也可开槽开槽 可以增加连接强度和板式冷却

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　　第三篇 典型化工设备的机械设计 塔设备 搅拌设备 换热器 1 2 3 4 5 第七章 管壳式换热器的机械设计 教学重点 （1）固定管板式换热器的基本结构 （2）典型管壳式换热器的选型 教学难点： 管、壳程的分程及隔板 6 节 一、定义 换热器概述 换热器是用来完成各种不同传热过程的设备。 1、如：开水锅炉、水杯、冰箱、空调等。 2、是许多工业部门广泛应用的通用工艺设 备。通常，在化工的建设中，换热器约 占总投资的11％～ 40％ 。 那么衡量一台换热器好坏的标准是什么呢？ 7 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 满足操作条件 ，强度足够，保证使用寿命 8 三、不同目的的换热器 冷却器（cooler） 冷凝器（condenser） 加热器（一般不发生相变）（heater） 蒸发器（发生相变）（evaporator） 再沸器（reboiler） 废热锅炉（waste heat boiler） 9 四、换热器的基本类型 按传热方式或工作原理分类 热流体 冷流体 1、直接接触式 热流体 传热效果好，但不能 用于发生反应或有影 响的流体之间 冷流体 图7-1 直接接触式换热器 10 2、蓄热式 冷流体 热流体 温度较高的场合， 但有交叉污染， 温度波动大 热流体 冷流体 图7-2蓄热式换热器 11 3、间壁式 重点 ——又称表面式换热器 利用间壁（固体壁面）进行热交换。 冷热两种流体隔开，互不接触，热量 由热流体通过间壁传递给冷流体。 应用为广泛，形式多种多样， 如管壳式换热器、板式换热器等 12 对于间壁式换热器，按间壁形状进一步分为 排管、蛇管、套管 (1)管式 (2)紧凑式 螺旋板式、板式、板 翅、伞板等 重点 (3)管壳式 下面我们来看一看管壳式换热器的基本结构 13 管壳式换热器 14 根据我们前面学习的内容，请同学们说说序号 2、3、8、12、21各代表什么零件？ 图7-3 换热器构件名称 1-管箱(A,B,C,D型);2-接管法兰;3-设备法兰;4-管板;5-壳程接管;6-拉杆;7膨胀节;8-壳体;9-换热管;10-排气管;11-吊耳;12-封头;13-顶丝;14-双头螺 柱;15-螺母;16-垫片;17-防冲板;18-折流板或支承板;19-定距管;20-拉杆螺 母;21-支座;22-排液管;23-管箱壳体;24-管程接管;25-分程隔板;26-管箱盖 15 五、管壳式换热器的分类 基本类型 固定管板式换热器 浮头式换热器 U形管式换热器 填料函式换热器 16 （一）固定管板式换热器 图7-4 固定管板式换热器 结构三维图 优点：结构简单、紧凑、能承受较高的压力，造价低，管 程清洗方便，管子损坏时易于堵管或更换。 缺点：不易清洗壳程，壳体和管束中可能产生较大的 热应力。 17 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。 为减少热应力，通常在固定管板式换热器中设置柔性元 件（如膨胀节、挠性管板等），来吸收热膨胀差。 图7-3 图7-5 带膨胀节的固定管板式换热器 带补偿器的固定管板式换热器 18 （二）浮头式换热器 7-6 浮头式换热器 fts2.rm 图 图7-4 浮头式换热器 fts1.rm 优点： 缺点： 管内和管间清洗方便，不会产生热应力。 结构复杂，设备笨重，造价高，浮头端小盖在 操作中无法检查。 适用场合：壳体和管束之间壁温相差较大，或介质易 结垢的场合。 19 图7-7 浮头结构 沟圈与浮头管板连接 20 U形管式换热器 21 U形管式换热器 22 动画 23 （三）U形管式换热器 图 7-8 U型管式换热器 图7-6 U形管式换热器 优点：结构简单，价格便宜，承受能力强，不会产生热应力。 缺点：布板少，管板利用率低，管子坏时不易更换。 适用场合：特别适用于管内走清洁而不易结垢的高温、高压、腐蚀 性大的物料。 24 （四）填料函式换热器 填料函式密封 图7-9 填料函式换热器 优点：结构简单，加工制造方便，造价低，管内和管间清洗方便。 缺点：填料处易泄漏。 适用场合： 4MPa 以下，且不适用于易挥发、易燃、易爆、有毒及 贵重介质，使用温度受填料的物性限制。 25 六、管壳式换热器设计内容 （一）工艺计算 选型；确定管、壳程；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 。 （二）机械设计 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。 26 课堂提问 说出换热器类型 固定管板式换热器 U形管式换热器 填料函式换热器 浮头式换热器 27 第二节 管子的选用及其与管板的连接 一、管子的选用 （一）直径 单位体积传热面积增大、结构紧凑、 金属耗量减少、传热系数提高 小管径 阻力大，不便清洗，易结垢堵塞 用于较清洁的流体 大管径 粘性大或污浊的流体 28 （二）规格 （外径×壁厚），长度按规定决定 φ19×2、φ25×2.5和φ38×2.5mm无缝钢管 换热管尺寸 φ25×2和φ38×2.5mm不锈钢管 标准管长1.5、2.0、3.0、4.5、6.0、9.0m等 换热器的换热管长度与公称直径之比，一般在 4～25 之间，常用的为6～10。立式换热器，其比值多为4～6。 