7章教案换热器的机械设计(13)PPT课件
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7.1.1 管壳式换热器的结构：
接管法兰 容器法兰 管板 管箱
排气管 拉杆
折流板
膨胀节 定距管 换热管
壳程接管
管程接管
排污口 支座
——管板厚度设计方法。 1）管板当作受均布载荷的实心圆平板，按弹
性理论求解弯曲应力； 2）管束作为弹性基础，计算各种载荷作用下
的弯曲应力； 3）取相邻四个管板孔间的菱形，按弹性理论，
计算均布载荷下的最大弯曲应力。
31
7.3.4 管程分程及管板与隔板的连接
1.换热面积较大，要进行分程 1）管子太长，设备长径比过大，浪费材料； 2）增加流速，提高传热效果。
3
7.1.2 管壳式换热器的分类 1. 固定管板式换热器
4
5
6
7
固定管板换热器—— 分为带补偿器和不带补偿器两种。
优点：1）结构简单； 2）造价低。
缺点：1）壳程难清洗； 2）存在有温差应力。
介质须较清洁，不易结垢； 管程与壳程温差不大； 壳程压力不高。
8
特点:
1.一个大管板，一个小管板，小管板在壳体内滑动
2. 分程要求： 1）各程管数大致相同； 2）相邻程管壁温差不大于28℃； 3）程间密封长度应最短； 4）隔板形状应简单。
3. 常用管程数为：1，2，4，6，8，12。 32
分程举例： 2程——
管箱分程：
4程——
33
4.分程隔板及其与管板间的密封 管箱结构：
34
隔板：单层及双层。
35
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。
3.管子可以自由膨胀；
4.管内不便清洗，不易更换；
5.结构不紧凑。
12
13
7.1.3 管壳式换热器机械设计内容
1.壳体直径及壁厚； 2.封头法兰、管件及补强； 3.管板结构及强度； 4.细部连接结构； 5.附件结构； 6.管子拉脱力验算； 7.壳体热应力校核； 8.支座设计。
14
7.2 换热管的选用及其与管板的连接
——无温差应力；
2.管束可以抽出，清洗；
3.结构复杂，浮头内漏不便检查；
4.管束与壳体间隙较大——影响传热。.
9
10
特点： 1. 一端可自由伸缩— 不产生热应力； 2. 管束可以抽出，管内外均易清洗； 3. 填料将壳程介质与外界隔开，易外漏， 介质受限制。
11
1.只有一个管板，结构简单；
2.管子可以抽出，管间易清洗；
第3篇 典型化工设备的机械设计
第7章 管壳式换热器的机械设计
7.1 概述 直接影响产品质量、生产效率和经营成本—— 化
工装置投资的11%，石油炼厂设备投资的40%。 ◎应用广泛——适用于多种目的：
热交换，加热，冷却，冷凝，蒸发…… ◎衡量标准：传热效率，流体阻力，强度，结构可靠度，
耗材量，成本，制造，安装，检修…… ◎结构品种多，各有利弊。
1.介质压力和温差力对管板的作用： 假设 管壁温度＞壳壁温度
形式：a. 弓形；b. 圆盘-圆环形；c. 扇形。
41
42
7.4.2 旁路挡板
壳体与管束之间存在有较大间隙时，为避免流体 走短路，沿纵向设置板条，迫使流体穿过管束。
43
7.4.3 拦液板 作用：在立式冷凝器中，用来减薄管壁上的液
膜以提高传热膜系数。
44
7.5 温差应力 7.5.1.温差应力的产生：
17
18
液压胀接 19
胀管过程发生： 管子端部——塑性变形； 管板孔边缘——弹性变形。
胀管结束後： 管板孔边Байду номын сангаас弹性回复，
挤压管端并贴紧。
20
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℃。 注意：管端硬度＜管板硬度。
36
2.非固定式管板
37
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。
38
3.管板与壳体的连接结构 兼作法兰情况：
39
管板不兼作法兰结构：
40
7.4 其它附件的作用与结构
7.4.1 折流板及支撑板 作用：a. 提高壳程流体流速，改变流动方向—提高传
热效率。 b. 支撑换热管。
为什麽？ 如何实现？
21
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。
22
2. 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；
7.2.1 换热管选用 常用管子形式：
15
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。
16
7.2.2 管子与管板的连接： 1. 胀接 工具：
• 压力不高时可用薄管板。
缺点：
• 存在焊接热应力——应力 腐蚀；
• 管与孔间有间隙——形成 介质死区，间隙腐蚀。
23
管与管板焊接形式：
24
管板
焊接管口
25
3.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。
26
7.3.1 换热管排列形式
1.正三角形和转正三角形排列
27
2.正方形和转角正方形排列 3.组合排列
28
7.3.2 管间距
——换热管中心距。 要考虑到： • 管板强度； • 清洗空间； • 管子在管板上的固定方法。等 中心距≥1.25倍管子外径。
29
7.3.3 管板受力及管板设计方法
30
管板设计方法简介：
t t (tt to)L S S(ts t0)L
t
FL Et At
s
FL ES As
45
温差轴向力
F t (tt t0 ) s (ts t0 )
1 1 Et At ES AS
管壁内温差应力: t
F At
壳壁内温差应力： s
F As
46
7.5.2 管子拉脱力的计算 ——限于管子与管板胀接情况。
整体概况
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7.1.1 管壳式换热器的结构：
接管法兰 容器法兰 管板 管箱
排气管 拉杆
折流板
膨胀节 定距管 换热管
壳程接管
管程接管
排污口 支座
——管板厚度设计方法。 1）管板当作受均布载荷的实心圆平板，按弹
性理论求解弯曲应力； 2）管束作为弹性基础，计算各种载荷作用下
的弯曲应力； 3）取相邻四个管板孔间的菱形，按弹性理论，
计算均布载荷下的最大弯曲应力。
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7.3.4 管程分程及管板与隔板的连接
1.换热面积较大，要进行分程 1）管子太长，设备长径比过大，浪费材料； 2）增加流速，提高传热效果。
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7.1.2 管壳式换热器的分类 1. 固定管板式换热器
