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1、第一页，本课件共有70页金涛金涛金涛金涛：19851985年本科、年本科、年本科、年本科、19891989年硕士、年硕士、年硕士、年硕士、20002000年博士、年博士、年博士、年博士、20032003年博士年博士年博士年博士后毕业于浙江大学化工机械专业。后毕业于浙江大学化工机械专业。后毕业于浙江大学化工机械专业。后毕业于浙江大学化工机械专业。研究方向：研究方向：研究方向：研究方向：故障诊断、计算机工程应用（优化设计、仿真、故障诊断、计算机工程应用（优化设计、仿真、故障诊断、计算机工程应用（优化设计、仿真、故障诊断、计算机工程应用（优化设计、仿真、CAD/CAE/CAMCAD/CAE/CAM）
2、地点：地点：地点：地点：教四教四教四教四-108-108电话：电话：电话：电话：8795282187952821，1385719258113857192581E-mail:E-mail:任课教师任课教师第二页，本课件共有70页什么是换热设备？什么是换热设备？作用及应用场合？作用及应用场合？换热设备的类型？换热设备的类型？换热设备的类型？换热设备的类型？各种换热设备的特点？各种换热设备的特点？如何设计及选用？如何设计及选用？未来发展？未来发展？未来发展？未来发展？提出问题提出问题第三页，本课件共有70页6.1.1 6.1.1 6.1.1 6.1.1 换热设备的应用换热设备的应用换热设备的应用换热
3、设备的应用热量从热量从热流体热流体传递到传递到冷流体冷流体的设备称为换热设备的设备称为换热设备广泛应用于化工、炼油、动力、食品、轻工、原子广泛应用于化工、炼油、动力、食品、轻工、原子能、制药、机械等。能、制药、机械等。在化工厂中，换热设备投资占在化工厂中，换热设备投资占在化工厂中，换热设备投资占在化工厂中，换热设备投资占10%-40%10%-40%。6.1概述概述第四页，本课件共有70页按作用原理按作用原理按作用原理按作用原理或传热方式或传热方式或传热方式或传热方式直接接触换热器直接接触换热器直接接触换热器直接接触换热器蓄热式换热器蓄热式换热器间壁式换热器间壁式换热器间壁式换热器间壁式换热器中
4、间载热体式换热器中间载热体式换热器中间载热体式换热器中间载热体式换热器6.1.2 6.1.2 6.1.2 6.1.2 换热设备的分类及特点换热设备的分类及特点换热设备的分类及特点换热设备的分类及特点6.1概述概述第五页，本课件共有70页直接接触换热器直接接触换热器传热效率高、单位容积提供的传热面传热效率高、单位容积提供的传热面积大、设备结构简单、价格便宜，但积大、设备结构简单、价格便宜，但仅适合工艺上允许两种流体混合的场仅适合工艺上允许两种流体混合的场合。合。热流体热流体热流体热流体冷流体冷流体冷流体冷流体热流体热流体热流体热流体冷流体冷流体冷流体冷流体6.1.2 6.1.2 6.1.2 6.
5、1.2 换热设备的分类及特点换热设备的分类及特点换热设备的分类及特点换热设备的分类及特点6.1概述概述又称混合式换热器，它是利用冷、又称混合式换热器，它是利用冷、热流体直接接触，彼此混合进行热流体直接接触，彼此混合进行换热的换热器。如冷却塔、气压换热的换热器。如冷却塔、气压冷凝器等。冷凝器等。第六页，本课件共有70页蓄热式换热器蓄热式换热器蓄热式换热器蓄热式换热器又称回热式换热器，它是借助又称回热式换热器，它是借助于由固体（如固体填料或多孔性格于由固体（如固体填料或多孔性格子砖等）构成的蓄热体与热流体和子砖等）构成的蓄热体与热流体和冷流体交替接触，把热量从热流体冷流体交替接触，把热量从热流体传
6、递给冷流体的换热器。若两种流传递给冷流体的换热器。若两种流体不允许有混合，则不能采用蓄热体不允许有混合，则不能采用蓄热式换热器。式换热器。热流体热流体热流体热流体冷流体冷流体冷流体冷流体热流体热流体热流体热流体冷流体冷流体冷流体冷流体载热体载热体载热体载热体6.1.2 6.1.2 6.1.2 6.1.2 换热设备的分类及特点换热设备的分类及特点换热设备的分类及特点换热设备的分类及特点6.1概述概述第七页，本课件共有70页间壁式换热器间壁式换热器又称表面式换热器，它是又称表面式换热器，它是利用间壁（固体壁面）将进行利用间壁（固体壁面）将进行热交换的冷热两种流体隔开，热交换的冷热两种流体隔开，互不
