管壳式换热器的机械设计讲义.ppt

1、1,典型化工设备的机械设计,换热器,搅拌设备,塔设备,2,教学重点 （1）典型管壳式换热器的选型 （2）固定管板式换热器的基本结构 （3）管子的选用及管板的连接 （4）温差应力产生的原因及补偿措施 教学难点： 管、壳程的分程及隔板,管壳式换热器的机械设计,3,概述,一、定义,换热器是用来完成各种不同传热过程的设备。,3.可靠性,满足操作条件 ,强度足够,保证使用 寿命,二、衡量标准,2.合理性,1.先进性,可制造加工，成本可接受,传热效率高，流体阻力小，材料省,4,相关概念,换热器传热效率定义为实际传热速率Q和理论上的最大传热速率Qmax之比：=Q/Qmax 当忽略换热器的热损失时，实际的传热

2、速率等于冷流体吸收热量的速率，或者是热流体放出热量的速率。 无论何种型式的换热器，其最大可能的传热速率应遵循由热力学所规定的极限。,5,三、不同目的的换热器,冷却器（cooler）,冷凝器（condenser）,蒸发器（发生相变）（evaporator）,加热器（一般不发生相变）（heater）,再沸器（reboiler）,废热锅炉（waste heat boiler）,6,四、换热器的基本类型,按传热方式或工作原理分类,1、直接接触式,传热效果好，但不能用于发生反应或有影响的流体之间,图7-1 直接接触式换热器,7,2、蓄热式,温度较高的场合，但有交叉污染，温度波动大,图7-2蓄热式换热器,

3、8,3、间壁式,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,9,对于间壁式换热器，按间壁形状进一步分为,(3)管壳式,(1)管式,(2)紧凑式,螺旋板式、板式、板翅、伞板等,排管、蛇管、套管,重点,10,板式换热器,板式换热器是由一系列具有一定波纹形状的金属片叠装而成的一种新型高效换热器。各种板片之间形成薄矩形通道，通过半片进行热量交换。 板式换热器是液液、液汽进行热交换的理想设备。 它具有换热效率高、热损失小、结构紧凑轻巧、占 地面积小、安装清洗方便、应用广泛、使用寿命长等特点。 在相同压力损失情况下，其传热系数比管式换 热器高3-5倍，占地面积为管式换热器的三分之一，热回收

4、率可高达90%以上。,11,板式换热器,12,螺旋板式换热器,13,板式换热器,14,新型换热器,15,管壳式换热器,16,17,图7-3 换热器构件名称,1-管箱(A,B,C,D型);2-接管法兰;3-设备法兰;4-管板;5-壳程接管;6-拉杆;7-膨胀节;8-壳体;9-换热管;10-排气管;11-吊耳;12-封头;13-顶丝;14-双头螺柱;15-螺母;16-垫片;17-防冲板;18-折流板或支承板;19-定距管;20-拉杆螺母;21-支座;22-排液管;23-管箱壳体;24-管程接管;25-分程隔板;26-管箱盖,18,列管式换热器,列管式换热器是目前化工生产上应用最广的一种换热器。它主

5、要由壳体、管板、换热管、封头、折流挡板等组成。所需材质 ，可分别采用普通碳钢、紫铜、或不锈钢制作。 在进行换热时，一种流体由封头的连结管处进入，在管流动，从封头另一端的出口管流出，这称之管程；另-种流体由壳体的接管进入，从壳体上的另一接管处流出，这称为壳程,19,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,五、管壳式换热器的分类,基本类型,20,（一）固定管板式换热器,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：不易清洗壳程，壳体和管束中可能产生较大的热应力。,图7-4 固定管板式换热器,动画2,21,为减少热应力，通常在

6、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。,图7-3 带膨胀节的固定管板式换热器,适用场合：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。,22,（二）浮头式换热器,优点： 管内和管间清洗方便，不会产生热应力。,缺点： 结构复杂，设备笨重，造价高，浮头端小盖在 操作中无法检查。,适用场合：壳体和管束之间壁温相差较大，或介质易 结垢的场合。,图7-4 浮头式换热器,fts1.rm,23,（三）U形管式换热器,图7-6 U型管式换热器,优点：结构简单，价格便宜，承受能力强，不会产生热应力。,缺点：布管少，管板利用率低，管子坏时不

7、易更换。,适用场合：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。,24,（四）填料函式换热器,优点：结构简单，加工制造方便，造价低，管内和管间清洗方便。,缺点：填料处易泄漏。,适用场合： 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。,填料函式密封,图7-5 填料函式换热器,25,管子的选用及其与管板的连接,一、管子的选用,（一）直径,粘性大或污浊的流体,大管径,小管径,26,（二）规格,（外径壁厚），长度按规定决定,换热管尺寸,192、252.5和382.5mm无缝钢管252和382.5mm不锈钢管,标准管长1.5、2.0、3.0

8、、4.5、6.0、9.0m等,换热器的换热管长度与公称直径之比，一般在425之间，常用的为610。立式换热器，其比值多为46。,27,（三）结构型式,多用光管，因为结构简单，制造容易， 为强化传热，也采用强化传热管。,28,图7-10 几种异形管 （a）扁平管 （b）椭圆管 （c）凹槽扁平管（d）波纹管,29,图7-8 纵向翅片管 （a）焊接外翅片管 （b）整体式外翅片管 （c）镶嵌式外翅片管 （d）整体式内外翅片管,30,（四）材料,由压力、温度、介质的腐蚀性能决定。主要有碳素钢、合金钢、铜、钛、塑料、石墨等。,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

