化工设备机械基础(设备部分)教案

第一章概述

第一节绪言

一、本课程的任务

了解压力容器的基础学问；驾驭压力容器的一般设计方法，重点驾驭设计的基本原理与思路。

【说明：由于工业生产中约10%〜40%的设备为换热设备，而换热设备中最为常见、普遍的是管壳式换

热器，故在本课程中我们将以管壳式换热器为例，学习压力容器的具体设计方法，包括选择材料、结构

设计，受压元件的强度计算，以及设计、制造、检验中的相关要求等。）

二、本课程的要求

通过这门课程的学习，要求同学们驾驭如下的内容：

1、驾驭压力容器的类型与总体结构；

2、了解管壳式换热器的形式与总体结构；

3、驾驭管壳式换热器的结构设计的相关学问；

4、了解管壳式换热器各元件的强度设计（驾驭筒体及封头的设计）；

5、了解管壳式换热器中的振动与防振；

6、了解管壳式换热器的设计以、制造、检验中的相关要求。

其次节化工容器概述

一、压力容器的概念

1.化工设备一一工艺过程中静上设备的总称。

2.容器一一化工设备外壳的总称。

3.压力容器一一承受压力载荷作用的容器。

（由于化工容器几乎都承受压力载荷，通常干脆称其为压力容器。化工容器的特点：为高温、高压,

介质易燃易爆、有毒。）

二、化工容器的结构组成

化工容器一般由筒体、封头、支座（基本件）、接管、法兰（对外连接件）、人孔、手孔、液面计（附

以及一些内构件等零部件组成。

1.筒体、封头：就犹如房子四周的墙，它是构成容器空间的主要部件（属主要受压元件）。壳体按形态

的不同，可以分为圆筒壳体、圆锥壳体、球壳体、椭圆壳体、矩形壳体等等。而封头有椭圆形封头、半

球形封头、碟形封头、锥形封头及平板封头等。

2.接管：是介质进出容器的通道。

3.法兰：是容器及接管的可拆连接装置，分为设备法兰和管法兰（属主要受压元件）。

4.支座：是用于支承容器的部件。

5.人孔、手孔：是为便于制造、检验和维护管理而设置的部件（属主要受压元件）。

6.液面计：用于视察或监控液位的部件（属平安附件，此外还有平安阀、压力表等）。

三、化工容器的分类

容器的分类方法很多，可以按生产过程中的作用原理分，也可以按容器形态、承压性质、结构材料、

设计压力凹凸及平安监察要求分。

按材料分类：金属容器、非金属容器、复合材料容器等.

按容器形态分类：矩形容器、球形容器、圆筒形容器等。

按承压性质分类：内压容器和外压容器两种。

（1）外压容器是指容器外部压力大于内部压力的状况，特殊地，当外压为常压时的外压容器，又称为

真空容器。

12）内压容器是指容器内部的压力大于外部压力的容器。

按设计压力凹凸分类：

内压容器按其设计压力凹凸，可分为：低压容器、中压容器、高压容器、超高压容器

容器分类设计压力（Mpa）

低压容器0.1<P<1.6

中压容器1.6WPV10

高压容器10WPV100

超高压容器P2100

依据在生产过程中的作用原理分类：反应容器、换热容器、分别容器和储存容器四种

（1）反应容器：完成介质的物理、化学反应。如：合成塔、反应釜、聚合釜、反应器、发生器等。

12）换热容器：完成介质的热量交换。如：热交换器、加热器、冷却器、冷凝器、废热锅炉等。

13）分别容器：完成介质的压力平衡和气体净化等。如：分别器、过滤器、缓冲器、洗涤器、汲取塔

等。

14）储存容器：盛装生产生活用的原料气体、液体、液化气体等。如：各种贮槽、贮罐、高位槽、槽

车等。

按平安监察要求分类：

依据容器承受的压力、介质危害程度、P*V乘积及生产过程中的重要性，可以分为：一、二、三类容器。

〔绽开讲解并描述）

四、化工容器机械设计的基本要求

容器的设计，包括零部件的机械设计，应当满意下面八个方面的基本要求：

1、强度一一元件能反抗外力破坏的实力；

2、刚度一一构件反抗外力使其不发生变形的实力；

3、稳定性一一容器在外力作用下维持其原有形态的‘实力：

4、耐久性一一满意容器的运用年限的要求；

5、密封性一一保证平安和维持正常的操作条件；

6、节约材料和便于加工制造；

7、便利操作和便于运输；

8、技术经济指标合理。

五、容器零部件的标准化

所谓标准化，就是为了提高产品的设计制造质量及效率、增加互换性、便

于修理、降低成本而人为规定将零部件按参数等级而系列化的行为。

容器标准化的基本参数是：公称压力PN、公称直径DN。

1、容器的公称直径

对于钢板卷制的筒体和及其封头一一内径

对于无缝钢管制作的筒体及其封头一一外径

2、法兰的公称直径一一是指与它相配的简体或管子的公称宜径。

法兰的公称压力一一为法兰的标准化而人为等级化了的压力系列。（简述标准法兰选取:类型、密封面、

PN与DN、允许最高无冲击工作压力。）

3、管子的公称直径一一是指与管子外径相对应的值.

