7.管壳式换热器的机械设计
管壳式换热器
管壳式换热器（GB151-1999）1.管壳式换热器的结构组成：a 受压元件：壳体、膨胀节、设备法兰、换热管、管箱、管板、接管及法兰（DN250）设备主螺柱（M36）b 非受压元件：支座、折流板、拉杆c 管程：与换热管相连通的空间d 壳程：换热管外部、壳体内部的连通空间2管壳式换热器的设计：a 工艺设计：A 、Δp换热器直径、换热管规格、材料、数量、长度、排列方式、程数、折流板结构和数量； b 机械设计：换热管束级别确定，结构设计，强度、刚度、稳定性计算第一部分 传热和换热器基本知识列管式换热器的工艺设计步骤：1、计算传热量、平均温差，估计总传热系数K ，估算传热面积；（1）传热量的计算：两流体无相变热量衡算式： 可知：要想计算传热量，需要知道4个温度和2个流量。
（2）传热温差的计算： （3）传热面积的估算：2、设定换热管规格和管内流体流速，计算换热管数和长度，确定管程数；管束分程： 在满足流量和压降的前提下，采用多管程可提高流速，达到强化传热的目的，管程数一般有1、2、4、6、8、10、12等7种，布管原则为：① 应尽可能使各管程的换热管数大致相等； ②分程隔板槽形状简单，密封面长度较短。
3、根据换热管数量和排列形式，确定换热器壳体直径；（1）换热管的排列形式：三角形、正方形排列（2）换热管中心距：宜不小于1.25d0，常用管间距详见GB151表12筒体直径估算值：（3）布管限定范围： 固定管板式换热器或U 形管换热器管束最外层换热管外表面至壳体内壁的最短距()()2112e c pc c c h ph h h Q W c T T W c T T ζ=⋅-=⋅⋅-∆-∆∆=∆∆1212,ln()m t t t t t 122m t t t ∆+∆∆=或e m Q A K t =⋅∆2,0.785i V n d u =A l dn π=1.05n D t η=离为0.25d0，一般不小于8mm 。
管壳式换热器设计及软件开发
管壳式换热器设计及软件开发本文主要介绍管壳式换热器设计及软件开发的相关知识。
对管壳式换热器的基本概念、特点及用途进行简要阐述；详细介绍了管壳式换热器的设计要点和计算方法；探讨了管壳式换热器软件开发的流程和模块功能。
关键词：管壳式换热器、设计、软件开发、计算方法、流程管壳式换热器是一种广泛应用于化工、石油、能源等领域的传热设备，其作用是将热量从一种介质传递到另一种介质。
这种换热器的特点是结构紧凑、传热效率高、适用范围广等，因此备受。
本文将介绍管壳式换热器的设计及软件开发，以期为相关领域的研究和应用提供参考。
管壳式换热器的设计是整个换热器的核心部分。
在设计过程中，需要考虑传热面积、材料选择、结构设计、防腐蚀措施等多种因素。
同时，还需要根据不同的工艺条件和实际需求进行优化，以获得最佳的传热效果和经济效益。
具体来说，管壳式换热器设计的要点包括以下几个方面：工艺计算：根据实际工艺条件，进行传热面积、流速、压力等工艺参数的计算，以确定换热器的规格和型号。
材料选择：根据实际需求和使用环境，选择合适的材料，以保证换热器的耐腐蚀、耐高温、耐高压等特性。
结构设计：根据实际工艺条件和材料特性，设计换热器的结构，以获得最佳的传热效果和机械强度。
防腐蚀措施：针对不同的工艺条件和使用环境，采取相应的防腐蚀措施，以保证换热器的使用寿命。
在管壳式换热器的软件开发方面，需要结合实际需求进行流程设计和模块开发。
一般来说，管壳式换热器软件开发的流程包括以下几个步骤：需求分析：根据实际需求，明确软件的功能和性能要求，以及用户界面设计等。
数据输入：根据需求分析结果，设计数据输入界面，以方便用户输入相关工艺参数和技术要求。
计算及优化：利用相关算法和模型，对输入数据进行计算和优化，以获得最佳的换热器设计方案。
结果输出：将计算和优化结果以图表或报告的形式输出，以便用户进行评估和选择。
用户反馈及维护：根据用户反馈，不断完善软件功能和性能，确保软件的稳定性和可靠性。
管壳式换热器设计与选型步骤
生意社08月13日讯
1、工艺计算:
1>按流体种类、冷却流体的流量、进出口温度、工作压力等计算出需要传递的热量。
2>根据流体的腐蚀性及其它特性选择管子和壳体的材料。
并根据材料加工特性,流体的流量、压力、温度,换热管与壳体的温度,需要传递热量的多少,造价的高低及检修清洗方便等因素,决定采用哪一种类型的管壳式换热器。
3>确立流体的流动空间,即确定管程与壳程内分别是什么介质
4>确定参与换热器的两种流体的流向,使并流、逆流还是错流。
并计算出流体的有效平均温差.
