1、第篇 过程装备制造工艺 8 典型压力容器 8.1一、换热器的概述一、换热器的概述 换热器是用来完成各种不同传热过程的设备。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，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在化工厂的建设中，换热器约占总投资的1 10 0 40 40 。为什么呢？换热器台数占工艺设备总台数的为什么呢？换热器台数占工艺设备总台数的25-25-70%70%；质量占工艺设备总质量的；质量占工艺设备总质量的25-50%25-50%；检修工作量；检修工作量占总检修量的占总检修量的60-70%60-70%。应
2、用广泛应用广泛适用于多种目的：适用于多种目的： 热交换，加热，冷却，冷凝，蒸发热交换，加热，冷却，冷凝，蒸发3. 3.可靠性可靠性满足操作条件满足操作条件 , ,强度足够强度足够, ,保证使用寿命保证使用寿命二、衡量标准二、衡量标准 2. 2.合理性合理性 1. 1.先进性先进性 可制造加工，成本可接受可制造加工，成本可接受 传热效率高，流体阻力小，材料省传热效率高，流体阻力小，材料省 传热效率，流体阻力，强度，结构可靠度，耗材量，成本，制造，安装，检修接管法兰管箱容器法兰排气管膨胀节管板拉杆定距管折流板换热管壳程接管支座排污口管程接管管壳式换热器的结构：三、不同目的的换热器三、不同目的的换热
3、器 冷却器（冷却器（coolercooler）冷凝器（冷凝器（condensercondenser）蒸发器（发生相变）（蒸发器（发生相变）（evaporatorevaporator）加热器（一般不发生相变）（加热器（一般不发生相变）（heaterheater）再沸器（再沸器（reboilerreboiler） 废热锅炉（废热锅炉（waste heat boilerwaste heat boiler） 按传热方式或工作原理分类按传热方式或工作原理分类1 1、直接接触式、直接接触式传热效果好，但不能传热效果好，但不能用于发生反应或有影用于发生反应或有影响的流体之间响的流体之间图图7-1 7-1 直
4、接接触式换热器直接接触式换热器热流体热流体冷流体冷流体热流体热流体冷流体冷流体四、换热器的基本类型四、换热器的基本类型2 2、蓄热式、蓄热式温度较高的场合，温度较高的场合，但有交叉污染，但有交叉污染，温度波动大温度波动大图图7-27-2蓄热式换热器蓄热式换热器冷冷流流体体冷冷流流体体热热流流体体热热流流体体3 3、间壁式、间壁式重点重点又称表面式换热器又称表面式换热器利用间壁（固体壁面）进行热交利用间壁（固体壁面）进行热交换。冷热两种流体隔开，互不接换。冷热两种流体隔开，互不接触，热量由热流体通过间壁传递触，热量由热流体通过间壁传递给冷流体。给冷流体。应用最为广泛，形式多种多样，应用最为广泛，
5、形式多种多样，如管壳式换热器、板式换热器等如管壳式换热器、板式换热器等对于间壁式换热器，按间壁形状进一步分为对于间壁式换热器，按间壁形状进一步分为(3)(3)管壳式管壳式(1)(1)管式管式(2)(2)紧凑式紧凑式螺旋板式、板式、板螺旋板式、板式、板翅、伞板等翅、伞板等排管、蛇管、套管排管、蛇管、套管重点重点特点：1、传热效率高 2、结构紧凑、质量轻，对于铝制板翅式换热器而言，单位体积的传热面积为15002500m2/m3，相当于管壳式换热器的820倍，重量仅为相同换热面积的管壳式换热器的1/10。3、适应范围广，4、制造工艺复杂，要求严格。5、容易堵塞，清洗和检修较困难，若因腐蚀产生内漏，则
6、很难修理。优点：结构简单，造价低，操作管理方便，蛇管内可承受高压，还可用在传热面积不大的反应釜内作换热构件。缺点：通常容器内的流体流速很低，故管外给热系数小，加之容器内各处温度大致接近，因而平均温差不大，所以换热效果差，设备笨重，不适于作为需要换热面积很大的换热设备。套管式换热器是将传热管（内管）以同心圆状插入外管中，它的传热面积是由成组排列的管子所组成，从上到下、从左至右由许多U形弯头连接在一起，然后采用角钢或槽钢焊成支架，组装而成。套管式换热器一般适用于传热面积较小的场合，它比同样传热面积的管壳式换热器所需的空间容积要大，但其结构简单，制造方便等优点而广泛的用作冷却装置。图图7-37-3换
