1、第七章 换热器的机械设计o 第一节 概述o 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%。o 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。换热器的基本类型换热器的基本类型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、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直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
2、有交叉污染，温度波动大温度波动大蓄热式换热器蓄热式换热器冷流体冷流体冷流体冷流体热流体热流体热流体热流体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）进行热交换。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。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，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)管壳式管壳式(1)管式管式(2)紧凑式紧凑式螺旋板式、板
3、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、套管重点重点下面我们来看一看管壳式换热器的基本结构下面我们来看一看管壳式换热器的基本结构管壳式换热器管壳式换热器 一、管壳式换热器的结构及主要零部件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：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基本类型基本类型二、管壳式换热器的分类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.固定管板式换热器优点：
4、优点：结构简单、紧凑、能承受较高的压力，造价低，管结构简单、紧凑、能承受较高的压力，造价低，管程清洗方便，管子损坏时易于堵管或更换。程清洗方便，管子损坏时易于堵管或更换。缺点：缺点：不易清洗壳程，壳体和管束中可能产生较大的不易清洗壳程，壳体和管束中可能产生较大的热应力。热应力。图图7-2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元为减少热应力，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。件（如膨胀节、挠性管板等），来吸收热膨胀差。图图7-3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
5、 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，管程需清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。洗以及温差不大或温差虽大但是壳程压力不大的场合。2浮头式换热器o 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，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。浮头式浮头式换热器换热器优点：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，浮头端小盖在结
6、构复杂，设备笨重，造价高，浮头端小盖在 操作中无法检查，影响传热。操作中无法检查，影响传热。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7-4浮头式换热器浮头式换热器图7-4 浮头式换热器3.U型管式换热器o 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。U形管式换热器形管式换热器U形管式换热器形管式换热器动画动画U型管式换热器的二维图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。U形
7、管式换热器形管式换热器优点：优点：结构简单，加工制造方便，造价低，管内和管间清洗方便。结构简单，加工制造方便，造价低，管内和管间清洗方便。缺点：缺点：填料处易泄漏。填料处易泄漏。适用场合：适用场合：4MPa 4MPa 以下，且不适用于易挥发、易燃、易爆、有毒及以下，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。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4.填料函式换热器填料函式换热器三、管壳式换热器机械设计内容o 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
8、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。第二节 管子的选用及其与管板的连接o 一、管子的选用o 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。o 我国管壳式换热器常用无缝钢管规格长度为：o1500mm、2000mm、2500mm、3000mm、4500mm、5000mm、6000mm、7500mm、9000mm、12000mm、碳钢低合金钢 19x2.5 25x2,5 32x3 38x3不锈钢 19x2 25x2 32x2.5 38x2.
9、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o 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。o 2.焊接：在高压高温条件下，连接能保持连接的紧密性。o 3.胀焊结合管子与管板的连接管子与管板的连接（一）胀接（一）胀接 利用胀管器挤压伸入管板孔中的利用胀管器挤压伸入管板孔中的管子端部管子端部，使管端发生，使管端发生塑性塑性变形变形，管板孔边缘管板孔边缘同时产生同时产生弹性变形弹性变形，取去胀管器后，管板，取去胀管器后，管板边缘弹性恢复与管
10、子产生一定的挤压力，贴在一起达到密封边缘弹性恢复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。紧固连接的目的。（a）胀管前）胀管前（b）胀管后）胀管后优点：工艺简单方便；优点：工艺简单方便；消除间隙消除间隙避免间隙腐蚀。缺点：温度升高时，管端会发生松弛缺点：温度升高时，管端会发生松弛 泄漏。适用范围：适用范围：换热管为碳素钢，管板为碳素钢换热管为碳素钢，管板为碳素钢或低合金钢，设计压力或低合金钢，设计压力4MPa，设计温度，设计温度300，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
11、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。保证紧密性的方法保证紧密性的方法：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。（二）焊接（二）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热应力可能造成应
12、力腐蚀应力腐蚀开开裂和疲劳破裂，同时管子、裂和疲劳破裂，同时管子、管板间存在间隙，易出现管板间存在间隙，易出现间间隙腐蚀隙腐蚀。图图7-15 焊接间隙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 图图7-16 焊接接头的结构焊接接头的结构图7-14 焊接接头的结构图7-14 焊接接头的结构(a)图7-14 焊接接头的结构c图7-14 焊接接头的结构(c)(b)(d)克服了单纯的焊接及胀接的缺点，主要优点是：o连接紧密，提高抗疲劳能力；o消除间隙腐蚀和应力腐蚀；o提高使用寿命。（三）胀焊并用（三）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
13、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。三、管板结构o 换热管排列形式o 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。o 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o 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
14、了便于安装隔板，则采用正方形排列法，如图7-17,管间距o 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1.25倍的换热管外径，管间距应符合下表规定:o表7-4 换热管中心距离(mm)换热管外径14192532384557换热管中心距离19253240485772管板受力及其设计方法简介o 列管
15、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。o 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，管程的分程及管板与隔板的连接o 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
16、程管子。o 1）各程换热管数应大致相等；o 2）相邻程间平均壁温差不应超过28；o 3）各程间的密封长度应最短；o 4）分程隔板的形状应简单。o 分程隔板有单层和双层两种。管板与壳体的连接o 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o 折流板和支承板o 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。o 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
17、，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。折流板和支承板的固定形式旁路挡板及拦液板o 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。o 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o 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 o t=t(tt-t0)Lo s=s(ts-t0)Lo 管子所受压缩力等于壳体所受拉伸
18、力。o 由于管子和壳体是刚性连接,所以两者伸长量必须相等,因此壳体被拉伸,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。二、管子拉脱力的计算o 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。换热管
19、的拉脱力必须小于许用拉脱力q三、温差应力的补偿o 1.减少壳体与管束间的温度差；o 2.装设挠性构件；o 3.使管束和壳体自由热膨账；o（1）填料式换热器（2）浮头式换热器o 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。膨胀节的结构及设置o 膨胀节的结构及设置o (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
20、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。o 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(3)膨胀节的选用及设置o 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
21、。o 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。o 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。o 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。设计内衬筒时应注意下列事项：o(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。o(2)内衬筒在迎着流体流动方向一端与壳体焊接。o(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。o(4
22、）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。管箱与壳程接管o管箱o 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。壳程接管o 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
23、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。o 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。o 对于蒸汽在壳程冷凝的立式换热器、冷凝器等，应尽量减少冷凝液在管板上的积留，以保证传热面的充分利用，故冷凝液的排出管，一般安装如图7-47所示的结构。此外，应在壳 程尽可能高的位置，一般在上管板上，安排不凝性气体排出管，作为开车时及运转中间歇地排出不凝性气体排出管。