5>根据经验初选传热系数K,并估算所需传热面积A。
6>根据计算出传热面积A,参照我国管壳式换热器标准系列，初步确定换热器的基本参数(管径、管程数、管子根数、管长、管子排列方式、折流元件等的型式及布置、壳体直径等结构参数)。
7>根据确定的标准系列尺寸，进行传热系数的校核和阻力降的计算。
最后按标准选用换热器或者进行机械设计。
2、机械设计计算
机械设计计算包括：
(1)壳体和管箱壁厚的计算
(2)管子与管板连接结构设计
(3)壳体与管板连接结构设计
(4)管板厚度计算
(5)折流板、支持板等零部件的结构设计
(6)换热管与壳体在温差和流体压力联合作用下的应力计算
(7)管子拉脱力和稳定性校核
(8)判断是否需要膨胀节，如需要，则选择膨胀节结构形式，并进行有关的计算。
(9)接管、接管法兰、容器法兰、支座等的选择及开孔补强设计。
PPT-7-管壳式换热器设计计算实例
t fi t f 0
所以，只要 o 1 就可以起到强化换热的效果。 由于β值常常远大于1，而使η0β的值总是远大于1，这就
使肋化侧的热阻显著减小，从而增大传热系数的值。
32
ln( d o d i ) 2 l
28
上面三式相加
l t fi t fo
do 1 1 1 ln hi d i 2 d i ho d o
对外侧面积而言得传热系数的定义式由下式表示：
k ko 1 do d d 1 o ln o hi di 2 di ho
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1 构造和工作原理
翅片管热交换器可以仅由一根或若干根翅片管组成，如室内取 暖用翅片管散热器；也可再配以外壳、风机等组成空冷器型式 的热交换器。
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主要换热元件是翅片管，由基管和翅片组成。
翅片管的类型和选择
对翅片管的要求：良好的传 热性能、耐温性能、耐热冲 击能力（如介质热负荷不稳 定）及耐腐蚀能力，易于清 除尘垢，压降较低。
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常见的翅片管形式
•
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翅片管因制造方法不同而使其在传热性能、机械性能等方面有一定的 差异。按制造方法分有整体翅片、焊接翅片、高频焊翅片和机械连接 翅片。
整体翅片：由铸造、机械加工或轧制而成，翅片与管子一体，无接触 热阻，强度高，但要求翅片与管子同种材料。如低压锅炉的省煤器就 是采用整体翅片。 焊接翅片：用钎焊或氩弧焊等工艺制造，可使用与管子不一样的材料。 由于它制造简单、经济且具有较好的传热和机械性能，故已广泛应用， 主要问题是焊接工艺的质量。 高频焊翅片：利用高频发生器产生的高频电感应，使管子表面与翅片 接触处产生高温而部分熔化，同通过加压翅片与管子连成一体而成。 这种连接方法无焊剂、焊料，制造简单，性能优良。
管壳式换热器的设计及计算
第一章换热器简介及发展趋势1.1 概述在化工生产中，为了工艺流程的需要，常常把低温流体加热或把高温流体冷却，把液态汽化或把蒸汽冷凝程液体，这些工艺过程都是通过热量传递来实现的。
进行热量传递的设备称为换热设备或换热器。
换热器是通用的一种工艺设备，他不仅可以单独使用，同时又是很多化工装置的组成部分。
在化工厂中，换热器的投资约占总投资的10%——20%，质量约为设备总质量的40%左右，检修工作量可达总检修工作量的60%以上。
由此可见，换热器在化工生产中的应用是十分广泛的，任何化工生产工艺几乎都离不开它。
在其他方面如动力、原子能、冶金、轻工、制造、食品、交通、家电等行业也有着广泛的应用。
70年代的世界能源危机，有力地促进了传热强化技术的发展，为了节能降耗，提高工业生产经济效益，要求开发适用于不同工业过程要求的高效能换热设备[1]。
这是因为，随着能源的短缺(从长远来看，这是世界的总趋势)，可利用热源的温度越来越低，换热允许温差将变得更小，当然，对换热技术的发展和换热器性能的要求也就更高[2]。
所以，这些年来，换热器的开发与研究成为人们关注的课题，最近，随着工艺装置的大型化和高效率化，换热器也趋于大型化，向低温差设计和低压力损失设计的方向发展。
同时，对其一方面要求成本适宜，另一方面要求高精度的设计技术。
当今换热器技术的发展以CFD(Computational Fluid Dynamics)、模型化技术、强化传热技术及新型换热器开发等形成了一个高技术体系[3]。