第三节管壳式换热器的形式和总体结构

一、换热器的分类

换热器是用于将高温流体的热量向低温流体传输的传热设备的总称，它广泛用于石油、化工、电力、

食品等工业部门，并且占有相当重要的地位。换热器的种类划分方法很多，方法也各不相同。

（1）按其用途：可将换热器分为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器、再沸器等；

12）按其传热方式和作用原理：可分为混合式换热器、蓄热式换热器、间壁式换热器等。其中间壁

式换热器为工业应用最为广泛的一利।换热器。它按传热面形态可分为管式换热器、板面

式换热器、扩展表面换热器等。这其中乂以管壳式换热器应用最为广泛，它通过换热管的管壁

进行传热。具有结构简洁坚固、制造简便、运用材料范围广、牢靠程度高等优点，是目前应用最为广泛

的一种换热器。

〔在着重介绍管壳式换热器后，简要介绍其他类型换热器：混合式；蓄热式；板式；管翅式；套管式；

螺旋管式等）

二、管壳式换热器的总体结构

1、管壳式换热器的主要元件：壳体、前后管箱、管板、管束、折流板或支持板、接管、

法兰、（包括管法兰与容器法兰）支座及附件等组成。

2、管壳式换热器的总体结构一般由前端管箱、壳体和后端结构三部分组成。

（1）前端管箱一一是指有管程入口的那一则的管箱。

（2）后端结构一一是指与前端管箱相应的另一则的管箱结构。

（3）壳体一一是指处于前端管箱和后端结构之间、由钢管或金属板焊接而构成的筒体。换热管置

于由壳体围成的空间中，两端与管板相连，管板与壳体及管箱相连，把换热器分为两大部分空间，即壳

程和管程。

3、管程与壳程

分程的目的：提高流速以提高传热系数，但程数不宜太多。

管程一一换热器中的换热管内及与换热管相通的空间，称为管程。

壳程一一换热器中的换热管外及与其相通的空间，称为壳程。

4、管程数与壳程数

管程数一一指介质在换热管内沿换热管长度方向来回的次数。一般为偶数，主要有1、2、4、6、8、

10、12等。

壳程数一一指介质在壳程内沿壳体轴向来回的次数。一般为单壳程，最多双壳程。（说明多折流板

不表示多壳程，强调轴向来回次数）

Z一—后端结构形式代号（如表1-1所示）

DN——换热器的公称直径（mm）,对卷制圆筒为其内直径，对钢制圆筒为钢管的外径，对釜式;重沸器，

用分数表示，分子为管箱内径、分母为壳体内径。

Ps、Pt——分别表示管程、壳程设计压力（MPa）,当管程壳程压力相等时只写Pt。

A一一公称换热面积（in?）,是经圆整后的计算换热面积，即以换热管外径为基准，扣除伸入管板内的换

热管长度后，计算得到的管束外表面积。对于U形管，一般不包括弯管段的面积。

LN——换热器的公称长度（m）,当换热管为直管时，取直管长度为其公称长度；为U形管时,取U形管

直管段长度为换热器的公称长度。

d——换热管的外直径（mm）。（强调d不是换热管公称直径）

B一一当换热管为Al、Cu、Ti管时分别记为Al、Cu、Ti；当换热管为钢制管时，不标记。

N、Ns——分别为管程数和壳程数，单壳程时公标记NT即可。

C一一对于钢制换热管，I级管束时为I,II级管束时为II。I级管束是指采纳较高级的高级冷拨管的管

束；II级管束是指采纳一般冷拨管的管束。

2、管壳式换热器标记示例：按教材Px简介。

（重点介绍DN、A、LN、C的意义）

第四节管壳式换热器的选型

一、选型时要考虑的因素

换热器的选型，就是依据换热器的结构特点、运用条件、投资与运行费用等综合因素来选择一种相

对合理的换热器形式。在选型前，必需熟识各种换热器的结构特点、工作特性，依据具体条件做出方案，

比较各方案做出最优的选择。

1.选型时要考虑的因素有：材料、介质、压力、温度、温差、压降、结垢状况、检修清理方法等各种

因素。

2.平安因素一一是换热器选型时最主要因素。包括强度、刚度足够，结构牢靠，满意密封要求，材料

与介质相容。（例温差应力的考虑、密封性的考虑等）

3.能完成工艺要求一一有足够的传热面积、介质有良好的有利于传热的流淌状态，经济上较合理。（例

能否用U形管，管、壳程的清洗，是否分程，介质的黏度对流淌的影响，是否须可拆结构等）

4.利于制造、安装和修理一一制造较简洁、运行性能良好、运行费用低等。

二、选型的一般原则

温差不大、壳程介质结垢不严峻、壳程能采纳化学清洗时，选用固定管板式换热器。

温差较大时，可选用浮头式换热器、U形管式换热器、填料函式换热器和滑动管板式换热器C

要对壳程进行机械清洗时，可选用管束可可抽出的结构。

高温高压时，可选用U形管式换热器。

壳程介质为易燃、易爆、有毒或易挥发，以及运用压力、温度较高时，不宜采纳填料函式换热器。

管程介质和壳程介质不允许相混时，可采纳双管板结构的换热器。

