过程装备制造工艺典型压力容器

2.5MPa，壳程设计压力1.6MPa，公称换热面 积200 ㎡，较高级冷拔换热管外径25mm,管 长9m，4管程单壳程的固定管板式换热器， 其型号为：
BEM700-2.5/1.6-200-9/25-4Ⅰ
U型管式换热器 ▪ 封头管箱，公称直径500mm，管程设计压力
4.0MPa，壳程设计压力1.6MPa，公称换热面 积75 ㎡，较高级冷拔Ⅱ 换热管外径19mm,管长 6m，2管程单壳程的U型管式换热器，其型 号为：
四、换热器的基本类型
按传热方式或工作原理分类 1、直接接触式
热流体
冷流体
传热效果好，但不能 用于发生反应或有影
响的流体之间
热流体
冷流体
图7-1 直接接触式换热器
2、蓄热式
温度较高的场合 ，但有交叉污染
，温度波动大
冷
热
流
流
体
体
热
冷
流
流
体
体
图7-2蓄热式换热器
3、间壁式
重点
——又称表面式换热器
为什麽？ 如何实现？
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。
胀管率 就是管子、管板的变形率；就要控制合理的胀
管率，保证胀接质量。 胀管率的计算
推荐两种计算方法： 管子内径增大率K； 管子壁厚减薄率W。
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。.
（二）浮头式换热器
图7-6 浮头式换热器
优点： 管内和管间清洗方便，不会产生热应力 。缺点： 结构复杂，设备笨重，造价高，浮头端小 盖在操作中无法检查。 适用场合：壳体和管束之间壁温相差较大，或介质易
结垢的场合。
（三）U形管式换热器
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。
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
对于间壁式换热器，按间壁形状进一步分为
(1)管式 (2)紧凑式
排管、蛇管、套管
螺旋板式、板式、板 翅、伞板等
(3)管壳式
重点
根据我们前面学习的内容，请同学们说说序号 2、3、8、12、21各代表什么零件？
过程装备制造工艺典型压力 容器
8.1管壳式换热器
换热器是用来完成各种不同传热过程的设备。 是许多工业部门广泛应用的通用工艺设备。通常 ，在化工厂的建设中，换热器约占总投资的10％～ 40 ％ 。为什么呢？换热器台数占工艺设备总台数的2570%；质量占工艺设备总质量的25-50%；检修工作量 占总检修量的60-70%。 ◎应用广泛——适用于多种目的：
填料函式密封
图7-9 填料函式换热器
优点：结构简单，加工制造方便，造价低，管内和管
间清洗方便。 缺点：填料处易泄漏。 适用场合： 4MPa 以下，且不适用于易挥发、易燃、 易爆、有毒及贵重介质，使用温度受填料的物性限制 。
列管式换热
器
优点
缺点
种类
固定管板式
结构较简单，造价较低，相对 其它列管式换热器其管板最薄 。
折流板：提高壳程流体的流速和湍动程度。
当壳体和管子之间的温差较大(60~70℃ )且壳体承 受压力不太高时，可采用补偿圈（又称膨胀节） 膨。胀节的作用：由于两块管板都与壳体固定，当壳 体、换热管受热、受压都会发生变形，加入膨胀节 减少热应力来吸收热膨胀差。
（二）浮头式换热器
特 点
1.一个大管板，一个小管板，小管板在壳体内滑动 ——无温差应力； 2.管束可以抽出，清洗；
壳程内介质有外漏的可能；
壳程中不宜处理易挥发、易燃 、 易爆、有毒的介质。
U型管式
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。
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。
（一）胀接
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。
浮头式冷凝器 ▪ 封头管箱，公称直径1200mm，管程设计压
力2.5MPa，壳程设计压力1.0MPa，公称换热 面积610㎡，普通级冷Ⅱ 拔换热管外径25mm, 管长9m，4管程单壳程的浮头式冷凝器，其 型号为：
BJS1200-2.5/1.0-610-9/25-4Ⅱ
基本类型
固定管板式换热器 浮头式换热器 U形管式换热器 填料函式换热器
管外清洗困难； 管壳间有温差应力存在； 当两种介质温差较大时必须 设置膨胀节。
一端管板固定，另一端管板可 结构较复杂，金属耗量较大；
浮头式
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
清洗。
热。
填料函式
管束一端可自由膨胀；造价比 浮头式低；检修、清洗容易； 填函处泄漏能及时发现。
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。
（一）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。
图7-3 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
列管式换热器的工作原理： 列管式换热器
管箱
管箱的作用:将进入管程的流体均匀分布到各换热管，把管内 流体汇集在一起送出换热器。在多管程换热器中，管箱还可 通过设置隔板起分隔作用。
(a)适用于较清洁介质工况。检查换热管内及清洗换热管时，必须 将连接管道一起拆下，很不方便。
(b)在清洗换热管内时，仅将平盖拆下，不及拆除连接管道，易 清洗和检查。目前设计中采用较多。缺点是用材较多。
（a）胀管前
（b）胀管后
图7-14 胀管前后示意图