当前换热器发展的基本趋势是：继续提高设备的传热效率，促进设备结构的紧凑性，加强生产制造的标准化系列化和专业化，并在广泛的范围内继续向大型化的方向发展。
各种新型高效紧凑式换热器的应用范围将得到进一步扩大。
在压力、温度和流量的许可范围内，尤其是处理强腐蚀性介质而需要使用贵重金属材料的场合下，新型紧凑式换热器将进一步取代管壳式换热器。
总之，为了适应工艺发展的需要，今后在强化传热过程和换热设备方面，还将继续探索新的途径。
管壳式换热器毕业设计简介
管壳式换热器（过热蒸汽0.65MPa,295℃;水0.8MPa,50℃）摘要本设计说明书是关于固定管板是换热器的设计，设计依照GB151-1999《钢制管壳式换热器》进行，设计中对换热器进行化工计算、结构设计、强度计算。
设计第一步是对换热器进行化工计算，主要根据给定的设计条件估算换热面积，初定换热器尺寸，然后核算传热系数，计算实际换热面积，最后进行阻力损失计算。
设计第二步是对换热器进行结构设计，主要是根据第一步计算的结果对换热器的各零部件进行设计，包括管箱、定距管、折流板等。
设计第三步是对换热器进行强度计算，并用软件SW6进行校核。
最后，设计结果通过图表现出来。
关键词：换热器，固定管板，化工计算，结构设计，强度计算。
AbtractThe design statement is about the fixed tube sheet heat exchanger .In the design of the heat exchanger ,the chemical calculation,the structure design and the strength calculation must according to GB151-1999“Steel System Type Heat exchanger ”.The first step of the design is the chemical calculation .Mainly according to the given design conditions to estimate the heat exchanger area and select heat exchanger size.Then check the heat transfer coefficient, calculate the actual heat transfer area,and finally calculate the resistance loss.The second step of the design of heat exchanger is the structural design of the heat exchanger. The design of heat exchanger parts mainly according to the first step of calculation.such as tube boxes , the distance control tube, baffled plates .The third step of the design of heat exchanger is the strength calculation and using SW6 software to check. Finally, the design results are shown in figures.Key words: heat changer, fixed tude plate, chemical calculation,structure design, strength calculation.一、前言管壳式换热器是目前应用最广的换热设备，它具有结构坚固、可靠性高、适用性强、选材广泛等优点。
化工设备机械基础第七章习题解答
《化工设备机械基础》习题解答第三篇: 典型化工设备的机械设计第七章管壳式换热器的机械设计一、思考题1．衡量换热器好坏的标准大致有哪些？答：传热效率高，流体阻力小，强度足够，结构可靠，节省材料；成本低；制造、安装、检修方便。
2．列管式换热器主要有哪几种？各有何优缺点？3．列管式换热器机械设计包括哪些内容？答：①壳体直径的决定和壳体壁厚的计算；②换热器封头选择，压力容器法兰选择；③管板尺寸确定；④管子拉脱力的计算；⑤折流板的选择与计算；⑥温差应力计算。