（讲解并描述过程中举例具体说明）

第五节管壳式换热器的设计内容

管壳式换热器的设计包括下面五个方面的内容，这五方面相互交叉，不断调整。

一、结构设计：依据设计任务选择换热器的形式，初定出结构尺寸。（如管子外径、长度、筒体外径等）

二、热力计算：计算所需的传热面积，调整尺寸使结构设计的传热面积大致等于计算的传热面积。

三、流体阻力计算：计算阻力降，保证阻力降在允许范围内。（压力将一般依据整个工艺流程确定）

四、强度、刚度和稳定性设计：

光体直径的确定和壳体壁厚的il算。

换热器封头的选择及厚度计算。

管板强度计算及尺寸的确定。（含温差应力计算）

管子拉脱力的计算。

支座的计算。（包括卧式与立式支座计算）

开孔补强计算等。

五、绘图：依据计算结果具体确定各种零部件的结构及一些标准件的选取，（如容器法兰、折流板与支

挣板、拉杆与定距管等）然后绘制结构设计图和施工图。

〔简洁介绍设计图中主要内容：技术要求、技术特性表、管口表、明细栏、标题栏、结构图、节点图、

图纸书目等）

第一章概述练习题

一、选择题

1、中压容器的设计压力范围P为：（）

（a）P210MPa（b）L6WPV10MPa（c）10WPV100MPa（d）依据容器的型式而定

2、容器标准化的基本参数有：（）

（a）公称压力PN（b）公称直径DN（c）内径（d）外径

3、对于用钢板卷制的圆柱形筒体，其公称直径是指：（）

（a）内径（b）外径（c）中径（d）介于内径和外径中间的某一值

4、下列哪一种换热器在温差较大时可能须要设置温差补偿装置？（）

（a）填料函式换热器（b）U形管式换热器（c）浮头式换热器（d）固定管板式换热器

5、管壳式换热器属于下列哪种类型的换热器？（）

（a）混合式换热器（b）间壁式换热器（c）蓄热式换热器（d）板面式换热器

6、U形管换热器的公称长度是指：（）

（a）U形管的抻开长度（b）U形管的直管段长度（c）壳体的长度（d）换热器的总长度

7、请依据给定条件，选择一种形式的换热器。高温高压介质且温差较大，壳程介质为有毒的易挥发性

物质，对壳程须要进行清洗。（）

（a）固定管板式换热器（b）填料函式换热器（c）U形管式换热器（d）浮头式换热器

25Q

8、有某型号为：BEM1OOO--2-200-二-41的换热器，其中的1000为（）

1.625

（a）公称换热面积（b）换热器的公称长度（c）换热器公称直径（d）管程压力为lOOOKg/n?

二、填空题

1、管壳式换热器的主要元件有：、、、、等。

2、按压力容器在生产工艺过程中的作用原理，可以将压力容器分

为：、、、O

3、压力容器按监察要求可分为：、和o

三、是非题

1、管程数是指换热管的根数，一般为奇数。（X）

2、法兰的公称直径是指法兰的外径。（X）

3、换热器选型时首先要考虑的因素是平安性。（J）

四、问答题

1.管壳式换热器依据其结构的不同，可以分为哪几类换热器？

答：1、固定管板式换热器，浮头式换热器、U形管式换热器、填料函式换热器、釜式重沸器等

2、换热器的强度、刚度和稳定性计算包括哪些内容？

答案：

一、选择题：IB；2A>B；3A；4D；5B；6B；7D；8C<.

二、填空题：

1、壳体、管箱、管板、管束、折流板与支持板、接口管、支座等

2、反应压力容器、换热压力容、分别压力容、储存压力容器

3、I、II、III类压力容器

三、是非题：1错；2错；3对。

四、问答题：

1、固定管板式换热器，浮头式换热器、U形管式换热器、填料函式换热器、釜式重沸器等。

2、(1)壳体直径的确定和壳体壁厚的计算

(2)换热器封头、容器法兰的选择

(3)管板尺寸的确定

(1)管子拉脱力的计算

⑸折流板的选择与计算

⑸温差应力的计算

(7)接管、接管法兰及开孔补强的计算等。

第四章管壳式换热器结构设计

第一节管板

一、管板的作用及重要性

作用：1.排布换热管

2.与管箱隔板协作分隔管程空间

3.与壳程隔板协作分隔壳程空间

4.避开冷热流体混合

重要性：其重量在整台换热器重量中占有较大比例，也是换热器最重要的部件之一。

因此，管板的强度计算及结构设计相当重要，其精确性与否及是否合理干脆

影响整台换热器的平安、成本及产品质量。

二、管板的形式

管板有四种常见的结构形式，即平管板、薄管板、椭圆形管板及双管板。

1、平管板

平管板是最常见的一种管板形式，有兼作法兰和不兼作法兰两种。一般由一般碳钢板、不锈钢板制造,

当介质具有腐蚀性时可用复合钢板制造。(以较薄的复合层反抗腐蚀，一般为不锈钢、Ni、Ti等；以较

厚的一般钢板承受介质压力)

复合钢板制造方法：轧制复合钢板法、堆焊法、塞焊法、焊管复合法等。(均简要讲解)