7、接触，热量由热流体通过互不接触，热量由热流体通过间壁传递给冷流体的换热器。间壁传递给冷流体的换热器。是工业中应用最为广泛的换热是工业中应用最为广泛的换热器。器。热流体热流体热流体热流体冷流体冷流体冷流体冷流体热流体热流体热流体热流体冷流体冷流体冷流体冷流体6.1.2 6.1.2 6.1.2 6.1.2 换热设备的分类及特点换热设备的分类及特点换热设备的分类及特点换热设备的分类及特点6.1概述概述第八页，本课件共有70页中间载热体式换热器中间载热体式换热器中间载热体式换热器中间载热体式换热器这类换热器是把两个间壁式换热器由在其中循环的载热这类换热器是把两个间壁式换热器由在其中循环的载热体连接起来
8、的换热器，载热体在高温流体换热器和低温流体体连接起来的换热器，载热体在高温流体换热器和低温流体换热器之间循环，在高温流体换热器中吸收热量，在低温流换热器之间循环，在高温流体换热器中吸收热量，在低温流体换热器中把热量释放给低温流体，如体换热器中把热量释放给低温流体，如热管式换热器热管式换热器。6.1.2 6.1.2 6.1.2 6.1.2 换热设备的分类及特点换热设备的分类及特点换热设备的分类及特点换热设备的分类及特点6.1概述概述第九页，本课件共有70页间壁式间壁式间壁式间壁式换热器换热器换热器换热器管式换热器管式换热器管式换热器管式换热器板面式换热器板面式换热器板面式换热器板面式换热器其他形
9、式换热器其他形式换热器其他形式换热器其他形式换热器蛇管式换热器蛇管式换热器蛇管式换热器蛇管式换热器套管式换热器套管式换热器套管式换热器套管式换热器管壳式换热器：管壳式换热器：管壳式换热器：管壳式换热器：应用最广应用最广应用最广应用最广缠绕管式换热器缠绕管式换热器缠绕管式换热器缠绕管式换热器沉浸式蛇管换热器沉浸式蛇管换热器沉浸式蛇管换热器沉浸式蛇管换热器喷淋式蛇管换热器喷淋式蛇管换热器喷淋式蛇管换热器喷淋式蛇管换热器螺旋板式换热器：螺旋板式换热器：螺旋板式换热器：螺旋板式换热器：不易结垢不易结垢不易结垢不易结垢板式换热器板式换热器板式换热器板式换热器板翅式换热器：板翅式换热器：板翅式换热器：板翅
10、式换热器：效率最高效率最高效率最高效率最高板壳式换热器板壳式换热器板壳式换热器板壳式换热器伞板式换热器伞板式换热器伞板式换热器伞板式换热器石墨、聚四氟乙烯、热管换热器石墨、聚四氟乙烯、热管换热器石墨、聚四氟乙烯、热管换热器石墨、聚四氟乙烯、热管换热器这是什么？6.1.2 6.1.2 6.1.2 6.1.2 换热设备的分类及特点换热设备的分类及特点换热设备的分类及特点换热设备的分类及特点6.1概述概述第十页，本课件共有70页螺旋管式换热器螺旋管式换热器螺旋管式换热器螺旋管式换热器 折折折折流流流流杆杆杆杆换换换换热热热热器器器器浮头式外导流筒换热器浮头式外导流筒换热器浮头式外导流筒换热器浮头式外
11、导流筒换热器 U U型管式换热器型管式换热器型管式换热器型管式换热器折流杆换热器折流杆换热器折流杆换热器折流杆换热器6.1.2 6.1.2 6.1.2 6.1.2 换热设备的分类及特点换热设备的分类及特点换热设备的分类及特点换热设备的分类及特点6.1概述概述第十一页，本课件共有70页考虑因素（流体的性质）考虑因素（流体的性质）考虑因素（流体的性质）考虑因素（流体的性质）压力压力压力压力热导率热导率热导率热导率腐蚀性腐蚀性腐蚀性腐蚀性温度温度温度温度允许压降范围允许压降范围允许压降范围允许压降范围清洗维修要求清洗维修要求清洗维修要求清洗维修要求材料价格材料价格材料价格材料价格使用寿命使用寿命使用
12、寿命使用寿命种类种类种类种类粘度粘度粘度粘度热敏性热敏性热敏性热敏性6.1.3 6.1.3 6.1.3 6.1.3 换热器选型换热器选型换热器选型换热器选型6.1概述概述第十二页，本课件共有70页按结构特点按结构特点按结构特点按结构特点结构简单、紧凑结构简单、紧凑结构简单、紧凑结构简单、紧凑造价低造价低造价低造价低固定管板式固定管板式固定管板式固定管板式承受较高压力承受较高压力承受较高压力承受较高压力清洗、更换方便清洗、更换方便清洗、更换方便清洗、更换方便浮头式浮头式浮头式浮头式U U形管式形管式形管式形管式填料函式填料函式填料函式填料函式釜式重沸器釜式重沸器釜式重沸器釜式重沸器产生热应力产生
