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2020/9/25,第七章管壳式换热器的机械设计,7.1概述,7.2管子的选用及其与管板的联接,7.3管板结构,7.5温差应力,7.6管箱与壳程接管,7.4折流板、支撑板、旁路挡板及拦液板的作用与结构,7.7管壳式换热器的机械设计举例,2020/9/25,7.1概述,换热器是用来完成各种不同传热过程的设备。换热器质量好坏的衡量标准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）可靠性强度满足工艺条件。根据不同的目的，换热器可以分为1、冷却器（cooler）1）用空气作介质空冷器（aircooler）2）用氨、盐水、氟里昂等冷却到0℃～－20℃保冷器（deepcooler）,2020/9/25,7.1概述,2、冷凝器（condenser）1）分离器2）全凝器3、加热器（一般不发生相变）（heater）1）预热器（preheater）粘度大的液体，喷雾状不好，预热使其粘度下降；2）过热器（superheater）加热至饱和温度以上。4．蒸发器etaporater发生相变5．再沸器（reboiler）6．废热锅炉（wasteheatboiler）,2020/9/25,7.1概述,7.1.1管壳式换热器的结构及其主要零部件,2020/9/25,7.1概述,7.1.2管壳式换热器的分类1、固定管板式换热器优点结构简单、紧凑、布管多，管内便于清洗，更换、造价低，应用广泛。管坏时易堵漏。缺点不易清洗壳程，一般管壳壁温差大于50℃，设置膨胀节。,,2020/9/25,7.1概述,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。,2020/9/25,7.1概述,2、浮头式换热器优点管束可以抽出，便于清洗；缺点换热器结构较复杂，金属耗量较大。适用场合适用于介质易结垢的场合。,2020/9/25,7.1概述,3、填料函式换热器优点造价比浮头式低，检修、清洗容易，填料函处泄漏能及时发现；缺点壳程内介质由外漏的可能，壳程中不宜处理易挥发、易燃、易爆、有毒的介质。适用场合适用于低压小直径场合。,2020/9/25,7.1概述,4、U型管式换热器优点结构简单，造价低，壳程可清洗，一个管板，管子可自由伸缩，无温差应力；缺点管程不能清洗，管板上布管少，结构不紧凑，管子坏时不易修补。适用场合适用于管、壳壁温差较大的场合，尤,其是管内介质清洁不易结垢的高温、高压、腐蚀性较强的场合。,2020/9/25,7.2管子的选用及其与管板的连接,7.2.1管子的选用1、直径小直径管子单位传热面积的金属消耗量小，传热系数稍高，但容易结垢，不易清洗，用于较清洁的流体；大直径管子用于粘性大或污浊的流体。2、规格常采用无缝钢管规格（外径壁厚），长度按规定选用（1500mm、2000mm、2500mm、3000mm、4500mm、5000mm、6000mm、7500mm、9000mm、12000mm）。其长度与公称直径之比，一般为4～25，常用的为6～10，立式换热器多为4～6。,2020/9/25,7.2管子的选用及其与管板的连接,3、结构型式多用光管，因为结构简单，制造容易；为强化传热，也采用异型管、翅片管、螺纹管等。,2020/9/25,7.2管子的选用及其与管板的连接,4、材料根据压力、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。7.2.2管子与管板的连接1、胀接1）过程最普通的是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。2）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。外径d＜14mm，不适合胀接。,2020/9/25,7.2管子的选用及其与管板的连接,2020/9/25,7.2管子的选用及其与管板的连接,3）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。,2020/9/25,7.2管子的选用及其与管板的连接,2、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。,2020/9/25,7.2管子的选用及其与管板的连接,结构主要有4种,2020/9/25,7.2管子的选用及其与管板的连接,3、胀焊并用前面我们讲了胀接、焊接后，会发现它们各自有优、缺点，因而目前广泛应用了胀焊并用的方法，这种方法能提高连接处的抗疲劳性能，消除应力腐蚀和间隙腐蚀，提高使用寿命。