2、薄管板

由于机械应力与温差应力相互冲突，因此希望在满意强度条件下管板越薄越好(温差应力小)。德国

A3规范按固定支撑假设认为换热管为纲性支撑，计算得到的板厚较薄，一般小于15mm.其主要载荷由

管壁和壳壁温差确定。

3、椭圆形管板

结构：类似于椭圆形封头，即半个椭球壳，而不是椭圆形平板。是在薄管板基础上研发

的新型管板。单各换热管长短不一，设计、制造上要困难于平管板。一般用于高

温差状况。

优点：受力比平板好很多，因此可做得很薄，利于降低温差应力。

4、双管板

应用于工艺条件要求肯定不允许冷热流体相互接触，一般管板难以满意这一条件的场合。（即便管

子与壳程连接处泄漏，壳程介质不会污染管程介质）

双管板保持合适间距的缘由：双管板孔错位及双管板温差均会在管束上引起弯曲应力和剪切应力，

通过设置肯定的间距，可使弯曲应力和剪切应力限定在许可范围之内。（要求埋解间距公式各符号含义）

总结：现设计中一般采纳平管板，椭圆形管板（包括蝶形管板）双管板应用于有特殊要

求的场合，而薄管板我国一般不采纳。（按GB151-98设计）

三、管板的结构

管板的结构包括：管板上开孔的位置、分程隔板槽的位置、密封面的设计等。

1、开孔位置

开孔种类：换热管孔、拉杆孔、螺栓孔（兼作法兰）

I换热管孔布置：

常见的四种排列方式：三角形排列、转角三角形排列、正方形排列、转角正方形排列。

中心距要求：为保证胀管时管板的刚度且便于管子与管板的焊接，同时便F清洁管程空间，要求两管中

心距应大于等于1.25倍的换热管外径。（说明：表4-1为举荐中心距，实际设计可取S大于表中举荐值。

而管孔直径按表4-4〜4-9查取。其偏差级别不允许超过表中规定）

布管范围：应排布在布管限定园内，即最外层换热管表面至管板中心距不得超过布管限定园半径。（按

图4-10介绍式4-3、4-4的意义,强调换热管外表面在Di范围内）

II拉杆孔的布置：拉杆孔位置依据拉杆位置确定，一般应匀称布置于管束的外边缘。拉杆与管板

焊接时，拉杆孔深等于孔直径；螺纹连接时，螺纹深度为螺纹孔直径的1.5倍。

III螺栓孔的布置：管板上开螺栓孔的位置、数显、直径应与相连接的法兰上开的螺栓孔一样。

2、分程隔板槽的布置

管程：分程数量为偶数，分程时应留意使各管程的换热管数大致相等，隔板槽形态简洁、密封

面长度较短，程数不宜过多。分程隔板槽依据分程布置图设置，隔板槽密封面应与管板外边缘密封面处

在同一水平高度上，槽宽一般比与其相联接的隔板厚度大2mm。（按图4-13简洁介绍4-6管程流体走向）

壳程：壳程分程不常见，多用折流板起分程隔板作用。

3.密封面的设计：管板密封面的形式应与之相协作的法兰密封面相配，其常设计为带有凸肩的结构，

以削减密封面的加工面积，节约工时。

四、管板与壳体、管箱的连接（按图4・16、4・F7介绍各种结构）

1.焊接结构：兼作法兰和不兼作法兰两种

2.不兼作法兰：安图4-16介绍各种连接结构，留意焊接开坡口。

3.兼作法兰：筒体与管板的端面（凹槽或凸台）进行焊接。如图4-17所示。留意焊接开坡口和边缘应

力）

4,法兰连接结构：固定管板式疾热器中，兼作法兰的管板与管箱的连接基本采纳法兰连接。如图4-18

所示。而U形管式、浮头式、填料函式换热器的管束通常为可拆结构，故管板与壳体、管箱一般采纳法

兰连接。如图4-19所示。

其次节管束

一、管子的排列

换热管常用的四种排列方式前面已提到。对于U形管存在最小弯曲半径问题，一般Rmin不小于2do,

一般采纳对称于分程隔板布置，但有时为了增加布管数U形管与分程隔板成肯定的倾斜角度，如图4-20

所示布置。换热管层数过多会影响直管段的长度。（依据图4-20具体讲解并描述）

管子的长度

长度越长，单位传热面积材料消耗量越低，制造成本也就越低，同时因流通檄面削减而提高流速，

K值增大。但其长度受到管程清洗、运输、拆装、管程压降及支座等因素的影响。

一般长度限制在6m一下，以2.5m~4m最为常见。（针对各条讲解并描述管长过大的弊端，尤其是对可

拆结构需有足够大的空间）

二、管束安装转角

当壳程为气体冷凝时，为削减液膜在列管上的包角及液膜厚度，管束装配时应偏转肯定角度，因液

膜包盖换热管，降低传热效果。留意管板上排液、排气孔的位置。

三、管子与管板的连接（重点）

换热管与管板的连接必需考虑强度和密封性两方面的要求。常用的连接方法有三种：胀接、焊接、

胀焊并用。

1.胀接

i适用范围（各国要求不同，我国以GB151为准）

GB151T999中规定强度胀接的应用范围为：设计压力小于等于4MPa；设计温度小于等于300℃；操

作中无猛烈振动，无过大温度变更及明显的应力腐蚀。

ii胀接方法

常用方法为机械滚胀法，此外还有爆破胀接发、液压胀管法、液袋胀管法等。（讲解机械滚胀法。

强调管子发生塑性变形而管板发生弹性变形，故不能用于高温，其他方法一带而过，用制造方法回应适

用范围）

机械滚胀法优点：耐反复热循环、抗热冲击及轴向力、更换修补简洁、无缝有缝均适用、操作简洁

成本低。

机械滚胀法缺点：不易限制胀度；各管胀度不匀称；管板易变形；可胀性差的管子易产生胀接裂纹：

内壁面产生加工硬化。

2.焊接

i适用范围（按GB151要求）

范围：不适用于有较大振动及有间隙腐蚀的场合；管间距小无法胀接；热循环猛烈温度高；有特殊

要求和腐蚀危急的地方；修理受限制的地方；要求接头严密不漏的地方；管板过薄无法胀接时。

优点：不需开槽加工简便；焊接结构强度高、抗拉实力强：管子管板材料性能要求不高。

ii焊接方法

焊接节点形式如图4-27、4-28所示。（我国标准举荐4-27）

简洁介绍其他焊接方法

3.胀焊并用

i适用范围

密封性要求高的场合；承受振动或疲惫载荷的场合；有间隙腐蚀的场合；采纳复合管板的场合

