1、第七章 管殼式換熱器的機械設(shè)計7.1 概述7.2 管子的選用及其與管板的聯(lián)接7.3 管板結(jié)構(gòu)7.5 溫差應(yīng)力7.6 管箱與殼程接管7.4 折流板、支撐板、旁路擋板及攔 液板的作用與結(jié)構(gòu)7.7 管殼式換熱器的機械設(shè)計舉例2022/10/8第七章 管殼式換熱器的機械設(shè)計7.1 概述7.2 管子第七章 管殼式換熱器的機械設(shè)計本章重點：固定管板式換熱器的基本結(jié)構(gòu)及其機 械設(shè)計本章難點：管、殼的分程及隔板計劃學(xué)時：8學(xué)時2022/10/8第七章 管殼式換熱器的機械設(shè)計本章重點：固定管板式換熱器的7.1 概 述 換熱器是用來完成各種不同傳熱過程的設(shè)備。 換熱器質(zhì)量好壞的衡量標(biāo)準(zhǔn)： 1）先進性傳熱效率高，流

2、體阻力小，材料?。?2）合理性可制造加工，成本可接受； 3）可靠性強度滿足工藝條件。 根據(jù)不同的目的，換熱器可以分為：1、冷卻器（cooler）1）用空氣作介質(zhì)空冷器（aircooler）2）用氨、鹽水、氟里昂等冷卻到020保冷器（deepcooler）2022/10/87.1 概 述 換熱器是用來完成各種不同傳熱過程的設(shè)備7.1 概 述2、冷凝器（condenser）1）分離器2）全凝器3、加熱器（一般不發(fā)生相變）（heater）1）預(yù)熱器（preheater）粘度大的液體，噴霧 狀不好，預(yù)熱使其粘度下降；2）過熱器（superheater）加熱至飽和溫度以 上。4蒸發(fā)器(etaporate

3、r)發(fā)生相變5再沸器（reboiler）6廢熱鍋爐（waste heat boiler）2022/10/87.1 概 述2、冷凝器（condenser）2022/17.1 概 述7.1.1 管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)及其主要零部件2022/10/87.1 概 述7.1.1 管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)及其主要零部件7.1 概 述7.1.2 管殼式換熱器的分類1、固定管板式換熱器 優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、布管多，管內(nèi)便于清洗，更換、造價低，應(yīng)用廣泛。管壞時易堵漏。 缺點：不易清洗殼程，一般管殼壁溫差大于50，設(shè)置膨脹節(jié)。2022/10/87.1 概 述7.1.2 管殼式換熱器的分類2022/107.1 概 述適用場

4、合：適用于殼程介質(zhì)清潔，不易結(jié)垢，管程需清洗以及溫差不大或溫差雖大但是殼程壓力不大的場合。2022/10/87.1 概 述適用場合：適用于殼程介質(zhì)清潔，不易結(jié)垢，管程7.1 概 述2、浮頭式換熱器 優(yōu)點：管束可以抽出，便于清洗； 缺點：換熱器結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，金屬耗量較大。 適用場合：適用于介質(zhì)易結(jié)垢的場合。2022/10/87.1 概 述2、浮頭式換熱器2022/10/37.1 概 述3、填料函式換熱器 優(yōu)點：造價比浮頭式低，檢修、清洗容易，填料函處泄漏能及時發(fā)現(xiàn)； 缺點：殼程內(nèi)介質(zhì)由外漏的可能，殼程中不宜處理易揮發(fā)、易燃、易爆、有毒的介質(zhì)。 適用場合：適用于低壓小直徑場合。2022/10/87.