7、热器构件名称换热器构件名称1- 1-管箱管箱(A,B,C,D(A,B,C,D型型);2-);2-接管法兰接管法兰;3-;3-设备法兰设备法兰;4-;4-管板管板;5-;5-壳程接管壳程接管;6-;6-拉杆拉杆;7-;7-膨胀节膨胀节;8-;8-壳体壳体;9-;9-换热管换热管;10-;10-排气管排气管;11-;11-吊耳吊耳;12-;12-封头封头;13-;13-顶丝顶丝;14-;14-双头螺柱双头螺柱;15-;15-螺母螺母;16-;16-垫垫片片;17-;17-防冲板防冲板;18-;18-折流板或支承板折流板或支承板;19-;19-定距管定距管;20-;20-拉杆螺母拉杆螺母;21-;2
8、1-支座支座;22-;22-排液管排液管;23-;23-管管箱壳体箱壳体;24-;24-管程接管管程接管;25-;25-分程隔板分程隔板;26-;26-管箱盖管箱盖根据我们前面学习的内容，请同学们说说序号根据我们前面学习的内容，请同学们说说序号2 2、3 3、8 8、1212、2121各代表什么零件？各代表什么零件？列管式换热器的工作原理：列管式换热器的工作原理： T1 t0（环境） Tw T t1 t2 T2 列管式 t tw 列管式换热器列管式换热器将进入管程的流体均匀分布到各换热管，把管内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，管箱还可流体汇
9、集在一起送出换热器。在多管程换热器中，管箱还可通过通过设置隔板设置隔板起起分隔分隔作用。作用。管箱管箱五、主要零部件、分类及代号五、主要零部件、分类及代号 (a)(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，必须将须将连接管连接管道一起拆下，很不方便。道一起拆下，很不方便。(b)(b)在清洗换热管内时，在清洗换热管内时，仅将平盖拆下仅将平盖拆下，不及拆除连接管道，易，不及拆除连接管道，易清洗和检查。目前设计中采用较多。缺点是清洗和检查。目前设计中采用较多。缺点是用材较多用材较多。(c)(c)将将管箱与盖板管箱与盖板焊成一体。可避免在
10、管板密封处的泄漏，焊成一体。可避免在管板密封处的泄漏，但但管箱不能单独拆下管箱不能单独拆下，检修清洗不方便，很少采用。，检修清洗不方便，很少采用。(d)(d)多程隔板安置的一种形式。其接管安装形有多种。如图。多程隔板安置的一种形式。其接管安装形有多种。如图。 换热器的型号换热器的型号 DN - A- - -或或 管束的级别管束的级别 管程管程/ /壳程数，单壳程时只写壳程数，单壳程时只写NtNt 公称长度公称长度/ /换热管外径，换热管外径，m m 公称换热面积公称换热面积 管程管程/ /壳程设计压力，壳程设计压力，MPaMPa；压力相等时只写；压力相等时只写ptpt 公称直径，公称直径，mm
11、mm； 分别表示前端管箱、壳体、后端结构形式分别表示前端管箱、壳体、后端结构形式stppdLNstNN例例u 浮头式换热器浮头式换热器平盖管箱，公称直径500500mm，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：AES500-1.6-54-6/25-4u 固定管板式换热器固定管板式换热器封头管箱，公称直径700mm，管程设计压力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
12、-9/25-4u U U型管式换热器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：BIU500-4.0/1.6-75-6/19-2u 釜式重沸器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-600/1200-2.5/1.0-90-6/25-2u 浮头式冷凝器浮头式冷凝器封头管箱，公称直