ii连接方法

强度胀+密封焊；贴张+强度焊：对密封要求较高时可用强度胀+贴胀+密封焊；强度焊+强度胀+贴胀

iii连接次序

一般先焊后胀（说明缘由，先胀后焊将影响焊接质量。要求学生了解缘由来记住次序）

第三节折流板与支持板

一、折流板

在壳程设置折流板目的：为了延长壳程介质的流道长度，增加管间流速，增加湍流程度,达到提高

换热器的传热效果的目的。

1.折流板形式

常见的为弓形和圆盘-圆环形两种，以弓形最为常用，此外还有斑形、螺旋形等。

（1）弓形：分为单弓和多弓，如图4-33所示。多弓用于壳体直径较大，须削减流体阻力，避开形

成死区的情形。缺II高度为0.2-0.45倍的圆筒内直径，保证流体通过缺II时与横过管束时的流速相近。

【强调折流板结构设计时应开缺口，以保证气体放空、液体放净）

（2）圆盘-圆环形及矩形：用于大直径筒体，削减流体阻力，避开形成死区。如图4-35所示。

（3）螺旋形：用于壳程流体含有固体颗粒的场合，如图4-37所示。壳程流体在折流板间螺旋形流

淌，固体颗粒不易沉淀，利于传热。

2.折流板尺寸

（1）厚度：其值取决于它所支撑的重量，即与壳体直径和板间距相关。最小厚度由筒体公称直径

和换热管无支撑跨距按表4T3选取。一般不做强度计算，折流板过厚造成总重增加，材料奢侈。

（2）管孔：其大小对传热性能、机械性能和加工制造都有影响。管孔大则因间隙大而降低传热效

果，换热管易振动。

（3）间隙：指折流板外径与壳体内径之间的间隙。间隙小则装配困难，间隙大乂影响传热，折流

板自身强度降低，但加工便利，穿管便利。故管孔应综合考虑，GB151给出具体尺寸。

缺口高度：0.2-0.45倍的圆筒内直径

（4）间距：折流板间距应依据壳程介质的流量、粘度确定。一般折流板应在换热管的有效长度上

等间距布置。间距过大或过小均不好，一般最小不得小于小/鼠最大不得大于D：

二、支持板

目的：是支撑（换热管）、防止其产生过大的振动和挠度。

支持板的厚度、管孔、外径等尺寸等要求与折流板一样。但对最大无支撑跨距有要求。支持板与折

流板外形•样，支持板也起折流板作用，折流板也起支持板作用只是设置的原始目的不同而已。

三、折流杆

一种新型结构，尚在研发中。与折流板相比阻力降小，无传热死区，换热管不易振动，固定效果好,

加工不易。无成型结构。（按图4-40简洁介绍）

第四节冷凝器结构

冷凝器是换热器的一种，但因在传热过程中发生相变，故传热效果与结构有较大的关系，因此单

独介绍一些应留意的地方。

一、冷凝器介质流程的选择（被冷凝介质一般指水蒸汽、也可为其他可冷凝的气体如冷凝液

氨等）

一般要求冷凝蒸汽走壳程，冷凝介质走管程。这样可提高传热系数。（一般壳程传热系数小与管程

传热系数，让壳程发生相变可大大提高壳程传热系数）在下列特殊状况下可以让蒸汽走管程：

冷凝蒸汽压力高或腐蚀性很强。

因为管子的承压实力强；腐蚀性介质走管程可避开壳程筒体采纳耐腐蚀材料，降低冷凝器的成本。

冷凝介质粘度大或流量小

此时让冷凝介质走光程可提高滞动程度，增大雷诺数以提高传热系数。

要求冷凝介质压降小

因对相同介质，通常壳程流阻小广管程流阻，故对冷凝介质压降有特殊要求时可让冷凝介质走壳程。

冷凝器形式的确定

立式和卧式放置对一般换热器影响不大，但对冷凝器来讲却不一样。因为假如冷凝液膜在换热管表

面积累变厚，将对传热效果有较大的影响，为防止此种状况故一般采纳卧式结构。在下列特殊状况可考

虑采纳立式冷凝器。

1、冷凝液需过冷

对被冷凝成液体的介质需进一步降低温度可采纳立式。也保证换热器内存在肯定的液位

高度，可达到目的。

2、普朗特准数P「高的介质

即冷凝负荷大时，在厚液膜上形成滞流，有较高的传热系数。

3、冷凝蒸汽走管程

为使冷凝液膜能快速流走而不积累需采纳立式结构。

二、冷凝器设计中的其他问题

1、保证蒸汽流速

即防止随蒸汽冷凝，蒸汽量的削减而导致流速降低。H的是为了保证较高的雷诺数目

能解除不凝性气体。

2、解除不凝性气体

不凝性气体的存在对传热效果影响很大，故应在上部死角处设置排气口以解除不凝性

气体。

3、减薄冷凝液液膜厚度

减薄冷凝液液膜厚度可改进传热效果。对卧式冷凝器，如前所述可将管束偏转安装。

对立式冷凝器可如图4-41所示设置泄液管罩或当液板。

4、冷凝液的排出

一般冷凝液的积累会降低传热效率并可能会形成腐蚀，应尽快排出，在解除过程中要

留意防止带走蒸汽（图4-42a、b结构）和排净（图4-42c结构）

第五节管箱及其它结构

一、管箱

管箱按其结构可分为固定端管箱、滑动管箱、浮头管箱。

1.固定端管箱

主要用于固定管板式换热器及U形管式换热器。（填料函式、浮头式换热器物料进口也为固定端管箱）

组成：容器法兰、圆筒短节、封头、及进出口的接管与法兰组成.有时还设有放空口、放净口、仪表

接口、分程隔板等。

安图4-43讲解并描述几种常见固定管箱结构

2.滑动管箱

主要指用于填料函式换热器滑动端的管箱。分为外填料函浮头式、单填料函滑动管板式和双填料

函滑动管板式三种。

（1）外填料函浮头式：如图4-44所示。填料函在管板外，填料箱在壳体法兰内。用于压力个于2.5MPa

的换热器。（整个管箱滑动）

（2）单填料函滑动管板式：如图4-45所示.在管板上焊一短节，将填料函设在壳体法兰内，填料填

在短节和填料函之间，用管箱法兰兼作填料压盖。（仅管板滑动）

（3）双填料函滑动管板式：如图4-46所示。该结构具有双重填料，内圈填料主要用密封管、壳程的

压差密封，外圈填料主要起保险作用，一旦内圈填料有泄漏，外圈填料则能阻挡漏出的介质扩散到空间，

尹能由接管收集漏出的介质，一般用于介质为易燃、易爆、有毒性介质等场合。（仅管板滑动）

3.浮头管箱