5、1 概 述3、填料函式換熱器2022/10/37.1 概 述4、U型管式換熱器 優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，造價低，殼程可清洗，一個管板，管子可自由伸縮，無溫差應(yīng)力； 缺點：管程不能清洗，管板上布管少，結(jié)構(gòu)不緊湊，管子壞時不易修補。 適用場合： 適用于管、殼壁溫差較大的場合，尤其是管內(nèi)介質(zhì)清潔不易結(jié)垢的高溫、高壓、腐蝕性較強的場合。2022/10/87.1 概 述4、U型管式換熱器其是管內(nèi)介質(zhì)清潔不易結(jié)垢的7.1 概 述7.1.3 管殼式換熱器機械設(shè)計內(nèi)容 管殼式換熱器的設(shè)計：1、根據(jù)化工生產(chǎn)工藝條件的要求，通過化工工藝計算，確定換熱器的傳熱面積，同時選擇管徑、管長，決定管數(shù)、管程數(shù)和殼程數(shù)；2、進行機械

6、設(shè)計。內(nèi)容有： 1）殼體直徑的決定和殼體厚度的計算； 2）換熱器封頭選擇，壓力容器法蘭選擇； 3）管板尺寸確定； 4）折流板的選擇與計算； 5）管子拉脫力的計算； 6）溫差應(yīng)力計算。2022/10/87.1 概 述7.1.3 管殼式換熱器機械設(shè)計內(nèi)容20227.2 管子的選用及其與管板的連接7.2.1 管子的選用1、直徑 小直徑管子單位傳熱面積的金屬消耗量小，傳熱系數(shù)稍高，但容易結(jié)垢，不易清洗，用于較清潔的流體；大直徑管子用于粘性大或污濁的流體。2、規(guī)格 常采用無縫鋼管規(guī)格（外徑壁厚），長度按規(guī)定選用（1500mm、2000mm、2500mm、3000mm、4500mm、5000mm、6000

7、mm、7500mm、9000mm、12000mm）。其長度與公稱直徑之比，一般為425，常用的為610，立式換熱器多為46。2022/10/87.2 管子的選用及其與管板的連接7.2.1 管子的選用207.2 管子的選用及其與管板的連接3、結(jié)構(gòu)型式 多用光管，因為結(jié)構(gòu)簡單，制造容易；為強化傳熱，也采用異型管、翅片管、螺紋管等。2022/10/87.2 管子的選用及其與管板的連接3、結(jié)構(gòu)型式2022/107.2 管子的選用及其與管板的連接4、材料 根據(jù)壓力、溫度、介質(zhì)的腐蝕性能決定。主要有碳素鋼、合金鋼、銅、鈦、塑料、石墨等。7.2.2管子與管板的連接1、脹接1）過程：最普通的是利用脹管器擠壓伸

8、入管板孔中的管子端部，使管端發(fā)生塑性變形，管板孔同時產(chǎn)生彈性變形，取去脹管器后，管板與管子產(chǎn)生一定的擠壓力，貼在一起達到密封緊固連接的目的。2）適用范圍：換熱管為碳素鋼，管板為碳素鋼或低合金鋼，設(shè)計壓力4Mpa，設(shè)計溫度300，且無特殊要求的場合。外徑d14mm，不適合脹接。2022/10/87.2 管子的選用及其與管板的連接4、材料2022/10/37.2 管子的選用及其與管板的連接2022/10/87.2 管子的選用及其與管板的連接2022/10/37.2 管子的選用及其與管板的連接3）要求管板硬度大于管子硬度，否則將管端退火后再脹接。 脹接時管板上的孔可以是光孔，也可開槽。2022/10

9、/87.2 管子的選用及其與管板的連接3）要求管板硬度大于管子硬7.2 管子的選用及其與管板的連接2、焊接 優(yōu)點：在高溫高壓條件下，焊接連接能保持連接的緊密性，管板加工要求可降低，節(jié)省孔的加工工時，工藝較脹接簡單，壓力較低時可使用較薄的管板。 缺點：在焊接接頭處產(chǎn)生的熱應(yīng)力可能造成應(yīng)力腐蝕開裂和疲勞破裂，同時管子、管板間存在間隙，易出現(xiàn)間隙腐蝕。2022/10/87.2 管子的選用及其與管板的連接2、焊接2022/10/37.2 管子的選用及其與管板的連接 結(jié)構(gòu)：主要有4種2022/10/87.2 管子的選用及其與管板的連接 結(jié)構(gòu)：主要有4種2027.2 管子的選用及其與管板的連接3、脹焊并用

