演示文稿管壳式换热器

演示文稿管壳式换热器1当前1页，总共107页。（优选）管壳式换热器当前2页，总共107页。3过程设备设计教学重点：

管壳式换热器结构。教学难点：

管板设计、管束振动。6.2管壳式换热器本章重点当前3页，总共107页。4管壳式换热器当前4页，总共107页。5过程设备设计6.2.1基本类型6.2.1基本类型一、固定管板式二、浮头式三、U形管式四、填料函式五、釜式重沸器当前5页，总共107页。6过程设备设计

基本类型一、固定管板式换热器结构当前6页，总共107页。7双管程固定管板换热器当前7页，总共107页。8过程设备设计6.2.1基本类型——适用于壳侧介质清洁且不易结垢并能进行溶解清洗，管、壳程两侧温差不大或温差较大但壳侧压力不高的场合。优点——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。缺点——当管束与壳体的壁温或材料的线膨胀系数相差较大时，壳体和管束中将产生较大的热应力。应用

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。当前8页，总共107页。9过程设备设计二、浮头式结构浮头端可自由伸缩，无热应力浮头端6.2.1基本类型当前9页，总共107页。10浮头式换热器当前10页，总共107页。11过程设备设计优点——管间和管内清洗方便，不会产生热应力；缺点——结构复杂，造价比固定管板式换热器高，设备笨重，材料消耗量大，且浮头端小盖在操作中无法检查，制造时对密封要求较高。应用——壳体和管束之间壁温差较大或壳程介质易结垢的场合。6.2.1基本类型当前11页，总共107页。12过程设备设计三、U形管式换热器结构U形管6.2.1基本类型当前12页，总共107页。13U形管式换热器当前13页，总共107页。14过程设备设计

优点结构比较简单、价格便宜，承压能力强。

受弯管曲率半径限制，布管少；管束最内层管间距大，管板利用率低；

缺点壳程流体易短路，传热不利。当管子泄漏损坏时，只有外层U形管可更换，内层管只能堵死，坏一根U形管相当于坏两根管，报废率较高。管、壳壁温差较大或壳程介质易结垢需要

应用清洗，又不宜采用浮头式和固定管板式的场合。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。6.2.1基本类型当前14页，总共107页。15过程设备设计四、填料函式结构填料函式密封6.2.1基本类型当前15页，总共107页。16过程设备设计优点结构较浮头式简单，加工制造方便；节省材料，造价比较低廉;

管束从壳体内可抽出;