9、,陶瓷,聚四氟乙烯等,31,二、管子与管板的连接,（一）胀接,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，取去胀管器后，管板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。,图7-11 胀管前后示意图,（a）胀管前,（b）胀管后,32,适用范围：换热管为碳素钢，管板为碳素钢或低合金钢，设计压力4MPa，设计温度300，且无特殊要求的场合。,原因：温度升高，残余应力减小，使管子与管板间的胀接密封性能、紧固性能都下降，故设计温度300 。,要求管板硬度大于管子硬度，否则将管端退火后再胀接。,胀接时管板上的孔可以是光孔，也可开槽(开槽可以增加连接强度和紧

10、密性)。,33,34,（二）焊接,优点：在高温高压条件下，焊接连接能保持连接的紧密性，管板加工要求可降低，节省孔的加工工时，工艺较胀接简单，压力较低时可使用较薄的管板。 缺点：在焊接接头处产生的热应力可能造成应力腐蚀开裂和疲劳破裂，同时管子、管板间存在间隙，易出现间隙腐蚀。,图7-16 焊接间隙示意图,35,管与管板焊接形式：,36,（三）胀焊并用,胀焊并用连接主要有： 强度焊贴胀先焊后胀 强度胀密封焊先胀后焊 概念解释： 密封焊不保证强度，只防漏； 强度焊既防漏，又保证抗拉脱强度； 贴胀只消除间隙，不承担拉脱力； 强度胀既消除间隙，又满足胀接强度。 目前，先焊后胀与先胀后焊两派学说仍处于争议

11、之中。,37,管板结构,一、换热管排列方式,三角形排列紧凑，传热效果好，同一板上管子比正方形多排10%左右，同一体积传热面积更大。适用于壳程介质污垢少，且不需要进行机械清洗的场合。,（一）正三角形和转角正三角形排列,图7-15 正三角形排列的管子,流体流动方向,流体流动方向,正三角形排列,转角正三角形排列,38,（二）正方形和转角正方形排列,管间小桥形成一条直线通道，便于机械清洗。要经常清洗管子外表面上的污垢时，多用正方形排列。,图7-16 正方形排列的管子,流体流动方向,流体流动方向,转角正方形排列,正方形排列,39,（三）组合排列法,在多程换热器中多采用组合排列方法。即每一程中都采用三角形

12、排列法，而在各程之间，为了便于安装隔板，则采用正方形排列法，如图720。,图7-17 组合排列法,40,二、管间距,（一）定义,（二）要求,管间距指两相邻换热管中心的距离。,管间距1.25d0，符合表7-5规定，便于管子与管板间的连接，因为对于胀接或焊接来讲，管子间距离太近，那么都会影响连接质量。最外层管壁与壳壁之间的距离为10mm，主要是为折流板易于加工，不易损坏。,41,表7-5 常用换热管中心距/mm,最外层换热管中心至壳体内表面的距离不应小于(换热管外径的一半)10mm。,42,三、管程的分程及管板与隔板的连接,当换热器所需的换热面积较大，而管子做得太长时，就得增大壳体直径，排列较多的

13、管子。此时，为了增加管程流速，提高传热效果，须将管束分程，使流体依次流过各程管子。,（一）分程原因,43,管箱分程：,分程举例： 2程,管内流动的液体从管子的一端流到另一端，称为一个管程。,44,4程,45,（二）分程原则,（三）分程隔板,图7-21 双层隔板与管板的密封,各程换热管数应大致相等； 相邻程间平均壁温差一般不应超过28； 各程间的密封长度应最短； 分程隔板的形状应简单。,图7-22 单层隔板与管板的密封,封头,隔板,管板,46,（四）分程方式,表72 管程布置表,47,五、管板与壳体的连接结构,（一）不可拆的焊接式,固定管板式换热器管板与壳体的连接,兼做法兰,不兼做法兰,48,兼

14、作法兰情况：,49,（二）可拆式,浮头式、U型管式及填料函式换热器固定端管板与壳体的连接,图7-25 管板与壳体可拆连接,50,作用：1、提高壳程流体流速，改变流动方向提高传热效率。 2、支撑换热管。 形式：a.弓形；b.圆盘-圆环形；c.扇形。,填空,其它附件的作用与结构,一、折流板及支撑板,51,折流板的固定方法,52,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。,二、旁路挡板,53,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。,三、拦液板,54,一、温差应力的产生：,温差应力,55,56,二、 管子拉脱力的计算 限于管子与管板胀

15、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,57,2.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,58,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 tat 。 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。,59,（4）拉脱

16、力判据：,计算合拉脱力必须小于许用拉脱力： qq,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：,60,例1 有一台固定管板式换热器,已知条件如下,求管子的拉脱力。,61,解：在操作压力下，每平方米胀接周边产生的力qp: 其中：,62,在温差应力作用下，管子每平方米胀接周边所产生的力 qt:,63,又qp与qt作用方向相同，则：,故管子拉脱力在许用范围内。,0.28+2.82=3.10(MPa),64,三、 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

17、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：,65,3.采用壳体与管束自由伸缩的结构,（1）填料函式换热器,66,（2）浮头式换热器,67,4.套管式结构 如三十万吨合成氨装置中的废热锅。,68,四、 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；,69,3）夹壳式膨胀节,4）波纹管,70,3、必须设置膨胀节的条件：,满足下述条件之一者：,4、膨胀节的选用及安装 依据标准：GB16749-1997压力容器波形膨胀节 安装注意：1）与壳体对接焊，保证焊透； 2）要进行无损探伤； 3）最低点设置排液孔。,71,管箱与壳程接管,管箱： 换热器管内流体进出口的空间称为管箱。其深度有一定的要求，满足流通面积的需要。其结构应便