管壳式换热器的机械设计

第七章管壳式换热器的机械设计本章重点：固定管板式换热器的基本结构本章难点：管、壳的分程及隔板建议学时：4学时第一节概述一、定义：换热器是用来完成各种不同传热过程的设备。

二、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。

三、举例1．冷却器（cooler）1)用空气作介质—空冷器aircooler2)用氨、盐水、氟里昂等冷却到0℃~-20℃—保冷器deepcooler2．冷凝器condenser1)分离器2)全凝器3．加热器（一般不发生相变）heater1)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（waste heat boiler）看下图说明其结构及名称四、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。

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。

2、浮头式换热器：管束可以抽出，便于清洗；但这类换热器结构较复杂，金属耗量较大。

适用于介质易结垢的场合。

3、填料函式换热器：造价比浮头式低检修、清洗容易，填料函处泄漏能及时发现，但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。

适用于低压小直径场合。

4、U型管式换热器：结构简单，造价低，壳程可清洗，但管程不能清洗，一个管板，管子可自由伸缩，无温差应力，管板上布管少，结构不紧凑，管子坏时不易修补。

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。

五、管壳式换热器机械设计内容管壳式换热器的设计：1、根据化工生产工艺条件的要求，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；2、然后进行机械设计。

内容有：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。

第二节管子的选用及其与管板的连接一、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：（外径×壁厚），长度按规定决定。

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。

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。

二、管子与管板的连接：(一)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。

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(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。

结构：主要有4种（三)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。

胀焊并用连接主要有：强度焊＋贴胀………………先焊后胀强度胀＋密封焊………………先胀后焊先焊后胀：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。

先胀后焊：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。

第三节管板结构一、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。

2、正方形和转角正方形排列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。

3．组合排列法：多程换热器中。

二、管间距：管间距指两相邻换热管中心的距离。

要求管间距≥1.25d0，符合国标规定，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。

三、换热器管板强度计算的理论依据简介1.实心园平板模型：将管板当作受均布载荷的实心园板，以按弹性理论得到的园平板最大弯曲应力为主要依据，并加以适当的修正系数来考虑管板开孔削弱和管束的实际支承作用，由此得到管板厚度的计算公式，偏于安全。

2.弹性基础模型：将管束当作弹性支承，而管板则作为放置于这弹性基础上的圆板，然后根据载荷大小、管束的刚度及周边支承情况来确定管板的弯曲应力。

由于它较全面地考虑了管束的支承和温差的影响，因而较精确，但计算公式较多，计算过程繁琐，GB151-1999采用的就是此法3.菱形面积法：取管板上相邻四根管子之间的菱形面积，按弹性理论求此面积在均布压力作用下的最大弯曲应力。

由于此方法与管板实际受载情况相差较大，所以公用于粗略估算。

四、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。

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：单层和双层两种。

如下图。

双层隔板具有隔热空间，可防止热流短路。

4、分程方式：五、管板与壳体的连接结构1、不可拆的焊接式：固定管板式换热器管板与壳体的连接（图7-21）兼做法兰；（图7-22）不兼做法兰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）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。

3、 尺寸①厚度与壳体直径和折流板间距有关；折流板最小厚度按国标选取。

②弓形折流板间距：最小间距≥max{51D i ，50mm} 最大间距：不超过表7-7规定，且≤D i③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。

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7-272）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。

二、旁路挡板作用：阻止流体短路，迫使壳体流体通过管束进行热交换。

结构及安装：加工成规则的长条状，长度等于折流板或支承板的板间距，两端焊在折流板或支承板上。

三、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。

第五节 温差应力一、管壁与壳壁温度差引起的温差应力（一）温差应力产生的原因：如图所示,固定管板式换热器的壳体与管子,在安装温度下,它们的长度均为L(图a);当操作时(图b),壳体和管子的温度都升高,若管壁温度高于壳壁温度,则管子自由伸长量δ和壳体自由伸长量δ分别为δ=α(t -t )Lδ=α(t -t )L 式中α, α—分别为管子和壳体材料的温度膨胀系数，1/℃；t—安装时的温度，℃t，t—分别为操作状态下管壁温度和壳壁温度，℃由于管子与壳体是刚性连接，所以管子和壳体的实际伸长量必须相等，见图c，因此就出现壳体被拉伸，产生拉应力；管子被压缩，产生压应力。

此拉、压应力就是温差应力。

这就是温差应力产生的原因。

（二）温差应力的计算：1．温差轴向力F：由于温差而使壳体被拉长的总拉伸力应等于所有管子被压缩的总压缩力，总拉伸力（或总压缩力）就是温差轴向力。

符号规定F为+，表壳体被拉，管子被压，反之则反之。

2．温差应力（三）温差应力的补偿1)减少壳体与管束间的温度差2)装设挠性构件3)使壳体和管束自由热膨胀4)双套管温度补偿二、管子拉脱力的计算(一)产生原因：1．原因是：由于介质压力与温差应力的联合作用，使管子和管板接头处有分离趋势，产生拉脱力。

2．拉脱力：管子每平方米胀接周边上所受到的力（单位Mpa）3．实验表明：焊接接头，拉脱力不足以引起接头破坏；胀接接头，要进行拉脱力校核，以保证管端与管板连接的牢固性和密封性。

（二）计算q1）在操作压力下，每平方米胀接周边所受到的力pq2）在温差应力作用下，管子每平方米胀接周边所产生的力t（三）管子拉脱力q（四）校核：管子拉脱力必须小于许用拉脱力，即q＜[q]第六节管箱与壳程接管一、管箱：深度有一定的要求，满足流通面积的需要。

二、壳程接管：1、旁路挡板：防止流体对换热管造成很大的冲刷2、导流筒：内导流筒和外导流筒；作用：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。