1、第第7 7章章 管壳式换热器的机械设计管壳式换热器的机械设计第一节、换热器概论第一节、换热器概论第二节、换热管、管板与折流板第二节、换热管、管板与折流板第三节、温差应力第三节、温差应力第一节、换热器概论第一节、换热器概论v 在化工厂建设投资中，换热器占着很重要的份额，10%40%；v 换热器可以是热交换器、加热器、蒸发器、冷凝器等；v 衡量一种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。1.1.换热器结构换热器结构管箱的作用：把管道中来的流体均匀地分布到各个换热管中去，并把换热管内的流体汇集到一起并送出换热器，在多管程换热器中，管箱还起着改
2、变管程流体流向的作用；A：平盖管箱；B：封头管箱；C：用于可拆管束与管板制成一体的管箱；D：特殊高压管箱。1.1 管箱管箱E：单程壳体 F：具有纵向隔板的双程壳体；G：分流 H：双分流1.2 壳体型式壳体型式1.3 换热器的标记方式换热器的标记方式B：前端管箱为封头式管箱；E：单程壳体（壳程为1）；B：后端管箱为封头式管箱；700：壳体公称直径（mm）；2.5：壳程设计压力（MPa）；1.6：管程的设计压力（MPa）；200：公称换热面积（m2）；9：换热管长度（m）；25：换热管外径（mm）；4：四管程结构；I：I级固定管板换热器IBEB42592006.15.2700例如：例如：其中：其中
3、：两管板由换热管相互支撑，两管板由换热管相互支撑，管板最薄；管板最薄；结构简单，造价较低；结构简单，造价较低；管外清洗困难；管外清洗困难；管壳间存在温差应力，当管壳间存在温差应力，当介质温差较大时，必须设介质温差较大时，必须设置膨胀节；置膨胀节；适合于壳程介质清洁、不适合于壳程介质清洁、不易结垢，管程需清洗以及易结垢，管程需清洗以及温差不大或温差虽大但管温差不大或温差虽大但管程压力不高的场合。程压力不高的场合。2.2.换热器的分类换热器的分类2.1 固定管板式换热器固定管板式换热器一端管板固定，另一端管板可在壳体内移动，因此不存在温差应力；管束可以取出，便于清洗；结构较为复杂，金属消耗量大；适
4、用于管壳温差较大、以及介质易结垢的场合。2.2 浮头式换热器浮头式换热器v 管束一端可以自由膨胀，检修、清洗方便；v 实际上是另一种形式的浮头式换热器，只不过把原置于壳体内的浮头移至壳体之外，并用填料函来密封壳程介质，以防泄漏；v 壳程内介质有外漏的可能，但壳程中不宜处理易挥发、易燃、易爆、有毒的介质。2.3 填函式换热器填函式换热器 只有一个管板，管程至少为两程，管束可以抽出清洗，管子可以自由膨胀；管内不便清洗，管外介质易短路，影响传热效果，内层管子损坏后不易更换；因为不存在温差应力，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。2.4 U型管式换热
5、器型管式换热器1)壳体直径的确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)管板尺寸的确定；4)管子拉脱力的计算；5)折流板的选择与计算；6)温差应力的计算；7)接管的选择；8)接管法兰的选择；9)开孔补强；10)换热器支座；11)附件。3.3.管壳式换热器机械设计的内容管壳式换热器机械设计的内容换热管的长度、直径壁厚都有一定的标准；换热管长：1500，2000，2500，3000，4500，5000，6000，7500，9000，12000等等；长径比一般在425之间，常用为610；换热管规格：第二节、换热管、管板与折流板第二节、换热管、管板与折流板1.1.换热管的选用换热管
6、的选用胀接是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，当取出胀管器后，管板孔弹性收缩，管板与管子就产生一定的挤紧压力，紧密地贴在一起，达到密封紧固连接的目的；采用胀接时，管板硬度应高于换热管管端，以保证胀接质量；胀接长度l取下列三者中的较小者：1).两倍换热管外径；2).50mm；3).管板厚度减3mm。2.2.换热管与管板的连接换热管与管板的连接2.1 胀接胀接管板上的孔，有孔壁开槽的与孔壁不开槽的两种，孔壁开槽管板上的孔，有孔壁开槽的与孔壁不开槽的两种，孔壁开槽可以增加连接强度和紧密性，因为当胀管后管子产生塑性变可以增加连接强度和紧密性，因为当胀管后
