强的场合。结垢的高温、高压、腐蚀性较强的场合。化化 工工 设设 备备 机机 械械 基基 础础l5 5 其它形式管板换热器其它形式管板换热器l1 1）釜式换热器）釜式换热器 有时需将壳程介质
13、变为气相，如精馏有时需将壳程介质变为气相，如精馏用再沸器，简单废热锅炉等，需一定的用再沸器，简单废热锅炉等，需一定的分离空间，壳程直径为管束直径的分离空间，壳程直径为管束直径的1.51.52.02.0倍。倍。化化 工工 设设 备备 机机 械械 基基 础础化化 工工 设设 备备 机机 械械 基基 础础l2 2）双重管式换热器）双重管式换热器化化 工工 设设 备备 机机 械械 基基 础础特点：特点：1 1）内插管与外套管之间沒有约束）内插管与外套管之间沒有约束可可自由伸缩。自由伸缩。2 2）适用于温差很大的两流体换热。）适用于温差很大的两流体换热。3 3）管程流体的阻力较大）管程流体的阻力较大4
14、4）设备造价较高。）设备造价较高。 化化 工工 设设 备备 机机 械械 基基 础础l3 3）双管板换热器）双管板换热器1 1）保证壳程流体和）保证壳程流体和管程流体相互不串管程流体相互不串漏和污染。用于严漏和污染。用于严格要求参与换热的格要求参与换热的两流体不互相串漏两流体不互相串漏的場合的場合2 2）造价比固定管板）造价比固定管板式换热器高。式换热器高。 化化 工工 设设 备备 机机 械械 基基 础础l三三 管壳式换热器机械设计内容管壳式换热器机械设计内容 首先通过化工工艺计算，确定换热器的首先通过化工工艺计算，确定换热器的传热面积，确定管径、管长，决定管数、传热面积，确定管径、管长，决定管
15、数、管程数和壳程数。管程数和壳程数。 然后进行机械设计。然后进行机械设计。 机械设计包括：机械设计包括：化化 工工 设设 备备 机机 械械 基基 础础l 1 1. .壳体直径、壳体壁厚的计算壳体直径、壳体壁厚的计算 2. 2.换热器封头选择，压力容器法兰选择换热器封头选择，压力容器法兰选择 3. 3.管板尺寸确定管板尺寸确定 4. 4.管子拉脱力的计算管子拉脱力的计算 5. 5.折流板的选择与计算折流板的选择与计算 6. 6.温差应力计算温差应力计算 7. 7.接管、接管法兰选择及开孔补强接管、接管法兰选择及开孔补强化化 工工 设设 备备 机机 械械 基基 础础第二节第二节 管子的选用及其与管
16、板的连接管子的选用及其与管板的连接l一一 管子的选用管子的选用 换热器的管子构成换热器的传热面，换热器的管子构成换热器的传热面，管子的尺寸和形状对传热有很大的影响。管子的尺寸和形状对传热有很大的影响。用小直径管则单位体积换热面积大，设用小直径管则单位体积换热面积大，设备紧凑，但制造麻烦，并且小管子易结备紧凑，但制造麻烦，并且小管子易结垢，不易清洗。垢，不易清洗。 化化 工工 设设 备备 机机 械械 基基 础础 常用无缝钢管规格（外径常用无缝钢管规格（外径壁厚）见壁厚）见P203P203表表7 71 1。 长度规定为：换热管长度与公称直径之比长度规定为：换热管长度与公称直径之比一般在一般在4 4
17、2525之间，常用之间，常用6 61010，立式多为，立式多为4 46 6。长度数值见。长度数值见P203P203 换热器管子一般用光管，为强化传换，换热器管子一般用光管，为强化传换，有多种结构型式管子有多种结构型式管子P P204204图图7-77-77-10 7-10 l高效传热管高效传热管化化 工工 设设 备备 机机 械械 基基 础础l1 1 扩大传热表面的管子扩大传热表面的管子 如翅片管、螺纹管，传热面可扩大为如翅片管、螺纹管，传热面可扩大为普通管的普通管的2 23 3倍。倍。化化 工工 设设 备备 机机 械械 基基 础础化化 工工 设设 备备 机机 械械 基基 础础2 2 促进涡流的
18、管子促进涡流的管子 虽增加了流体虽增加了流体阻力，但传热的阻力，但传热的强化更明显强化更明显化化 工工 设设 备备 机机 械械 基基 础础l3 3 利用表面张力的管子利用表面张力的管子 l 异形钢管，横截面形状为正弦波或锯异形钢管，横截面形状为正弦波或锯齿波形，多用在膜式蒸发器中齿波形，多用在膜式蒸发器中化化 工工 设设 备备 机机 械械 基基 础础化化 工工 设设 备备 机机 械械 基基 础础l4 4 表面多孔管表面多孔管 可增加表面上的活性发泡点，是强化沸可增加表面上的活性发泡点，是强化沸腾传热的一种方向，其沸腾给热系数为光腾传热的一种方向，其沸腾给热系数为光滑管的滑管的7 7倍。倍。 利
