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1、第7章 管壳式换热器的机械设计,第一节、换热器概论,第二节、换热管、管板与折流板,第三节、温差应力,第一节、换热器概论,在化工厂建设投资中，换热器占着很重要的份额，10%40%； 换热器可以是热交换器、加热器、蒸发器、冷凝器等； 衡量一种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。,1. 换热器结构,管箱的作用：把管道中来的流体均匀地分布到各个换热管中去，并把换热管内的流体汇集到一起并送出换热器，在多管程换热器中，管箱还起着改变管程流体流向的作用； A：平盖管箱； B：封头管箱； C：用于可拆管束与管板制成一体的管箱； D：特殊高压管箱。,
2、1.1 管箱,E：单程壳体 F：具有纵向隔板的双程壳体； G：分流 H：双分流,1.2 壳体型式,1.3 换热器的标记方式,B：前端管箱为封头式管箱； E：单程壳体（壳程为1）； B：后端管箱为封头式管箱； 700：壳体公称直径（mm）； 2.5：壳程设计压力（MPa）； 1.6：管程的设计压力（MPa）； 200：公称换热面积（m2）； 9：换热管长度（m）； 25：换热管外径（mm）； 4：四管程结构； I：I级固定管板换热器,例如：,其中：,两管板由换热管相互支撑，管板最薄； 结构简单，造价较低； 管外清洗困难； 管壳间存在温差应力，当介质温差较大时，必须设置膨胀节； 适合于壳程介质清洁
3、、不易结垢，管程需清洗以及温差不大或温差虽大但管程压力不高的场合。,2. 换热器的分类,2.1 固定管板式换热器,一端管板固定，另一端管板可在壳体内移动，因此不存在温差应力； 管束可以取出，便于清洗； 结构较为复杂，金属消耗量大； 适用于管壳温差较大、以及介质易结垢的场合。,2.2 浮头式换热器,管束一端可以自由膨胀，检修、清洗方便； 实际上是另一种形式的浮头式换热器，只不过把原置于壳体内的浮头移至壳体之外，并用填料函来密封壳程介质，以防泄漏； 壳程内介质有外漏的可能，但壳程中不宜处理易挥发、易燃、易爆、有毒的介质。,2.3 填函式换热器,只有一个管板，管程至少为两程，管束可以抽出清洗，管子可
4、以自由膨胀； 管内不便清洗，管外介质易短路，影响传热效果，内层管子损坏后不易更换； 因为不存在温差应力，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。,2.4 U型管式换热器,壳体直径的确定和壳体壁厚的计算； 换热器封头选择，压力容器法兰选择； 管板尺寸的确定； 管子拉脱力的计算； 折流板的选择与计算； 温差应力的计算； 接管的选择； 接管法兰的选择； 开孔补强； 换热器支座； 附件。,3. 管壳式换热器机械设计的内容,换热管的长度、直径壁厚都有一定的标准； 换热管长：1500，2000，2500，3000，4500，5000，6000，7500，90
5、00，12000等等； 长径比一般在425之间，常用为610； 换热管规格：,第二节、换热管、管板与折流板,1. 换热管的选用,胀接是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，当取出胀管器后，管板孔弹性收缩，管板与管子就产生一定的挤紧压力，紧密地贴在一起，达到密封紧固连接的目的； 采用胀接时，管板硬度应高于换热管管端，以保证胀接质量； 胀接长度l取下列三者中的较小者： 1). 两倍换热管外径； 2). 50mm； 3). 管板厚度减3mm。,2. 换热管与管板的连接,2.1 胀接,管板上的孔，有孔壁开槽的与孔壁不开槽的两种，孔壁开槽可以增加连接强度和紧密
6、性，因为当胀管后管子产生塑性变形，管壁被嵌入小槽中。,在高温高压下，焊接连接能保持连接的紧密性； 管板孔加工要求低，可节省加工工时； 焊接工艺比胀接工艺简单； 在压力不太高的情况下可使用较薄的管板；,2.2 焊接,优点：,缺点：,由于管板与换热管之间存在间隙，容易造成缝隙腐蚀； 由于在焊接接头处产生的热应力可能造成应力腐蚀，也有可能造成破裂。,2.3 胀焊结合,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因素。,3. 管板结构,3.1 换热管排列形式,优点：在相同的管板面积上可排列较多的换热管； 主要适用于壳程介质污垢少，且不需要进行机械清
7、洗的场合。,3.1.1 正三角形和转角正三角形排列,优点：便于清洗； 但在相同管板面积上排列管数目最少； 一般用于管束可抽出清洗管间的场合。,3.1.2 正方形和转角正方形排列,3.1.3 组合排列法,3.1.4 正三角形排列时管子的根数,N=3a(a+1)+1,N=3a(a+1)+1,三角形排列,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。,3.2 管间距,固定管板式换热器的换热管在管板上的布置是有限制的，最大的布管圆： DL=Di-2b3 其中：DL：布管限定圆直径 Di：换热管壳体内直径 b3：管束最外层