7、管子产生塑性变形，管壁被嵌入小槽中。形，管壁被嵌入小槽中。在高温高压下，焊接连接能保持连接的紧密性；管板孔加工要求低，可节省加工工时；焊接工艺比胀接工艺简单；在压力不太高的情况下可使用较薄的管板；2.2 焊接焊接优点：优点：缺点：缺点：由于管板与换热管之间存在间隙，容易造成缝隙腐蚀；由于在焊接接头处产生的热应力可能造成应力腐蚀，也有可能造成破裂。焊接接头的结构焊接接头的结构2.3 胀焊结合胀焊结合 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因素。3.3.管板结构管板结构3.1 换热管排列形式换热管排列形式优点：在相同的管板面积上可排列较多
8、的换热管；优点：在相同的管板面积上可排列较多的换热管；主要适用于壳程介质污垢少，且不需要进行机械清洗的场合。主要适用于壳程介质污垢少，且不需要进行机械清洗的场合。3.1.1 正三角形和转角正三角形排列正三角形和转角正三角形排列优点：便于清洗；优点：便于清洗；但在相同管板面积上排列但在相同管板面积上排列管数目最少；管数目最少；一般用于管束可抽出清洗一般用于管束可抽出清洗管间的场合。管间的场合。3.1.2 正方形和转角正方形排列正方形和转角正方形排列3.1.3 组合排列法组合排列法3.1.4 正三角形排列时管子的根数正三角形排列时管子的根数N=3a(a+1)+1六角形的层数六角形的层数a对角线上的
9、管数对角线上的管数b总根数总根数N13725193737496151191613127N=3a(a+1)+1 三角形排列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。3.2 管间距管间距管子外径14192532384557最小管间距18253240485770固定管板式换热器的换热管在管板上的布置是有限制的，最大的布管圆：DL=Di-2b3 其中：DL：布管限定圆直径 Di：换热管壳体内直径 b3：管束最外层换热管外表面至客体内壁的最短距离3.3 布管限定圆布管限定圆3.4 管程的分程管程的分程各管程换热管根数应基
10、本相等；相邻程间平均壁温一般不应该超过28；各程间的密封长度应最短；分程隔板的形状应尽量简单、便于加工；管程排列的要求：管程排列的要求：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，在壳程内装设折流板，它还起着支承换热管的作用；当工艺上无装折流板的要求，而管子比较细长时，应考虑有一定数量的支承板，以便安装和防止管子变形过大；折流板的形状：弓形、圆盘圆环形、带扇形切口等几种。4.4.折流板、支承板、旁路挡板折流板、支承板、旁路挡板4.1 折流板与支承板折流板与支承板关于弓形折流板 弓形折流板切除的弓形高度约为外壳直径的1040%，一般取2030%，过高或过低都不利于传热（参考化工原理传
11、热相关章节）；折流板的放置方式：卧式换热器的壳程介质为单相清洁流体时，折流板缺口应水平上下卧式换热器的壳程介质为单相清洁流体时，折流板缺口应水平上下放置，若气体中含少量液体时，则应在缺口朝上的折流板的最低处放置，若气体中含少量液体时，则应在缺口朝上的折流板的最低处开通液口；开通液口；若液体中含有少量气体时，则应在缺口朝下的折流板最高处开通气孔若液体中含有少量气体时，则应在缺口朝下的折流板最高处开通气孔卧式换热器的壳程介质为气、液共存或液体中含有固相物料时，折流卧式换热器的壳程介质为气、液共存或液体中含有固相物料时，折流板缺口应垂直左右放置，并在折流板最低处开通液口。板缺口应垂直左右放置，并在折
12、流板最低处开通液口。当壳体与管束之间存在较大间隙时，可在管束上增设旁路挡板以当壳体与管束之间存在较大间隙时，可在管束上增设旁路挡板以防止流体短路。防止流体短路。4.2 旁路挡板旁路挡板在立式冷凝器中，为减薄管壁上的液膜而提高传热系数，常常装在立式冷凝器中，为减薄管壁上的液膜而提高传热系数，常常装设拦液板以起到拦液膜的作用。设拦液板以起到拦液膜的作用。4.3 拦液板拦液板4.4 折流杆折流杆近年来开发了一种折流杆代替常用的折流板，这种新型结构，近年来开发了一种折流杆代替常用的折流板，这种新型结构，是在折流圈上焊有若干个圆形截面的杆，形成一个栅圈；是在折流圈上焊有若干个圆形截面的杆，形成一个栅圈；
13、若把四个折流圈叠起来看，各圈上的折流杆就组成了一个个若把四个折流圈叠起来看，各圈上的折流杆就组成了一个个方形小格，换热管就在各个小方格之中，其上下左右均有折方形小格，换热管就在各个小方格之中，其上下左右均有折流杆固定，可较好地防止换热管的振动。流杆固定，可较好地防止换热管的振动。但由于壳体与管子是刚性连接，实际伸长量应该相等，就出现了壳体被拉伸、产生拉应力；管子被压缩，产生压应力。此拉、压应力就是温差应力，也称为热应力；总拉伸力称为温差轴向力，用F表示；规定：F为正值表示壳体被拉伸、管子被压缩，反之F为负。第三节、温差应力第三节、温差应力LttLttsssttt00自由伸长量：自由伸长量：1.