19、用机械加工、烧利用机械加工、烧结法、喷渡法、电化结法、喷渡法、电化学腐蚀法获得。学腐蚀法获得。化化 工工 设设 备备 机机 械械 基基 础础 管子材料的选择：管子材料的选择： 材料的选择根据压力、温度、介质材料的选择根据压力、温度、介质腐蚀性能决定，可选用碳钢、合金钢、腐蚀性能决定，可选用碳钢、合金钢、铜、钛、塑料、石墨等。铜、钛、塑料、石墨等。 化化 工工 设设 备备 机机 械械 基基 础础二二 管子与管板的联接管子与管板的联接 1. 1.胀接：利用胀管器挤压伸入管板孔中的胀接：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，管板孔管子端部，使管端发生塑性变形，管板孔同时产生弹性变
20、形，当取去胀管器后，管同时产生弹性变形，当取去胀管器后，管板孔弹性收缩，板与管产生一定挤紧压力板孔弹性收缩，板与管产生一定挤紧压力. . P4MPa P4MPa ；T 300T 300时用时用化化 工工 设设 备备 机机 械械 基基 础础化化 工工 设设 备备 机机 械械 基基 础础2.2.焊接：焊接头结构焊接：焊接头结构 P P206206图图7 71414。 热应力可能造成应力腐蚀和破裂；间隙可热应力可能造成应力腐蚀和破裂；间隙可能造成间隙腐蚀，用于能造成间隙腐蚀，用于P35MPaP35MPa化化 工工 设设 备备 机机 械械 基基 础础 3. 3.胀焊结合胀焊结合 高高T T高高P P，
21、变载时，单个的联接方式不变载时，单个的联接方式不能满足要求时采用。能满足要求时采用。 抗疲劳、消除应力及间隙腐蚀。抗疲劳、消除应力及间隙腐蚀。化化 工工 设设 备备 机机 械械 基基 础础第三节第三节 管板结构管板结构l一、管板的作用一、管板的作用l1 1排布换热管排布换热管l2. 2. 与管箱隔板配合分隔管程空间与管箱隔板配合分隔管程空间 l3. 3. 与壳程隔板配合分隔壳程空间与壳程隔板配合分隔壳程空间 l4. 4. 避免冷热流体混合避免冷热流体混合 二、管板的形式二、管板的形式 管板有四种常见的结构形式，即平管板有四种常见的结构形式，即平管板、薄管板、椭圆形管板及双管板。管板、薄管板、椭
22、圆形管板及双管板。化化 工工 设设 备备 机机 械械 基基 础础l1 1 平管板平管板 l 最常见的一种管板形式最常见的一种管板形式l 有兼作法兰和不兼作法兰两种有兼作法兰和不兼作法兰两种l 一一般般由由普普通通碳碳钢钢板板、不不锈锈钢钢板板制制造造，当当介介质质具具有有腐腐蚀蚀性性时时可可用用复复合合钢钢板板制制造造。（以以较较薄薄的的复复合合层层抵抵抗抗腐腐蚀蚀，一一般般为为不不锈锈钢钢、NiNi、TiTi等等；以以较较厚厚的的普普通通钢钢板板承承受受介介质质压压力）力）化化 工工 设设 备备 机机 械械 基基 础础l2 2、薄管板、薄管板l 在在满满足足强强度度条条件件下下管管板板越越薄
23、薄, ,利利于于降降低低温温差应力。差应力。 l 若若将将固固定定管管板板式式换换热热管管视视为为刚刚性性支支撑撑，计计算算得得到到的的板板厚厚较较薄薄，一一般般小小于于1515mm. mm. 其其主要载荷由管壁和壳壁温差决定。主要载荷由管壁和壳壁温差决定。l优点：受力比平板好许多，因此可做得很优点：受力比平板好许多，因此可做得很薄，利于降低温差应力。薄，利于降低温差应力。 化化 工工 设设 备备 机机 械械 基基 础础l3 3、椭圆形管板、椭圆形管板结构：类似于椭圆形封结构：类似于椭圆形封头，即半个椭球壳，而头，即半个椭球壳，而不是椭圆形平板。是在不是椭圆形平板。是在薄管板基础上研发的新薄管
24、板基础上研发的新型管板。单个换热管长型管板。单个换热管长短不一，设计、制造上短不一，设计、制造上要复杂于平管板。要复杂于平管板。一般用于高温差情况。一般用于高温差情况。化化 工工 设设 备备 机机 械械 基基 础础l4 4、双管板、双管板l应应用用于于工工艺艺条条件件要要求求绝绝对对不不允允许许冷冷热热流流体体互互相接触，普通管板难以满足这一条件的场合相接触，普通管板难以满足这一条件的场合 l双双管管板板保保持持合合适适间间距距可可使使弯弯曲曲应应力力和和剪剪切切应应力限定在许可范围之内。力限定在许可范围之内。化化 工工 设设 备备 机机 械械 基基 础础l 设计中一般采用平管板，椭圆形管板设