浮头管箱指浮头式换热器浮头端管箱。按图4-47所示介绍管箱结构，如何拆装。

4.高压管箱

对高压换热器，一般高压介质均走管程，高压管箱既要承受高压，乂要防止泄露，选择合理的管箱

结构对降低制造成本，便于拆装及平安性等均有重大意义。

留意事项：尽量减小管箱内径；尽量用锻件；尽量少用法兰结构；尽量采纳简洁结构；选择合埋的

物流流向。（与图4-48对应介绍）

5.分程隔板

设计要求：承受脉动流体或隔板两侧压差很大时，隔板的厚度应适当增厚，或变更隔板结构；大直

径换热器隔板设计成双层结构；分程隔板上可设排净孔：厚度大于10mm的分程隔板，密封面处应削边

至10mm。（强调：分程隔板端面属于密封面，在与管箱整体焊后进行精加工）

二、其它结构

1.拉杆与定距管

安装拉杆与定距管的目的是为了固定折流板或支持板，使两板保持一固定的距离。

（1）拉杆形式：

螺纹连接：拉杆与管板采纳螺纹连接，折流板靠定距管固定间距，适用于外经大于等于19nlm的管束。

焊接连接：拉杆与管板、折流板均采纳焊接，适用于外经小于等于14mm的管束。

（2）拉杆的直径和数量：（由筒体公称直径和换热管直径确定）

由表4-24、4-25选取。拉杆公称直径不得小于10mm,数量不得少于4根。

（3）拉杆的布置与尺寸：

拉杆应尽量匀称布置在管束的外边缘，以便于较好地固定折流板。对于大直径的换热器，在布管区

内或靠近折流板缺口处应布置适量的拉杆，任何折流板应不少于三个支撑点。

2,防冲板和导流筒

（1）设置防冲板的条件：

管程轴向接管或管内流速大于3m/s时，管程设置防冲板；壳程进口管流体的pv?超过肯定值时，在

壳程进口管处设置防冲板或导流筒；对有腐蚀或磨蚀的气体、蒸汽及气液混合物应设置防冲板。

（2）防冲板的设置：

防冲板外表面到圆筒内壁的距离，应不小于接管外径的1；4：

防冲板的直径或边长，应大于接管外径5（）mm；

防冲板的最小厚度：碳钢4.5mm,不锈钢3mm；

防冲板可采纳三种固定形式：焊在定距管或拉杆上；焊在圆筒上；螺栓固定。以焊在筒体较为常见,

简介其常见形态。

（3）导流筒的设置：

当壳程进出口接管距管板较远，流体停滞区过大时，应设置导流筒，以削减流体停滞区，增加换热

管的有效长度。分为内外导流筒两种形式。

3.滑道

滑道的结构有滑板、滚轮、滑条等形式。以滑板最为常见，对于可拆管束结构，必需设才滑道以便

管束拆装。简介其结构

4.壳体内径的确定（仅为估算公式，且没考虑分程的影响）

首先依据换热管总数Nt确定换热管束中心管排的管数Nc：

对于正方形排列：

Nc-1.19Nl05

对于正三角形排列：

Nc=l.lONt05

壳体内径Di:

Di=s(Nc-l)+do+e

Di也可以按下式估算：

Di=s(Nc-l)+4do

式中：

s-换热管中心距，m

d。-外径，m

e-壳体内径与管束外径之差，一般在0.025-0.076m。

［简洁介绍公式的意义)

笫五章管壳式换热器的强度设计

第一节压力容器强度设计的基本概念

一、压力P——除注明外，压力均指表压力，单位用Mpa表示。

工作压力Pw一一指在正常工作状况下，容器顶部可能达到的最高压力。

设计压力Pd一—指设定的容器顶部的最高压力。它与设计温度一起作为设计载荷条件，其值不小于

工作压力。一般在装有平安阀时，〃，/=(1.05~1.1)匕，当无平安阀时，=(1.0~1.05)匕

计算压力Pc——在相应设计温度下，用以确定元件厚度的压力，包括液柱的静压力。当元件所承受

的液柱静压力小于5%设计压力时，可以忽视液柱静压力。

试验压力PT——进行压力试验时容器顶部的压力。

二、温度

金属温度一一沿元件金属截面的温度平均值。

设计温度一一容器在正常工作状况卜.，设定的元件的金属温度。

试验温度一一进行压力试验时，壳体的金属温度。

［标记在设备铭牌上的设计温度应是壳体设计温度)

三、厚度(单位为mm)

1.计算厚度。一一按公式计算得到的厚度。

2.设计厚度%一—计算厚度4+腐蚀裕量C2，即：%=2十02。

3.名义厚度久一一设计厚度2+钢材厚度负偏差Ci+向上圆整至钢材标准规格厚度的差△，即：

2=0/+G+A=①+G+02+△。名义厚度为标注在图样上的厚度。

4.有效厚度2——^=^-C1-C2=^,-C=^+A

5.厚度附加量C一一钢材厚度负偏差C1+腐蚀裕量C2,即：c=cl+c2

6.最小厚度＜^话一一为了满意制造工艺要求以及运输和安装过程中的刚度要求，依据工程实践阅历所

规定的不包括腐蚀裕最C2的最小元件厚度值。

对于不锈钢容器，取£皿=2nvn

对于碳素钢和低合金钢容器〔内径243800，〃〃耐内“2%oo〃〃几且不小于3〃〃〃

内径。＞3800〃〃〃时，根据运输和制造安装条件确定

对于换热设备，其最小厚度Smin的规定更为严格，具体规定见PU8表5-4、5-5O

四、耐压试验及气密性试验

耐压试验目的一一检验容器在超设计压力状况下的宏观强度以及焊缝和其它连接部位的致密性。一

般为液压试验，以水、油等为试验介质，特殊状况下作气压试验，以N2、惰性气体为试验介质。

耐压试验试验压力

1.液压试验：〃T=1.25〃d导

2.气压试验：〃7=1.15亿,回

留意：以公式计算的试验压力p7是指试验压力的下限值（最低值）。

对于外压或真空容器，压力试验时也用内压进行试验，其试验压力为：

液压试验：=1.25〃

气压试验：=1.15/7

3.气密性试验：主要用于介质的毒性程度为极度或高度危害的介质的容器，以检验其密封性能，必需

在压力试验合格后进行。气密性试验的压力可取为〃〃，介质一般为NH3等渗透力强的气体c

4.压力试验前的应力校核

（1）液压试验时：。7=«09。，

（2）气压试验时：5r二woM

“u2bam’