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： 管板孔边缘弹性回复，
挤压管端并贴紧。
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。
(c)将管箱与盖板焊成一体。可避免在管板密封处的泄漏， 但管箱不能单独拆下，检修清洗不方便，很少采用。
(d)多程隔板安置的一种形式。其接管安装形有多种。如图 。
◆ 换热器的型号
××× DN — -- A-- -- --Ⅰ或Ⅱ
管束的级别
管程/壳程数，单壳程时只写Nt
公称长度/换热管外径，m 公称换热面积 管程/壳程设计压力，MPa；压力相等时只写pt 公称直径，mm； 分别表示前端管箱、壳体、后端结构形式
（二）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。
（三）分程隔板
封头 隔板
管板
隔板 管板
图7-21 双层隔板与管板的密封 图7-22 单层隔板与管板的密封
（四）分程方式 表7－2 管程布置表
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(开槽 可以增加连接强度和紧密性)。
（二）焊接Hale Waihona Puke Baidu
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。
例 浮头式换热器 ▪ 平盖管箱，公称直径500mm，管程和壳程设
计压力均为1.6MPa，公称换热面积54㎡，较
高级冷拔换热管外径25mm，管长6m，4管程
单壳程的浮头式换热器，其型号为：
AES500-1.6-54-6/25-4Ⅰ
固定管板式换热器 ▪ 封头管箱，公称直径700mm，管程设计压力
BIU500-4.0/1.6-75-6/19-2Ⅰ
釜式重沸器 ▪ 平盖管箱，管箱内直径600mm，圆筒内直径
1200mm，管程设计压力2.5MPa，壳程设计 压力1.0MPa，公称换热面积90㎡，普通级冷 拔换热管外径25mm,管长6m，2管程釜式重 沸器，其型号为：
AKT-600/1200-2.5/1.0-90-6/25-2Ⅱ
U形管式换热器
（四）填料函式换热器
1.只有一个管板，结构简单； 2.管子可以抽出，管间易清洗； 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。
填料函式换 热器
1—纵向隔板 ；2—浮动管 板；3—活套 法兰；4—部 分剪切环； 5—填料压盖 ；6—填料； 7—填料函
填料函式换热器
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。 为减少热应力，通常在固定管板式换热器中设置柔性 元件（如膨胀节、挠性管板等），来吸收热膨胀差。
图7-5 带膨胀节的固定管板式换热器
隔板：增加管程数，提高管内流体流速。 流速增加，传热效率提高；但流动的阻力 也同时增加。
计算胀管率需要测量的数据
测量胀接前管 子内径d1
测量胀接前管 子外径dw
测量胀接后的 管子内径 d2
测量管板孔径 D
计算胀管率的公式
管子内径增大率 K=[(d2－dl)－(D－dw) ]／D ×100%
管子壁厚δ减薄率 W=[(d2－dl)－(D－dw) ]／2δ ×100%
胀管率的合理值 它与胀接接头的形式、管子的规格及材质、
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；
U形管式换热器
图7-8 U型管式换热器
优点：结构简单，价格便宜，承受能力强，不会产生 热应力。 缺点：布板少，管板利用率低，管子坏时不易更换 。适用场合：特别适用于管内走清洁而不易结垢的高 温、高压、腐蚀性大的物料。
热交换，加热，冷却，冷凝，蒸发……
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……
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 满足操作条件 ,强度足够,保证使用寿命
管壳式换热器的结构：
冷却器（cooler） 冷凝器（condenser） 加热器（一般不发生相变）（heater） 蒸发器（发生相变）（evaporator） 再沸器（reboiler） 废热锅炉（waste heat boiler）
化现象严重，甚至产生裂纹； b 还可能使管板产生塑性变形，使胀接强度下降。 c 过胀后很难修复。
液压 胀管器
液压胀接
机械胀接
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。
原因：温度升高，残余应力减小，使管子与管板 间的胀接密封性能、紧固性能都下降，故设计温 度≤300℃ 。
管板尺寸、材质等有关，不宜做统一要求。 例如： 20钢，Φ25×2.5mm钢管胀接 取内径增大率 K=0.8%~1.6%, 相当于壁厚减薄率W=4%~8%。 若管子直径大、管壁薄，胀管率取小值; 管子直径小,管壁厚，胀管率取大值。
欠胀 胀管率过小,不能保证必要的连接强度和密封性。
过胀 a 胀管率过大,它可能使管子壁厚减薄量过大，硬
管板
换热管
间隙
图7-16 焊接间隙示意图
强度低
强度高
减小焊接 应力
（三）胀焊并用
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 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； 贴胀—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。