管内、管间都能进行清洗，维修方便。缺点

填料处易泄漏。

应用

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。

注：填料函式换热器现在已很少采用。6.2.1基本类型当前16页，总共107页。17过程设备设计五、釜式重沸器蒸发空间结构管束可以为浮头式、U形管式和固定管板式结构6.2.1基本类型当前17页，总共107页。18与浮头式、U形管式换热器一样，清洗维修方便；可处理不清洁、易结垢介质，能承受高温、高压（无温差应力）。特点过程设备设计6.2.1基本类型当前18页，总共107页。19过程设备设计6.2.2管壳式换热器结构管程壳程管程当前19页，总共107页。20过程设备设计6.2.2管壳式换热器结构管程——与管束中流体相通的空间壳程——换热管外面流体及相通空间管程壳程管程当前20页，总共107页。216.2.2管壳式换热器结构过程设备设计6.2.2.1管程结构6.2.2.2壳程结构一、换热管二、管板三、管箱四、管束分程五、换热管与管板连接当前21页，总共107页。22过程设备设计一、换热管1.换热管型式光管强化传热管翅片管（在给热系数低侧）螺旋槽管螺纹管2.换热管尺寸φ19×2、φ25×2.5和φ38×2.5mm无缝钢管φ25×2和φ38×2.5mm不锈钢管标准管长1.5、2.0、3.0、4.5、6.0、9.0m等6.2.2管壳式换热器结构当前22页，总共107页。23过程设备设计小管径单位体积传热面积增大、结构紧凑、金属耗量减少、传热系数提高阻力大，不便清洗，易结垢堵塞用于较清洁的流体粘性大或污浊的流体大管径6.2.2管壳式换热器结构当前23页，总共107页。24过程设备设计3.换热管材料金属材料碳素钢低合金钢不锈钢铜铜镍合金铝合金钛等非金属材料石墨陶瓷聚四氟乙烯等6.2.2管壳式换热器结构当前24页，总共107页。25过程设备设计4.换热管排列形式及中心距p三角形布管多，但不易清洗；正方形及转角正方形较易清洗管桥强度清洗通道P≥1.25d06.2.2管壳式换热器结构当前25页，总共107页。26过程设备设计表6-1常用换热管中心距/mm换热管外径do1214192532384557换热管中心距16192532404857726.2.2管壳式换热器结构当前26页，总共107页。27过程设备设计6.2.2管壳式换热器结构当前27页，总共107页。28过程设备设计二、管板作用用来排布换热管；将管程和壳程流体分开，避免冷、热流体混合；承受管程、壳程压力和温度的载荷作用。6.2.2管壳式换热器结构当前28页，总共107页。29过程设备设计1.管板材料力学性能介质腐蚀性（及tube-tubesheet间电位差对腐蚀影响）贵重钢板价格流体无腐蚀性或有轻微腐蚀性时，管板采用压力容器用碳素钢或低合金钢板或锻件制造；腐蚀性较强时，用不锈钢、铜、铝、钛等材料，为经济考虑，采用复合钢板或堆焊衬里。6.2.2管壳式换热器结构当前29页，总共107页。30过程设备设计2.管板结构厚度——满足强度前提下，尽量减少管板厚度热应力6.2.2管壳式换热器结构当前30页，总共107页。31过程设备设计厚度计算标准GB151《管壳式换热器》美国管式换热器制造商协会标准TEMA西德AD标准厚度“厚管板”——GB151《管壳式换热器》、美国管式换热器制造商协会标准TEMA“薄管板”——西德AD标准8-20mm6.2.2管壳式换热器结构当前31页，总共107页。32过程设备设计薄管板平面形椭圆形碟形球形挠性薄管板等目前主要有6.2.2管壳式换热器结构当前32页，总共107页。33过程设备设计比较四种用于固定管板换热器的薄管板结构：薄管板贴于法兰表面上，当管程通过腐蚀性介质时，密封槽开在管板上，法兰不与管程介质接触（a）（b）薄管板嵌入法兰内，并将表面车平。不论管程和壳程是否有腐蚀性介质，法兰都会与腐蚀性介质接触，需采用耐腐蚀材料，※而且管板受法兰力距的影响较大6.2.2管壳式换热器结构当前33页，总共107页。34过程设备设计●薄管板在法兰下面且与筒体焊接。壳程通入腐蚀性介质时，不必采用耐腐蚀材料；●管板离开了法兰，减小了法兰力矩和变形对管板的影响，降低了管板因法兰引起的应力；●管板与刚度较小的筒体连接，也降低了管板的边缘应力；●是一种较好的结构。（c）6.2.2管壳式换热器结构当前34页，总共107页。35过程设备设计（d）●管板与壳体间有一个圆弧过渡连接，并且很薄，管板具有一定弹性，可补偿管束与壳体间的热膨胀；●过渡圆弧可减少管板边缘的应力集中。●该种管板没有法兰力矩的影响。●壳程流体通入腐蚀性介质时，法兰不会受到腐蚀。●挠性薄管板加工比较复杂。挠性薄管板结构6.2.2管壳式换热器结构当前35页，总共107页。36过程设备设计图6-16椭圆形管板以椭圆形封头作为管板，与换热器壳体焊接在一起。受力情况比平管板好得多，可以做得很薄，有利于降低热应力；适用于高压、大直径的换热器。6.2.2管壳式换热器结构当前36页，总共107页。37过程设备设计用于严格禁止管程与壳程介质互相混合的场合。方法：