13、热应力产生热应力产生热应力温差不大温差不大温差不大温差不大不易结垢不易结垢不易结垢不易结垢清洗方便清洗方便清洗方便清洗方便无热应力无热应力无热应力无热应力结构复杂结构复杂结构复杂结构复杂造价高造价高造价高造价高制造时密封要求高制造时密封要求高制造时密封要求高制造时密封要求高结构简单结构简单结构简单结构简单无热应力无热应力无热应力无热应力布管少布管少布管少布管少报废率高报废率高报废率高报废率高承压能力强承压能力强承压能力强承压能力强轴向自由伸缩轴向自由伸缩轴向自由伸缩轴向自由伸缩无热应力无热应力无热应力无热应力产生泄露产生泄露产生泄露产生泄露物料有限制物料有限制物料有限制物料有限制结构简单结构简
14、单结构简单结构简单承受高温、高压承受高温、高压承受高温、高压承受高温、高压无热应力无热应力无热应力无热应力成本高成本高成本高成本高结构复杂结构复杂结构复杂结构复杂清洗方便清洗方便清洗方便清洗方便6.2.1 6.2.1 6.2.1 6.2.1 基本类型基本类型基本类型基本类型6.2管壳式换热器管壳式换热器第十三页，本课件共有70页型式型式型式型式材料材料材料材料换热管换热管换热管换热管尺寸尺寸尺寸尺寸管排列形式及中心距管排列形式及中心距管排列形式及中心距管排列形式及中心距管板管板管板管板管箱管箱管箱管箱管束分程管束分程管束分程管束分程换热管与管板连接换热管与管板连接换热管与管板连接换热管与管板连
15、接平面形平面形平面形平面形椭圆形椭圆形椭圆形椭圆形蝶形蝶形蝶形蝶形管板结构管板结构管板结构管板结构光管光管光管光管球形球形球形球形绕性薄管板绕性薄管板绕性薄管板绕性薄管板强度胀强度胀强度胀强度胀强度焊强度焊强度焊强度焊管程结构管程结构管程结构管程结构管板材料管板材料管板材料管板材料翅片管翅片管翅片管翅片管螺旋槽管螺旋槽管螺旋槽管螺旋槽管螺纹管螺纹管螺纹管螺纹管6.2.2 6.2.2 6.2.2 6.2.2 管壳式换热器结构管壳式换热器结构管壳式换热器结构管壳式换热器结构6.2管壳式换热器管壳式换热器胀焊并用胀焊并用胀焊并用胀焊并用第十四页，本课件共有70页单单单单双双双双三三三三弓形弓形弓形弓
16、形圆盘圆盘圆盘圆盘-圆环圆环圆环圆环旁路挡板旁路挡板旁路挡板旁路挡板挡管挡管挡管挡管壳体壳体壳体壳体折流板或折流杆折流板或折流杆折流板或折流杆折流板或折流杆纵向隔板纵向隔板纵向隔板纵向隔板壳程结构壳程结构壳程结构壳程结构防短路结构防短路结构防短路结构防短路结构拉杆拉杆拉杆拉杆防冲挡板防冲挡板防冲挡板防冲挡板中间挡板中间挡板中间挡板中间挡板6.2.2 6.2.2 6.2.2 6.2.2 管壳式换热器结构管壳式换热器结构管壳式换热器结构管壳式换热器结构6.2管壳式换热器管壳式换热器第十五页，本课件共有70页换热管排列形式换热管排列形式换热管排列形式换热管排列形式正三角形正三角形正三角形正三角形转角
17、三角形转角三角形转角三角形转角三角形正方形正方形正方形正方形转角正方形转角正方形转角正方形转角正方形30306060909045456.2.2 6.2.2 6.2.2 6.2.2 管壳式换热器结构管壳式换热器结构管壳式换热器结构管壳式换热器结构6.2管壳式换热器管壳式换热器换热管换热管第十六页，本课件共有70页管板材料管板材料管板材料管板材料选择管板材料时，除选择管板材料时，除力学性能力学性能外，还应考虑管程和壳程外，还应考虑管程和壳程流体的流体的腐蚀性腐蚀性，以及管板和换热管之间的电位差对腐蚀，以及管板和换热管之间的电位差对腐蚀的影响。当流体无腐蚀性或有轻微腐蚀性时，管板一般的影响。当流体无
18、腐蚀性或有轻微腐蚀性时，管板一般采用压力容器用采用压力容器用碳素钢或低合金钢板或锻件碳素钢或低合金钢板或锻件制造。制造。当当流体腐蚀性较强流体腐蚀性较强时，管板应采用不锈钢、铜、铝、钛时，管板应采用不锈钢、铜、铝、钛等耐腐蚀材料。但对于较厚的管板，若整体采用价格昂贵的等耐腐蚀材料。但对于较厚的管板，若整体采用价格昂贵的耐腐蚀材料，造价很高。工程上常采用不锈钢耐腐蚀材料，造价很高。工程上常采用不锈钢+钢、钛钢、钛+钢、钢、铜铜+钢等钢等复合板，或堆焊衬里复合板，或堆焊衬里。6.2.2 6.2.2 6.2.2 6.2.2 管壳式换热器结构管壳式换热器结构管壳式换热器结构管壳式换热器结构6.2管壳式
19、换热器管壳式换热器第十七页，本课件共有70页管板结构管板结构管板结构管板结构薄管板结构形式薄管板结构形式薄管板结构形式薄管板结构形式（a a）（b b）（c c）（d d）6.2.2 6.2.2 6.2.2 6.2.2 管壳式换热器结构管壳式换热器结构管壳式换热器结构管壳式换热器结构6.2管壳式换热器管壳式换热器第十八页，本课件共有70页管板结构管板结构管板结构管板结构在满足强度的前提下，应尽量减少管板厚度。在满足强度的前提下，应尽量减少管板厚度。薄管板是指相对采用标准、规范（如薄管板是指相对采用标准、规范（如GB151管壳式管壳式换热器、美国管式换热器制造商协会标准换热器、美国管式换热器制造