10、 前面我們講了脹接、焊接后，會發(fā)現(xiàn)它們各自有優(yōu)、缺點，因而目前廣泛應(yīng)用了脹焊并用的方法，這種方法能提高連接處的抗疲勞性能，消除應(yīng)力腐蝕和間隙腐蝕，提高使用壽命。 脹焊并用連接形式主要有：1）先焊后脹：強度焊貼脹 高溫高壓換熱器中大多用厚壁管，脹接時要使用潤滑油，進入接頭后縫隙中會在焊接時生成氣體，惡化焊縫質(zhì)量，只要脹接過程控制得當(dāng)，先焊后脹可避免這一弊病。2022/10/87.2 管子的選用及其與管板的連接3、脹焊并用2022/107.2 管子的選用及其與管板的連接2）先脹后焊：強度脹密封焊 適用于管子與管板材料焊接性能較差的材料，脹接時不用潤滑油，可防止產(chǎn)生焊接裂紋。2022/10/87.2

11、 管子的選用及其與管板的連接2）先脹后焊：強度脹密封7.3 管板結(jié)構(gòu)7.3.1換熱管排列方式1 正三角形和轉(zhuǎn)角正三角形排列 三角形排列緊湊，傳熱效果好，同一板上管子比正方形多排10%左右，同一體積傳熱面積更大。適用于殼程介質(zhì)污垢少，且不需要進行機械清洗的場合。2022/10/87.3 管板結(jié)構(gòu)7.3.1換熱管排列方式2022/10/37.3 管板結(jié)構(gòu) 正方形和轉(zhuǎn)角正方形排列，管間小橋形成一條直線通道，便于機械清洗。要經(jīng)常清洗管子外表面上的污垢時，多用正方形排列或轉(zhuǎn)角正方形排列。2、正方形和轉(zhuǎn)角正方形排列2022/10/87.3 管板結(jié)構(gòu) 正方形和轉(zhuǎn)角正方形排列，管間小橋形7.3 管板結(jié)構(gòu)3組合

12、排列法 多程換熱器中。7.3.2 管間距： 管間距指兩相鄰換熱管中心的距離。其值的確定需要考慮以下幾個因素： 管板強度； 清洗管子外表面時所需要的空隙； 換熱管在管板上的固定方法。 一般要求管間距1.25d0，還應(yīng)符合規(guī)定：2022/10/87.3 管板結(jié)構(gòu)3組合排列法2022/10/37.3 管板結(jié)構(gòu) 最外層管壁與殼壁之間的最小距離為10mm，主要是為折流板易于加工，不易損壞。7.3.3 換熱器管板強度計算的理論依據(jù)簡介1、影響固定管板應(yīng)力大小的因素 管板自身的直徑、厚度、材料強度和使用溫度等； 管束對管板的支撐作用； 管孔對管板強度和剛度的影響； 管板周邊支撐形式的影響； 溫度對管板的影響

13、； 其他因素。2022/10/87.3 管板結(jié)構(gòu) 最外層管壁與殼壁之間的最小距離為17.3 管板結(jié)構(gòu)2、管板厚度的設(shè)計方法1）實心園平板模型 將管板當(dāng)作受均布載荷的實心園板，以按彈性理論得到的圓平板最大彎曲應(yīng)力為主要依據(jù)，并加以適當(dāng)?shù)男拚禂?shù)來考慮管板開孔削弱和管束的實際支承作用，由此得到管板厚度的計算公式，偏于安全。2）彈性基礎(chǔ)模型 將管束當(dāng)作彈性支承，而管板則作為放置于這彈性基礎(chǔ)上的圓板，然后根據(jù)載荷大小、管束的剛度及周邊支承情況來確定管板的彎曲應(yīng)力。由于它較全面地考慮了管束的支承和溫差的影響，因而較精確，但計算公式較多，計算過程繁瑣，GB151-1999采用的就是此法。2022/10/8