从短节排出短节圆筒充入高于管程、壳程压力的惰性介质图6-17双管板结构1—空隙2—壳程管板

3—短节4—管程管板12346.2.2管壳式换热器结构当前37页，总共107页。38过程设备设计三、管箱作用——流体送入换热管和送出换热器，在多管程结构中，还起到改变流体流向的作用。结构形式决定因素——清洗？管束分程？(a)(b)(c)(d)6.2.2管壳式换热器结构当前38页，总共107页。39过程设备设计特点清洗时要拆除管线；该结构适用于较清洁的介质。(a)6.2.2管壳式换热器结构当前39页，总共107页。40换热器管箱当前40页，总共107页。41过程设备设计清洗时不要拆除管线；缺点是用材较多。特点(b)6.2.2管壳式换热器结构当前41页，总共107页。42过程设备设计特点检查、清洗不方便很少使用（1）（2）(c)6.2.2管壳式换热器结构当前42页，总共107页。43过程设备设计特点设置多层隔板的管箱结构(d)6.2.2管壳式换热器结构当前43页，总共107页。44过程设备设计四、管束分程管内流动的流体从管子的一端流到另一端，称为一个管程换热面积要变大管数增加流速下降传热系数下降多管程管子加长6.2.2管壳式换热器结构当前44页，总共107页。45过程设备设计管束分程布置图每程管数大致相同，温差不超过20℃左右为好流向6.2.2管壳式换热器结构当前45页，总共107页。46过程设备设计五、换热管与管板连接强度胀强度焊胀焊并用1.强度胀保证换热管与管板连接的密封性能及抗拉脱强度的胀接设计压力≤4.0MPa；设计温度≤300℃；操作中无剧烈振动、无过大温度波动，及无明显应力腐蚀等场合。应用6.2.2管壳式换热器结构当前46页，总共107页。47338300300Kδ1113003386K111δδ33863003111300K贴胀过程设备设计结构用于δ≤25mm的场合用于δ＞25mm的场合用于厚管板及避免晶间腐蚀的场合图6-18强度胀接管孔结构6.2.2管壳式换热器结构300l当前47页，总共107页。48过程设备设计非均匀胀接均匀胀接胀接机理方法管子硬度一般须低于管板硬度，若达不到，可进行管头退火处理6.2.2管壳式换热器结构当前48页，总共107页。49过程设备设计液压胀接接头6.2.2管壳式换热器结构当前49页，总共107页。50过程设备设计6.2.2管壳式换热器结构液压胀接

当前50页，总共107页。51过程设备设计6.2.2管壳式换热器结构机械胀接

当前51页，总共107页。52过程设备设计2.强度焊保证换热管与管板连接的密封性能及抗拉脱强度的焊接。用于整体管板用于复合管板图6-20强度焊接管孔结构6.2.2管壳式换热器结构当前52页，总共107页。53过程设备设计优点焊接结构强度高，抗拉脱力强度高。高温下也能保证连接处的密封性能和抗拉脱能力。泄露处可补焊和更换。焊后，管子与管板中存在残余热应力和应力集中，运行时可能引起应力腐蚀与疲劳；缝隙腐蚀。缺点除较大振动和缝隙腐蚀场合外，该方法应用广泛;薄管板不能胀，只能焊。应用6.2.2管壳式换热器结构当前53页，总共107页。54过程设备设计3.胀焊并用主要有强度胀+密封焊、强度焊+贴胀、强度焊+强度胀等不仅能提高连接处的抗疲劳性能，而且还可消除应力腐蚀和缝隙腐蚀，提高使用寿命应用：密封性能要求较高；承受振动和疲劳载荷；有缝隙腐蚀；需使用复合管板等的场合6.2.2管壳式换热器结构当前54页，总共107页。55过程设备设计6.2.2管壳式换热器结构切除管子端部当前55页，总共107页。56过程设备设计课堂讨论关于先焊还是先胀的讨论机械胀接——先焊后胀液压胀接——先胀后焊6.2.2管壳式换热器结构当前56页，总共107页。57第六章换热设备6.1概述6.2管壳式换热器6.3传热强化技术过程设备设计6.2.1基本类型6.2.2管壳式换热器结构6.2.3管板设计6.2.4膨胀节设计6.2.5管束振动和防止当前57页，总共107页。58过程设备设计6.2.2.2