20、商协会标准TEMA）计）计算所得的管板厚度要薄的多的管板，一般厚度为算所得的管板厚度要薄的多的管板，一般厚度为8-20mm。目前薄管板主要有平面形、椭圆形、蝶形、球形、挠性薄目前薄管板主要有平面形、椭圆形、蝶形、球形、挠性薄管板等形式，最为常用的是平面形薄管板。管板等形式，最为常用的是平面形薄管板。6.2.2 6.2.2 6.2.2 6.2.2 管壳式换热器结构管壳式换热器结构管壳式换热器结构管壳式换热器结构6.2管壳式换热器管壳式换热器第十九页，本课件共有70页管箱管箱管箱管箱壳体直径较大的换热器大多采用管箱结构。管箱位于管壳式壳体直径较大的换热器大多采用管箱结构。管箱位于管壳式换热器的两端
21、，管箱的作用是把从管道输送来的流体均匀地换热器的两端，管箱的作用是把从管道输送来的流体均匀地分布分布到各换热管和把管内流体到各换热管和把管内流体汇集汇集在一起送出换热器。在多管程换在一起送出换热器。在多管程换热器中，管箱还起热器中，管箱还起改变流体流向改变流体流向的作用。的作用。管箱的结构形式主要以换热器是否需要清洗或管束是否需要管箱的结构形式主要以换热器是否需要清洗或管束是否需要分程等因素来决定。分程等因素来决定。管束分程管束分程管束分程管束分程在管内流动的流体从管子的一端流到另一端，称为一个管在管内流动的流体从管子的一端流到另一端，称为一个管程。在管壳式换热器中，最简单最常用的是单管程的换
22、热器。程。在管壳式换热器中，最简单最常用的是单管程的换热器。6.2.2 6.2.2 6.2.2 6.2.2 管壳式换热器结构管壳式换热器结构管壳式换热器结构管壳式换热器结构6.2管壳式换热器管壳式换热器第二十页，本课件共有70页1.1.强度胀强度胀强度胀强度胀强度胀强度胀是指保证换热管与管板连接的密封性能及抗拉脱是指保证换热管与管板连接的密封性能及抗拉脱强度的胀接。常用的胀接有非均匀胀接（机械滚珠胀接）强度的胀接。常用的胀接有非均匀胀接（机械滚珠胀接）和均匀胀接（液压胀接、液袋胀接、橡胶胀接和爆炸胀接和均匀胀接（液压胀接、液袋胀接、橡胶胀接和爆炸胀接等）两大类。等）两大类。换热管与管板连接是管
23、壳式换热器设计、制造最关键的技术之一，是换换热管与管板连接是管壳式换热器设计、制造最关键的技术之一，是换热器热器事故率最多事故率最多的部位。换热管与管板连接的好坏，直接影响换热器的使用寿的部位。换热管与管板连接的好坏，直接影响换热器的使用寿命。命。机械滚珠胀接是最早的胀接方法，目前仍大量使用。机械滚珠胀接是最早的胀接方法，目前仍大量使用。机械滚珠胀接是最早的胀接方法，目前仍大量使用。机械滚珠胀接是最早的胀接方法，目前仍大量使用。强度胀接主要适用于设计压力强度胀接主要适用于设计压力小于等于小于等于4.0MPa；设计温度；设计温度小小于等于于等于300C；操作中无剧烈振动、无过大温度波动及无明显应
24、力；操作中无剧烈振动、无过大温度波动及无明显应力腐蚀等场合。腐蚀等场合。6.2.2 6.2.2 6.2.2 6.2.2 管壳式换热器结构管壳式换热器结构管壳式换热器结构管壳式换热器结构6.2管壳式换热器管壳式换热器第二十一页，本课件共有70页2.2.强度焊强度焊强度焊强度焊强度焊接强度焊接是指保证换热管与管板连接的密封性能及抗拉脱强度是指保证换热管与管板连接的密封性能及抗拉脱强度的焊接。此法目前应用较为广泛。由于管孔不需要开槽，且对管孔的焊接。此法目前应用较为广泛。由于管孔不需要开槽，且对管孔的粗糙度要求布告，管子端部不需要退火和磨光，因此的粗糙度要求布告，管子端部不需要退火和磨光，因此制造加
25、工制造加工简单简单。焊接结构。焊接结构强度高强度高，抗拉脱力强。在高温下也能保证连，抗拉脱力强。在高温下也能保证连接处的密封性能和抗拉脱能力。接处的密封性能和抗拉脱能力。除有较大振动及有缝隙腐蚀的场合，只要材料可焊性好除有较大振动及有缝隙腐蚀的场合，只要材料可焊性好，强度焊接可用于其他任何场合。管子与薄管板的连接应，强度焊接可用于其他任何场合。管子与薄管板的连接应采用焊接方法。采用焊接方法。6.2.2 6.2.2 6.2.2 6.2.2 管壳式换热器结构管壳式换热器结构管壳式换热器结构管壳式换热器结构6.2管壳式换热器管壳式换热器第二十二页，本课件共有70页2.2.胀焊并用胀焊并用胀焊并用胀焊