13、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：BJS1200-2.5/1.0-610-9/25-4固定管板式固定管板式换热器换热器浮头式浮头式换热器换热器U形管式换热器形管式换热器填料函式填料函式换热器换热器五、管壳式换热器的分类五、管壳式换热器的分类 基本类型基本类型（一（一）固定管板式换热器固定管板式换热器优点：优点：结构结构简单、紧凑、简单、紧凑、能承受较高能承受较高的压力，造的压力，造价低，管程价低，管程清洗方便，清洗方便，管子损坏时管子损坏时易于堵管或易于堵管或更换
14、。更换。缺点：缺点：不易清洗壳程，壳体和管束中可能产生较大不易清洗壳程，壳体和管束中可能产生较大的热应力。的热应力。图图7-47-4固定管板式换热器固定管板式换热器为减少热应力，通常在固定管板式换热器中设置柔性为减少热应力，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。元件（如膨胀节、挠性管板等），来吸收热膨胀差。图图7-57-5带膨胀节的固定管板式换热器带膨胀节的固定管板式换热器图7-2 固定管板式换热器图7-3 带补偿器的固定管板式换热器适用场合：适用场合：适用于壳程介质清洁，不易结垢，管程需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
15、壳程压力不大的场清洗以及温差不大或温差虽大但是壳程压力不大的场合。合。折流板：折流板：提高壳程流体的流速和湍动程度。隔板：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。由于两块管板都与壳体固定，当壳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。减少热应力来吸收热膨胀差。当壳体和管子之间的温差较大当壳体和管子之间的温差较大(6070 )(6070 )且壳体承且壳体承受压力不太高时，可采用补偿圈（又称膨胀节）。受压力不太高时，可采用补偿圈（又称膨胀节）。特特点点1
16、.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；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（二）浮头式换热器（二）浮头式换热器（二）浮头式换热器优点：优点： 管内和管间清洗方便，不会产生热应力。管内和管间清洗方便，不会产生热应力。缺点：缺点： 结构复杂，设备笨重，造价高，浮头端小结构复杂，设备笨重，造价高，浮头端小盖在操作中无法检查。盖在操作中无法检查。适用场合：适用场合：壳体和管束之间壁温相差较大，或介质易壳体和管束之间壁温相差较大，或介质易 结垢的场合。结垢的场合。图图7-67-6浮头式换热器浮头式换热器图7-4 浮
17、头式换热器特点：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；（三）（三）U U形管式换热器形管式换热器U U形管式换热器形管式换热器图图7-87-8U U型管式换热器型管式换热器优点：优点：结构简单，价格便宜，承受能力强，不会产生结构简单，价格便宜，承受能力强，不会产生热应力。热应力。缺点：缺点：布板少，管板利用率低，管子坏时不易更布板少，管板利用率低，管子坏时不易更换。换。适用场合：适用场合：特别适用于管内走清洁而不易结垢的高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。温、高压、腐蚀性大的物料。图
18、7-6 U形管式换热器U形管式换热器形管式换热器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。（四）填料函式换热器（四）填料函式换热器填料函式换填料函式换热器热器1 1纵向隔板；纵向隔板；2 2浮动管板；浮动管板；3 3活套法兰；活套法兰；4 4部分剪切环；部分剪切环；5 5填料压盖；填料压盖；6 6填料；填料；7 7填料函填料函填料函式换热器填料函式换热器优点：优点：结构简单，加工制造方便，造价低，管内和管结构简单，加工制造方便，造价低，管内和管间清洗方便。间清洗方便。 缺点：缺点：填料处易泄漏。填料处易泄漏。 适