14、7.3 管板結(jié)構(gòu)2、管板厚度的設(shè)計方法2022/10/37.3 管板結(jié)構(gòu)3）菱形面積法 取管板上相鄰四根管子之間的菱形面積，按彈性理論求此面積在均布壓力作用下的最大彎曲應(yīng)力。由于此方法與管板實際受載情況相差較大，所以盡用于粗略估算。7.3.4 管程的分程及管板與隔板的連接 1、分程原因 當(dāng)換熱器所需的換熱面積較大，而管子做得太長時，就得增大殼體直徑，排列較多的管子。此時，為了增加管程流速，提高傳熱效果，須將管束分程，使流體依次流過各程管子。2022/10/87.3 管板結(jié)構(gòu)3）菱形面積法 取管板上相鄰四根管子之間的7.3 管板結(jié)構(gòu)2、分程原則 各程換熱管數(shù)應(yīng)大致相等； 相鄰程間平均壁溫差一般不

15、應(yīng)超過28； 各程間的密封長度應(yīng)最短； 分程隔板的形狀應(yīng)簡單。3、分程隔板 分為單層和雙層兩種。雙層隔板具有隔熱空間，可防止熱流短路。2022/10/87.3 管板結(jié)構(gòu)2、分程原則 分為單層和雙層兩種。雙7.3 管板結(jié)構(gòu)7.3.4 管板與殼體的連接結(jié)構(gòu)1、不可拆的焊接式（應(yīng)用于固定管板式換熱器管板與殼體的連接）（圖7-21）兼做法蘭 ；（圖7-22）不兼做法蘭2022/10/87.3 管板結(jié)構(gòu)7.3.4 管板與殼體的連接結(jié)構(gòu)2022/7.3 管板結(jié)構(gòu)2022/10/87.3 管板結(jié)構(gòu)2022/10/37.3 管板結(jié)構(gòu)2、可拆式 浮頭式、U型管式及填料函式換熱器固定端管板與殼體的連接（圖7-23

16、）2022/10/87.3 管板結(jié)構(gòu)2、可拆式2022/10/37.4 折流板、支撐板、旁路擋板及攔液板的作用于結(jié)構(gòu)7.4.1 折流板及支承板 1、作用 提高殼程內(nèi)流體的流速； 加強湍流強度； 提高傳熱效率； 支撐換熱管。（當(dāng)工藝上無折流板要求而管子較細長時，應(yīng)考慮有一定數(shù)量的支承板，以便安裝和防止管子變形；支撐板的尺寸、形狀可與折流板相同。） 2、結(jié)構(gòu) 折流板和支撐板的常用形式有弓形、圓盤圓環(huán)形和帶扇形切口三種。2022/10/87.4 折流板、支撐板、旁路擋板及攔液板的作用于結(jié)構(gòu)7.47.4 折流板、支撐板、旁路擋板及攔液板的作用于結(jié)構(gòu)3、尺寸厚度與殼體直徑和折流板間距有關(guān)；折流板最小厚度

17、按表76選取。弓形折流板間距：最小間距max0.2Di，50mm 最大間距：按表77規(guī)定選取，且Di。間隙：折流板外徑與殼體之間的間隙要適當(dāng)，因為過小給安裝帶來困難，過大又影響傳效率，詳見表78。2022/10/87.4 折流板、支撐板、旁路擋板及攔液板的作用于結(jié)構(gòu)3、尺7.4 折流板、支撐板、旁路擋板及攔液板的作用于結(jié)構(gòu)2022/10/87.4 折流板、支撐板、旁路擋板及攔液板的作用于結(jié)構(gòu)2027.4 折流板、支撐板、旁路擋板及攔液板的作用于結(jié)構(gòu)2022/10/87.4 折流板、支撐板、旁路擋板及攔液板的作用于結(jié)構(gòu)2027.4 折流板、支撐板、旁路擋板及攔液板的作用于結(jié)構(gòu)2022/10/87

18、.4 折流板、支撐板、旁路擋板及攔液板的作用于結(jié)構(gòu)2027.4 折流板、支撐板、旁路擋板及攔液板的作用于結(jié)構(gòu)4、折流板的固定1）拉桿定距管結(jié)構(gòu)（適用于換熱管外徑19mm的管束）折流板和支承板的固定是通過拉桿和定距管來實現(xiàn)的，如圖727。2022/10/87.4 折流板、支撐板、旁路擋板及攔液板的作用于結(jié)構(gòu)4、折7.4 折流板、支撐板、旁路擋板及攔液板的作用于結(jié)構(gòu)2）拉桿點焊結(jié)構(gòu)，適用于換熱管外徑14mm的管束。拉桿的數(shù)量不少于四根，直徑不小于10mm。應(yīng)盡量布置在管束的外邊緣，對于大直徑換熱器，在布管區(qū)或靠近折流板缺口處也應(yīng)布置適當(dāng)數(shù)量的拉桿。7.4.2 旁路擋板1、作用 阻止流體短路，迫使殼

