7.管壳式换热器的机械设计

计压力≤4MPa，设计温度≤300℃，管外径>14mm且无特殊要
求的场合。 要求：管板硬度>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)。
液压胀管器
液压胀接
机械胀接
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≤350℃。
除了上述排列方法外，也 可采用组合的排列方法，例如在
多程的换热器中。每一层都采用
组 合 排 列
三角形排列，而在各程之间，则 采用正方形排列，以便于隔板的 安排。 当管子总数超过127(相当于 6层)时，等边三角形外层的管子 和壳体之间的弓形部分应配置附 加的管子（假管）。这样不仅增 加传热面积，而且消除传热死角。
7.2管子的选用及其与管板的连接
7.2.1管子的选用 换热器中管子一般都用光管。为了强化传热，换热 管可采用翅片管或螺旋管。 管子的材料选择根据压力、温度、介质的腐蚀性能 确定。 换热管材料 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
（一）直径 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 小管径 阻力大，不便清洗，易结垢堵塞
结构
7.3.1换热管排列形式
1.正三角形，转角三角形排列 2.正方形，转角正方形排列 另：组合排列法
正三角形排列
正三角形排列可得到最多管
数。换热管中心距一般不小于
1.25倍的换热管外径，必要时可
大于此值，以保证胀管时管板的
刚度。常用的换热管中心距可查
手册。 对于多管程换热器，分程隔 板槽两侧相邻管中心距应增大。
我国自二十世纪七十年代开始相继编制 了JB1147《管壳式换热器制造技术条件》、 《钢制管壳式换热器设计规定》及GB151-89 《钢制管壳式换热器》，并在历经十年后出 现了修改较大、与国际先进标准接轨更好的 GB151-1999《管壳式换热器》。（GB1512012讨论稿）
7.1.1管壳式换热器的分类及结构
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
间壁式换热器的主要种类
管式热交换器 间壁式热交换器 板式热交换器
壳管式热交换器 肋片管式热交换器 套管式热交换器 板翅式热交换器 平行板式热交换器 螺旋板式热交换器
蛇 管 式 换 热 器
套管换热器
衡量换热器的标准： 1.传热效率高 2.流体阻力小，强度足够 3.结构合理，安全可靠 4.制造、安装、检修方便 任何一种换热器不可能十全十美。 板式换热器传热效率高、金属消耗量低，但流体 阻力大、强度和刚度差，制造、维修困难。 列管式换热器虽在传热效率、紧凑性、金属消耗 量等方面均不如板式换热器，但其结构坚固、可 靠程度高、适应性强、材料范围广，因而目前仍 是石油、化工生产中，尤其是高温、高压和大型 换热器的主要结构型式。
（三）结构型式
光管 翅片管（在给热系数低侧）
换热管型式 强化传热 管
螺旋槽管
螺纹管
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。
翅 片 管
螺旋管
（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。
碳素钢 低合金钢 不锈钢 金属材料 铜 铜镍合金 非金属材料 石墨 陶瓷 聚四氟乙烯等
填料函式换热器简图
填料函式密封
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。
第七章 管壳式换热器 的机械设计
1
本章主要内容
第一节 概述
第二节 管子的选用及其与管板的连接
第三节 管板结构 第四节 折流板、支承板等的结构与作用 第五节 温差应力 第六节 管箱与壳程结构
2
7.1概述
换热器的类型 按用途分：加热器、冷却器、冷凝器和汽化器等 按传热特征分：直接接触式(气体冷却或水蒸汽 冷凝)、蓄热式、间壁式 按结构分：夹套式、蛇管式、套管式、管壳式、 板式、螺旋板式、板翅式、翅片管等
管间距 （一）定义
管间距指两相邻换热管中心的距离。
（二）要求
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。
用于较清洁的流体
大管径
粘性大或污浊的流体
（二）规格
（外径×壁厚），长度按规定决定
φ19×2、φ25×2.5和φ38×2.5mm无缝 钢管φ25×2和φ38×2.5mm不锈钢管 换热管尺寸 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。
正方形排列
当管子外表面有清垢要求时，可选用正方形排列。 ①换热器管间需要机械清洗时，相邻两管间的净空距离(S-d)不宜小于6mm， 对于外径为10mm和14mm的换热管的中心距分别不得小于17mm和2lmm。 ②外径为25mm的换热管，当用转角正方形排列时，其分程隔板槽两侧相邻
的管中心距为32mm×32mrn正方形的对角线长。
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7.1.3管壳式换热器的机械设计内容
由化工生产工艺要求，通过计算，确定传热面积， 选择管径，管长，确定管数和壳程数。 机械设计内容： （1）壳体直径确定，壳体厚度的计算 （2）换热器封头的选择，压力容器的法兰的选择 。 （3）管板尺寸的确定 （4）折流板的选择与计算 （5）管子拉脱力的计算 （6）温差应力的计算
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。
浮头式换热器简图
浮头结构图
1浮动管板