25、计中一般采用平管板，椭圆形管板（包括蝶形管板），双管板应用于有特殊（包括蝶形管板），双管板应用于有特殊要求的场合，而薄管板我国一般不采用要求的场合，而薄管板我国一般不采用. .（按（按GB151-98GB151-98设计）设计） 化化 工工 设设 备备 机机 械械 基基 础础l三、管板的结构三、管板的结构l 管管板板的的结结构构包包括括：管管板板上上开开孔孔的的位位置置、分程隔板槽的位置、密封面的设计等。分程隔板槽的位置、密封面的设计等。l 开开孔孔种种类类：换换热热管管孔孔、拉拉杆杆孔孔、螺螺栓栓孔孔（兼作法兰）（兼作法兰）l换热管孔的位置根据排管来确定换热管孔的位置根据排管来确定化化 工工
26、 设设 备备 机机 械械 基基 础础l拉杆孔的布置：拉杆孔的布置：l 根根据据拉拉杆杆位位置置确确定定，一一般般均均匀匀布布置置于于管管束束的的外外边边缘缘。拉拉杆杆与与管管板板焊焊接接时时，拉拉杆杆孔孔深深等等于于孔孔直直径径；螺螺纹纹连连接接时时，螺螺纹纹深深度度为为螺纹孔直径的螺纹孔直径的1.51.5倍。倍。l 螺螺栓栓孔孔的的布布置置：管管板板上上螺螺栓栓孔孔的的位位置置、数数量量、直直径径应应与与相相连连接接的的法法兰兰上上开开的的螺螺栓栓孔一致。孔一致。 化化 工工 设设 备备 机机 械械 基基 础础l四四 换热管排列形式换热管排列形式l 排列应在整个换热器的截面上均匀分布，排列应
27、在整个换热器的截面上均匀分布，要考虑排列紧凑、流体的性质、结构设计要考虑排列紧凑、流体的性质、结构设计以及制造等方面的因素。以及制造等方面的因素。l1 1 正三角形和转角正三角形排列正三角形和转角正三角形排列化化 工工 设设 备备 机机 械械 基基 础础适于壳程介质污垢少，不需机械清洗的场合适于壳程介质污垢少，不需机械清洗的场合化化 工工 设设 备备 机机 械械 基基 础础l2 2 正方形和转角正方形排列正方形和转角正方形排列 可用机械方法清洗，用于管束可可用机械方法清洗，用于管束可抽出以清洗管间的场合抽出以清洗管间的场合化化 工工 设设 备备 机机 械械 基基 础础l3 3 同心圆同心圆l4
28、 4 组合排列法组合排列法化化 工工 设设 备备 机机 械械 基基 础础l五五 管间距管间距 管板上两换热管中心的间距，管间距管板上两换热管中心的间距，管间距的确定需考虑：的确定需考虑： 1 1）管板强度）管板强度 2 2）清洗管外所需空隙）清洗管外所需空隙 3 3）管在管板上的固定方法）管在管板上的固定方法 换热管中心间距不小于换热管中心间距不小于1.251.25倍的换热倍的换热管外径。管间距应符合管外径。管间距应符合P208P208表表7-57-5。 化化 工工 设设 备备 机机 械械 基基 础础l 布布管管范范围围：应应排排布布在在布布管管限限定定圆圆内内，即即最最外外层层换换热热管管表
29、表面面至至管管板板中中心心距距不不得得超过布管限定圆半径。超过布管限定圆半径。l 一一般般要要求求最最外外层层换换热热管管中中心心至至壳壳体体内内表表面面的的距距离离不不应应小小于于（换换热热管管外外径径的的一一半半1010）mmmm化化 工工 设设 备备 机机 械械 基基 础础l六六 管板受力及其设计方法简介管板受力及其设计方法简介l1 1 影响管板应力大小的因素：影响管板应力大小的因素：l1 1）管板自身的直径、厚度、材料强度、）管板自身的直径、厚度、材料强度、使用温度等使用温度等l2 2）管束对管板的支承作用。）管束对管板的支承作用。 列管起弹性基础的作用列管起弹性基础的作用l3 3）管
30、孔对管板强度和刚度的影响）管孔对管板强度和刚度的影响化化 工工 设设 备备 机机 械械 基基 础础l4 4）管板周边支承形式的影响）管板周边支承形式的影响l5 5）温度对管板的影响）温度对管板的影响l6 6）其它：如兼作法兰时，拧紧螺栓产生）其它：如兼作法兰时，拧紧螺栓产生的附加弯矩、折流板间距、最大压力作用的附加弯矩、折流板间距、最大压力作用位置位置化化 工工 设设 备备 机机 械械 基基 础础l2 2 管板厚度设计方法简介管板厚度设计方法简介l1 1）将管板当作受均布载荷的实心圆板）将管板当作受均布载荷的实心圆板 按弹性理论得到圆平板最大弯曲应力，按弹性理论得到圆平板最大弯曲应力，加适当修