26、并用采用采用胀焊并用胀焊并用，不仅能改善连接处的抗疲劳性能，而且，不仅能改善连接处的抗疲劳性能，而且还可还可消除应力腐蚀和缝隙腐蚀消除应力腐蚀和缝隙腐蚀，提高使用寿命。因此，此，提高使用寿命。因此，此法得到广泛应用。法得到广泛应用。胀焊并用主要胀焊并用主要用于密封性能要求较高用于密封性能要求较高；承受振动和疲劳载；承受振动和疲劳载荷；有缝隙腐蚀；需要用复合管板等的场合。荷；有缝隙腐蚀；需要用复合管板等的场合。胀焊并用方法，从加工工艺看，主要有胀焊并用方法，从加工工艺看，主要有强度胀强度胀+密封密封焊、强度焊焊、强度焊+胀接、强度焊胀接、强度焊+强度胀强度胀等几种形式。等几种形式。6.2.2 6
27、.2.2 6.2.2 6.2.2 管壳式换热器结构管壳式换热器结构管壳式换热器结构管壳式换热器结构6.2管壳式换热器管壳式换热器第二十三页，本课件共有70页壳体壳体壳体壳体壳程主要由壳体、折流板或折流杆、支承板、纵向隔板、拉杆、防冲挡板、壳程主要由壳体、折流板或折流杆、支承板、纵向隔板、拉杆、防冲挡板、防短路结构等元件组成。防短路结构等元件组成。设置折流板的设置折流板的目的目的是未了提高壳程流体的流速，增加湍动是未了提高壳程流体的流速，增加湍动程度，并使壳程流体垂直冲刷管束，以改善传热，增大壳程流程度，并使壳程流体垂直冲刷管束，以改善传热，增大壳程流体传热系数，同时减少结垢。在卧式换热器中，折
28、流板还起支体传热系数，同时减少结垢。在卧式换热器中，折流板还起支撑管束的作用。撑管束的作用。壳体一般是一个圆筒，在壳壁上焊有接管。壳体一般是一个圆筒，在壳壁上焊有接管。折流板折流板折流板折流板常用的折流板有常用的折流板有弓形弓形和和圆盘圆盘-圆环形圆环形两种。其中弓形有单弓形、双弓形和三两种。其中弓形有单弓形、双弓形和三弓形三种。弓形三种。6.2.2 6.2.2 6.2.2 6.2.2 管壳式换热器结构管壳式换热器结构管壳式换热器结构管壳式换热器结构6.2管壳式换热器管壳式换热器第二十四页，本课件共有70页折流板一般应按等间距布置，管束两端的折流板应尽折流板一般应按等间距布置，管束两端的折流板
29、应尽量靠近壳程进、出口接管。折流板最小间距应不小于壳量靠近壳程进、出口接管。折流板最小间距应不小于壳体内直径的体内直径的1/5，且不小于，且不小于50mm；最大间距应不大于壳体；最大间距应不大于壳体内直径。内直径。折流杆折流杆折流杆折流杆折流板与支持板一般用拉杆和定距管连接在一起。折流板与支持板一般用拉杆和定距管连接在一起。在大直径的换热器中，如折流板间距较大，容易形成在大直径的换热器中，如折流板间距较大，容易形成“死死区区”。宜采用多弓形折流板。宜采用多弓形折流板。新型管束支撑结构新型管束支撑结构折流杆支撑结构。该支撑结构折流杆支撑结构。该支撑结构又折流圈和焊接在折流圈上的支撑杆（杆可以水平
30、、垂又折流圈和焊接在折流圈上的支撑杆（杆可以水平、垂直或其他角度）所组成。支撑杆可由圆钢或扁钢制成。直或其他角度）所组成。支撑杆可由圆钢或扁钢制成。一般一般4块折流圈块折流圈为一组。为一组。6.2.2 6.2.2 6.2.2 6.2.2 管壳式换热器结构管壳式换热器结构管壳式换热器结构管壳式换热器结构6.2管壳式换热器管壳式换热器第二十五页，本课件共有70页防短路结构防短路结构防短路结构防短路结构（1）旁路挡板）旁路挡板（2）挡管）挡管挡管一般与换热管的规格相同，可与折流板点焊固定，也可挡管一般与换热管的规格相同，可与折流板点焊固定，也可用拉杆代替。挡管应用拉杆代替。挡管应每隔每隔3-4排换热
31、管设置一根排换热管设置一根，但不应设置在，但不应设置在折流板缺口处。折流板缺口处。（3 3）中间挡板）中间挡板）中间挡板）中间挡板在在U形管式换热器中设置，中间挡板一般与折流板点焊固形管式换热器中设置，中间挡板一般与折流板点焊固定，中间挡板的定，中间挡板的数量不宜多于数量不宜多于4块块。6.2.2 6.2.2 6.2.2 6.2.2 管壳式换热器结构管壳式换热器结构管壳式换热器结构管壳式换热器结构6.2管壳式换热器管壳式换热器第二十六页，本课件共有70页管板设管板设计的三计的三种基本种基本假设假设1.将管板看承为周边支承条件下承受军部载荷的圆平板，应用平板理论得将管板看承为周边支承条件下承受军