29 （三）结构型式 光管 翅片管（在给热系数低侧） 强化传热管 螺旋槽管 螺纹管 换热管型式 多用光管，板式冷却器因为结构简单，制造容易， 为强化传热，也采用强化传热管。 30 图7-10 几种异形管 （a）扁平管 （b）椭圆管 （c）凹槽扁平管（d）波纹管 31 图7-11 纵向翅片管 （a）焊接外翅片管 （c）镶嵌式外翅片管 （b）整体式外翅片管 （d）整体式内外翅片管 32 图7-12 径向翅片管 图7-13 螺纹管 33 （四）材料 由压力、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。 碳素钢 低合金钢 不锈钢 金属材料 铜 铜镍合金 非金属材料 石墨 陶瓷 聚四氟乙烯等 铝合金 钛等 34 二、管子与管板的连接 （一）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。 （a）胀管前 （b）胀管后 35 图7-14 胀管前后示意图 液压 胀管器 36 液压胀接 37 机械胀接 38 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。 原因：温度升高，残余应力减小，使管子与管板 间的胀接密封性能、紧固性能都下降，故设计温 度≤300℃ 。 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(开槽 可以增加连接强度和紧密性)。 39 图7-15 胀管连接结构及尺寸 40 （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。 管板 换热管 ? d0 间隙 d0 图7-16 焊接间隙示意图 41 (a) (c) 图7-14 焊接接头的结构 图7-14 焊接接头的结构 (b) 图7-14 焊接接头的结构 (d) 图7-17 焊接接头的结构 42 （三）胀焊并用 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 概念解释：密封焊—不保证强度，只防漏； 强度焊—既防漏，又保证抗拉脱强度； 贴胀—只消除间隙，不承担拉脱力； 强度胀—既消除间隙，又满足胀接强度。 目前，先焊后胀与先胀后焊两派学说仍处于争议之中。板式冷却器 43 第三节 管板结构 一、换热管排列方式 （一）正三角形和转角正三角形排列 流 体 流 动 方 向 流 体 流 动 方 向 正三角形排列 转角正三角形排列 图7-18 正三角形排列的管子 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。 44 45 （二）正方形和转角正方形排列 流 体 流 动 方 向 流 体 流 动 方 向 正方形排列 转角正方形排列 图7-19 正方形排列的管子 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。 46 （三）组合排列法 在多程换热器中多采 用组合排列方法。即 每一程中都采用三角 形排列法，而在各程 之间，为了便于安装 隔板，则采用正方形 排列法，如图7－20。 图7-20 组合排列法 47 二、管间距 （一）定义 管间距指两相邻换热管中心的距离。 （二）要求 管间距≥1.25d0，符合表7-5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。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。 48 表7-1 常用换热管中心距/mm 换热管外径do 12 14 19 25 32 38 45 57 换热管中心距 16 19 25 32 40 48 57 72 外层换热管中心至壳体内表面的距离不应小于 [(换热管外径的一半)＋10mm]。 49 三、管程的分程及管板与隔板的连接 （一）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。 50 （二）分程原则 ①各程换热管数应大致相等； ②相邻程间平均壁温差一般不应超过28℃； ③各程间的密封长度应短； ④分程隔板的形状应简单。 （三）分程隔板 封头 隔板 管板 管板 隔板 图7-21 双层隔板与管板的密封 51 图7-22 单层隔板与管板的密封 （四）分程方式 表7－2 管程布置表 管程数 流动顺序 管箱隔板 介质返回 侧隔板 图序 a b c d e f g 52 1 2 1 2 1 2 3 4 1 4 4 2 3 1 2 4 3 2 5 1 6 3 4 6 2 1 3 4 6 5 五、管板与壳体的连接结构 （一）不可拆的焊接式 固定管板式换热器管板与壳体的连接 兼做法兰 不兼做法兰 53 图7-23 -01 兼作法兰时管板与壳体的连接结构 54 图7-23 -02 兼作法兰时管板与壳体的连接结构 55 图7-23 -03 兼作法兰时管板与壳体的连接结构 56 图7-24 不兼作法兰时管板与壳体的连接结构 57 （二）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7-25 管板与壳体可拆连接 58 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 ①提高壳程内流体的流速 ②加强湍流强度 ③提高传热效率 ④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。 