19、用场合：适用场合： 4MPa 4MPa 以下，且不适用于易挥发、易燃、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。易爆、有毒及贵重介质，使用温度受填料的物性限制。填料函式密封填料函式密封图图7-97-9填料函式换热器填料函式换热器列管式换热列管式换热器器种类种类优优 点点缺缺 点点固定管板式固定管板式结构较简单，造价较低，相对结构较简单，造价较低，相对其它列管式换热器其管板最薄。其它列管式换热器其管板最薄。管外清洗困难管外清洗困难；管壳间管壳间有温差应力存在有温差应力存在；当两种介质温差较大时必须当两种介质温差较大时必须设置膨胀节。设置膨胀节。浮头式浮头式一端
20、管板固定，另一端管板可一端管板固定，另一端管板可在壳体内移动；管壳间不产生在壳体内移动；管壳间不产生温差应力；管束可抽出，便于温差应力；管束可抽出，便于清洗。清洗。结构较复杂，结构较复杂，；浮头处发生内漏时不便检查；浮头处发生内漏时不便检查；管束与管体间隙较大，影响传管束与管体间隙较大，影响传热。热。填料函式填料函式管束一端可自由膨胀；造价比管束一端可自由膨胀；造价比浮头式低；检修、清洗容易；浮头式低；检修、清洗容易；填函处泄漏能及时发现。填函处泄漏能及时发现。壳程内壳程内介质有外漏的可能介质有外漏的可能；壳程中不宜处理易挥发、易燃、壳程中不宜处理易挥发、易燃、易爆、有毒的介质。易爆、有毒的介
21、质。U U型管式型管式只有一个管板；管程至少为两只有一个管板；管程至少为两程；程；管束可以抽出清洗；管子可自管束可以抽出清洗；管子可自由膨胀。由膨胀。管内不便清洗管内不便清洗；管板上布管少，管板上布管少，结构不紧凑结构不紧凑，管外介质易短路，影响传热效管外介质易短路，影响传热效果；果；内层管子损坏后不易更换。内层管子损坏后不易更换。六、管子与管板的连接六、管子与管板的连接 （一（一）胀接胀接 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，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
22、生一定的挤压力，贴在一起达到密封紧固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。连接的目的。 图图7-14 7-14 胀管前后示意图胀管前后示意图（a a）胀管前）胀管前（b b）胀管后）胀管后胀管结束後： 管板孔边缘弹性回复，管板孔边缘弹性回复，挤压管端并贴紧。挤压管端并贴紧。胀管过程发生：管子端部管子端部塑性变形；塑性变形；管板孔边缘管板孔边缘弹性变形弹性变形。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：p4.0MPa , t350。 注意：管端硬度管板硬度。为什麽？为什麽？ 如何实现？如何实现？ 保证紧密性的方法保证紧密性
23、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。胀管率胀管率 就是管子、管板的变形率；就要控制合理的胀就是管子、管板的变形率；就要控制合理的胀管率，保证胀接质量。管率，保证胀接质量。胀管率的计算胀管率的计算 推荐两种计算方法：推荐两种计算方法： 管子内径增大率管子内径增大率K K； 管子壁厚减薄率管子壁厚减薄率WW。计算胀管率需要测量的数据计算胀管率需要测量的数据测量测量管板孔径管板孔径D D测量胀接前管测量胀接前管子外径子外径d dw w测量胀接前管测量胀接前管子内径子内径d d1 1测量胀接后的测量胀接后的