此外还应考虑接管、接管法兰选择及开孔补强等。
4．我国常用于列管式换热器的无缝钢管规格有哪些？通常规定换热管的长度有哪些？答：我国管壳式换热器常用无缝钢管规格（外径×壁厚），如下表2所示。
换热管长度规定为：1500mm, 2000mm, 2500mm, 3000mm, 4500mm, 5000mm, 6000mm, 7500mm, 9000mm, 12000mm。
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。
表 2 换热管规格（mm）5．换热管在管板上有哪几种固定方式？各适用范围如何？答：固定方式有三种：胀接、焊接、胀焊结合。
胀接：一般用在换热管为碳素钢，管板为碳素钢或低合金钢，设计压力不超过4.0MPa，设计温度在350℃以下，且无特殊要求的场合。
焊接：一般用在温度压强都较高的情况下，并且对管板孔加工要求不高时。
胀焊结合：适用于高温高压下，连接接头在反复的热冲击、热变形、热腐蚀及介质压力作用，工作环境极其苛刻，容易发生破坏，无法克服焊接的“间隙腐蚀”和“应力腐蚀”的情况下。
6．换热管胀接于管板上时应注意什么？胀接长度如何确定？答：采用胀接时，管板硬度应比管端硬度高，以保证胀接质量。
这样可避免在胀接时管板产生塑性变形，影响胀接的紧密性。
如达不到这个要求时，可将管端进行退火处理，降低硬度后再进行胀接。
管壳式换热器
第十七章管壳式换热器（shellandtubeheatexchange）本章重点讲解内容：（1）熟悉管壳式换热器的整体结构及其类型；（2）熟悉主要零部件的作用及适用场合；（3）熟悉膨胀节的功能及其设置条件。
第一节总体结构管壳式换热器又称列管式换热器，是一种通用的标准换热设备。
它具有结构简单、坚固耐用、造价低廉、用材广泛、清洗方便、适应性强等优点，应用最为广泛，在换热设备中占据主导地位。
管壳式换热器是把换热管束与管板连接后，再用筒体与管箱包起来，形成两个独立的空间。
管内的通道及与其相贯通的管箱称为管程（tube-side）；管外的通道及与其相贯通的部分称为壳程（shell-side）。
一种流体在管内流动，而另一种流体在壳与管束之间从管外表面流过，为了保证壳程流体能够横向流过管束，以形成较高的传热速率，在外壳上装有许多挡板。
以下结合不同类型的管壳式换热器介绍其相应的总体结构。
1、固定管板换热器其由壳体、管束、封头、管板、折流挡板、接管等部件组成。
结构特点为：两块管板分别焊于壳体的两端，管束两端固定在管板上。
换热管束可做成单程、双程或多程。
它适用于壳体与管子温差小的场合。
图1固定管板换热器结构示意图优点：结构简单、紧凑。
在相同的壳体直径内，排管数最多，旁路最少；每根换热管都可以进行更换，且管内清洗方便。
缺点：壳程不能进行机械清洗；当换热管与壳体的温差较大（大于50°C）时产生温差应力，需在壳体上设置膨胀节，因而壳程压力受膨胀节强度的限制不能太高。
固定管板式换热器适用于壳方流体清洁且不易结垢，两流体温差不大或温差较大但壳程压力不高的场合。
2、浮头式换热器浮头式换热器适用于壳体和管束壁温差较大或壳程介质易结垢的场合。
结构特点是两端管板之一不与壳体固定连接，可在壳体内沿轴向自由伸缩，称为浮头。
图2浮头式换热器结构示意图优点：当换热管与壳体有温差存在，壳体或换热管膨胀时，互不约束，不会产生温差应力；管束可从壳体内抽出，便于管内和管间的清洗。
管壳式换热器的工作原理及结构
管壳式换热器的工作原理及结构随着科技高速发展的今天，换热器已广泛应用国内各个生产领域，换热器跟人们生活息息相关。
换热器顾名思义就是用来热交换的机械设备。
换热器是一种非常重要的换热设备，能够把热量从一种介质传递给另一种介质，在各种工业领域中有很广泛的应用。
尤其在化工、能源、交通、机械、制冷、空调等领域应用更广泛。
换热器能够充分利用工业的二次能源，并且能够实现余热回收和节能。
换热器分为很多类型，管壳式换热器是很普遍的一种。
管壳式换热器的传热强化技术主要包括管程和壳程的传热强化研究。
本文对管壳式换热器的原理进行简单介绍。
一、管壳式换热器的工作原理管壳式换热器由一个壳体和包含许多管子的管束所构成，冷、热流体之间通过管壁进行换热的换热器。
管壳式换热器作为一种传统的标准换热设备，在化工、炼油、石油化工、动力、核能和其他工业装置中得到普遍采用，特别是在高温高压和大型换热器中的应用占据绝对优势。
通常的工作压力可达4兆帕，工作温度在200℃以下，在个别情况下还可达到更高的压力和温度。