壳程结构一、壳体二、折流板三、折流杆四、防短路结构五、壳程分程6.2.2管壳式换热器结构当前58页，总共107页。59过程设备设计一、壳体1.接管2.防冲挡板3.导流筒焊在壳体上，供壳程流体进、出。防止进口流体直接冲击管束造成管子的侵蚀和振动，在壳程进口接管处安装，也叫缓冲板。焊接在拉杆、定距管、I折流板上焊接在圆筒上用U型螺栓固定在换热管上固定形式减少流体滞留区，改善两端流体的分布，增加换热管的有效换热长度，提高传热效率；起防冲挡板的作用。6.2.2管壳式换热器结构当前59页，总共107页。60过程设备设计6.2.2管壳式换热器结构导流筒当前60页，总共107页。61过程设备设计二、折流板1.作用提高壳程流体流速，增加湍动程度；使壳程流体垂直冲刷管束，提高壳程传热系数；减少结垢。2.结构形式（见图）弓形圆盘-圆环形堰形折流板6.2.2管壳式换热器结构当前61页，总共107页。62过程设备设计(a)单弓形(d)圆盘-圆环形(c)三弓形(b)双弓形弓形缺口高度h应使流体流过缺口时与横向流过管束时的流速相近缺口大小用弓形弦高占壳体内直径的百分比来表示，如单弓形折流板，h一般取0.20～0.45Di，最常用0.25Di。6.2.2管壳式换热器结构图6-21

折流板形式当前62页，总共107页。63过程设备设计3.弓形缺口及通液口设置（A）壳程为单相清洁液体时，折流板缺口上下布置图6-22折流板缺口布置通液口通气口6.2.2管壳式换热器结构当前63页，总共107页。64过程设备设计（B）卧式换热器的壳程介质为气液相共存或液体中含有固体颗粒时，折流板缺口应垂直左右布置，并在折流板最低处开通液口通液口图6-22折流板缺口布置6.2.2管壳式换热器结构当前64页，总共107页。65折流板缺口垂直左右布置当前65页，总共107页。66过程设备设计6.2.2管壳式换热器结构折流板当前66页，总共107页。67过程设备设计4.折流板布置位置：管束两端的折流板尽量靠近进出口接管间距：Lmin不小于0.2Di，且不小于50mm；

Lmax不大于Di；6.2.2管壳式换热器结构当前67页，总共107页。68过程设备设计折流板上管孔与换热管的间隙以及折流板与壳体内壁之间的间隙过大——泄露严重，不利传热；易引起振动。过小——安装困难。当换热管的无支撑跨距超过了标准中规定值时，必须设置一定数量的支撑板，按照折流板处理。6.2.2管壳式换热器结构当前68页，总共107页。69过程设备设计5.折流板的固定B、换热管外径≤14mm时——点焊结构A、换热管外径＞14mm时——拉杆-定距管结构6.2.2管壳式换热器结构dndn图6-23

拉杆结构当前69页，总共107页。70过程设备设计三、折流杆作用——管束支撑结构特点——减轻折流板对换热管的剪切破坏和流体诱导振动；避免折流板导致的传热死区，减小流体阻力，提高传热效率；（1）支撑杆（2）折流杆（3）滑轨图6-24折流杆结构6.2.2管壳式换热器结构当前70页，总共107页。71过程设备设计四、防短路结构1.旁路挡板旁路挡板挡管（或称假管）中间挡板为了防止壳程边缘介质短路旁路挡板折流板6.2.2管壳式换热器结构图6-25挡管结构当前71页，总共107页。72过程设备设计旁路挡板可用钢板或扁钢制成，其厚度一般与折流板相同。旁路挡板嵌入折流板槽内，并与折流板焊接。壳体公称直径DN≤500mm时，增设一对旁路挡板；