24、管子内径管子内径 d d2 2计算胀管率的公式计算胀管率的公式管子内径增大率管子内径增大率 K=(dK=(d2 2d dl l) )(D(Dd dw w) ) D D 100%100%管子壁厚管子壁厚 减薄率减薄率 W=(dW=(d2 2d dl l) )(D(Dd dw w) ) 2 2 100%100%胀管率的合理值胀管率的合理值 它与胀接接头的它与胀接接头的形式形式、管子的管子的规格规格及及材质材质、 管板尺寸管板尺寸、材质材质等有关等有关，不宜做不宜做统一统一要求。要求。 例如：例如： 20钢，钢，252.5mm钢管胀接钢管胀接 取取内径增大率内径增大率 K=0.8%1.6%, 相当于
25、相当于壁厚减薄率壁厚减薄率W=4%8%。 若管子直径大、管壁薄若管子直径大、管壁薄，胀管率，胀管率取小值取小值; 管子直径小管子直径小,管壁厚，管壁厚，胀管率胀管率取大值。取大值。 过胀过胀 a a 胀管率过大胀管率过大, ,它可能使管子壁厚减薄量过大，硬它可能使管子壁厚减薄量过大，硬化现象严重，甚至产生裂纹；化现象严重，甚至产生裂纹； b b 还可能使还可能使管板管板产生塑性变形，使产生塑性变形，使胀接胀接强度下降。强度下降。 c c 过胀后很难修复。过胀后很难修复。 欠胀欠胀 胀管率过小胀管率过小, ,不能保证必要的连接强度和密封性。不能保证必要的连接强度和密封性。 液压液压胀管器胀管器液
26、压胀接液压胀接 机械胀接机械胀接 适用范围：适用范围：换热管为碳素钢，管板为碳素钢或低换热管为碳素钢，管板为碳素钢或低合金钢，设计压力合金钢，设计压力44MPaMPa，设计温度设计温度300300，且无特殊要求的场合。且无特殊要求的场合。原因：原因：温度升高，残余应力减小，使管子与管板温度升高，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，故设计温间的胀接密封性能、紧固性能都下降，故设计温度度300 300 。要求管板硬度大于管子硬度，否则将管端退火要求管板硬度大于管子硬度，否则将管端退火后再胀接。后再胀接。胀接时管板上的孔可以是光孔，也可开槽胀接时管板上的孔可以是光孔，也可开槽
27、( (开槽开槽可以增加连接强度和紧密性可以增加连接强度和紧密性) )。（二（二）焊接焊接 优点：优点：在高温高压条件下，在高温高压条件下，焊接连接能保持连接的紧密焊接连接能保持连接的紧密性，管板加工要求可降低，性，管板加工要求可降低，节省孔的加工工时，工艺较节省孔的加工工时，工艺较胀接简单，压力较低时可使胀接简单，压力较低时可使用较薄的管板。用较薄的管板。缺点：缺点：在焊接接头处产生的在焊接接头处产生的热应力可能造成应力腐蚀开热应力可能造成应力腐蚀开裂和疲劳破裂，同时管子、裂和疲劳破裂，同时管子、管板间存在间隙，易出现间管板间存在间隙，易出现间隙腐蚀。隙腐蚀。 图图7-16 7-16 焊接间隙
28、示意图焊接间隙示意图管板管板间隙间隙换热管换热管0d0d强度低强度低强度高强度高减小焊接减小焊接应力应力（三（三）胀焊并用胀焊并用胀焊并用连接主要有：胀焊并用连接主要有：强度焊贴胀强度焊贴胀先焊后胀先焊后胀强度胀密封焊强度胀密封焊先胀后焊先胀后焊概念解释：密封焊概念解释：密封焊不保证强度，只防漏；不保证强度，只防漏； 强度焊强度焊既防漏，又保证抗拉脱强度；既防漏，又保证抗拉脱强度； 贴胀贴胀只消除间隙，不承担拉脱力；只消除间隙，不承担拉脱力； 强度胀强度胀既消除间隙，又满足胀接强度。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。目前，先焊后胀与先胀后焊两派学说仍处
29、于争议之中。 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。七、管程的分程及管板与隔板的连接七、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，而管子做得太长时，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，使流体加管程流速，提高传热效果，须将管束分程，使流体依次流过
