第七章--管壳式换热器的机械设计1

第三篇典型化工设备的机械设计换热器搅拌设备塔设备教学重点（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、壳程的分程及隔板第七章管壳式换热器的机械设计第一节换热器概述一、定义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、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，在化工厂的建设中，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？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）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2、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。应用最为广泛，形式多种多样，如管壳式换热器、板式换热器等对于间壁式换热器，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、套管重点下面我们来看一看管壳式换热器的基本结构接管法兰管箱容器法兰排气管膨胀节管板拉杆定距管折流板换热管壳程接管支座排污口管程接管管壳式换热器的结构图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？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（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固定管板式换热器结构三维图为减少热应力，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7-5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。补偿圈补偿：在外壳上焊上一个补偿圈。当外壳和管子热胀冷缩时，补偿圈发生弹性形变，达到补偿的目的。特点1.一个大管板，一个小管板，小管板在壳体内滑动——无温差应力；2.管束可以抽出，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。.（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7-6浮头式换热器图7-4浮头式换热器看看二维图浮头补偿：换热器两端管板之一不固定在外壳上（此端称为浮头），当管子受热或受冷时，连同浮头一起自由伸缩，而与外壳的膨胀无关。1.只有一个管板，结构简单；2.管子可以抽出，管间易清洗；3.管子可以自由膨胀；4.管内不便清洗，不易更换；5.结构不紧凑。（三）U形管式换热器图7-8U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。图7-6U形管式换热器看看二维图U形管补偿：将管子两端都固定在同一管板上，每根管子可以自由伸缩，与其他管子和外壳无关。特点：1.一端可自由伸缩—不产生热应力；2.管束可以抽出，管内外均易清洗；3.填料将壳程介质与外界隔开，易外漏，介质受限制；（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7-9填料函式换热器看看二维图（一）工艺计算六、管壳式换热器设计内容选型；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。小结说出换热器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（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1500、2000、3000、4500、6000、7500、9000、12000m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。（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。（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7-14胀管前后示意图（a）胀管前（b）胀管后胀管结束后：管板孔边缘弹性回复，挤压管端并贴紧。胀管过程发生：管子端部——塑性变形；管板孔边缘——弹性变形。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)。优点：工艺简单方便；消除间隙——避免间隙腐蚀。缺点：温度升高时，管端会发生松弛——泄漏。适用条件：p≤4.0MPa,t≤300℃。注意：管端硬度＜管板硬度。为什麽？如何实现？保证紧密性的方法：•管板孔开槽；•胀接周边保证清洁；•管子硬度低于管板孔周边硬度。保证管端硬度较低并且低于管板硬度的方法：•管端退火处理。•选材考虑。（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焊接间隙示意图管板间隙换热管0d0d图7-17焊接接头的结构图7-14焊接接头的结构图7-14焊接接头的结构(a)图7-14焊接接头的结构c图7-14焊接接头的结构(c)(b)(d)（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。主要优点：连接紧密，提高抗疲劳能力；消除间隙腐蚀和应力腐蚀；提高使用寿命。目前，先焊后胀与先胀后焊两派学说仍处于争议之中。先焊后胀胀接使用的润滑油，在焊接时形成气体，恶化焊缝质量控制胀管过程先胀后焊胀接使管壁紧贴管板孔壁，可防止产生裂纹不使用润滑油第三节管板结构一、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7-18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（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7-19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（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7-1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。表7-1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]。简单的套管换热器把流体流经管束称为管程，该流体称为管程流体；把流体流经管间环隙称为壳程，该流体称为壳程流体。管程流体在管束内来回流过几次，就称为与次数相同程数的换热器。管程的分程及管板与隔板的连接三、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（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隔板：单层及双层隔板挡板管束壳体管程数：单管程、双管程、多管程壳程数：单壳程、双壳程、多壳程t1T1T2t2单管程、单壳程t1T2T1t2双管程列管式t1T2T1t2双管程、双壳程管壳式换热器管箱分程：分程举例：2程——4程——（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214612123414231432213546146325bacdefg4.分程隔板及其与管板间的密封管箱结构：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图7-23-01兼作法兰时管板与壳体的连接结构图7-23-02兼作法兰时管板与壳体的连接结构图7-23-03兼作法兰时管板与壳体的连接结构图7-24不兼作法兰时管板与壳体的连接结构（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。2、结构弓形、圆盘－圆环形和带扇形切口折流板的常用形式•弓形折流板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下表选取表7