换热器的机械设计课件

7.1.1.管壳式换热器的结构：17.1.1.管壳式换热器的结构：17.1.2.管壳式换热器的分类1.固定管板式换热器无补偿器带补偿器27.1.2.管壳式换热器的分类1.固定管板式换热器无补偿固定管板换热器——分为带补偿器和不带补偿器两种。优点：1）结构简单；2）造价低。缺点：1）壳程难清洗；2）存在有温差应力。介质须较清洁，不易结垢；管程与壳程温差不大；壳程压力不高。3固定管板换热器——介质须较清洁，不易结垢；3看看二维图特点1.一个大管板，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。.2.浮头换热器4看看二维图特点1.一个大管板，一个小管板，小管板在壳体内滑动3.填料函式换热器特点：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；53.填料函式换热器特点：5U型管式换热器的二维图特点：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。4.U形管式换热器6U型管式换热器的二维图特点：1.只有一个管板，结构简单；4.7.1.3.管壳式换热器机械设计内容

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。77.1.3.管壳式换热器机械设计内容77.2换热管的选用及其与管板的连接7.2.1换热管选用·常用管子形式：87.2换热管的选用及其与管板的连接7.2.1换热管选用8·常用管子材质：碳钢（10，20），低合金钢（16Mn,15MnV),合金钢（1Cr18Ni9Ti),铜，钛，铝，塑料，石墨等。

管子选用，要注意——单位传热面积的金属耗量，传热效果，结构紧凑，清洗及结垢等等因素。9·常用管子材质：碳钢（10，20），低合金钢（16Mn,157.2.2管子与管板的连接：1.胀接工具：胀管器107.2.2管子与管板的连接：胀管器10胀管结束後：

管板孔边缘弹性回复，挤压管端并贴紧。胀管过程发生：管子端部——塑性变形；管板孔边缘——弹性变形。11胀管结束後：

管板孔边缘弹性回复，挤压管端并贴紧。胀管优点：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：p≤4.0MPa,t≤350℃。注意：管端硬度＜管板硬度。为什麽？如何实现？12优点：工艺简单方便；为什麽？如何实

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。13保证紧密性的方法：132.焊接优点：高温高压下能保证连接的紧密性；管板孔加工精度要求不高，低于胀接；焊接工艺简单；压力不高时可用薄管板。缺点：存在焊接热应力——应力腐蚀；管与孔间有间隙——形成介质死区，间隙腐蚀。142.焊接优点：14管与管板焊接形式：15管与管板焊接形式：153.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。163.胀焊并用克服了单纯的焊接及胀接的缺点，7.3.1换热管排列形式1.正三角形和转正三角形排列177.3.1换热管排列形式1.正三角形和转正三角形排列172.正方形和转角正方形排列3.组合排列182.正方形和转角正方形排列3.组合排列187.3.2管间距——换热管中心距。要考虑到：管板强度；清洗空间；管子在管板上的固定方法。等中心距≥1.25倍管子外径。197.3.2管间距——换热管中心距。197.3.3管板受力及管板设计方法207.3.3管板受力及管板设计方法20管板设计方法简介：——管板厚度设计方法。1）管板当作受均布载荷的实心圆平板，按弹性理论求解弯曲应力；2）管束作为弹性基础，计算各种载荷作用下的弯曲应力；3）取相邻四个管板孔间的菱形，按弹性理论，计算均布载荷下的最大弯曲应力。21管板设计方法简介：——管板厚度设计方法。217.3.4管程分程及管板与隔板的连接1.换热面积较大，要进行分程

1）.管子太长，设备长径比过大，浪费材料；2）.增加流速，提高传热效果。2.分程要求：

1）各程管数大致相同；2）相邻程管壁温差不大于28℃；3）程间密封长度应最短；4）隔板形状应简单。3.常用管程数为：1，2，4，6，8，12。227.3.4管程分程及管板与隔板的连接1.换热面积较大，要进管箱分程：分程举例：2程——4程——23管箱分程：分程举例：4程——234.分程隔板及其与管板间的密封管箱结构：244.分程隔板及其与管板间的密封管箱结构：24隔板：单层及双层。25隔板：单层及双层。251.固定式管板——用于固定式管板换热器。7.3.5管板与壳体的连接结构结构261.固定式管板——用于固定式管板换热器。7.3.5管板与2.非固定式管板272.非固定式管板27浮头式、U形管式和填料函式换热器上的管板为可拆式结构，以便清理壳程。28浮头式、U形管式和填料函式换热器上的管板为可3.管板与壳体的连接结构

