管壳式换热器的机械设计讲义

1典型化工设备的机械设计换热器搅拌设备塔设备2教学重点（1）典型管壳式换热器的选型（2）固定管板式换热器的基本结构（3）管子的选用及管板的连接（4）温差应力产生的原因及补偿措施教学难点：管、壳程的分程及隔板管壳式换热器的机械设计3概述一、定义换热器是用来完成各种不同传热过程的设备。3.可靠性满足操作条件,强度足够,保证使用寿命二、衡量标准2.合理性1.先进性可制造加工，成本可接受传热效率高，流体阻力小，材料省4相关概念•换热器传热效率ε定义为实际传热速率Q和理论上的最大传热速率Qmax之比：ε=Q/Qmax•当忽略换热器的热损失时，实际的传热速率等于冷流体吸收热量的速率，或者是热流体放出热量的速率。•无论何种型式的换热器，其最大可能的传热速率应遵循由热力学所规定的极限。5三、不同目的的换热器冷却器（cooler）冷凝器（condenser）蒸发器（发生相变）（evaporator）加热器（一般不发生相变）（heater）再沸器（reboiler）废热锅炉（wasteheatboiler）6四、换热器的基本类型按传热方式或工作原理分类1、直接接触式传热效果好，但不能用于发生反应或有影响的流体之间图7-1直接接触式换热器热流体冷流体热流体冷流体72、蓄热式温度较高的场合，但有交叉污染，温度波动大图7-2蓄热式换热器冷流体冷流体热流体热流体83、间壁式——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。应用最为广泛，形式多种多样，如管壳式换热器、板式换热器等9对于间壁式换热器，按间壁形状进一步分为(3)管壳式(1)管式(2)紧凑式螺旋板式、板式、板翅、伞板等排管、蛇管、套管重点10板式换热器•板式换热器是由一系列具有一定波纹形状的金属片叠装而成的一种新型高效换热器。各种板片之间形成薄矩形通道，通过半片进行热量交换。•板式换热器是液—液、液—汽进行热交换的理想设备。•它具有换热效率高、热损失小、结构紧凑轻巧、占地面积小、安装清洗方便、应用广泛、使用寿命长等特点。•在相同压力损失情况下，其传热系数比管式换热器高3-5倍，占地面积为管式换热器的三分之一，热回收率可高达90%以上。11板式换热器12螺旋板式换热器13板式换热器14新型换热器15管壳式换热器1617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18列管式换热器•列管式换热器是目前化工生产上应用最广的一种换热器。它主要由壳体、管板、换热管、封头、折流挡板等组成。所需材质，可分别采用普通碳钢、紫铜、或不锈钢制作。•在进行换热时，一种流体由封头的连结管处进入，在管流动，从封头另一端的出口管流出，这称之管程；另-种流体由壳体的接管进入，从壳体上的另一接管处流出，这称为壳程19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五、管壳式换热器的分类基本类型20（一）固定管板式换热器优点：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。图7-4固定管板式换热器动画221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带膨胀节的固定管板式换热器图7-2固定管板式换热器图7-3带补偿器的固定管板式换热器适用场合：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。22（二）浮头式换热器优点：管内和管间清洗方便，不会产生热应力。缺点：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。图7-4浮头式换热器图7-4浮头式换热器fts1.rm23（三）U形管式换热器图7-6U型管式换热器优点：结构简单，价格便宜，承受能力强，不会产生热应力。缺点：布管少，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。图7-6U形管式换热器24（四）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。填料函式密封图7-5填料函式换热器25管子的选用及其与管板的连接一、管子的选用（一）直径粘性大或污浊的流体大管径单位体积传热面积增大、结构紧凑、金属耗量减少、传热系数提高阻力大，不便清洗，易结垢堵塞用于较清洁的流体小管径26（二）规格（外径×壁厚），长度按规定决定换热管尺寸φ19×2、φ25×2.5和φ38×2.5mm无缝钢管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。27（三）结构型式换热管型式光管强化传热管螺旋槽管螺纹管翅片管（在给热系数低侧）多用光管，因为结构简单，制造容易，为强化传热，也采用强化传热管。28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29图7-8纵向翅片管（a）焊接外翅片管（b）整体式外翅片管（c）镶嵌式外翅片管（d）整体式内外翅片管30（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。