31、正系数考虑管板开孔削弱和管束加适当修正系数考虑管板开孔削弱和管束的实际支承作用。的实际支承作用。 是半经验公式是半经验公式化化 工工 设设 备备 机机 械械 基基 础础l2 2）将管板看作放置在弹性基础上的圆平板）将管板看作放置在弹性基础上的圆平板 管束作为弹性支承，根据载荷大小、管管束作为弹性支承，根据载荷大小、管束刚度及周边支承情况来确定管板的弯曲束刚度及周边支承情况来确定管板的弯曲应力。应力。 计算复杂，较精确。计算复杂，较精确。 我国管壳式换热器（我国管壳式换热器（GB151-GB151-19991999）采用此法。采用此法。化化 工工 设设 备备 机机 械械 基基 础础l3 3）菱形
32、面积）菱形面积 取管板上相邻四根管子间的菱形面积，取管板上相邻四根管子间的菱形面积，按弹性理论求此面积在均布载荷作用下的按弹性理论求此面积在均布载荷作用下的最大弯曲应力。可粗算。最大弯曲应力。可粗算。化化 工工 设设 备备 机机 械械 基基 础础l七七 管程的分程及管板与隔板的连接管程的分程及管板与隔板的连接l1 1 管程分程的作用管程分程的作用 增加管程流速，提高传热效果增加管程流速，提高传热效果 管束分程，使流体依次流过各程管子，管束分程，使流体依次流过各程管子，配合有分程隔板。配合有分程隔板。l 壳壳程程：壳壳程程分分程程不不常常见见，多多用用折折流流板板起分程隔板作用。起分程隔板作用。
33、化化 工工 设设 备备 机机 械械 基基 础础l2 2管程的布置管程的布置 分程数量为分程数量为偶数，管程数偶数，管程数一般有一般有1 1，2 2，4 4，6 6，8 8，1010，1212等七种，分等七种，分程方法见程方法见P210P210表表7-67-6化化 工工 设设 备备 机机 械械 基基 础础l3 3 管程布置的要求管程布置的要求l1 1）各程换热管数应大致相等）各程换热管数应大致相等l2 2）相邻程间平均壁温差不超过）相邻程间平均壁温差不超过2828l3 3） 各程间的密封长度应最短各程间的密封长度应最短l4 4）分程隔板的形状应简单）分程隔板的形状应简单化化 工工 设设 备备 机
34、机 械械 基基 础础l4 4 分程隔板的类型及其与管板的密封分程隔板的类型及其与管板的密封 分程隔板有单层和双层两种，其结分程隔板有单层和双层两种，其结构及密封方式见构及密封方式见P211P211图图7-197-19、7-207-20化化 工工 设设 备备 机机 械械 基基 础础l八八 管板与壳体的连接结构管板与壳体的连接结构l 分为可拆式和不可拆式两大类。固定分为可拆式和不可拆式两大类。固定管板式换热器的管板和壳体间采用不可拆管板式换热器的管板和壳体间采用不可拆的焊接连接，而浮头式、的焊接连接，而浮头式、U U型管式和填函型管式和填函式采用可拆连接式采用可拆连接l1 1 固定管板式换热器管板
35、与壳体的连接固定管板式换热器管板与壳体的连接l1 1） 管板兼作法兰管板兼作法兰化化 工工 设设 备备 机机 械械 基基 础础化化 工工 设设 备备 机机 械械 基基 础础l2 2）管板不兼作法兰）管板不兼作法兰化化 工工 设设 备备 机机 械械 基基 础础l2 2 浮头式、浮头式、U U型管式及填料函式换热器固型管式及填料函式换热器固定端管板与壳体的连接定端管板与壳体的连接l可拆连接可拆连接化化 工工 设设 备备 机机 械械 基基 础础l3 3密封面的设计：密封面的设计：l 管管板板密密封封面面的的形形式式应应与与之之相相配配合合的的法法兰兰密密封封面面相相配配，其其常常设设计计为为带带有有
36、凸凸肩肩的的结结构构，以以减减少少密密封封面面的的加加工工面面积积，节节省省工时。工时。 化化 工工 设设 备备 机机 械械 基基 础础小结小结l1 1 管壳式换热器的特点及结构（图）管壳式换热器的特点及结构（图）l 结构简单坚固，易于制造成本低，处理能结构简单坚固，易于制造成本低，处理能力大，适应性强力大，适应性强l2 2 管壳式换热器的分类及特点管壳式换热器的分类及特点l 固定管板式、浮头式、固定管板式、浮头式、U U型管式、填料函型管式、填料函式式化化 工工 设设 备备 机机 械械 基基 础础l3 3 管子的选用及高效传热管管子的选用及高效传热管l 按规格选用按规格选用l4 4 管子与管