DN=500mm时，增设二对挡板；

DN≥1000mm时，增设三对旁路挡板。6.2.2管壳式换热器结构当前72页，总共107页。73过程设备设计2、挡管图6-26挡管结构防止管间短路；分程隔板槽背面两管板之间设置两端堵死的管子，即挡管；挡管一般与换热管规格相同，可与折流板点焊固定，也可用拉杆（带定距管或不带定距管）代替。挡管每隔3～4排换热管设置一根，但不设置在折流板缺口处6.2.2管壳式换热器结构当前73页，总共107页。74隔板与挡管当前74页，总共107页。75过程设备设计3.中间挡板中间挡板图6-27中间挡板U形管束中心部分存在较大间隙，防止管间短路；中间挡板一般与折流板点焊固定；中间挡板的数量:DN≤500mm时，设置1块挡板；

500mm<DN<1000mm时，设置2块挡板；

DN≥1000mm时，设置不少于3块挡板。6.2.2管壳式换热器结构当前75页，总共107页。76过程设备设计五、壳程分程根据工艺设计要求，或为增大壳程流体传热系数，也可将换热器壳程分为多程的结构。6.2.2管壳式换热器结构当前76页，总共107页。77第六章换热设备6.1概述6.2管壳式换热器6.3传热强化技术过程设备设计6.2.1基本类型6.2.2管壳式换热器结构6.2.3管板设计6.2.4膨胀节设计6.2.5管束振动和防止当前77页，总共107页。786.2.3管板设计过程设备设计6.2.3管板设计一、管板设计的基本考虑二、管板设计思路三、薄管板设计当前78页，总共107页。796.2.3管板设计过程设备设计各国的管板设计公式尽管形式各异，但其大体上是分别在以下三种基本假设的前提下得出的：（1）将管板看成周边支承条件下承受均布载荷的圆平板，应用平板理论得出计算公式。考虑到管孔的削弱，再引入经验性的修正公式。（2）将管子当作管板的固定支撑而管板是受管子支撑着的圆平板。管板的厚度取决于管板上不布管区的范围。实践证明，这种公式适用于各种薄管板的计算。（3）将管板视为在广义弹性基础上承受均布载荷的多孔圆平板，既把圆平板简化为受到规则排列的管孔削弱、同时又被管子加强的等效弹性基础上的均质等效圆平板。当前79页，总共107页。80过程设备设计一、管板设计的基本考虑

假设：把实际的管板简化为承受均布载荷、放置在弹性基础上且受管孔均匀削弱的当量圆平板。GB151《管壳式换热器》6.2.3管板设计当前80页，总共107页。81过程设备设计a.管束对管板挠度的约束作用，但忽略管束对管板转角的约束作用6.2.3管板设计当前81页，总共107页。82过程设备设计布管区不布管区简化b.管板周边不布管区对管板应力的影响按其面积简化为圆环形实心板管板边缘的应力下降管板靠近中央部分的布管区靠近周边处较窄的不布管区6.2.3管板设计当前82页，总共107页。83过程设备设计c.不同结构形式的换热器,管板边缘有不同形式的连接结构，根据具体情况，考虑壳体、管箱、法兰、封头、垫片等元件对管板边缘转角的约束作用；