30、各程管子。依次流过各程管子。 （一（一）分程原因分程原因 （二（二）分程原则分程原则 （三（三）分程隔板分程隔板 图图7-21 7-21 双层隔板与管板的密封双层隔板与管板的密封 各程换热管数应大致相等；各程换热管数应大致相等； 相邻程间平均壁温差一般不应超过相邻程间平均壁温差一般不应超过2828； 各程间的密封长度应最短；各程间的密封长度应最短； 分程隔板的形状应简单。分程隔板的形状应简单。图图7-22 7-22 单层隔板与管板的密封单层隔板与管板的密封图7-20 双层隔板与管板的密封隔板图7-19单层隔板与管板的密封s+2管板s封头隔板管板隔板隔板管板管板封头封头隔板隔板管板管板（四（四）
31、分程方式分程方式 表表7 72 2管程布置表管程布置表图序管箱隔板介质返回侧隔板管程数流动顺序214612123414231432213546146325bacdefg（一（一）工艺计算工艺计算 八、管壳式换热器设计内容八、管壳式换热器设计内容 选型；确定管、壳程；通过化工工艺计算，确定换热器的选型；确定管、壳程；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、管程数和壳传热面积，同时选择管径、管长，决定管数、管程数和壳程数程数 。（二（二）机械设计机械设计 1 1）壳体直径的决定和壳体厚度的计算；）壳体直径的决定和壳体厚度的计算；2 2）换热器封头选择，压力容器法兰选择
32、；）换热器封头选择，压力容器法兰选择；3 3）管板尺寸确定；）管板尺寸确定；4 4）折流板的选择与计算；）折流板的选择与计算；5 5）管子拉脱力的计算；）管子拉脱力的计算；6 6）温差应力计算。）温差应力计算。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。管壳式换热器机械设计内容总结管壳式换热器机械设计内容总结说出换热器类型说出换热器类型固定管板式换热器固定管板式换热器浮头式换热器浮头式换热器U U形管式换热器形管式换热器填料函式换热器填料函式换热器8.21 1、结构细长、
33、结构细长 2 2、采用平盖或球形封头、采用平盖或球形封头 3 3、密封结构特殊多样、密封结构特殊多样 4 4、高压筒体（身）限制开孔、高压筒体（身）限制开孔 高压容器的结构特点高压容器的结构特点 ( (长径比可达长径比可达28)28)( (多种自紧式密封多种自紧式密封) )高压容器的结构型式高压容器的结构型式筒体结构筒体结构单层式单层式组合式组合式整体锻造式整体锻造式锻焊式锻焊式卷焊式卷焊式单层瓦片式单层瓦片式无缝钢管式无缝钢管式层板包扎式层板包扎式热套式热套式绕板式绕板式等等等等单层容器制造工艺过程简单、生产效率较高。单层容器制造工艺过程简单、生产效率较高。 多层容器工艺过程较复杂多层容器工
34、艺过程较复杂, ,工序较多工序较多, ,生产周期长。生产周期长。单层容器使用钢板相对较厚单层容器使用钢板相对较厚, ,而厚钢板的轧制比较困难而厚钢板的轧制比较困难, ,抗脆裂性能比薄板差抗脆裂性能比薄板差, ,质量不易保证质量不易保证, ,价格昂贵。价格昂贵。 多层容器所用钢板相对较薄多层容器所用钢板相对较薄, ,质量均匀易保证质量均匀易保证, ,抗脆裂抗脆裂性好。性好。多层容器的多层容器的安全性高安全性高 即使个别层板存在缺陷即使个别层板存在缺陷, ,也不容易延展至其他也不容易延展至其他层板，不会产生瞬时的脆性破坏层板，不会产生瞬时的脆性破坏, , 。 另外另外, ,多层容器钻有多层容器钻有
35、透气孔透气孔, ,可以排出层间气体可以排出层间气体, ,若若内筒发生腐蚀破坏内筒发生腐蚀破坏, ,介质由透气孔介质由透气孔泄出易于发泄出易于发现现。由于由于层间间隙层间间隙, , 导热性导热性小得多小得多, ,高温工作时高温工作时热应力大。热应力大。层板间隙层板间隙的存在的存在, ,环焊缝环焊缝处必然存在缺处必然存在缺口的应力集中口的应力集中没有深的纵焊缝没有深的纵焊缝, ,但它的但它的深环焊缝深环焊缝难于进行难于进行热处理。热处理。 为提高厚壁筒的承载能力为提高厚壁筒的承载能力, ,在内壁面产生预压缩在内壁面产生预压缩应力应力, ,达到均化应力沿壁厚分布的目的。达到均化应力沿壁厚分布的目的。