金属材料碳素钢低合金钢不锈钢铜铜镍合金铝合金钛等非金属材料石墨陶瓷聚四氟乙烯等31二、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。图7-11胀管前后示意图（a）胀管前（b）胀管后32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)。3334（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。图7-16焊接间隙示意图35管与管板焊接形式：36（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。37管板结构一、换热管排列方式三角形排列紧凑，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。（一）正三角形和转角正三角形排列图7-15正三角形排列的管子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38（二）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。图7-16正方形排列的管子流体流动方向流体流动方向转角正方形排列正方形排列39（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7-17组合排列法40二、管间距（一）定义（二）要求管间距指两相邻换热管中心的距离。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。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。41表7-5常用换热管中心距/mm换热管外径do1214192532384557换热管中心距1619253240485772最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]。42三、管程的分程及管板与隔板的连接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。（一）分程原因43管箱分程：分程举例：2程—管内流动的液体从管子的一端流到另一端，称为一个管程。444程—45（二）分程原则（三）分程隔板图7-21双层隔板与管板的密封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最短；④分程隔板的形状应简单。图7-22单层隔板与管板的密封隔板管板封头隔板管板46（四）分程方式表7－2管程布置表图序管箱隔板介质返回侧隔板管程数流动顺序214612123414231432213546146325bacdefg47五、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48兼作法兰情况：49（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50作用：1、提高壳程流体流速，改变流动方向—提高传热效率。2、支撑换热管。形式：a.弓形；b.圆盘-圆环形；c.扇形。填空其它附件的作用与结构一、折流板及支撑板5152壳体与管束之间存在有较大间隙时，为避免流体走短路，沿纵向设置板条，迫使流体穿过管束。二、旁路挡板53作用：在立式冷凝器中，用来减薄管壁上的液膜以提高传热膜系数。三、拦液板54一、温差应力的产生：LttLttsSSottt)()(0sSstttAEFLAEFL温差应力55ssttSSttssttAFAFAEAEttttF壳壁内温差应力：管壁内温差应力温差轴向力:11)()(0056二、管子拉脱力的计算——限于管子与管板胀接情况。1.介质压力和温差力对管板的作用：假设管壁温度＞壳壁温度572.拉脱力的计算计算的目的：保证胀接接头的牢固连接和良好的密封性。拉脱力定义：管子每平方米胀接周边上所受的力，单位为帕。引起拉脱力的因素为：操作压力和温差力。（1）操作压力引起的拉脱力qp:介质压力作用的面积f如图示58介质压力p，取管程压力和壳程压力两者中的较大者。管子外径为d0；管子胀接长度为l。则拉脱力为：ldpfqp0（2）温差力引起的拉脱力qt：每根管承受温差力为σt×at。则拉脱力为：ldddldaqitttt022004)(（3）合拉脱力：两者使管子受力方向相同—取之和；两者使管子受力方向相反—取之差。59（4）拉脱力判据：计算合拉脱力必须小于许用拉脱力：q＜[q]管端不卷边，管板孔不开槽——取2.0MPa。管端卷边或管板孔开槽——取4.0MPa。许用拉脱力[q]的确定：60例1有一台固定管板式换热器,已知条件如下,求管子的拉脱力。管子壳体操作压力(MPa)1.60.6操作温度(oC)200100材料10Q235-B线膨胀系数(1/oC)11.8×10－611.8×10－6弹性模量(MPa)0.21×1060.21×106许用应力(MPa)111124.6尺寸(mm)Φ25×2.5×1500Φ800×6=内径×壁厚管子数(根)501排列方式正三角形管间距(mm)a＝32管子与管板的连接结构开槽胀接胀接长度(mm)l＝29许用拉脱力(MPa)4.0