符号：（Tr---压力试验时的应力，Mpa

（Tx---材料在试验温度下的屈服点，MPa

五、焊接接头系数。一一指材料在焊接时，焊缝区的强度由于各种因素的影响而有所降低，为了保证平

安，在材料的许用应力前乘以•个系数。，这个系数就称为焊接接头系数。

焊接接头系数。的选择，一般规则为：

11）双面焊对接接头和相当于双面焊的全焊透对接接头系数：100%无损检测时取。=1.0；局部无损

校测时取。=0.85。

（2）单面焊对接接头系数：100%无损检测时取0=0.9；局部无损检测时取0=0.8。

六、内压圆筒的薄膜应力理论

薄膜应力理论又称为无力矩理论。即在应力分析中只考虑两向薄膜应力。而不考虑弯曲应力

和剪切应力得到的理论。在仅考虑介质压力状况下对圆筒的应力，其结论简化为：

环向应力：（7〃=空=4

"2b6

轴向应力：5，,=丝="

@452s

从上面的计算公式可以看出：内压圆筒壳体的应力只与儿何尺寸有关，而与所用材料无关。

筒体

其次节筒体

换热器的筒体（包括管箱上的短节）做强度计算时应按GBI50中的有关规定进行。

一、内压圆筒

其计算公式为：

计算厚度：

占_P、D,/mm（5-15）*（要求驾驭）

“wr尸）

名义厚度：

，=5+c+△mm（5-16）

式中：

P—设计压力，计算短节厚度时尸=Pr；

计算筒体厚度时P=Ps；

[a]'——材料在设计温度下许用应用，MPa；

二、外压圆筒

其计算步骤为：

1.当220时

（1）设々,令讥="-c,定出〃。。和Q/b,（L为圆筒计算长度和

12）由〃。。及的值在几何图上查得系数A；

'：3）用A在厚度算图上查得系数B；

若A值落在设计温度下材料线的右方，则过此点垂直上移，与设计温度下的材料线相交（遇中间温

度值用内插法），再过此交点水平方向右移，在图的右方得到系数并按式（5-17）计算许用外压力［P］：

B(5-17)

若所得A值落在设计温度下材料线的左方.，则用式（5-18）计算许用外压力［P］：

2AE

此=(5-18)

3(。“法)

（4）［P］应大于或等于尸”否则须再假设名义厚度，重复上述计算，直到［P］大于且接近于P；为止。

2.当0,/2<20时

11）用与扁1条相同的步骤得到系数3值；但当0,/名<4.0时，应按式（5-19）计算系数A值：

(5-19)

(2/0)2

系数A>0.1时，取A=0.1。

〔2)按式(5-20)计算许用外压力：

1^1=min{[-0.0625]R.[I-I)(5-20)

Doibe

式中：?一应力，取以下两值中的较小值:

=2［打

q=0.9b；或q=0.9%2,

（3）［P］应大于或等于P「否则须再假设名义厚度必，重复上述计算，直到［P］大于且接近P,为止。

X换热器的筒体壁厚按上述步骤得出名义厚度后，其最小厚度不得低于表5-4、表5-5的规定。

例题讲解

［例1］内压容器壁厚的确定

某化工厂欲设计一台固定管板式换热器。工艺参数为：换热器内径。=600〃"〃，壳程工作压力为

p”.=2.0MPa,工作温度为，=60。。〜95℃,壳程介质为水。试选择换热器壳程材料并确定其壁厚。

【解】

3）选材：由于水对钢材的腐蚀不大，温度在60〜95℃,压力为中压，故选用材料为l6MnR.

12）确定参数：

p（l=l.lx2.0=2.2MP«;。=600〃〃明［。］‘=170M&;。=0.857=98。

取腐蚀裕量,2=\mm

⑶计算壁厚：

广2X1/黑2.2=46⑺汕

依据计算壁厚4.6mm,加上C2后为5.6mm,查钢板厚度负偏差表得G=0.6〃〃〃，故:

2+C=+C）+C2=4.6+1+0.6=6.2（"〃〃）

向上阅整后取名义厚度为：2=7〃"〃

;4）校核水压试验强度：

水压试验压力：PT=1.25ppy=1.25x2.2x1=2.75MPa

应力校核：（JT="r（V<09o-

23仲

上式中：6(,=-C=7-1.6=5Anv?r,crv=345MPa(GB150)

则：o.「=2-75X(600+5.4)=192](加尸。＜0.9。、=0.9x345=310.5(MPa)

2x5.4x0.8

所以水压试验强度满意要求。

[例2]内压容器强度校核

有一台搁置的旧换热器，其材料为Q235-B,实测外径为D°=830mm,最小壁厚为2=7.5〃5。已知:

壳体设计温度为常温，=0=0.85,G=。，C2=1的〃。现想运用这台换热器，

其壳程工状为：运用温度为常温，工作压力为4.0Mpa,介质为水，问这台旧换热器的壳体是否满意强

度要求？如强度不够，该壳体的最大工作压力是多少？

【解】

U）确定参数

p=4MPa,=800〃»〃，6n=15mm,[cr]=1[3MPa,（/>=0.85

C=G+C2=0+1=hn/n,=6ri—C=7.5—1=6.5nvn

（2）强度校核:

_3)4x(800—6.5)

=287.2M&

2ao-2x6.5x0.85

因为。=287.2>[b]=113,所以该壳体不满意强度要求，须降低运用压力。

13）确定最高允许工作压力：

2[丁42x113x0.85x6.5._____

[pl=-----=--------------------=157MPa

800-6.5

故该亮体的最大平安运用压力为l.57Mpao

[例3]外压容器校核

有一外压容器，已知：设计外压力〃=0.2M/%,内径？=1800"7加，圆筒的计算长度L=345(M〃〃,

设计温度”25()℃,壁厚附加量C=2〃?m,材料为16MnR淇弹性模数&=186.4x1()3MPa。问其

厚度为5〃=}4nu?i时是否满意要求？

【解】

[1)确定参数：

D(>=D,+23“=1800+2x14=1828(〃》〃)

。=5”一。=14-2=12(〃加)

