第七章 列管式换热器

管箱与壳程接管
管箱 换热器管内流体进出口的空间称为管箱（或称流道室）。管箱结构 应便于装拆，因为清洗、检修管子时需要拆下管箱。图7-39所示结构， 在清洗、检修时必须拆下外部管道。若改为图7-40结构，由于有侧向 的接管，则不必拆外管道就可将管箱卸下。图7-41所示结构是将管箱 上盖做成可拆的，清洗或检修时只需拆卸盖子即可，不必拆管道，但 需要增加一对法兰连接。图7-42结构，省去了管板与壳体的法兰连接， 使结构简化，但更换管子不方便。
二、管子拉脱力的计算
换热器在操作中，承受流体压力和管壳壁的 温差应力的联合作用，这两个力在管子与管板的 连接接头处产生了一个拉脱力，使管子与管板有 脱离的倾向。拉脱力的定义是管子每平方米胀接 周边上所受到的力．单位为帕．对于管子与管板 是焊接连接的接头，实验表明，接头的强度高于 管子本身金属的强度，拉脱力不足以引起接头的 破坏；但对于管子与管板是胀接的接头，拉脱力 则可能引起接头处密封性的破坏或使管子松脱。 为保证管端与管板牢固地连接和良好的密封性能 必须进行拉脱力的校核。
二、管壳式换热器的分类
固 定 管 板 式 换 热 器 固定管板式换热器适用于壳 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高的 场合。
1. U型管式换热器
U型管式换热器适用 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。
(1) (2) (3)
s 2 s
t
t 2 t
t
s 0或 s B
(3)膨胀节的选用及设置
波形膨胀节的材料和尺寸可按GB16749-1997《压力容器波形膨胀节》标准 选用，冷作成型的铁素体钢膨胀节必须经过消除应力处理。奥氏体钢膨胀节 冷作成型后通常不需要热处理，热作成型的奥氏体钢膨胀节应进行固溶处理。 波形膨胀节与换热器壳体的连接，一般采用对接。膨胀节零件的环焊缝， 以及膨胀节和壳体连接的环焊缝均应采用可以焊透的形式，并要求进行无损 探伤。 对于卧式换热器用的波形膨胀节，必须在其安装位置的最低点设置排液孔， 以便排净壳体内的残留液体。 为了减少膨胀节的磨损，防止振动及降低流体阻力等目的，必要时可以在 膨胀节的内侧增设一内衬筒，如图7-38(b)所示。设计内衬筒时应注意下列事 项： (1）内衬筒的厚度不小于2mm，且不大于膨胀节厚度；其长度应超过膨胀节 的曲线部分的轴向长度。 (2)内衬筒在迎着流体流动方向一端与壳体焊接。 (3）对于立式换热器，壳程介质为蒸汽或液体，且流动方向朝上时，应在内 衬筒下端设置排液孔道。 (4）带有内衬筒的膨胀节与管束装配时可能会有妨碍，在换热器结构设计时 应考虑。
碳钢低 合金钢 不锈钢 ǿ19x2.5 ǿ19x2 ǿ25x2,5 ǿ25x2 ǿ32x3 ǿ32x2.5 ǿ38x3 ǿ38x2.5
换热器的管子一般都用光管。为了强化传热 出现了多种结构形式异形管
二、管子与管板的连接
1. 胀接:利用胀管器挤压
伸入管板孔中的管子端部， 使管子发生塑性变形，管 板孔同时产生弹性变形， 当取出胀管器后管板与管 子就产生一定的挤紧压力， 达到密封紧固连接的目的。