一般壳体直径在1800毫米以下，管子长度在9米以下，在个别情况下也有更大或更长的。
工作原理和结构图 1 [固定管板式换热器]为固定管板式换热器的构造。
A 流体从接管1流入壳体内，通过管间从接管2流出。
B流体从接管3流入，通过管内从接管4流出。
如果A流体的温度高于B流体，热量便通过管壁由A流体传递给B流体；反之，则通过管壁由B流体传递给A流体。
壳体以内、管子和管箱以外的区域称为壳程，通过壳程的流体称为壳程流体（A流体）。
管子和管箱以内的区域称为管程，通过管程的流体称为管程流体（B流体）。
管壳式换热器主要由管箱、管板、管子、壳体和折流板等构成。
通常壳体为圆筒形；管子为直管或U形管。
为提高换热器的传热效能，也可采用螺纹管、翅片管等。
管子的布置有等边三角形、正方形、正方形斜转45°和同心圆形等多种形式，前3 种最为常见。
按三角形布置时，在相同直径的壳体内可排列较多的管子，以增加传热面积，但管间难以用机械方法清洗，流体阻力也较大。
管壳式换热器设计
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（waste heat boiler）
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。
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。
2 管子的选用及其与管板的连接
结构：主要有4种
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。
3 管板结构
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 管板结构
3．组合排列法 多程换热器中。 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：
管壳式换热器设计-课程设计
一、课程设计题目管壳式换热器的设计二、课程设计内容1．管壳式换热器的结构设计包括：管子数n，管子排列方式，管间距的确定，壳体尺寸计算，换热器封头选择，容器法兰的选择，管板尺寸确定塔盘结构，人孔数量及位置，仪表接管选择、工艺接管管径计算等等。
2. 壳体及封头壁厚计算及其强度、稳定性校核（1）根据设计压力初定壁厚；（2）确定管板结构、尺寸及拉脱力、温差应力；（3）计算是否安装膨胀节；（4）确定壳体的壁厚、封头的选择及壁厚，并进行强度和稳定性校核。
3. 筒体和支座水压试验应力校核4. 支座结构设计及强度校核包括：裙座体（采用裙座）、基础环、地脚螺栓5. 换热器各主要组成部分选材，参数确定。
6. 编写设计说明书一份7. 绘制2号装配图一张，Auto CAD绘3号图一张（塔设备的）。
三、设计条件气体工作压力管程：半水煤气0.75MPa壳程：变换气 0.68 MPa壳、管壁温差55℃，tt ＞ts壳程介质温度为220-400℃，管程介质温度为180-370℃。
由工艺计算求得换热面积为140m2，每组增加10 m2。
四、基本要求1.学生要按照任务书要求，独立完成塔设备的机械设计；2.设计说明书一律采用电子版，2号图纸一律采用徒手绘制；3.各班长负责组织借用绘图仪器、图板、丁字尺；学生自备图纸、橡皮与铅笔；4.画图结束后，将图纸按照统一要求折叠，同设计说明书统一在答辩那一天早上8：30前，由班长负责统一交到HF508。
5.根据设计说明书、图纸、平时表现及答辩综合评分。
五、设计安排六、说明书的内容1.符号说明2.前言（1）设计条件；（2）设计依据；（3）设备结构形式概述。
3.材料选择（1）选择材料的原则；（2）确定各零、部件的材质；（3）确定焊接材料。
4.绘制结构草图（1）换热器装配图（2）确定支座、接管、人孔、控制点接口及附件、内部主要零部件的轴向及环向位置，以单线图表示；（3）标注形位尺寸。
（4）写出图纸上的技术要求、技术特性表、接管表、标题明细表等5.壳体、封头壁厚设计（1）筒体、封头及支座壁厚设计；（2）焊接接头设计；（3）压力试验验算；6.标准化零、部件选择及补强计算：（1）接管及法兰选择：根据结构草图统一编制表格。
换热器的机械设计
7.壳体热应力校核； 8.支座设计。
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7.2换热管的选用及其与管板的连接 7.2.1 换热管选用 ·常用管子形式：