36、 多层也采用内层预紧，改善受力。多层也采用内层预紧，改善受力。单层厚壁容器在内压作用下单层厚壁容器在内压作用下, ,筒体沿壁厚方向筒体沿壁厚方向的应力分布很不均匀的应力分布很不均匀, ,筒体筒体内壁面应力大内壁面应力大、外壁外壁面应力小面应力小, ,随着简体外直径和内直径之比的增大随着简体外直径和内直径之比的增大, ,这种不均匀性更为突出。这种不均匀性更为突出。2 2、组合式厚壁容器（即多层式）、组合式厚壁容器（即多层式） 2 2、制造：、制造： 用装置将层板逐层、同心用装置将层板逐层、同心 地包扎在内筒上；地包扎在内筒上； 借纵焊缝的焊接收缩力使借纵焊缝的焊接收缩力使 层板和内筒、层板与层板
37、层板和内筒、层板与层板 之间互相贴紧，产生一定之间互相贴紧，产生一定 的预紧力；的预紧力； 筒节上均开有安全孔筒节上均开有安全孔 报警。报警。筒体筒体深环焊缝深环焊缝筒节筒节内层内层12122525mmmm外层外层441212mmmm为避免裂纹沿壁厚为避免裂纹沿壁厚方向扩展，各层板方向扩展，各层板之间的纵焊缝应相之间的纵焊缝应相互错开互错开7575。筒节的长度视钢板的筒节的长度视钢板的宽度而定，层数则随宽度而定，层数则随所需的厚度而定。所需的厚度而定。（1 1）多层包扎式）多层包扎式1 1、结构：、结构：多层包扎筒节多层包扎筒节多层包扎筒节多层包扎筒节安 全 孔层 板内 筒多 层 包 扎 筒
38、体 层 板 纵 缝 错 开 形 式3 3、优点：、优点：制造工艺简单，不需大型复杂加工设备；制造工艺简单，不需大型复杂加工设备；安全可靠性高，层板间隙具有阻止缺陷和裂安全可靠性高，层板间隙具有阻止缺陷和裂纹向厚度方向扩展的能力；纹向厚度方向扩展的能力； 减少了脆性破坏的可能性；减少了脆性破坏的可能性；包扎预应力改善筒体的应力分布；包扎预应力改善筒体的应力分布； 对介质适应性强，可选择合适的内筒材料。对介质适应性强，可选择合适的内筒材料。4 4、缺点：、缺点： 筒体制造工序多、周期长、效率低、钢材利筒体制造工序多、周期长、效率低、钢材利用率低（仅用率低（仅60%60%左右）；左右）； 深环焊缝对
39、制造质量和安全有显著影响。深环焊缝对制造质量和安全有显著影响。 无损检测困难，环焊缝的两侧均有层板，无损检测困难，环焊缝的两侧均有层板，无法用超声检测，只能射线检测；无法用超声检测，只能射线检测； 焊缝部位存在很大的焊接残余应力，且焊焊缝部位存在很大的焊接残余应力，且焊缝晶粒易变得粗大而韧性下降；缝晶粒易变得粗大而韧性下降； 环焊缝的坡口切削工作量大，且焊接复杂。环焊缝的坡口切削工作量大，且焊接复杂。5 5、应用情况：、应用情况：目前世界上使用最广泛、制造和使用经验最为丰富目前世界上使用最广泛、制造和使用经验最为丰富的组合式筒体结构。的组合式筒体结构。 1 1、结构，制造：、结构，制造： 内筒
40、（厚度内筒（厚度 30 30mmmm）卷焊成直径不同但可）卷焊成直径不同但可过盈过盈配合配合的筒节，将外层筒节加热到计算的温度进行的筒节，将外层筒节加热到计算的温度进行套合，冷却收缩后得到紧密贴合的厚壁筒节。套合，冷却收缩后得到紧密贴合的厚壁筒节。热套筒节热套筒节（2 2）热套式）热套式2 2、优点：、优点：工序少，周期短，且具有包扎式筒体的大多数工序少，周期短，且具有包扎式筒体的大多数优点。优点。3 3、缺点：、缺点： 筒体要有较准确的过盈量，卷筒的精度要求很筒体要有较准确的过盈量，卷筒的精度要求很高，且套合时需选配套合；高，且套合时需选配套合； 套合时贴紧程度不很均匀；套合时贴紧程度不很均
41、匀； 套合后，需热处理以除套合预应力及深环焊缝套合后，需热处理以除套合预应力及深环焊缝的焊接残余应力。的焊接残余应力。（3 3）绕板式）绕板式1 1、结构：、结构：由内筒、绕板层和外筒三部分组成，是在多层包由内筒、绕板层和外筒三部分组成，是在多层包扎式筒体的基础上发展起来的。扎式筒体的基础上发展起来的。2 2、制造：、制造：内筒与多层包扎式内筒相同，外层是在内筒外面内筒与多层包扎式内筒相同，外层是在内筒外面连续缠绕若干层连续缠绕若干层3 35 5mmmm厚的薄钢板而构成筒节，厚的薄钢板而构成筒节，只有内外两道纵焊缝，需要只有内外两道纵焊缝，需要2 2个楔形过渡段，外个楔形过渡段，外筒为保护层，