14、1.温差应力产生的原因温差应力产生的原因tttAEFLsssAEFLssstttAEFLAEFLsstttsttAEAEttttF11)()(00ttAFssAF其中：其中：224iotddnASDAs中v 换热器在使用过程中，承受换热器在使用过程中，承受流体压力和温差应力流体压力和温差应力的联合作用，这两的联合作用，这两个力在管子与管板的连接处产生了一个拉脱力，使管子与管板有脱个力在管子与管板的连接处产生了一个拉脱力，使管子与管板有脱离的倾向；离的倾向；v 拉脱力的定义：管子每平方米胀接周边上所受到的力，单位为拉脱力的定义：管子每平方米胀接周边上所受到的力，单位为Pa；v 产生的地方：换热管
15、与管板的连接处；产生的地方：换热管与管板的连接处；v 试验表明：焊接可以不用考虑拉脱力，而试验表明：焊接可以不用考虑拉脱力，而胀接却要考虑拉脱力胀接却要考虑拉脱力；2.2.管子拉脱力管子拉脱力 其中：p设计压力，取管程压力和壳程压力的较大者，MPa；do换热管外径，mm；l胀接长度，mm；f每四根管子之间的面积，mm2。2.1 由操作压力所引起的拉脱力由操作压力所引起的拉脱力qpldpfqopv 三角形排列时：224866.0odafv 正方形排列时：224odaf2.2 由温差应力所引起的拉脱力由温差应力所引起的拉脱力qtldddldaqoiotottt4)(22 其中：t管子的温差应力，M
16、Pa；at每根管子管壁横截面积，mm2；do换热管外径，mm；di换热管内径，mm；l胀接长度，mm。由操作压力和温差应力所引起的拉脱力可能是同一方向，也有可能是反方向的；若两者同向：q=qp+qt若二者异向：q=qp-qt，方向取数值较大者的方向；若管子被压缩、壳体被拉伸，即若管子被压缩、壳体被拉伸，即F为正值，二者同向；为正值，二者同向；若管子被拉伸、壳体被压缩，即若管子被拉伸、壳体被压缩，即F为负值，二者异向。为负值，二者异向。2.3 总拉脱力总拉脱力q例题：有一台冷凝器，管束由例题：有一台冷凝器，管束由109根根25*2的的1Cr18Ni9Ti的不锈钢钢的不锈钢钢管制成，壳体内径为管制
17、成，壳体内径为400mm，由，由20R钢板卷焊制成，壳体厚度为钢板卷焊制成，壳体厚度为6mm，两管板间距为，两管板间距为1500mm。该冷凝器的操作条件是：被冷凝的。该冷凝器的操作条件是：被冷凝的蒸汽走管内，压力为蒸汽走管内，压力为720mmHg，冷凝温度为，冷凝温度为118，管间是冷却水，管间是冷却水，压力为压力为0.2MPa，冷却水入口温度为，冷却水入口温度为28，出口为，出口为35，若壳体壁温，若壳体壁温取取30，试计算温差应力。，试计算温差应力。解：已知条件：ts=30 tt=100 to=20/110*136s/110*1.166tMPaEs510*1.2MPaEt510*96.12
18、76506406mmDSAs2222215800212541094mmddnAiotNAEAEttttFsstttstt12249007650101.21158001096.11)2030(1013)20100(101.1611)()(556600MPaAFss16076501224900MPaAFtt5.77158001224900查表壳体材料查表壳体材料20R的许用应力为的许用应力为133MPa，而现在壳体温差应力为，而现在壳体温差应力为160MPa，因此必须减少壳体的温差应力，那应该怎样降低温差应力呢？，因此必须减少壳体的温差应力，那应该怎样降低温差应力呢？可能的方法：增加壳体壁厚可能的
19、方法：增加壳体壁厚6mm8mm210254mmAsNF1470850MPas4.143MPat1.93比较结果，壳体温差应力从160MPa降到143.4MPa，减少了10.4%；管束温差应力从77.5MPa增到93.1MPa，增大了20%；因此，用增加壳体厚度的方法来减少温差应力的思路是不对的！因为它从根本上违背了处理温差应力问题的原则。减少温差应力的原则是：减少对热变形的限制。减少温差应力的原则是：减少对热变形的限制。而增大壳体厚度只能增大对管束热变形的限制。正确的作法：在换热器壳体上安装膨胀节。正确的作法：在换热器壳体上安装膨胀节。减少壳体与管束间的温度差；装设挠性构件；使壳体和管束自由热膨胀；双套管温度补偿。3.3.温差应力的补偿温差应力的补偿原则：减少对热变形的限制。原则：减少对热变形的限制。4.4.膨胀节的结构及设置膨胀节的结构及设置4.1 膨胀节的型式膨胀节的型式平板焊接膨胀节波形膨胀节夹壳式膨胀节4.2 必须设置膨胀节的条件必须设置膨胀节的条件依据钢制管壳式换热器设计规定，对于固定管板式换热器，用下式计算应力：ssAFF21stAFF13其中，F1温差轴向力F2由于壳程和管程压力作用于壳体上的轴向力F3由于壳程和管程压力作用于管子的轴向力若满足下列条件之一者若满足下列条件之一者,必须设置膨胀节：必须设置膨胀节：tss2ttt 2Bss且0qq