59 2、结构 弓形、圆盘－圆环形和带扇形切口。 图7-26 弓形折流板 60 图7-27 圆盘-圆环形折流板 图7-28 带扇形切口折流板 61 折流板缺口垂直左右布置 62 折流板的加工 63 3、尺寸 厚度 与壳体直径和折流板间距有关 折流板小厚度按下表选取 表7-3 折流板的厚度 64 弓形折流板间距 小间距≥ 1 max 5 Di，50mm 间距：不超过下表规定，且≤Di 表7-4 折流板和支承板间距厚度 65 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7-5 表7-5 折流板和支承板的外径 66 折流板的固定 折流板和支承板的固定是通过拉杆和定距管来实现 的 图7-29 折流板的组装 67 二、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。 图7-30 旁路挡板的结构 68 旁路挡板 旁路挡板 折流板 折流板 图7-31 旁路挡板的结构 69 三、拦液板 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7-32 拦液板 70 第五节 温差应力 一、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); 图7-33 壳体与管子的膨胀与压缩71 1、温差应力产生的原因（续） 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 ? ? t ( t= )L )L 图7-33 壳体与管子的膨胀与压缩 ? =? t ( t t 0 —安装时的温度，℃ tt ? t , ? s —分别为管子和壳体材料的温度膨胀系数，1/℃； ， —分别为操作状态下管壁温度和壳壁温度，℃ ts 72 1、温差应力产生的原因（续） 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。 图7-33 壳体与管子的膨胀与压缩 73 2、温差应力的计算 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 壳体被拉，管子被压，反之则反之。 根据虎克定律： FL ? t ? ? ? FL ? t ? ? ? Et At Et At 图7-33 壳体与管子的膨胀与压缩 FL ? ? ? s ? FL ? ? ? s ? E s As E s As ?t ? ? s ? FL FL ? Et At E s As 74 ? s ? ? s (ts ? t0 ) L 代入上式并整理得 将 ? t ? ?t (tt ? t0 ) L ， F? 式中 ? t (t t ? t 0 ) ? ? s (t s ? t 0 ) 1 1 ? Et At E s As ? t ,? s ——分别为管子和壳体材料的线 ——安装时的温度，℃； tt , t s ——分别为操作状态下管壁温度和壳壁温度，℃； Et , Es ——分别为管子和壳体材料的弹性模量，MPa； At ——换热管总截面面积，mm2； 75 As ——壳壁横截面面积，mm2 。 温差应力 F ?t ? At F ?s ? As ? t ,? s ——分别为管子和壳体中的温差应 力，MPa 76 3、温差应力的补偿 减少壳体与管束间的温度差 将传热膜系数大的流体通入管间空间 装设挠性构件 用得多的是在固定管板式换热器的壳体上装设 波形膨胀节 77 使壳体和管束自由热膨胀 换热器的管束有一端能自由伸缩，这样壳体和管 束的热胀冷缩便互不牵制，可自由地进行。所以 这种结构完全消除了热应力。请同学们说说有哪 些结构的换热器可以消除热应力。 78 双套管温度补偿 在高温高压换热器 中，也有采用插入 式的双套管温度补 偿结构。如图7—34 所示。板式冷却器 图7-34 插入式双套管补偿结构 79 二、管子拉脱力的计算 1、产生原因 拉脱力 管子每单位面积胀接周边上所受到的力 介质压力 温差应力 管子和管板接头处有 分离趋势 拉脱力 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。 80 2、计算 操作压力引起 操作压力下，每平方米胀接周边所受到的力 pf qp ? ?d 0 l pf qp ? ?d 0 l p—设计压力，取管程压力 pt 和壳程压力表 ps 二者中的较大者，Mpa; d0—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 81 2、计算 ? t at ? t ?d 02 ? d i2 ? ? 温差应力引起 qt ? 管子每平方米胀接周边所产生的力 ?d 0 l 4d 0 l ? t at ? t ?d qt ? ? ?d 0 l 4d 0 l 2 0 ?d 2 i ? 式中 ? t —管子中的温差应力，Mpa a t —每根管子管壁横截面积，mm2 d 0 、d i —分别为管子外径，内径，mm 82 2、计算 管子拉脱力 q q p 和qt 同向时，拉脱力q ? q p ? qt q p 和qt 反向时，拉脱力 q ? q p ? qt ， 方向与 q p 和qt 中的较大者同向 校核 q ? [q] 83 84 85 86 作 业 一、课堂思考 P233，第二大题 二、课外作业 P233一、5、10、12、13 87
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