当管子总数超过127根（相当于层数＞6) 时，正三角形排列的最外层管子和壳体之 间的弓形部分，应配置附加换热管，从而 增大传热面积，消除管外空间这部分不利 于传热的地方。附加换热管的配置法可参 考表7-4，在制氧设备中，常采用同心圆排 列法，结构比较紧凑 。
管间距
管板上两换热管中心的距离称为管间距。管 间距的确定，要考虑管板强度和清洗管子外表面 时所需空隙，它与换热管在管板上的固定方法有 关。当换热管采用焊接方法固定时，相邻两根管 的焊缝太近，就会相互受到热影响，使焊接质量 不易保证；而采用胀接法固定时，过小的管间距 会造成管板在胀接时由于挤压的作用而发生变形， 失去了管子与管板之间的连接力。因而，换热管 中心距宜不小于1.26倍的换热管外径，
管程的分程及管板与隔板的连接
当换热器所需的换 热面积较大，而管子 做的太长时，就得增 大壳体直径，排列较 多的管子。此时为了 增加流程，提高传热 效率，须将管束分程， 使液体依次流过各程 管子。
1）各程换热管数应大致 相等； 2）相邻程间平均壁温差 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。 分程隔板有单层和双层 两种。

F3,—由于壳程和管程压力作用于壳体上的轴向力， N;
式中 Q—— 作用于壳程和管程的操作压力 之和，N
Q

( Di 2 nd 0 2 ) ps n(d 0 2St ) 2 pt 4
(7-16)
；如果管子和壳体的应力满足下述条件之 一，则不需要设置膨胀节，相反，则必须 设置膨胀节：
膨胀节的结构及设置
膨胀节的结构及设置 (1)膨胀节是装在固定管板式换热器上的挠性元件， 对管子与壳体的膨胀变形差进行补偿，以此来消除或减小 不利的温差应力．在换热器中采用的膨胀节有三种型式： 平板焊接膨胀节、波形膨胀节和夹壳式膨胀节（图7-39)。 最常用的是波形膨胀节图7-39(b)。波形膨胀节可以由单层 板或多层板构成。多层膨胀节具有较大的补偿量。当要求 更大的热补偿里时，可以采用多波膨胀节。多波膨胀节可 以为整体成形结构（波纹管），也可以由几个单波元件用 环焊缝连接。平板焊接的膨胀节［图7-39(a)」结构简单， 便于制造，但只适用于常压和低压的场合。夹壳式膨胀节 〔图7-39(c)」可用于压力较高的场合。
在操作压力作用下，每平方米胀接周边所受到的力qp
管子成三角形排列时见图7-31 (a)
管子成正方形排列时见图7-31 (b)
在操作压力作用下，每平方米胀接周边所受到的力qt

由温差产生的管子周边力与压力产生的管子周边力可能 是作在同一方向的，也可能是作用在相反方向的。若两者 作用于管子周边力方向相同，管子的拉脱力为qp +qt ；反 之，管子拉脱力为︱ qp - qt ︱，方向同qp 和qt 两者中较 大者。
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
第一节 概述 换热器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11%。 衡量一台换热器好坏的标准是传热效率高、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。
一、管壳式换热器的结构及主要零部件
管板与壳体的连接
1. 固定管板式换热器换热器管板与壳体的 连接
2. 浮头式、 U形管式及填函式换热器管板与壳体的连接
折流板、支承板、旁路挡板及拦液板的作用与 结构
折流板和支承板 在对流传热的换热器中，为了提高壳程内流 体的流速和加强湍流程度，以提高传热效率，在 壳程内装置折流板。折流板还起支撑换热管的作 用。 折流板和支承板的常用形式有弓形、圆盘-圆 环形和带扇形切口三种。7-28、图7-29和图7-30。 其中弓形折流板用得较普遍，这种形式使流体只 经折流板切去的圆缺部分而垂直流过管束，流动 中死区较少。

换热器中采用的膨胀节有三种型式：平板焊接 膨胀节、波形膨胀节和夹壳式膨胀节
（2）必须设置膨胀节的条件。《钢制管壳式换热器设计规定》中指出：对 于固定管板式换热器，用下式计算壳体和管子中的应力：

式中 F1 —由壳体和管子之间的温差所产生的轴向力， N;

