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第三篇典型化工设备的机械设计第七章管壳式换热器的机械设计1第一节管壳式换热器的分类形管式填料函式换热器浮头式换热器固定管板式换热器U新型？23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）4➢传热效率高，流体阻力小；➢强度、刚度、稳定性足够；➢结构合理，节省材料，成本较低；➢制造、装拆、检修方便等。化工生产对换热设备提出的要求是什么？管壳式换热器常见失效原因⁜管束与管板的连接失效⁜换热管与折流板接触面处振动引起的失效⁜管束失效⁜管板与壳体连接处的失效5•总体结构图如图盖（或底）；2－管板；3－管子；4－外壳；5－法兰；6，7－连接管；8－支座；9－折流板6•总体结构如图71.固定管板换热器◼优点：（1）结构较简单（2）造价较低◼适合：介质须较清洁，不易结垢；管程与壳程温差不大；壳程压力不高。◼缺点：（1）壳程难清洗（2）存在有温差应力82.浮头式换热器◼特点：（1）一端管板固定，另一端管板可在壳体内移动，不产生温差应力；（2）管束可以抽出，管、壳程都便于清洗；（3）结构复杂，浮头内漏不便检查；（4）管束与壳体间隙较大，影响传热。◼适合：管、壳温差较大，介质易结垢的场合93.填料函式换热器◼特点：（1）管束一端可自由伸缩——不产生温差应力；（2）管束可以抽出，管内外均易清洗；（3）填料密封不可靠，壳程介质易外漏，因此，壳程介质不宜处理易挥发、易燃、易爆、有毒的介质。104.U形管式换热器◼特点：（1）只有一个管板，结构简单；（2）管子可以自由膨胀——不产生温差应力；（3）管束可抽出,管间易清洗；（4）管内不便清洗，管子不易更换；（5）管板上布管少，结构不紧凑。◼适合：管内介质清洁、高压、高温、腐蚀场合。1112弯管目的之一：减少热应力合成氨废热锅炉采用刺刀管除了弯管有无其它结构？第二节管壳式换热器的选型与主要组合部件1主要部件➢管壳式换热器选型是设计工作的关键之一，选型与主要部件有关➢管壳式换热器的主要组合部件有前端管箱壳体后端结构（包括管束）三部分，详细分类以及代号（英文字母）如下所示：1314152、换热器型号的表示方法级换热器管/壳程数，单壳程时写－公称长度（），－换热管外径（）公称换热面积（）管/壳程设计压力（),压力相等时只写公称直径（），对于釜式重沸器用分数表示，分子为管箱内直径，分母为圆筒内直径。第一个字母代表前端管箱型式第二个字母代表壳体型式第三个字母代表后端结构型式16现举例说明◆浮头式换热器•平盖管箱，公称直径500mm，管程和壳程设计压力均为1.6MPa，公称换热面积54㎡，较高级冷拔换热管外径25mm，管长6m，4管程单壳程的浮头式换热器，其型号为：AES500-1.6-54-6/25-4Ⅰ17◆固定管板式换热器•封头管箱，公称直径700mm，管程设计压力2.5MPa，壳程设计压力1.6MPa，公称换热面积200㎡，较高级冷拔换热管外径25mm,管长9m，4管程单壳程的固定管板式换热器，其型号为：BEM700-2.5/1.6-200-9/25-4Ⅰ18◆U型管式换热器•封头管箱，公称直径500mm，管程设计压力4.0MPa，壳程设计压力1.6MPa，公称换热面积75㎡，较高级冷拔换热管外径19mm,管长6m，2管程单壳程的U型管式换热器，其型号为：BIU500-4.0/1.6-75-6/19-2Ⅰ19◆釜式重沸器•平盖管箱，管箱内直径600mm，圆筒内直径1200mm，管程设计压力2.5MPa，壳程设计压力1.0MPa，公称换热面积90㎡，普通级冷拔换热管外径25mm,管长6m，2管程釜式重沸器，其型号为：AKT-600/1200-2.5/1.0-90-6/25-2Ⅱ20◆浮头式冷凝器•封头管箱，公称直径1200mm，管程设计压力2.5MPa，壳程设计压力1.0MPa，公称换热面积610㎡，普通级冷拔换热管外径25mm,管长9m，4管程单壳程的浮头式冷凝器，其型号为：BJS1200-2.5/1.0-610-9/25-4Ⅱ21◼机械设计内容：1.选材（壳体、封头、管板、管子等）2.结构设计确定各部件的结构形式和尺寸、位置、连接方式等3.强度设计确定壳体、封头、管板等部件的强度尺寸（厚度）4.温差应力计算；5.管子拉脱力计算。第三节机械设计内容22第三节管壳式换热器的结构一.管壳式换热器整体结构2324换热管一般采用无缝钢管。为了强化传热效果，可制成翅片管、螺旋槽管等。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）实际--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。1换热管结构25几种异形管（a）扁平管（b）椭圆管（c）凹槽扁平管（d）波纹管纵向翅片管（a）焊接外翅片管（b）整体外翅片管（c）镶嵌外翅片管（d）整体内外翅片管26螺纹管径向翅片管27（2）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28（3）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(主要是管外）。（a）正三角形和转角正三角形排列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2930（b）正方形和转角正方形排列管间形成一条直线通道，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。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31（c）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。