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·常用管子材质：碳钢（10，20），低 合金钢（16Mn,15MnV),合金钢 （1Cr18Ni9Ti),铜，钛，铝，塑料， 石墨等。 管子选用，要注意—— 单位传热面积的金属耗量， 传热效果， 结构紧凑， 清洗及结垢等等因素。
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管与管板焊接形式： 管与管板焊接形式
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3.胀焊并用 胀焊并用 克服了单纯的焊接及胀接的缺点， 主要优点是： • 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。 施工方式：先胀後焊；先焊後胀。 胀接——贴胀；强度胀。 焊接——密封焊，强度焊。 根据不同情况具体制定施工工艺。
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分程举例： 2程—— 管箱分程：
4程——
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4.分程隔板及其与管板间的密封 管箱结构：Βιβλιοθήκη 25隔板：单层及双层。
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7.3.5 管板与壳体的连接结构结构 1.固定式管板——用于固定式管板换热器。
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2.非固定式管板
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浮头式、U形管式和填料函式换热 器上的管板为可拆式结构，以便清理壳 程。
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保证紧密性的方法： 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。
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2.焊接 焊接
优点： • 高温高压下能保证连接 的紧密性； • 管板孔加工精度要求不 高，低于胀接； • 焊接工艺简单； • 压力不高时可用薄管板。 缺点： • 存在焊接热应力——应 应 力腐蚀； 力腐蚀； • 管与孔间有间隙——形 成介质死区，间隙腐蚀 间隙腐蚀。 间隙腐蚀
此次民院考试必备化工设备机械基础作业答案
《化工设备机械基础》第一章化工设备材料及其选择一. 名词解释3.弹性模数(E)：材料在弹性范围内，应力和应变成正比，即σ=Eε,比例系数E为弹性模数。
6.泊松比（μ）：拉伸试验中试件单位横向收缩与单位纵向伸长之比。
对于钢材，μ=0.3 。
9.屈服点：金属材料发生屈服现象的应力，即开始出现塑性变形的应力。
它代表材料抵抗产生塑性变形的能力。
2.沸腾钢：沸腾钢在冶炼时用弱脱氧剂Mn脱氧，是脱氧不完全的钢。
其锭模上小下大，浇注后钢液在锭模中发生自脱氧反应，放出大量CO 气体，造成沸腾现象。
沸腾钢锭中没有缩孔，凝固收缩后气体分散为很多形状不同的气泡，布满全锭之中，因而内部结构疏松。
6.碳素钢：这种钢的合金元素含量低，而且这些合金元素不是为了改善钢材性能人为加入的。
1.热处理：钢铁在固态下通过加热,保温和不同的冷却方式，以改变其组织、满足所需要的物理,化学与机械性能，这样的加工工艺称为热处理。
5.化学腐蚀：金属遇到干燥的气体和非电解质溶液发生化学作用引起的腐蚀。
化学腐蚀在金属表面上，腐蚀过程没有电流产生。
6.电化学腐蚀：金属与电解质溶液间产生电化学作用而引起的破坏，其特点是在腐蚀过程中有电流产生。
二. 指出下列钢材的种类、含碳量及合金元素含量B组：第二章容器设计的基本知识二、指出下列容器属于一、二、三类容器的哪一类B组：三、填空题1、钢板卷制的筒体和成型封头的公称直径是指它们的（内）径。
2、无缝钢管做筒体时，其公称直径是指它们的（外）径。
3、查手册找出下列无封钢管的公称直径DN是多少毫米？4、压力容器法兰标准中公称压力PN有哪些等级？5、管法兰标准中公称压力PN有哪些等级？6．目前我国纳入安全技术监察范围的压力容器须同时具备的三个条件是（①最高工作压力pw≥0.1MPa；②内直径Di≥150mm，且容积V≥0.025m3；③介质为气体、液化气或最高工作温度高于标准沸点的液体。