37、板的联结：胀接、焊接管子与管板的联结：胀接、焊接l5 5 管板的作用及结构管板的作用及结构l排管、分隔管程和壳程、避免冷热流体排管、分隔管程和壳程、避免冷热流体混合混合l开孔位置、分程隔板槽位置、密封面设开孔位置、分程隔板槽位置、密封面设计计化化 工工 设设 备备 机机 械械 基基 础础l6 6 换热管的排列方式换热管的排列方式l三角、正方、同心圆、组合三角、正方、同心圆、组合l7 7 管板设计方法：国标采用的方法是将管管板设计方法：国标采用的方法是将管板看作放置在弹性基础上的圆平板板看作放置在弹性基础上的圆平板l8 8 管程的分程作用：增加管程流速，提高管程的分程作用：增加管程流速，提高传热
38、效果，为偶数传热效果，为偶数l9 9 管板与壳体连接结构：可拆与不可拆管板与壳体连接结构：可拆与不可拆化化 工工 设设 备备 机机 械械 基基 础础第四节第四节 折流板、支承板、旁路挡板和拦折流板、支承板、旁路挡板和拦液板的作用及结构液板的作用及结构l一一 折流板及支承板折流板及支承板l1 1 作用作用 延长壳程介质的流道长度，提高壳程延长壳程介质的流道长度，提高壳程内流体的流速，加强湍流程度，以提高传内流体的流速，加强湍流程度，以提高传热效率。同时便于安装和防止管子变形过热效率。同时便于安装和防止管子变形过大。大。化化 工工 设设 备备 机机 械械 基基 础础l2 2 结构结构 横向和纵向两
39、种。横向和纵向两种。 常用形式有弓形、圆盘圆环形和带扇常用形式有弓形、圆盘圆环形和带扇形切口三种。弓形折流板较普遍。形切口三种。弓形折流板较普遍。 （1 1）弓形：）弓形： 分为单弓和多弓，多弓用于壳体直径较分为单弓和多弓，多弓用于壳体直径较大，须减少流体阻力，避免形成死区的情大，须减少流体阻力，避免形成死区的情形。形。第七章图第七章图 弓形挡板弓形挡板( (圆缺形挡板圆缺形挡板).).rmrm化化 工工 设设 备备 机机 械械 基基 础础 最小板厚、最大间距、外径见最小板厚、最大间距、外径见P213-214表表7-77-9第七章图第七章图双弓双弓双圆缺双圆缺形挡板形挡板.rm化化 工工 设设
40、 备备 机机 械械 基基 础础（2 2）圆盘）圆盘- -圆环形：圆环形：第七章图第七章图 盘环式挡板盘环式挡板. .rmrm 用于大直径筒体，减少流体阻力，避免用于大直径筒体，减少流体阻力，避免形成死区。形成死区。（3 3）带扇形缺口的折流板带扇形缺口的折流板化化 工工 设设 备备 机机 械械 基基 础础化化 工工 设设 备备 机机 械械 基基 础础3 3 固定方式固定方式 通过拉杆和定距管来实现，通过拉杆和定距管来实现，P215P215图图7-27-26 6。拉杆直径和数量见拉杆直径和数量见P215P215表表7-7-1010化化 工工 设设 备备 机机 械械 基基 础础l 拉杆应尽量均匀布
41、置在管束的外边缘，拉杆应尽量均匀布置在管束的外边缘，以便于较好地固定折流板。以便于较好地固定折流板。l 对于大直径的换热器，在布管区内或对于大直径的换热器，在布管区内或靠近折流板缺口处应布置适量的拉杆靠近折流板缺口处应布置适量的拉杆l 任何折流板应不少于三个支撑点任何折流板应不少于三个支撑点。 化化 工工 设设 备备 机机 械械 基基 础础l二二 旁路挡板旁路挡板 作用作用: :防止流体短路，迫使壳程流体防止流体短路，迫使壳程流体通过管束进行热交换。通过管束进行热交换。化化 工工 设设 备备 机机 械械 基基 础础l三三 拦液板拦液板 立式换热器中，为减薄管壁液膜而提高传立式换热器中，为减薄管
42、壁液膜而提高传热膜系数热膜系数化化 工工 设设 备备 机机 械械 基基 础础第五节第五节 温差应力温差应力l一一 管壁与壳壁温度差引起的温差应力管壁与壳壁温度差引起的温差应力l 固定管板式换热器的壳体与管子，在固定管板式换热器的壳体与管子，在安装温度下的长度为安装温度下的长度为L L，操作时，温度升操作时，温度升高，壳体管子的自由伸长量分别为：高，壳体管子的自由伸长量分别为：化化 工工 设设 备备 机机 械械 基基 础础化化 工工 设设 备备 机机 械械 基基 础础 若变形量不超过弹性范围，按虎克定若变形量不超过弹性范围，按虎克定律，管子被压缩的量为：律，管子被压缩的量为：壳体被拉伸的量为：壳