8、换热管外表面至客体内壁的最短距离,3.3 布管限定圆,3.4 管程的分程,各管程换热管根数应基本相等； 相邻程间平均壁温一般不应该超过28 ； 各程间的密封长度应最短； 分程隔板的形状应尽量简单、便于加工；,管程排列的要求：,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，在壳程内装设折流板，它还起着支承换热管的作用； 当工艺上无装折流板的要求，而管子比较细长时，应考虑有一定数量的支承板，以便安装和防止管子变形过大； 折流板的形状：弓形、圆盘圆环形、带扇形切口等几种。,4. 折流板、支承板、旁路挡板,4.1 折流板与支承板,关于弓形折流板,弓形折流板切除的弓形高度约为外壳直径的1040
9、%，一般取2030%，过高或过低都不利于传热（参考化工原理传热相关章节）； 折流板的放置方式：,卧式换热器的壳程介质为单相清洁流体时，折流板缺口应水平上下放置，若气体中含少量液体时，则应在缺口朝上的折流板的最低处开通液口；,若液体中含有少量气体时，则应在缺口朝下的折流板最高处开通气孔,卧式换热器的壳程介质为气、液共存或液体中含有固相物料时，折流板缺口应垂直左右放置，并在折流板最低处开通液口。,当壳体与管束之间存在较大间隙时，可在管束上增设旁路挡板以防止流体短路。,4.2 旁路挡板,在立式冷凝器中，为减薄管壁上的液膜而提高传热系数，常常装设拦液板以起到拦液膜的作用。,4.3 拦液板,4.4 折流
10、杆,近年来开发了一种折流杆代替常用的折流板，这种新型结构，是在折流圈上焊有若干个圆形截面的杆，形成一个栅圈； 若把四个折流圈叠起来看，各圈上的折流杆就组成了一个个方形小格，换热管就在各个小方格之中，其上下左右均有折流杆固定，可较好地防止换热管的振动。,但由于壳体与管子是刚性连接，实际伸长量应该相等，就出现了壳体被拉伸、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，也称为热应力； 总拉伸力称为温差轴向力，用F表示； 规定：F为正值表示壳体被拉伸、管子被压缩，反之F为负。,第三节、温差应力,自由伸长量：,1. 温差应力产生的原因,其中：,换热器在使用过程中，承受流体压力和温差应力的
11、联合作用，这两个力在管子与管板的连接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：管子每平方米胀接周边上所受到的力，单位为Pa； 产生的地方：换热管与管板的连接处； 试验表明：焊接可以不用考虑拉脱力，而胀接却要考虑拉脱力；,2. 管子拉脱力,其中：p设计压力，取管程压力和壳程压力的较大者，MPa； do换热管外径，mm； l胀接长度，mm； f每四根管子之间的面积，mm2。,2.1 由操作压力所引起的拉脱力qp,三角形排列时：,正方形排列时：,2.2 由温差应力所引起的拉脱力qt,其中：t管子的温差应力，MPa ； at每根管子管壁横截面积，mm2； do换热管外径，mm； d
12、i换热管内径，mm； l胀接长度，mm。,由操作压力和温差应力所引起的拉脱力可能是同一方向，也有可能是反方向的； 若两者同向：q=qp+qt 若二者异向：q=qp-qt，方向取数值较大者的方向； 若管子被压缩、壳体被拉伸，即F为正值，二者同向； 若管子被拉伸、壳体被压缩，即F为负值，二者异向。,2.3 总拉脱力q,例题：有一台冷凝器，管束由109根25*2的1Cr18Ni9Ti的不锈钢钢管制成，壳体内径为400mm，由20R钢板卷焊制成，壳体厚度为6mm，两管板间距为1500mm。该冷凝器的操作条件是：被冷凝的蒸汽走管内，压力为720mmHg，冷凝温度为118，管间是冷却水，压力为0.2MPa
13、，冷却水入口温度为28，出口为35，若壳体壁温取30 ，试计算温差应力。,解：已知条件： ts=30 tt=100 to=20 ,查表壳体材料20R的许用应力为133MPa，而现在壳体温差应力为160MPa，因此必须减少壳体的温差应力，那应该怎样降低温差应力呢？,可能的方法：增加壳体壁厚,比较结果，壳体温差应力从160MPa降到143.4MPa，减少了10.4%； 管束温差应力从77.5MPa增到93.1MPa，增大了20%；,因此，用增加壳体厚度的方法来减少温差应力的思路是不对的！ 因为它从根本上违背了处理温差应力问题的原则。 减少温差应力的原则是：减少对热变形的限制。 而增大壳体厚度只能增大对管束热变形的限制。,正确的作法：在换热器壳体上安装膨胀节。,减少壳体与管束间的温度差； 装设挠性构件； 使壳体和管束自由热膨胀； 双套管温度补偿。,3. 温差应力的补偿,原则：减少对热变形的限制。,4. 膨胀节的结构及设置,4.2 必须设置膨胀节的条件,依据钢制管壳式换热器设计规定，对于固定管板式换热器，用下式计算应力：,其中，,F1温差轴向力,F2由于壳程和管程压力作用于壳体上的轴向力,F3由于壳程和管程压力作用于管子的轴向力,若满足下列条件之一者,必须设置膨胀节：,