）7．我国现有与压力容器相关的标准与规定有近（300）个。
管壳式换热器的设计及计算
所谓提高换热器性能，就是提高其传热性能。狭义的强化传热系指提高流体和传热面之间的传热系数。其主要方法归结为下述两个原理，即使温度边界层减薄和调换传热面附近的流体，前者采用各种间断翅片结构，后者采用泡核沸腾传热[2]。最近还兴起一种EHD技术，即电气流体力学技术，又称为电场强化冷凝传热技术，进一步强化了对流、冷凝和沸腾传热，特别适用于强化冷凝传热，并适用于低传热性介质的冷凝，因而引起人们的普遍关注[3]。其原理是，对某些不导电液体的表面施以相垂直的电场，使液体表面变得很不稳定，借冷凝液表面的张力作用和在静电场下液膜的不稳定现象使液膜厚度减薄，从而强化冷凝传热。其所需电场耗用的电力很小。人们想尽各种办法实施强化传热，归结起来不外乎两条途径，即改变传热面的形状和在传热面上或传热流路径内设置各种形状的湍流增进器或插入物。
当前换热器发展的基本趋势是：继续提高设备的传热效率，促进设备结构的紧凑性，加强生产制造的标准化系列化和专业化，并在广泛的范围内继续向大型化的方向发展。各种新型高效紧凑式换热器的应用范围将得到进一步扩大。在压力、温度和流量的许可范围内，尤其是处理强腐蚀性介质而需要使用贵重金属材料的场合下，新型紧凑式换热器将进一步取代管壳式换热器。
第一章
在化工生产中，为了工艺流程的需要，常常把低温流体加热或把高温流体冷却，把液态汽化或把蒸汽冷凝程液体，这些工艺过程都是通过热量传递来实现的。进行热量传递的设备称为换热设备或换热器。换热器是通用的一种工艺设备，他不仅可以单独使用，同时又是很多化工装置的组成部分。
在化工厂中，换热器的投资约占总投资的10%——20%，质量约为设备总质量的40%左右，检修工作量可达总检修工作量的60%以上。由此可见，换热器在化工生产中的应用是十分广泛的，任何化工生产工艺几乎都离不开它。在其他方面如动力、原子能、冶金、轻工、制造、食品、交通、家电等行业也有着广泛的应用。
管壳式换热器的设计计算
管壳式换热器的设计计算1．流体流径的选择哪一种流体流经换热器的管程，哪一种流体流经壳程，下列各点可供选择时参考(以固定管板式换热器为例)(1) 不洁净和易结垢的流体宜走管内，以便于清洗管子。
(2) 腐蚀性的流体宜走管内，以免壳体和管子同时受腐蚀，而且管子也便于清洗和检修。
(3) 压强高的流体宜走管内，以免壳体受压。
(4) 饱和蒸气宜走管间，以便于及时排除冷凝液，且蒸气较洁净，冷凝传热系数与流速关系不大。
(5) 被冷却的流体宜走管间，可利用外壳向外的散热作用，以增强冷却效果。
(6) 需要提高流速以增大其对流传热系数的流体宜走管内，因管程流通面积常小于壳程，且可采用多管程以增大流速。
(7) 粘度大的液体或流量较小的流体，宜走管间，因流体在有折流挡板的壳程流动时，由于流速和流向的不断改变，在低Re(Re>100)下即可达到湍流，以提高对流传热系数。
在选择流体流径时，上述各点常不能同时兼顾，应视具体情况抓住主要矛盾，例如首先考虑流体的压强、防腐蚀及清洗等要求，然后再校核对流传热系数和压强降，以便作出较恰当的选择。
2. 流体流速的选择增加流体在换热器中的流速，将加大对流传热系数，减少污垢在管子表面上沉积的可能性，即降低了污垢热阻，使总传热系数增大，从而可减小换热器的传热面积。
但是流速增加，又使流体阻力增大，动力消耗就增多。
所以适宜的流速要通过经济衡算才能定出。
此外，在选择流速时，还需考虑结构上的要求。
例如，选择高的流速，使管子的数目减少，对一定的传热面积，不得不采用较长的管子或增加程数。
管子太长不易清洗，且一般管长都有一定的标准；单程变为多程使平均温度差下降。
这些也是选择流速时应予考虑的问题。
3. 流体两端温度的确定若换热器中冷、热流体的温度都由工艺条件所规定，就不存在确定流体两端温度的问题。
若其中一个流体仅已知进口温度，则出口温度应由设计者来确定。
例如用冷水冷却某热流体，冷水的进口温度可以根据当地的气温条件作出估计，而换热器出口的冷水温度，便需要根据经济衡算来决定。
管壳式换热器
4、管子型式的选择（Choose the type of pipe）
管壳式换热器又称列管式换热器。管壳式换热器具有处理能力大适应性强，可靠性高， 设计和制造工艺成熟，生产成本低，清洗较为方便等优点，是目前生产中最为广泛使 用的一种换热设备。
管壳式换热器的设计和选用除了满足规定的化工工艺条件外，还需满足下列各项基本 要求：