43、体被拉伸的量为：化化 工工 设设 备备 机机 械械 基基 础础l（1 1）+ +（2 2）得）得化化 工工 设设 备备 机机 械械 基基 础础解得管子或壳体中的温差轴向力为：解得管子或壳体中的温差轴向力为：若管壳的材料一致，则若管壳的材料一致，则化化 工工 设设 备备 机机 械械 基基 础础相应的温差应力为：相应的温差应力为：分析：分析：1 1）热应力与管长无关）热应力与管长无关2 2）较大的热应力产生在具有较小横截面尺寸）较大的热应力产生在具有较小横截面尺寸的构件上。的构件上。化化 工工 设设 备备 机机 械械 基基 础础l二二 管子拉脱力的计算管子拉脱力的计算 拉脱力定义：管子每平方米胀接
44、周边拉脱力定义：管子每平方米胀接周边上所受到的力，单位上所受到的力，单位PaPa。l1 1 操作压力下操作压力下 每平方米胀接周边所受到的力每平方米胀接周边所受到的力q qp p：化化 工工 设设 备备 机机 械械 基基 础础管子成三角形排列时管子成三角形排列时管子成正方形排列时，管子成正方形排列时，化化 工工 设设 备备 机机 械械 基基 础础l2 2 温差应力作用下温差应力作用下 管子每平方米胀接周边所产生的力管子每平方米胀接周边所产生的力q qt tl 3 3 管子拉脱力管子拉脱力同方向时，同方向时，qqp+qt不同方向时，不同方向时，qqt-qp, ,方向同较大者方向同较大者要求要求q
45、 q， q值见值见P218P218表表7-117-11例：例：P218 7-1P218 7-1化化 工工 设设 备备 机机 械械 基基 础础l已知条件见已知条件见P218P218l1 1）操作压力下，每平方米胀接周边所产）操作压力下，每平方米胀接周边所产生的力生的力q qP P设计压力设计压力胀接长度胀接长度管外径管外径化化 工工 设设 备备 机机 械械 基基 础础l正三角形排管正三角形排管代入公式得代入公式得化化 工工 设设 备备 机机 械械 基基 础础l2 2） 温差应力作用下，管子每平方米胀接温差应力作用下，管子每平方米胀接周边所产生的力周边所产生的力q qt t管壳的线膨胀系数和弹性模
46、量一致管壳的线膨胀系数和弹性模量一致化化 工工 设设 备备 机机 械械 基基 础础代入热应力计算公式得代入热应力计算公式得化化 工工 设设 备备 机机 械械 基基 础础qt与与qp作用方向相同，则作用方向相同，则在许用范围在许用范围化化 工工 设设 备备 机机 械械 基基 础础l三三 温差应力的补偿温差应力的补偿 消除的主要方法是解决壳体与管消除的主要方法是解决壳体与管束膨胀的不一致性，或消除壳体与管束膨胀的不一致性，或消除壳体与管子间的刚性约束使壳体和管子都自由子间的刚性约束使壳体和管子都自由膨胀和收缩膨胀和收缩l1 1 减少壳体与管束间的温度差减少壳体与管束间的温度差化化 工工 设设 备备
47、 机机 械械 基基 础础l2 2 装设挠性构件装设挠性构件 利用膨胀节的弹性变形补偿壳体与管利用膨胀节的弹性变形补偿壳体与管束膨胀的不一致性，部分减小热应力束膨胀的不一致性，部分减小热应力l3 3 使壳体和管束自由热膨胀使壳体和管束自由热膨胀 可完全消除热应力可完全消除热应力化化 工工 设设 备备 机机 械械 基基 础础1 1）填料函式换热器）填料函式换热器2 2）浮头式换热器）浮头式换热器化化 工工 设设 备备 机机 械械 基基 础础化化 工工 设设 备备 机机 械械 基基 础础4 4 双套管温度补偿双套管温度补偿化化 工工 设设 备备 机机 械械 基基 础础l四四 膨胀节的结构及设置膨胀节
48、的结构及设置l1 1 膨胀节的结构型式膨胀节的结构型式 安装在固定管板式换热器上进行膨胀变形安装在固定管板式换热器上进行膨胀变形差补偿，减小热应力。差补偿，减小热应力。化化 工工 设设 备备 机机 械械 基基 础础l2 2 必须设置膨胀节的条件必须设置膨胀节的条件满足以下条件之一者，必须设置膨胀节：满足以下条件之一者，必须设置膨胀节：2 2) )3 3）且且4 4）1)1)化化 工工 设设 备备 机机 械械 基基 础础管子与壳体中应力的计算如下：管子与壳体中应力的计算如下：F1管子和壳体之间因温差产生的轴向力管子和壳体之间因温差产生的轴向力（N N）化化 工工 设设 备备 机机 械械 基基 础