兼作法兰情况：293.管板与壳体的连接结构

兼作法兰情况：29管板不兼作法兰结构：30管板不兼作法兰结构：307.4其它附件的作用与结构7.4.1折流板及支撑板作用：a.提高壳程流体流速，改变流动方向—提高传热效率。b.支撑换热管。形式：a.弓形；b.圆盘-圆环形；c.扇形。317.4其它附件的作用与结构7.4.1折流板及支撑板3折流板的固定方法32折流板的固定方法327.4.2旁路挡板壳体与管束之间存在有较大间隙时，为避免流体走短路，沿纵向设置板条，迫使流体穿过管束。337.4.2旁路挡板壳体与管束之间存在有较大间隙时，为避免7.4.3拦液板作用：在立式冷凝器中，用来减薄管壁上的液膜以提高传热膜系数。347.4.3拦液板作用：在立式冷凝器中，用来减薄管壁上的液7.5温差应力7.5.1.温差应力的产生：357.5温差应力7.5.1.温差应力的产生：3536367.5.2管子拉脱力的计算

——限于管子与管板胀接情况。1.介质压力和温差力对管板的作用：假设管壁温度＞壳壁温度377.5.2管子拉脱力的计算

——限于管子与管板胀接情况2.拉脱力的计算计算的目的：保证胀接接头的牢固连接和良好的密封性。拉脱力定义：管子每平方米胀接周边上所受的力，单位为帕。引起拉脱力的因素为：操作压力和温差力。（1）操作压力引起的拉脱力qp:介质压力作用的面积f如图示382.拉脱力的计算计算的目的：保证胀接接头的牢固连接和良好的密介质压力p，取管程压力和壳程压力两者中的较大者。管子外径为d0；管子胀接长度为l。则拉脱力为：（2）温差力引起的拉脱力qt：每根管承受温差力为σt×at。则拉脱力为：（3）合拉脱力：两者使管子受力方向相同—取之和；两者使管子受力方向相反—取之差。39介质压力p，取管程压力和壳程压力两者中的较大者。（2）温差力（4）拉脱力判据：计算合拉脱力必须小于许用拉脱力：q＜[q]管端不卷边，管板孔不开槽——取2.0MPa。管端卷边或管板孔开槽——取4.0MPa。许用拉脱力[q]的确定：40（4）拉脱力判据：计算合拉脱力必须小于许用拉脱力：q＜[q7.5.3温差应力的补偿目的：解决壳体与管束轴向变形的不一致性。或者说，消除壳体与管子间的刚性约束，实现壳体和管子自由伸缩。补偿方法：

1.减小壳体与管束间的温度差使传热膜系数大的流体走壳程；壳壁温度低于管壁温度时，对壳体进行保温。2.装设挠性构件壳体上安装膨胀节；（见书P217图7-38）将直管制成带S形弯的管。如氨合成塔内的冷管：417.5.3温差应力的补偿目的：解决壳体与管束轴向变形的不3.采用壳体与管束自由伸缩的结构（1）填料函式换热器423.采用壳体与管束自由伸缩的结构（1）填料函式换热器42填料函结构之三43填料函结构之三43（2）浮头式换热器44（2）浮头式换热器44浮头式换热器结构之二45浮头式换热器结构之二454.套管式结构

如三十万吨合成氨装置中的废热锅炉；464.套管式结构

如三十万吨合成氨装置中的废热锅炉；46氨合成塔中双套管式触煤筐冷管结构47氨合成塔中双套管式触煤筐冷管结构477.5.4膨胀节结构及设置——装在固定管板式换热器上的挠性元件。1.膨胀节的作用及结构形式：作用：对管子与壳体的膨胀变形差进行补偿，以消除或减小温差应力；2.结构形式：1）平板焊接膨胀节；2）波形膨胀节；487.5.4膨胀节结构及设置——装在固定