（1）换热效率高； （2）流体流动阻力小，即压力降小； （3）结构可靠，制造成本低； （4）便于安装、检修。
管子一般都用光管，因为其结构简单、制造方便，但它强化传热的性能不足。为了强化传热，可 选用特殊型式的管子：
几种异形管
a）扁平管 b）椭圆管 c）凹槽扁平管 d）波纹管
纵向翅片管
a）焊接外翅片管 b）整体式外翅片管 c）镶嵌式外翅片管 d）整体式内外翅片管
径向翅片管
螺纹管
6.2.2 管子与管板的连接（Connection of Tube and Tube Plate）
胀接长度取（1）两倍换热管外径；（2）50mm；（3）管板厚度减3mm三者中的最小值。
胀管前后的示意图
管板孔内开环形槽
2、焊接（Welding）
管子与管板间采用焊接连接
缺点：胀接结构随温度的升高，管子或管板材料会产生高温蠕变，使接头处应力松弛或逐渐消失， 使连接处发生泄漏，造成连接失效。因此胀接结构只适用于温度不超过300℃、压力不超过4MPa 的场合。
《换热器的机械设计》课件
换热器在化工、航空、煤化工、食品、制药、纺织和能源等领域中得到广泛应用。
换热器的结构
主要部件
换热器包括一个壳体、管束、导流 板、管板和管束支承装置。
构造形式
材料选择
换热器由许多不同类型的组件组成， 可以基于经济性、热效率或其他因 素进行选择。
材料的选择取决于工作环境、换热 流体的性质以及操作温度和压力。
换热器的机械设计
这个PPT课件将会向你展示换热器的机械设计是如何实现的，包括结构，材料 的选择，以及性能评估和未来发展趋势等方面。
什么是换热器
1 定义
换热器是一种将两个或多个流体在物理上分离的设备，通过传热的方式从一个流体中取 热并将其换热器用于加热、冷却、蒸发和凝结等过程中，通过将两个流体分开并通常通过金属壳 体来传递热量。
2
重要性
换热器在现代工业和生活中扮演着一个不可或缺的角色。
3
未来方向
科技的进步将为换热器的研究和应用带来更多的机会和挑战。
换热器的设计要素
热力学性能
换热器的热力学性能是 实现优化设计的前提条 件。
结构设计
结构设计是设计换热器 时需要考虑的关键要素 之一。
流体力学设计
流体力学设计是确保换 热器能够处理所有流体 操作类型的关键。
材料选择与疲 劳寿命
材料的选择和疲劳寿命 分析是设计过程中必不 可少的要素。
换热器的优化设计
常见问题及解决方案
常见问题包括腐蚀、结垢和泄 漏，可通过监测、清洗和维护 等方法进行解决。
性能评估与提升
性能评估可以帮助决策者更好 地了解换热器的性能并做出更 好的决策。
未来发展趋势
随着技术的进步，换热器在能 源、环保和节能等方面将继续 发挥着重要的作用。
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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。
先焊后胀 缝质量
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
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
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
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℃。
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
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。
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
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
（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
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。
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。
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。