42、由两块半圆或三块筒为保护层，由两块半圆或三块“瓦片瓦片”制成。制成。3 3、优点：机械化程度高，制造效率高，材料利用优点：机械化程度高，制造效率高，材料利用率高（可达率高（可达90%90%以上）。以上）。4 4、缺点：、缺点：中间厚两边薄，累积间隙。中间厚两边薄，累积间隙。绕板式绕板式（4 4）整体多层包扎式）整体多层包扎式1 1、结构、结构：错开环缝和采用液压夹钳逐层包扎的圆筒结构。错开环缝和采用液压夹钳逐层包扎的圆筒结构。2 2、制造、制造： 将内筒拼接到所需的长度，两端焊上法兰或封将内筒拼接到所需的长度，两端焊上法兰或封头；头； 在整个长度上逐层包扎层板，待全长度上包扎在整个长度上逐层包
43、扎层板，待全长度上包扎好并焊完磨平后再包扎第二层，直至所需厚度。好并焊完磨平后再包扎第二层，直至所需厚度。3 3、优点、优点：环、纵焊缝错开，筒体与封头或法兰间的环焊环、纵焊缝错开，筒体与封头或法兰间的环焊缝为一定角度的斜面焊缝，承载面积增大。缝为一定角度的斜面焊缝，承载面积增大。内筒内筒包扎层板包扎层板端部法兰端部法兰底封头底封头整体多层包扎式厚壁容器筒体整体多层包扎式厚壁容器筒体 （5 5）绕带式）绕带式以钢带缠绕在内筒外面获得所需厚度筒壁以钢带缠绕在内筒外面获得所需厚度筒壁两种结构两种结构型槽绕带式型槽绕带式扁平钢带倾角错绕式扁平钢带倾角错绕式(1)(1)型槽绕带式型槽绕带式 用特制的型
44、槽钢带螺旋缠绕在特制的内筒上，端用特制的型槽钢带螺旋缠绕在特制的内筒上，端面形状见图面形状见图4-44-4（a a），内筒外表面上预先加工有），内筒外表面上预先加工有与钢带相啮合的螺旋状凹槽。与钢带相啮合的螺旋状凹槽。缠绕时，钢带先经电加热，再进行螺旋缠绕，绕缠绕时，钢带先经电加热，再进行螺旋缠绕，绕制后依次用空气和水进行冷却，使其收缩产生预制后依次用空气和水进行冷却，使其收缩产生预紧力，可保证每层钢带贴紧；各层钢带之间靠凹紧力，可保证每层钢带贴紧；各层钢带之间靠凹槽和凸肩相互啮合，缠绕层能承受一部分由内压槽和凸肩相互啮合，缠绕层能承受一部分由内压引起的轴向力。引起的轴向力。（a a）型槽绕带
45、式筒体）型槽绕带式筒体 （b b）型槽钢带结构示意图）型槽钢带结构示意图缩套环缩套环双锥面垫片双锥面垫片焊缝焊缝（a a）（b b）（5 5）绕带式）绕带式过 程 设 备 设 计优点：优点：筒体具有较高的安全性，机械化程度高，材料筒体具有较高的安全性，机械化程度高，材料损耗少，且由于存在预紧力，在内压作用下，损耗少，且由于存在预紧力，在内压作用下，筒壁应力分布较均匀。筒壁应力分布较均匀。缺点：缺点：钢带需由钢厂专门轧制，尺寸公差要求严，技钢带需由钢厂专门轧制，尺寸公差要求严，技术要求高；为保证邻层钢带能相互啮合，需采术要求高；为保证邻层钢带能相互啮合，需采用精度较高的专用缠绕机床。用精度较高的
46、专用缠绕机床。（2 2）扁平钢带倾角错绕式）扁平钢带倾角错绕式 中国首创的一种新型绕带式筒体；该结构中国首创的一种新型绕带式筒体；该结构已被列入已被列入ASME -1ASME -1和和ASME -2ASME -2标准的规范案例，标准的规范案例，编号分别为编号分别为 2229 2229和和22692269。内筒内筒钢带层钢带层底封头底封头端部法兰端部法兰（c c） 扁平钢带倾角错绕式筒体扁平钢带倾角错绕式筒体与其它类型厚壁筒体相比，扁平钢带倾与其它类型厚壁筒体相比，扁平钢带倾角错绕式筒体结构具有设计灵活、制造角错绕式筒体结构具有设计灵活、制造方便、可靠性高、在线安全监控容易等方便、可靠性高、在线安全监控容易等优点。优点。结构：结构：内筒厚度约占总壁厚的内筒厚度约占总壁厚的1/61/61/41/4，采用采用 “ “预应力冷绕预应力冷绕”和和“压棍预弯贴压棍预弯贴紧紧”技术，环向技术，环向15153030倾角在薄倾角在薄内筒外交错缠绕扁平钢带。内筒外交错缠绕扁平钢带。钢带宽约钢带宽约8080- -160160mmmm、厚约、厚约4 4- -1616mmmm，其始，其始末两端分别与底封头和端部法兰相焊接。末两端分别与底封头和端部法兰相焊接。优点：优点：