(不同连接结构，设计步骤有所不同)a型b型c型d型e型f型6.2.3管板设计当前83页，总共107页。84过程设备设计d.管板兼作法兰时，法兰力矩的作用对管板应力的影响e型f型6.2.3管板设计当前84页，总共107页。85过程设备设计假设：把实际的管板简化为承受均布载荷、放置在弹性基础上且受管孔均匀削弱的当量圆平板。a.管束对管板挠度的约束作用，但忽略管束对管板转角的约束作用b.管板周边不布管区对管板应力的影响：将管板划分为两个区，即靠近中央部分的布管区和靠近周边处较窄的不布管区。通常管板周边部分较窄的不布管区按其面积简化为圆环形实心板。由于不布管区的存在，管板边缘的应力下降；c.不同结构形式的换热器，管板边缘有不同形式的连接结构，根据具体情况，考虑壳体、管箱、法兰、封头、垫片等元件对管板边缘转角的约束作用；d.管板兼作法兰时，法兰力矩的作用对管板应力的影响。6.2.3管板设计当前85页，总共107页。86过程设备设计二、管板设计思路1.管板弹性分析综合考虑Ps、Pt；ΔT；预紧法兰力矩等载荷简化管板为弹性基础上的等效均质圆平板建立每个单独元件位移与转角与其上的内力的关系式以内力为未知量的变形协调方程组求得内力后，计算危险截面上应力应力校核u、ω---NΕ---u、ωΕ---NΕ---σ6.2.3管板设计当前86页，总共107页。87过程设备设计

图6-28管板与其相关元件的内力分析图内力共14个6.2.3管板设计当前87页，总共107页。88过程设备设计作用在封头(管箱)与管箱法兰连接处的——

边缘弯矩Mh、横剪力Hh，轴向力Vh6.2.3管板设计图6-28管板与其相关元件的内力分析图当前88页，总共107页。89VGVbVbVG过程设备设计作用在垫片上的轴向内力VG与作用在螺栓圆上的螺栓力Vb图6-28管板与其相关元件的内力分析图6.2.3管板设计当前89页，总共107页。90过程设备设计HsVsMsHsMsVsVs作用在壳体与壳体法兰连接处的边缘弯矩Ms横向剪力Hs轴向力Vs图6-28管板与其相关元件的内力分析图6.2.3管板设计当前90页，总共107页。91过程设备设计MRHRVRVRHR作用在环形的不布管区与壳体法兰之间即半径为R处的:弯矩MR径向力HR轴向剪力VR图6-28管板与其相关元件的内力分析图6.2.3管板设计当前91页，总共107页。92过程设备设计MfMfMfVfHf作用在管板布管区与边缘环板连接处即半径为Rt处的:边缘弯矩Mf径向剪力Hf边缘剪力Vf图6-28管板与其相关元件的内力分析图6.2.3管板设计当前92页，总共107页。93过程设备设计2.危险工况确定危险工况的基本原则：如果不能保证换热器壳程压力ps与管程压力pt在任何情况下都能同时作用，则不允许以壳程压力和管程压力的压差进行管板设计。如果ps和pt之一为负压时，则应考虑压差的危险组合。管板是否兼作法兰等不同结构，危险工况组合也不同。6.2.3管板设计当前93页，总共107页。94过程设备设计对于固定管板换热器，管板分析时应考虑下列危险工况:只有壳程压力ps

，而管程压力pt=0，不计热膨胀差；只有管程压力pt

，而壳程压力ps=0，不计热膨胀差；只有管程压力pt

，而壳程压力ps=0，同时考虑热膨胀差。6.2.3管板设计只有壳程压力ps

，而管程压力pt=0，同时考虑热膨胀差；当前94页，总共107页。95过程设备设计3.管板应力校核管板布管区应力值、环形板的应力值、壳体法兰应力、换热管轴向应力、换热管与管板连接拉脱力q需计算出的进行校核的应力：应力分类、校核在不同的危险工况组合下，计算出相应的：6.2.3管板设计当前95页，总共107页。96过程设备设计4.管板应力的调整调整方法※增加管板厚度※降低壳体轴向刚度，如设置膨胀节（降低由温差引起的膨胀差导致的管板应力增加）提高管板的抗弯截面模量6.2.3管板设计当前96页，总共107页。97