胀焊并用连接形式主要有1）先焊后胀强度焊＋贴胀高温高压换热器中大多用厚壁管，胀接时要使用润滑油，进入接头后缝隙中会在焊接时生成气体，恶化焊缝质量，只要胀接过程控制得当，先焊后胀可避免这一弊病。,2020/9/25,7.2管子的选用及其与管板的连接,2）先胀后焊强度胀＋密封焊适用于管子与管板材料焊接性能较差的材料，胀接时不用润滑油，可防止产生焊接裂纹。,2020/9/25,7.3管板结构,7.3.1换热管排列方式1正三角形和转角正三角形排列三角形排列紧凑，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。,2020/9/25,7.3管板结构,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，多用正方形排列或转角正方形排列。,2、正方形和转角正方形排列,2020/9/25,7.3管板结构,3．组合排列法多程换热器中。7.3.2管间距管间距指两相邻换热管中心的距离。其值的确定需要考虑以下几个因素①管板强度；②清洗管子外表面时所需要的空隙；③换热管在管板上的固定方法。一般要求管间距≥1.25d0，还应符合规定,2020/9/25,7.3管板结构,最外层管壁与壳壁之间的最小距离为10mm，主要是为折流板易于加工，不易损坏。7.3.3换热器管板强度计算的理论依据简介1、影响固定管板应力大小的因素①管板自身的直径、厚度、材料强度和使用温度等；②管束对管板的支撑作用；③管孔对管板强度和刚度的影响；④管板周边支撑形式的影响；⑤温度对管板的影响；⑥其他因素。,2020/9/25,7.3管板结构,7.3.4管程的分程及管板与隔板的连接1、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。,2020/9/25,7.3管板结构,2、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最短；④分程隔板的形状应简单。3、分程隔板,分为单层和双层两种。双层隔板具有隔热空间，可防止热流短路。,2020/9/25,7.3管板结构,7.3.4管板与壳体的连接结构1、不可拆的焊接式（应用于固定管板式换热器管板与壳体的连接）,2020/9/25,7.3管板结构,2、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7-23）,2020/9/25,7.4折流板、支撑板、旁路挡板及拦液板的作用于结构,7.4.1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、结构折流板和支撑板的常用形式有弓形、圆盘－圆环形和带扇形切口三种。,2020/9/25,7.4折流板、支撑板、旁路挡板及拦液板的作用于结构,3、尺寸①厚度与壳体直径和折流板间距有关。②弓形折流板间距最小间距≥max{0.2Di，50mm}最大间距。③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。,2020/9/25,7.4折流板、支撑板、旁路挡板及拦液板的作用于结构,4、折流板的固定1）拉杆－定距管结构（适用于换热管外径≥19mm的管束）折流板和支承板的固定是通过拉杆和定距管来实现的，如图7－27。,2020/9/25,7.4折流板、支撑板、旁路挡板及拦液板的作用于结构,2）拉杆点焊结构，适用于换热管外径≤14mm的管束。拉杆的数量不少于四根，直径不小于10mm。应尽量布置在管束的外边缘，对于大直径换热器，在布管区或靠近折流板缺口处也应布置适当数量的拉杆。,2020/9/25,7.4折流板、支撑板、旁路挡板及拦液板的作用于结构,7.4.3拦液板作用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。,2020/9/25,7.6管箱与壳程接管,7.6.1管箱换热器管内流体进出口的空间称为管箱。其深度有一定的要求，满足流通面积的需要。其结构应便于装拆。7.6.2壳程接管壳程流体进出口的设计，直接影响换热器的传热效率和换热管的寿命。缓冲接管旁路挡板防止流体对换热管造成很大的冲刷导流筒内导流筒和外导流筒；用于消除死区，充分利用换热面积；防止流体对换热管造成很大的冲刷,
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