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1、精选优质文档-倾情为你奉上第七章 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本章难点：管、壳的分程及隔板建议学时：4学时第一节概述一、 定义：换热器是用来完成各种不同传热过程的设备。二、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件。三、举例1 冷却器（cooler）1) 用空气作介质空冷器aircooler2) 用氨、盐水、氟里昂等冷却到0-20保冷器deepcooler2 冷凝器condenser1) 分离器2) 全凝器3 加热器（一般不发生相变）heater1) 预热器（preheater）粘度大的液体，喷
2、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）看下图说明其结构及名称四、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。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。2、浮头式换热器：管束可以抽出，便于清洗；但这类换热器结构较复杂，金属耗量较大。适用于介质易结垢的场合。
3、3、填料函式换热器：造价比浮头式低检修、清洗容易，填料函处泄漏能及时发现，但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。适用于低压小直径场合。4、U型管式换热器：结构简单，造价低，壳程可清洗，但管程不能清洗，一个管板，管子可自由伸缩，无温差应力，管板上布管少，结构不紧凑，管子坏时不易修补。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。五、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、 然后进行机械设计。内容
4、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。第二节 管子的选用及其与管板的连接一、 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：（外径壁厚），长度按规定决定。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。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。二、管子与管板的
5、连接：(一)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。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。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(二)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板。缺点：在焊接接头处产生的热应力可能
6、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。结构：主要有4种（三)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。胀焊并用连接主要有：强度焊贴胀先焊后胀强度胀密封焊先胀后焊先焊后胀：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。先胀后焊：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。第三节 管板结构一、 换热管排列方式：1
7、、 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。2、 正方形和转角正方形排列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。3组合排列法：多程换热器中。二、管间距：管间距指两相邻换热管中心的距离。要求管间距1.25d0，符合国标规定，便于管子与管板间的连接，因为对于胀接或焊接来讲，管子间距离太近，那么都会影响连接质量。最外层管壁与壳壁之间的距离为10mm，主要是为折流板易于加工，不易损坏。三、换热器
8、管板强度计算的理论依据简介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园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
9、板实际受载情况相差较大，所以公用于粗略估算。四、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。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：单层和双层两种。如下图。双层隔板具有隔热空间，可防止热流短路。4、 分程方式：五、管板与壳体的连接结构1、 不可拆的焊接式：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2、 可
10、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）第四节 折流板、支承板、旁路挡板及拦液板的作用和结构一、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：弓形、圆盘圆环形和带扇形切口。3、 尺寸厚度与壳体直径和折流板间距有关；折流板最小厚度按国标选取。弓形折流板间距：最小间距maxDi，50mm 最大间距：不超过表7-7规定，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
11、响传效率。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7-272）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。二、旁路挡板作用：阻止流体短路，迫使壳体流体通过管束进行热交换。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。三、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。第五节 温差应力一、管壁与壳
12、壁温度差引起的温差应力（一）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,则管子自由伸长量和壳体自由伸长量分别为 =(-)L =(-)L式中, 分别为管子和壳体材料的温度膨胀系数，1/； 安装时的温度， ，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。（二）温差应力的计算：1 温差轴向力F：由于温差而使壳体被
13、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+，表壳体被拉，管子被压，反之则反之。2 温差应力（三）温差应力的补偿1) 减少壳体与管束间的温度差2) 装设挠性构件3) 使壳体和管束自由热膨胀4) 双套管温度补偿二、管子拉脱力的计算(一)产生原因：1原因是：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有分离趋势，产生拉脱力。2拉脱力：管子每平方米胀接周边上所受到的力（单位Mpa）3实验表明：焊接接头，拉脱力不足以引起接头破坏；胀接接头，要进行拉脱力校核，以保证管端与管板连接的牢固性和密封性。（二）计算1） 在操作压力下，每平方米胀接周边所受到的力2） 在温差应力作用下，管子每平方米胀接周边所产生的力（三）管子拉脱力（四）校核：管子拉脱力必须小于许用拉脱力，即例题第六节 管箱与壳程接管一、管箱：深度有一定的要求，满足流通面积的需要。二、壳程接管：1、 旁路挡板：防止流体对换热管造成很大的冲刷2、 导流筒：内导流筒和外导流筒；作用：消除死区，充分利用换热面积；防止流体对换热管造成很大的冲刷。专心-专注-专业