%]45%28小，%=182%2=152

(2)在图5~4上查得A=O.OO()35；

13)在图5-7的下方找到系数A=O.OO35(此点落在材料温度线的右方)，将此点垂直上移，与250C的

材料温度线交于一点，再将此点水平右移，在图的右方得到B=42.5；

(4)按式(5-17)计算许用外压力[P]

Ip\=c/=—=O.28M4

(%)152

15)比较p与[P],明显〃<[p]而且比较接近，故取必=14"?6时合格。

第三节平盖及曲面封头

平盖和封头作为换热器的受压元件，其内压强度与外压稳定计算均与•般的压力容器相司，可以按

常规压力容器进行设计。对螺栓连接的平盖封头和平盖法兰还需进行刚度计算，以校核其密封性能。

一、强度计算

1.平盖封头

当平盖封头与筒体焊接时，按圆平板承受均布载荷考虑，出系数K保证周边支撑对强度的影响，其

厚度计算式为：

(要求知道：巳与(%)成正比)

式中:

维—平盖的计算厚度，mm；

P,—管程设计压力，MPa；

[o-r—设计温度下材料的许用应力，Mpa；

0—焊缝系数：

K—结构特征系数，见表5-1；

Dc—封头的有效直径，见表5-1。

当平盖封头与筒体用螺栓连接时：（相对于1式，要考虑法兰力矩的作用，用系数K进行调整）

①对管道内无隔板的平盖厚度按式（5-2）计算：

*DG・竹％”诬（5-2）

式中：

K——结构特征系数，取下列两式中的较大值：

操作时：受=0.3+山卬飞

P,小

预紧时：KJ78W）

'P「D广

W-预紧状态或操作状态时的螺栓设计载荷，N：

SG—垫片压紧的力臂，等于螺栓中心圆直径与OG之差的一半,mm。

②对管箱内有隔板的平盖厚度取式（5-2）和式（5-3）计算值中的较大者

可,=[0.056（PjD/IE）+684•（SG•4•2/七•口）P（5-3）

式中：

E―材料设计温度下的弹性模量，MPa；

Ab—实际运用的螺栓总截面积，mn?；

dn—螺栓公称直径，mmo

当垫片系数m<3时，求得的3,值可削减20%。

2.球形封头

厚度按式（5-4）计算：

§=B，D/mm（5-4）

/（4[打0-巴）

3.椭圆形封头

厚度按式（5-5）计算：

小8（+要求驾驭）

式中：

2

K—形态系数：K=-[2+（Di/2hi）]；

6

ht----封头曲面深度，mm。

对标准椭圆形封头，4=%,故得K=l。

4.碟形封头

厚度按式（5-6）il算:

LID/hA”mm(5-6)

式中：R,—碟形封头球面内半径，mm；

1—碟形封头过渡区半径，mm；

M——应力增加系数：M=j（3+J%）。

5.无折边锥形封头

厚度按式（5-7）计算：

(5-7)

式中：a—锥壳半顶角，（°）o

对锥形封头大端还需按图5-1推断是否须要加强，如需加强，则加强段厚度按式（5-8）计算，且加强段

长度应不小于一。

Vzcosa

3=。・8•。/mm(5-8)

・0一七)

式中：Q——应力增加系数，按图5-2选取。

对折边锥形封头锥体大端过渡区壁厚按式（5-9）计算:

nun(5-9)

与过渡区相连接处的锥体壁厚按式（5-10）计算:

mm(5-10)

式中：K,—系数，按表5-2查取:

1------<1-COS«f）

f—系数，f=_2__________；

2cosa

r—折边锥壳大端过渡段转角半径，mm。

*比较各种封头的受力状况，以球形封头最好，而平板封头受力最差。

换热器的实际应用中，封头承受外压状况较为少见。当封头承受外压时，封头上的主要应力为压应力，

故封头与筒体一样也存在稳定性问题，而且封头形态、材料等初始缺陷对其稳定性的影响更加显著，故

对成型封头失稳探讨在理论上、试验上都比圆筒困难得多。目前外压封头的稳定性计算建立在球形壳体

承受均布外压的弹性失稳分析基础上，并结合试验数据给出半阅历的临界压力计算公式，但将它们干脆

用于设计还欠成熟，因此，设计中仍采纳类同外压图算法的一些近似方法。以半球形封头为洌，其计算

步骤为：（侧重于外压圆筒D

（1）先假设壁厚为2，则

（2）计算系数A值：为=0125

（3）依据材料厚度计算图（图5-4〜图5-8）由系数A值查取B值；

14）计算许用外压力：［P］=_；

凡/瓦

（5）比较设计压力e与［P］,若［P］＜e，则重新设定b“，重复上述步骤直至［P］N匕。

对于碟形封头，可用球冠部分内径作％进行上述计算，而对椭圆形封头，可取当量曲率半径

E=K-R进行计算，系数K由表5-3查取。

二、密封性能校核

对于用螺栓连接的平盖封头和平盖法兰，在实际计算中更重要的是校核平盖和法兰连接的密封性

能，确定螺栓预紧力，确保其严密不漏。在某些场合还须要计算平盖的挠度。为此，须将平盖、法兰、

螺栓及垫片作为一个超静定系统，象容器法兰系统一样，进行受力和变形分析，并导出整体分析计算方

法。（具体计算不作要求）

例题讲解

［例4］内压容器封头壁厚的确定

试确定内压容器封头厚度。已知:

R=600mm,6n=1mm,p=2.2MPci,

材料为6M〃R,工作温度为:/=-3℃~-20℃,C=2mm。=0.85＜。］'=\70MPa

【解】

(1)采纳半球形封头时，厚度为：

p?2.2x600

=2.3("〃7?)

一〃4x170x0.85-2.2

3/=4+C+△=5（mm）

（2）采纳标准椭圆形封头时，厚度为：

pD_2,2x600

i=4.6(加

2［打0.5〃-2x17()x().85-().5x2.2

+C+A=7(mm)

13）采纳标