组合排列法32（4）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，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。33常用换热管中心距/mm换热管外径do1214192532384557换热管中心距1619253240485772一般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。342.管子与管板的连接A.胀接◼工具：胀管器◼工艺过程：管子端部——塑性变形管板孔边缘——弹性变形◼胀管结束后：管板孔边缘弹性收缩回复，挤压管端并贴紧，达到密封紧固连接的目的。3536胀管方法37机械胀接38液压胀接39液压胀管器B.焊接在高温、高压下，仍能保持连接的紧密性；管板孔加工精度要求不高，可节省孔的加工工时；抗拉脱力强在焊接接头处，产生热应力，可能造成应力腐蚀和破坏；管子与管板孔间存在间隙，容易造成间隙腐蚀。40管子与管板常采用的焊接形式41C.胀焊并用◼吸取胀接和焊接的优点，克服单纯的焊接及胀接的缺点，满足更苛刻的操作条件。◼优点（1）连接紧密,提高连接处的抗疲劳性能；（2）消除应力腐蚀和间隙腐蚀，提高使用寿命。适用于压力和温度均很高的场合42二.管板结构及其与壳体的连接1.固定式管板——用于固定式管板换热器。43管板与壳体的连接结构兼作法兰情况：44管板不兼作法兰结构：452.非固定式◼浮头式、U形管式、填料函式换热器采用的连接结构◼优点（1）可避免产生温差应力（2）便于清洗和维修◼缺点（1）结构复杂（2）密封性较差46三、其它附件的作用与结构1折流板及支撑板作用：a.提高壳程流体流速，改变流动方向—提高传热效率。b.支撑换热管。形式：a.弓形；b.圆盘-圆环形；c.扇形。474849折流板与壳体间隙；折流板厚度；折流板管孔与管外径；管孔中心距；管孔倒角。注意：折流板设计注意事项@壳程流路@太简单！50（1）壳程流路分布C、E、F不利于传热。E－利用制作技术予以减小；C－减小管束与壳体内壁间隙；F－来自换热器分程隔板。Tinker模型防止短路结构（2）旁路挡板阻挡C路，走B路。2旁路挡板避免流体走短路，沿纵向设置板条，迫使流体穿过管束。513拦液板作用：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。52第三节温差应力1.温差应力的产生：LttLtt)()(0sSS0ttt−=−=ssstttAEFLAEFL=−=−53ssttSSt0ss0tt:11)()(AFAFAEAEttttFt==+−−−=壳壁内温差应力：管壁内温差应力温差轴向力542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552.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56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：ldpfq0p=（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：ldddldaq02i20t0ttt4)(−==（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。57（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：583温差应力的补偿目的：解决壳体与管束轴向变形的不一致性。或者说，消除壳体与管子间的刚性约束，实现壳体和管子自由伸缩。补偿方法：1.减小壳体与管束间的温度差•使传热膜系数大的流体走壳程；•壳壁温度低于管壁温度时，对壳体进行保温。2.装设挠性构件•壳体上安装膨胀节593.采用壳体与管束自由伸缩的结构填料函式换热器浮头式换热器U形管式换热器双套管式换热器604膨胀节结构及设置——装在固定管板式换热器上的挠性元件。1.膨胀节的作用及结构形式：作用：对管子与壳体的膨胀变形差进行补偿，以消除或减小温差应力；2.结构形式：1）平板焊接膨胀节；2）波形膨胀节；613）夹壳式膨胀节4）波纹管62◼设置膨胀节必要性判断：——通过计算判断（1）计算壳体和管子承受的最大应力s21sAFF+=t31tnaFF+−=式中：σs,σt—分别为壳体和管子承受的最大应力，MPaF1—由管子和壳体间的温差所产生的轴向力，N11)()(ssttossott1EAEnattttF+−−−=63F2—由壳程和管程压力作用在壳体上所产生的轴向力，Nttssss2EnaEAEQAF+=F3—由壳程和管程压力作用在管子上所产生的轴向力，Nttsstt3EnaEAEQnaF+=Q—壳程和管程压差产生的力，N])2()[(4t2tos2o2ipdnpndDQ−+−=64（2）计算管子拉脱力ldaldfpqqqotttotp+=+=t1ttnaF=（3）比较当满足下列条件之一时，须设置膨胀节][;][2;][2ttttssqq◼膨胀节的选用按GB16749—1997《压力容器波形膨胀节》标准选用65第四节管壳式换热器流体流路选择及操作1流路选择流体经过换热器时应走管程还是走壳程，需要考虑多方面因素，不能提出一定的规则。但总的原则是有利传热、防止腐蚀、减少阻力、不易结垢、便于清扫➢腐蚀性介质走管程，以免使管程和壳程材质都遭到腐蚀。➢有毒介质走管程，这样泄漏的机会就少一些。➢流量小的流体走管程，以便选择理想的流速，流量大的流体宜走壳程。➢高温、高压流体走管程，因管子直径较小可承受较高的压力。661流路选择➢容易结垢的流体在固定管板式和浮头式换热器中走管程，在U形管式换热器中走壳程，这样便于清洗和除垢；若是在冷却器中，一般是冷却水走管程、被冷却流体走壳程。➢流