49、础F2壳程和管程压力作用于壳体上的轴向力壳程和管程压力作用于壳体上的轴向力F3壳程和管程压力作用于管子上的轴向力壳程和管程压力作用于管子上的轴向力其中其中化化 工工 设设 备备 机机 械械 基基 础础l3 3 膨胀节的选用及设置膨胀节的选用及设置 材料和尺寸按材料和尺寸按GB16749-1997GB16749-1997压力容压力容器波形膨胀节器波形膨胀节标准选用。标准选用。换热器所需热变形补偿量换热器所需热变形补偿量若若设一个膨胀节设一个膨胀节若若设多个膨胀节设多个膨胀节允许补偿量允许补偿量化化 工工 设设 备备 机机 械械 基基 础础第六节第六节 管箱与壳程接管管箱与壳程接管l一一 管箱管箱
50、 换热器管内流体进出的空间称为管箱换热器管内流体进出的空间称为管箱（或流道室），其结构应便于拆装。（或流道室），其结构应便于拆装。l主要有四种结构，见主要有四种结构，见P223P223图图7-387-387-417-41化化 工工 设设 备备 机机 械械 基基 础础l二二 壳程接管壳程接管 壳程流体进出口的设计，直接影响换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热器的传热效率和换热管的寿命1 1 设置挡板设置挡板化化 工工 设设 备备 机机 械械 基基 础础化化 工工 设设 备备 机机 械械 基基 础础化化 工工 设设 备备 机机 械械 基基 础础2 2 喇叭形缓冲管喇叭形
51、缓冲管化化 工工 设设 备备 机机 械械 基基 础础3 3 冷凝液排除口结构冷凝液排除口结构化化 工工 设设 备备 机机 械械 基基 础础第七节第七节 管壳式换热器的机械设计举例管壳式换热器的机械设计举例l一一 已知条件已知条件l二二 计算计算l1 1 确定管数及排列方式确定管数及排列方式 l2 2 确定壳体直径并计算壳体壁厚确定壳体直径并计算壳体壁厚l3 3 封头选择及厚度计算封头选择及厚度计算l4 4 容器法兰选型、人孔选型容器法兰选型、人孔选型l5 5 开孔补强设计计算开孔补强设计计算化化 工工 设设 备备 机机 械械 基基 础础l6 6管板尺寸确定管板尺寸确定l7 7 管子拉脱力计算管
52、子拉脱力计算l8 8计算是否安装膨胀节计算是否安装膨胀节l9 9 折流板设计折流板设计l10 10 支座设计计算支座设计计算l三三 换热器装配图换热器装配图 见见P230P230图图7-527-52化化 工工 设设 备备 机机 械械 基基 础础l作业：作业：P233 P233 一一2,5,9,12,132,5,9,12,13l二二1,41,4l三三化化 工工 设设 备备 机机 械械 基基 础础l2 套管式换热器套管式换热器.swf化化 工工 设设 备备 机机 械械 基基 础础化化 工工 设设 备备 机机 械械 基基 础础l2）重力热管加热加热化化 工工 设设 备备 机机 械械 基基 础础l3）
53、热管的应用l2 改变传热面结构l3 改变流体流动状态l4 添加剂化化 工工 设设 备备 机机 械械 基基 础础小结小结l1 1 换热器的发展换热器的发展l蛇管式蛇管式管壳式管壳式板式板式螺旋板式螺旋板式板翅式板翅式板壳式板壳式伞板式伞板式热管式热管式 l2 2 管壳式换热器的特点及结构（图）管壳式换热器的特点及结构（图）l 结构简单坚固，易于制造成本低，处理能力结构简单坚固，易于制造成本低，处理能力大，适应性强大，适应性强化化 工工 设设 备备 机机 械械 基基 础础l3 3 管壳式换热器的分类及特点管壳式换热器的分类及特点l 固定管板式、浮头式、固定管板式、浮头式、U U型管式、填型管式、填
54、料函式料函式l4 4 管子的选用及高效传热管管子的选用及高效传热管l 按规格选用按规格选用l5 5 管子与管板的联结：胀接、焊接管子与管板的联结：胀接、焊接化化 工工 设设 备备 机机 械械 基基 础础l1 1 管板的作用及结构管板的作用及结构l排管、分隔管程和壳程、避免冷热流体混排管、分隔管程和壳程、避免冷热流体混合合l开孔位置、分程隔板槽位置、密封面设计开孔位置、分程隔板槽位置、密封面设计l2 2 换热管的排列方式换热管的排列方式l三角、正方、同心圆、组合三角、正方、同心圆、组合小结小结化化 工工 设设 备备 机机 械械 基基 础础l3 3 管板设计方法：国标采用的方法是将管板设计方法：国