19、體流體通過管束進行熱交換2、結(jié)構(gòu)及安裝 加工成規(guī)則的長條狀，長度等于折流板或支承板的板間距，兩端焊在折流板或支承板上。2022/10/87.4 折流板、支撐板、旁路擋板及攔液板的作用于結(jié)構(gòu)2）拉7.4 折流板、支撐板、旁路擋板及攔液板的作用于結(jié)構(gòu)2022/10/87.4 折流板、支撐板、旁路擋板及攔液板的作用于結(jié)構(gòu)2027.4 折流板、支撐板、旁路擋板及攔液板的作用于結(jié)構(gòu)7.4.3 攔液板作用：立式冷凝器中起到截攔液膜作用。在立式冷凝器中為減薄管壁上的液膜而提高傳熱膜系數(shù)。2022/10/87.4 折流板、支撐板、旁路擋板及攔液板的作用于結(jié)構(gòu)7.47.5 溫差應(yīng)力7.5.1 管壁與殼壁溫度差引

20、起的溫差應(yīng)力1、溫差應(yīng)力產(chǎn)生的原因 如圖所示,固定管板式換熱器的殼體與管子,在安裝溫度下,它們的長度均為L(圖a);當(dāng)操作時(圖b),殼體和管子的溫度都升高,若管壁溫度高于殼壁溫度,則管子自由伸長量t和殼體自由伸長量s分別為：2022/10/87.5 溫差應(yīng)力7.5.1 管壁與殼壁溫度差引起的溫差應(yīng)力7.5 溫差應(yīng)力式中t，s分別為管子和殼體材料的溫度膨脹系 數(shù)，1/； t0安裝時的溫度，tt ，ts分別為操作狀態(tài)下管壁溫度和殼壁溫 度，; 由于管子與殼體是剛性連接，所以管子和殼體的實際伸長量必須相等，見圖c，因此就出現(xiàn)殼體被拉伸，產(chǎn)生拉應(yīng)力；管子被壓縮，產(chǎn)生壓應(yīng)力。此拉、壓應(yīng)力就是溫差應(yīng)力。

21、這就是溫差應(yīng)力產(chǎn)生的原因。2022/10/87.5 溫差應(yīng)力式中2022/10/37.5 溫差應(yīng)力2、溫差應(yīng)力的計算（1）溫差軸向力F 由于溫差而使殼體被拉長的總拉伸力應(yīng)等于所有管子被壓縮的總壓縮力，總拉伸力（或總壓縮力）就是溫差軸向力。符號規(guī)定F為+，表殼體被拉，管子被壓；反之則反之。 管子被壓縮的量為： 殼體被拉伸的量為：2022/10/87.5 溫差應(yīng)力2、溫差應(yīng)力的計算 管子被壓縮的量為：207.5 溫差應(yīng)力（2）溫差應(yīng)力 在管子及殼體中的溫差應(yīng)力為：3、溫差應(yīng)力的補償措施（1）減少殼體與管束間的溫度差（2）裝設(shè)撓性構(gòu)件（3）使殼體和管束自由熱膨脹（4）雙套管溫度補償2022/10/87.5 溫差應(yīng)力（2）溫差應(yīng)力3、溫差應(yīng)力的補償措施2027.5 溫差應(yīng)力7.5.2 管子拉脫力的計算1、產(chǎn)生原因1）原因：由于介質(zhì)壓力與溫差應(yīng)力的聯(lián)合作用，使管 子和管板接頭處產(chǎn)生拉脫力，使管子與管板 有分離趨勢。2）拉脫力：管子每平方米脹接周邊上所受到的力（單 位Mpa）。3）破壞性：對于焊接接頭，拉脫力不足以引起接