32、部载荷的圆平板，应用平板理论得出计算公式。考虑管孔的削弱，再引入经验性的修正系数。出计算公式。考虑管孔的削弱，再引入经验性的修正系数。2.将管子当作管板的固定支承而管板是受管子支承着的平板。管将管子当作管板的固定支承而管板是受管子支承着的平板。管板的厚度取决于管板上不布管区的范围。实践证明，这种公式适板的厚度取决于管板上不布管区的范围。实践证明，这种公式适用于各种薄管板的计算。用于各种薄管板的计算。3.将管板视为在广义弹性基础上承受军部载荷的多孔圆平板，即把实际的管板将管板视为在广义弹性基础上承受军部载荷的多孔圆平板，即把实际的管板简化为规则排列的管孔削弱、同时又被管子加强的等效弹性基础上的均
33、质等效简化为规则排列的管孔削弱、同时又被管子加强的等效弹性基础上的均质等效圆平板。这种假设既考虑了管子的加强作用，又考虑了管子的削弱作用，比较圆平板。这种假设既考虑了管子的加强作用，又考虑了管子的削弱作用，比较全面，为多数国家采用。全面，为多数国家采用。6.2.3 6.2.3 6.2.3 6.2.3 管板设计管板设计管板设计管板设计6.2管壳式换热器管壳式换热器第二十七页，本课件共有70页管板设管板设计的基计的基本考虑本考虑1.管束对管板绕度的约束作用，但忽略管束对管板转管束对管板绕度的约束作用，但忽略管束对管板转角的约束作用角的约束作用2.管束周边不布管区对管板应力的影响，划管板为管束周边不
34、布管区对管板应力的影响，划管板为两个区。两个区。3.不同结构的换热器，管板边缘连接结构不同，不同结构的换热器，管板边缘连接结构不同，考虑壳体、管箱、法兰、封头、垫片等元件对管考虑壳体、管箱、法兰、封头、垫片等元件对管板应力的影响。板应力的影响。6.2.3 6.2.3 6.2.3 6.2.3 管板设计管板设计管板设计管板设计6.2管壳式换热器管壳式换热器第二十八页，本课件共有70页管板设管板设计思路计思路1.管板弹性分析，将换热器分解成封头、法兰、管板、螺栓、管板弹性分析，将换热器分解成封头、法兰、管板、螺栓、垫片等元件组成的弹性系统，各元件之间的相互作用用内力垫片等元件组成的弹性系统，各元件之
35、间的相互作用用内力表示，管板简化为弹性基础上的等效均质圆平板。但忽略管表示，管板简化为弹性基础上的等效均质圆平板。但忽略管束对管板转角的约束作用束对管板转角的约束作用2.危险工况，壳程压力和管程压力不能同时作用时。危险工况，壳程压力和管程压力不能同时作用时。3.管板应力校核管板应力校核4.管板应力调整管板应力调整5.管板计算软件管板计算软件6.2.3 6.2.3 6.2.3 6.2.3 管板设计管板设计管板设计管板设计6.2管壳式换热器管壳式换热器第二十九页，本课件共有70页薄管板设计薄管板设计1.薄管板主要载荷由管壁与壳壁的温度差决定，流体薄管板主要载荷由管壁与壳壁的温度差决定，流体压力引起
36、的应力与挠度相对来说是不大的。中低压条压力引起的应力与挠度相对来说是不大的。中低压条件的薄管板厚度可直接查表或通过规范计算得到。件的薄管板厚度可直接查表或通过规范计算得到。2.因为薄管板本身的刚度小，载荷主要由管子承担，需要验算因为薄管板本身的刚度小，载荷主要由管子承担，需要验算管子的稳定性。可减小折流板或支持板的间距。管子的稳定性。可减小折流板或支持板的间距。6.2.3 6.2.3 6.2.3 6.2.3 管板设计管板设计管板设计管板设计6.2管壳式换热器管壳式换热器第三十页，本课件共有70页6.2.3 6.2.3 6.2.3 6.2.3 管板设计管板设计管板设计管板设计6.2管壳式换热器管
37、壳式换热器第三十一页，本课件共有70页降低由于管束和壳体间热膨胀差所引起的管板应力、降低由于管束和壳体间热膨胀差所引起的管板应力、换热管与壳体上的轴向应力以及管板与换热管间的拉换热管与壳体上的轴向应力以及管板与换热管间的拉脱力。起到脱力。起到补偿轴向变形补偿轴向变形的作用。的作用。根据设计条件、换热器各元件的实际应力状况，根据设计条件、换热器各元件的实际应力状况，判断是否需要膨胀节。判断是否需要膨胀节。参见参见参见参见GB16749GB16749压力容器波形膨胀节。压力容器波形膨胀节。压力容器波形膨胀节。压力容器波形膨胀节。6.2.4 6.2.4 6.2.4 6.2.4 膨胀节设计膨胀节设计膨