55、标采用的方法是将管板看作放置在弹性基础上的圆平板管板看作放置在弹性基础上的圆平板l4 4 管程的分程作用：增加管程流速，提管程的分程作用：增加管程流速，提高传热效果，为偶数高传热效果，为偶数l5 5 管板与壳体连接结构：可拆与不可拆管板与壳体连接结构：可拆与不可拆化化 工工 设设 备备 机机 械械 基基 础础l6 6 折流板及支承板的作用：折流板及支承板的作用：l 延长壳程介质的流道长度，提高壳程内延长壳程介质的流道长度，提高壳程内流体的流速，加强湍流程度，以提高传热流体的流速，加强湍流程度，以提高传热效率。同时便于安装和防止管子变形过大效率。同时便于安装和防止管子变形过大l7 7 折流板的结
56、构及固定方式：弓形、盘环折流板的结构及固定方式：弓形、盘环形、扇形缺口；拉杆与定距管形、扇形缺口；拉杆与定距管 化化 工工 设设 备备 机机 械械 基基 础础l8 8 温差应力温差应力l 由于管壁与壳壁存在温度差，壳体与管由于管壁与壳壁存在温度差，壳体与管束的膨胀量不同，相互制约产生的应力束的膨胀量不同，相互制约产生的应力化化 工工 设设 备备 机机 械械 基基 础础1 1）热应力与管长无关）热应力与管长无关2 2）较大的热应力产生在具有较小横截面尺寸）较大的热应力产生在具有较小横截面尺寸的构件上。的构件上。若管壳的材料一致，则若管壳的材料一致，则应力为应力为化化 工工 设设 备备 机机 械械
57、 基基 础础2 2 换热器的发展简史换热器的发展简史1 1）早期）早期 换热器采用简单的结构换热器采用简单的结构传热面积小传热面积小体积体积大而笨重。如蛇管式换热器等大而笨重。如蛇管式换热器等化化 工工 设设 备备 机机 械械 基基 础础化化 工工 设设 备备 机机 械械 基基 础础l2 2）十九世纪）十九世纪l 随着制造工艺的发展随着制造工艺的发展逐步形成一种管逐步形成一种管壳式换热器壳式换热器不仅单位体积具有较大的传热不仅单位体积具有较大的传热面积面积而且传热效果也较好而且传热效果也较好在工业生产中在工业生产中成为一种典型的换热器成为一种典型的换热器化化 工工 设设 备备 机机 械械 基基
58、 础础化化 工工 设设 备备 机机 械械 基基 础础l3 3）2020世纪世纪2020年代年代l 出现板式换热器出现板式换热器并应用于食品工业。并应用于食品工业。l 此类换热器结构紧凑此类换热器结构紧凑传热效果好传热效果好因此陆续发展为多种形式因此陆续发展为多种形式 化化 工工 设设 备备 机机 械械 基基 础础化化 工工 设设 备备 机机 械械 基基 础础化化 工工 设设 备备 机机 械械 基基 础础l4 4）2020世纪世纪3030年代年代l 瑞典首次制成螺瑞典首次制成螺旋板换热器。旋板换热器。第七第七章图章图 螺旋板式换螺旋板式换热器热器. .swfswf 化化 工工 设设 备备 机机
59、械械 基基 础础化化 工工 设设 备备 机机 械械 基基 础础l 接着，英接着，英国用钎焊法国用钎焊法制造出一种制造出一种由铜及其合由铜及其合金材料制成金材料制成的板翅式换的板翅式换热器热器用于用于飞机发动机飞机发动机的散热的散热化化 工工 设设 备备 机机 械械 基基 础础l 30 30年代末年代末瑞瑞典又制造出第典又制造出第一台板壳式换一台板壳式换热器，用于纸热器，用于纸浆工厂。浆工厂。化化 工工 设设 备备 机机 械械 基基 础础化化 工工 设设 备备 机机 械械 基基 础础l 此间此间为了解决强腐蚀性介质的换为了解决强腐蚀性介质的换热问題热问題新型材料制成的换热器开始引新型材料制成的换
60、热器开始引起注意起注意化化 工工 设设 备备 机机 械械 基基 础础l5 5）2020世纪世纪6060年代以后年代以后l 随着空间技术和尖端科学的迅速随着空间技术和尖端科学的迅速发展发展迫切需要各种高效能紧凑型的迫切需要各种高效能紧凑型的换热器换热器中国和瑞典各自独立创制了中国和瑞典各自独立创制了伞板换热器。伞板换热器。化化 工工 设设 备备 机机 械械 基基 础础蜂螺式伞板换热器蜂螺式伞板换热器化化 工工 设设 备备 机机 械械 基基 础础l蛛网式伞板换热器蛛网式伞板换热器化化 工工 设设 备备 机机 械械 基基 础础l 为了适应高温高压条件下换热和节能的需为了适应高温高压条件下换热和节能的需要，典型的管壳式换热器也得到了进一步的要，典型的管壳式换热器也得到了进一步的发展。发展。l 70 70年代中期年代中期为了强化传热为了强化传热在研究和发在研究和发展热管的基础上又研制出热管式换热器。展热管的基础上又研制出热管式换热器。 化化 工工 设设 备备 机机 械械 基基 础础