2浮头钩圈法兰相连
3浮头盖
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。
混合式换热器
（直接接触式）通过冷热流体 直 接混合 进行热量交换的设备称为 混合式换热器，或直接式换热器， 如冷却塔、气压冷凝器、在传质 的同时进行传热的塔设备等。
热流体
热流体
冷流体
冷流体 结构简单，传热效果好，但不能用于发生 反应或有影响的流体之间局限：只适用于 允许两流体混合的场合。
直接接触式换热器 实例：冷却塔、气压冷凝器
注意：管端硬度＜管板硬度。
2.焊接
强度焊接是将换热管的端部与管板焊在一起。


保证换热管与管板连接的密封性能及抗拉脱强度的 焊接。此法目前因其加工简便而应用广泛，其连接 强度高，在高温高压下也能保证连接处的紧密性和 抗拉脱能力。 强度焊适用场合主要是： (1)温度和压力条件很高时。一般原则是.对碳钢或普 低钢，温度在300～400℃以上，一般都采用焊接； 压力超过7.0MPa时也多用焊接。 (2)要求接头严密不漏的地方。 (3)管间距太小以至无法胀接时。 (4)在薄管板结构中无法采用胀接时。 但是强度焊结构不适用于有较大振动及有间隙腐 蚀的场合。
蓄热式
蓄热式换热器利用冷热两种流体交
冷流体
热流体
替通过换热器内的同一通道而进行
热量传递。
温度较高的场合，但有 交叉污染，温度波动大
热流体
冷流体
蓄热式换热器
局限：不能用于两流体不允许混合的场合
间壁式
——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。
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。
固定管板式换热器
固定式管板换热器简图前端
固定式管板换热器简图后端
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。
3.胀焊并用 贴胀：消除管子 与管板孔间隙 密封焊：满足密 封性
胀焊结合主要用于密封性要求较高；承受振动和 疲劳载荷；有缝隙腐蚀；需要采用复合管板等的 场合。
胀焊结合连接主要有：
强度焊＋密封胀………………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； 密封胀—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。 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 Biblioteka Baidu质量
胀接使用的润滑油，在焊接时形成气体，恶化焊 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
7.3管板结构
管板是管壳式换热器最重要的部件之一，
用来连接换热管并起着分隔管程和壳程空间
的作用，避免冷、热流体相混合。
管板
固定式管板：这是最典型 又是最常应用的平板式结
U形管式换热器简图
列管式换热器 种类 固定管板式
优
点
缺
点
管外清洗困难； 结构较简单，造价较低，相对 管壳间有温差应力存在； 其它列管式换热器其管板最薄。 当两种介质温差较大时必须 设置膨胀节。
浮头式
一端管板固定，另一端管板可 结构较复杂，金属耗量较大； 在壳体内移动；管壳间不产生 浮头处发生内漏时不便检查； 温差应力；管束可抽出，便于 管束与管体间隙较大，影响传热。 清洗。 管束一端可自由膨胀；造价比 壳程内介质有外漏的可能； 浮头式低；检修、清洗容易； 壳程中不宜处理易挥发、易燃、 填函处泄漏能及时发现。 易爆、有毒的介质。 只有一个管板；管程至少为两 程； 管束可以抽出清洗；管子可自 由膨胀。
填料函式
U型管式
管内不便清洗； 管板上布管少，结构不紧凑， 管外介质易短路，影响传热效果； 内层管子损坏后不易更换。
根据我们前面学习的内容，请说说序号2、3、8、12、 21各代表什么零件？
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
铝合金
钛等
7.2.2管子与管板的连接
管子与管板的连接方法有：胀接、焊接、胀焊接结合等。 1.胀接: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。
胀管过程发生： 胀管结束後： 管子端部——塑性变形； 管板孔边缘弹性回复 管板孔边缘——弹性变形。 ，挤压管端并贴紧。
适用范围：换热管为碳素钢，管板为碳素钢或低合金钢，设
管壳式换热器以其对温度、压力、介质 的适应性，耐用性及经济性，在换热设备中 始终占有约70％的主导地位。因此管壳式换 热器的标准化工作为世界各工业发达国家所 重视，也为ISO国际标准化组织的所重视。 因此出现了TEMA、API660、JISB8249等一 批管壳式换热器标准，ISO目前也正在与API 联手并会同有关国家编ISO管壳式换热器标 准。
结构
构，它的基本型式有两种：
一种是只与壳体焊接的管 板；另一种是管板的延长
部分作为壳体法兰的结
构。
管板
结构
浮头式管板：浮头式管 板一般指的是具有钩圈 的内浮头。
管板
结构
填料函式管板
管板
结构
U形式管板：这种管板 通过螺栓和两侧的垫片
夹紧在管箱法兰与壳体
法兰之间。
管板
双管板：双管板的结构是管子分 别固定在两块管板上，两管板之 间保持一定的距离。如果管子与 管板连接处有少量流体漏出，可 从两管板之间的空隙泄放至外界 。也可以在两管板之间利用薄璧 圆筒将其封闭起来，然后向内充 入一定压力的惰性气体，以达到 避免冷、热流体混合的目的。双 管板结构主要用在管程介质与壳 程介质相混合后可能产生以下后 果的场合：造成严重腐蚀，引起 燃烧、爆炸、自聚、污染产品或 影响产品质量等。