38、胀节设计膨胀节设计6.2管壳式换热器管壳式换热器1.1.膨胀节的作用膨胀节的作用膨胀节的作用膨胀节的作用2.2.是否设置膨胀节的判断是否设置膨胀节的判断是否设置膨胀节的判断是否设置膨胀节的判断3.3.膨胀节设计计算膨胀节设计计算膨胀节设计计算膨胀节设计计算第三十二页，本课件共有70页1.流体诱导振动流体诱导振动2.（1）卡曼旋涡）卡曼旋涡3.（2）流体弹性振动）流体弹性振动4.（3）湍流颤振）湍流颤振5.（4）声振动）声振动6.（5）射流转换）射流转换2.2.管子固有频率管子固有频率3.防振措施防振措施（1）改变流速；）改变流速；（2）改变管子固有频率；）改变管子固有频率；（3）增设消声板；）
39、增设消声板；（4）抑制周期性旋涡；）抑制周期性旋涡；（5）设置防冲板或导流筒。）设置防冲板或导流筒。6.2.5 6.2.5 6.2.5 6.2.5 管束振动与防止管束振动与防止管束振动与防止管束振动与防止6.2管壳式换热器管壳式换热器第三十三页，本课件共有70页6.2.6 6.2.6 6.2.6 6.2.6 设计方法和工艺计算设计方法和工艺计算设计方法和工艺计算设计方法和工艺计算6.2管壳式换热器管壳式换热器换热器设计的换热器设计的主要任务主要任务是参数选择和结构设计、传热计算及是参数选择和结构设计、传热计算及压降计算等。压降计算等。设计主要包括壳体型式、管程数、换热管类型、管长、管子排列、设
40、计主要包括壳体型式、管程数、换热管类型、管长、管子排列、管子支承结构（如折流板结构等）、冷热流体的流动通道、工艺设计管子支承结构（如折流板结构等）、冷热流体的流动通道、工艺设计和封头、壳体、管板等零部件的结构、强度设计计算。和封头、壳体、管板等零部件的结构、强度设计计算。换热器的工艺设计计算依据设计任务的不同可分为换热器的工艺设计计算依据设计任务的不同可分为设计计算和校核设计计算和校核计算计算两种，包括计算换热面积和选型两个方面。两种，包括计算换热面积和选型两个方面。第三十四页，本课件共有70页6.2管壳式换热器管壳式换热器（1）计算换热器的热负荷）计算换热器的热负荷Q（2）确定冷热流体物性参
41、数）确定冷热流体物性参数（3）初选换热器的尺寸规格）初选换热器的尺寸规格（4）计算管程压降与传热系数计算管程压降与传热系数（5）计算壳程压降与传热系数计算壳程压降与传热系数（6）计算总传热系数计算总传热系数K、校核传热面积、校核传热面积（7）对设计结果进行评估及优化对设计结果进行评估及优化6.2.6 6.2.6 6.2.6 6.2.6 设计方法和工艺计算设计方法和工艺计算设计方法和工艺计算设计方法和工艺计算第三十五页，本课件共有70页换热面积计算换热面积计算在管壳式换热器的设计中，确定了一种换热器的结构形式后，首先必须确定的在管壳式换热器的设计中，确定了一种换热器的结构形式后，首先必须确定的在
42、管壳式换热器的设计中，确定了一种换热器的结构形式后，首先必须确定的在管壳式换热器的设计中，确定了一种换热器的结构形式后，首先必须确定的一个重要因素是有效换热面积，换热面积的多少决定了换热器的大小。如果换热一个重要因素是有效换热面积，换热面积的多少决定了换热器的大小。如果换热一个重要因素是有效换热面积，换热面积的多少决定了换热器的大小。如果换热一个重要因素是有效换热面积，换热面积的多少决定了换热器的大小。如果换热面积太小，使工艺过程不能实现，使换热器介质出口温度不能得到有效控制。如面积太小，使工艺过程不能实现，使换热器介质出口温度不能得到有效控制。如面积太小，使工艺过程不能实现，使换热器介质出口
43、温度不能得到有效控制。如面积太小，使工艺过程不能实现，使换热器介质出口温度不能得到有效控制。如果换热面积太大，不仅造成材料的浪费，增加投资，而且增大了换热器的体积，果换热面积太大，不仅造成材料的浪费，增加投资，而且增大了换热器的体积，果换热面积太大，不仅造成材料的浪费，增加投资，而且增大了换热器的体积，果换热面积太大，不仅造成材料的浪费，增加投资，而且增大了换热器的体积，使其占据过多的空间。使其占据过多的空间。使其占据过多的空间。使其占据过多的空间。计算换热面积的一个重要参数是计算换热面积的一个重要参数是计算换热面积的一个重要参数是计算换热面积的一个重要参数是总传热系数总传热系数总传热系数总传
44、热系数，它包括冷热介质的给热系数、介质，它包括冷热介质的给热系数、介质，它包括冷热介质的给热系数、介质，它包括冷热介质的给热系数、介质的污垢系数和金属壁的传热系数。其中计算较为复杂的是介质的给热系数。介质的给的污垢系数和金属壁的传热系数。其中计算较为复杂的是介质的给热系数。介质的给的污垢系数和金属壁的传热系数。其中计算较为复杂的是介质的给热系数。介质的给的污垢系数和金属壁的传热系数。其中计算较为复杂的是介质的给热系数。介质的给热系数不仅与介质的物性有关，而且与介质的流动状态有关。介质的流动状态是由换热系数不仅与介质的物性有关，而且与介质的流动状态有关。介质的流动状态是由换热系数不仅与介质的物性