F2 ,—由于壳程和管程压力作用于壳体上的轴向力， N;
2．浮头式换热器
这类换热器，一端管板是 固定的，另一端管板可在 壳体内移动，因而管、壳 间不产生温差应力。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。浮头处如 发生内漏时不便检查。管 束与壳体间隙较大，影响 传热。
三、管壳式换热器机械设计内容
设计一个比较完善的换热器，除了能 满足传热方面的要求外，还应该满足传热 效率高、体积小、重量轻、消耗材料少、 制造成本低、清洗维护方便和操作安全等 要求。管壳式换热器的设计，首先根据化 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， 然后讲行机械设计。
换热管的拉脱力必须小于许用拉脱力〔q〕
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. 使管束和壳体自由热膨账； （1）填料式换热器（2）浮头式换热器
4．双套管温度补偿
在高温高压换热器中，也有采用插人式的双套管温度补 偿结构，如图7-37所示。这种结构也完全消除了热应力。
壳程接管
壳程流体进出口的设计，直接影响换热器的传热效率 和换热管的寿命。当加热蒸汽或高速流体流入壳程时，对 换热管会造成很大的冲刷，所以常将壳程接管在入口处加 以扩大，即将接管作成喇叭形，这样起缓冲作用，或者在 换热器进口处设置挡板。 通常采用的挡板有圆形和方形。图7-45为圆形挡板， 为了减少流体阻力，挡板与换热器壳壁的距离a不应太小， 至少应保证此处流道截面积不小于流体进口接管的截面积， 且距离a不小于30mm，若距离太大也妨碍管子的排列，且 减少了传热面积。当需加人流体通道时，可在挡板上开些 圆孔以加大流体通过的截面。图7-46是一种方形挡板，上 面开了小孔以增加流体通过截面。
第二节 管子的选用及其与管板的连接
一、管子的选用
换热器的管子构成换热器的传热面积，管子的形状对 传热和换热器的设计有很大的影响。 我国管壳式换热器常用无缝钢管规格长度为： 1500mm 、 2000mm、2500mm、3000mm、4500mm、 5000mm、6000mm、7500mm、9000mm、12000mm、
拦液板
在立式冷凝器中，为减薄管壁上的液 膜而提高传热膜系数，推荐在冷凝器中装 置拦液板以起截拦液膜作用。拦液板间距 按实际情况决定或暂取折流板间距。
第四节
温差应力
一、管壁与壳壁温度差引起的温差应力 t=αt(tt-t0)L s = αs(ts-t0)L 管子所受压缩力等于壳体所受拉伸力。 则根据虎克定律可知管子被压缩的量为 t- =FL/E t A t 壳体被拉伸的量为 - s =FL/E s.A s
2. 焊接：在高压高温条
件下，连接能保持连接的 紧密性。
3. 胀焊结合
三、管板结构
换热管排列形式 换热管的排列应在整个换热器的截面上均匀地 分布，要考虑排列紧凑、流体的性质、结构设计 以及制造等方面的问题。 1. 正三角形和转角正三角形排列
2. 正方形和转角正方形排列
另外，根据结构要求，采用组合排列，例如在多程换 热器中，每一程中都采用三角形排列法，而在各程之间， 为了便于安装隔板，则采用正方形排列法，如图7-17,
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ间距应
表7-4
换热管中心距离(mm)
换热管外径
14 19
19 25
25 32
32 40
38 48
45 57
57 72
换热管中心 距离
管板受力及其设计方法简介
列管式换热器的管板，一般采用平管板，在 圆平板上开孔装设管束，管板又与壳体相连。管 板所受载荷除管程与壳程压力之外，还承受管壁 与壳壁的温差引起的变形不谐调作用．固定式管 板受力情况较复杂，影响管板应力大小有如下因 素：管板自身的直径、厚度、材料强度、使用温 度等对管板应力有显著的影响。 管束对管板的支承作用。管板与许多换热管 刚性地固定在一起，因此，管束起着支承的作用， 阻碍管板的变形。在进行受力分析时，常把管板 看成是放在弹性基础上的平板，
横向折流板和支承板的厚度与壳体直径和 折流板间距有关。
折流板和支承板的固定形式
旁路挡板及拦液板
当壳体与管束之间存在较大间隙时。可在管束上增加 旁路挡板阻止流体短路，迫使壳程流体通过管束进行热交 换。 在立式冷凝器中，为减薄管壁上的液膜而提高传热膜 系数，推荐在冷凝器中装置拦液板以起截拦液膜作用。