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固定管板换热器—— 分为带补偿器和不带补偿器两种。
优点：1）结构简单； 2）造价低。
缺点：1）壳程难清洗； 2）存在有温差应力。
介质须较清洁，不易结垢； 管程与壳程温差不大； 壳程压力不高。
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特点:
1.一个大管板，一个小管板，小管板在壳体内滑动
2. 分程要求： 1）各程管数大致相同； 2）相邻程管壁温差不大于28℃； 3）程间密封长度应最短； 4）隔板形状应简单。
3. 常用管程数为：1，2，4，6，8，12。 32
分程举例： 2程——
管箱分程：
4程——
33
4.分程隔板及其与管板间的密封 管箱结构：
34
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。
3.管子可以自由膨胀；
4.管内不便清洗，不易更换；
5.结构不紧凑。
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7.1.3 管壳式换热器机械设计内容
1.壳体直径及壁厚； 2.封头法兰、管件及补强； 3.管板结构及强度； 4.细部连接结构； 5.附件结构； 6.管子拉脱力验算； 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
——无温差应力；
2.管束可以抽出，清洗；
3.结构复杂，浮头内漏不便检查；
4.管束与壳体间隙较大——影响传热。.
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特点： 1. 一端可自由伸缩— 不产生热应力； 2. 管束可以抽出，管内外均易清洗； 3. 填料将壳程介质与外界隔开，易外漏， 介质受限制。
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1.只有一个管板，结构简单；
2.管子可以抽出，管间易清洗；
第3篇 典型化工设备的机械设计
第7章 管壳式换热器的机械设计
7.1 概述 直接影响产品质量、生产效率和经营成本—— 化
工装置投资的11%，石油炼厂设备投资的40%。 ◎应用广泛——适用于多种目的：
热交换，加热，冷却，冷凝，蒸发…… ◎衡量标准：传热效率，流体阻力，强度，结构可靠度，
耗材量，成本，制造，安装，检修…… ◎结构品种多，各有利弊。
1.介质压力和温差力对管板的作用： 假设 管壁温度＞壳壁温度
形式：a. 弓形；b. 圆盘-圆环形；c. 扇形。
41
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7.4.2 旁路挡板
壳体与管束之间存在有较大间隙时，为避免流体 走短路，沿纵向设置板条，迫使流体穿过管束。
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7.4.3 拦液板 作用：在立式冷凝器中，用来减薄管壁上的液
膜以提高传热膜系数。
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7.5 温差应力 7.5.1.温差应力的产生：
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液压胀接 19
胀管过程发生： 管子端部——塑性变形； 管板孔边缘——弹性变形。
胀管结束後： 管板孔边Байду номын сангаас弹性回复，
挤压管端并贴紧。
20
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℃。 注意：管端硬度＜管板硬度。
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2.非固定式管板
37
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。
38
3.管板与壳体的连接结构 兼作法兰情况：
39
管板不兼作法兰结构：
40
7.4 其它附件的作用与结构
7.4.1 折流板及支撑板 作用：a. 提高壳程流体流速，改变流动方向—提高传
热效率。 b. 支撑换热管。
为什麽？ 如何实现？
21
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。
22
2. 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；
7.2.1 换热管选用 常用管子形式：
15
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。
16
7.2.2 管子与管板的连接： 1. 胀接 工具：
• 压力不高时可用薄管板。
缺点：
• 存在焊接热应力——应力 腐蚀；
• 管与孔间有间隙——形成 介质死区，间隙腐蚀。
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管与管板焊接形式：
24
管板
焊接管口
25
3.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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7.3.1 换热管排列形式
1.正三角形和转正三角形排列
27
2.正方形和转角正方形排列 3.组合排列
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7.3.2 管间距
——换热管中心距。 要考虑到： • 管板强度； • 清洗空间； • 管子在管板上的固定方法。等 中心距≥1.25倍管子外径。
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7.3.3 管板受力及管板设计方法
30
管板设计方法简介：
t t (tt to)L S S(ts t0)L
t
FL Et At
s
FL ES As
45
温差轴向力
F t (tt t0 ) s (ts t0 )
1 1 Et At ES AS
管壁内温差应力: t
F At
壳壁内温差应力： s
F As
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7.5.2 管子拉脱力的计算 ——限于管子与管板胀接情况。