45、有关，而且与介质的流动状态有关。介质的流动状态是由换热系数不仅与介质的物性有关，而且与介质的流动状态有关。介质的流动状态是由换热器的结构决定的，如果换热器的结构作很小改动，将引起介质流动状态作较大的变热器的结构决定的，如果换热器的结构作很小改动，将引起介质流动状态作较大的变热器的结构决定的，如果换热器的结构作很小改动，将引起介质流动状态作较大的变热器的结构决定的，如果换热器的结构作很小改动，将引起介质流动状态作较大的变化。在一个换热器中，同一种介质的温度是不断变化的，所以在换热器中的不同位置，化。在一个换热器中，同一种介质的温度是不断变化的，所以在换热器中的不同位置，化。在一个换热器中，同一种
46、介质的温度是不断变化的，所以在换热器中的不同位置，化。在一个换热器中，同一种介质的温度是不断变化的，所以在换热器中的不同位置，同一种介质的热力学数据因温度的不同而不同。在实际计算中，往往将一种介质分成同一种介质的热力学数据因温度的不同而不同。在实际计算中，往往将一种介质分成同一种介质的热力学数据因温度的不同而不同。在实际计算中，往往将一种介质分成同一种介质的热力学数据因温度的不同而不同。在实际计算中，往往将一种介质分成许多个温度区域，在不同的温度区域，对介质的热力学数据作相应的计算。在换热器许多个温度区域，在不同的温度区域，对介质的热力学数据作相应的计算。在换热器许多个温度区域，在不同的温度区
47、域，对介质的热力学数据作相应的计算。在换热器许多个温度区域，在不同的温度区域，对介质的热力学数据作相应的计算。在换热器的设计过程中，换热面积的确定是最为关键的一步，它不仅需要计算方法正确严密，的设计过程中，换热面积的确定是最为关键的一步，它不仅需要计算方法正确严密，的设计过程中，换热面积的确定是最为关键的一步，它不仅需要计算方法正确严密，的设计过程中，换热面积的确定是最为关键的一步，它不仅需要计算方法正确严密，而且各种参数必须十分精确。而且各种参数必须十分精确。而且各种参数必须十分精确。而且各种参数必须十分精确。换热器的分析计算过程是一个动态的计算过程，往往须不断地调整换热器的结构参换热器的分
48、析计算过程是一个动态的计算过程，往往须不断地调整换热器的结构参换热器的分析计算过程是一个动态的计算过程，往往须不断地调整换热器的结构参换热器的分析计算过程是一个动态的计算过程，往往须不断地调整换热器的结构参数。而管壳式换热器的结构参数很多，其中一项的改变将会使计算结果产生很大变化，数。而管壳式换热器的结构参数很多，其中一项的改变将会使计算结果产生很大变化，数。而管壳式换热器的结构参数很多，其中一项的改变将会使计算结果产生很大变化，数。而管壳式换热器的结构参数很多，其中一项的改变将会使计算结果产生很大变化，所以需要不断的反复，不仅要使换热面积满足需要，而且还应兼顾到其它许多因素，所以需要不断的反
49、复，不仅要使换热面积满足需要，而且还应兼顾到其它许多因素，所以需要不断的反复，不仅要使换热面积满足需要，而且还应兼顾到其它许多因素，所以需要不断的反复，不仅要使换热面积满足需要，而且还应兼顾到其它许多因素，例如介质阻力情况等等。例如介质阻力情况等等。例如介质阻力情况等等。例如介质阻力情况等等。第三十六页，本课件共有70页管束振动分析管束振动分析对于管壳式换热器，一个容易被忽视的问题是换热管的振动。而换热管束的对于管壳式换热器，一个容易被忽视的问题是换热管的振动。而换热管束的对于管壳式换热器，一个容易被忽视的问题是换热管的振动。而换热管束的对于管壳式换热器，一个容易被忽视的问题是换热管的振动。而
50、换热管束的振动往往是换热管破坏的主要原因振动往往是换热管破坏的主要原因振动往往是换热管破坏的主要原因振动往往是换热管破坏的主要原因，使换热器过早报废。，使换热器过早报废。，使换热器过早报废。，使换热器过早报废。引起换热管振动的引起换热管振动的引起换热管振动的引起换热管振动的因素因素因素因素很多，也较复杂。当介质流量接近使换热管产生共振的临界流很多，也较复杂。当介质流量接近使换热管产生共振的临界流很多，也较复杂。当介质流量接近使换热管产生共振的临界流很多，也较复杂。当介质流量接近使换热管产生共振的临界流量时，将引起换热管束产生较大的振动。另外换热器内部介质的局部湍流、涡流也会引起量时，将引起换热