7管壳式换热器的机械设计A课件

第七章第七章 管壳式换热器管壳式换热器第一节第一节 概论概论第二节第二节 管子的选用及管板的连接管子的选用及管板的连接第三节第三节 管板结构管板结构第四节第四节 折流板、支承板、旁路挡板及拦液板的作用折流板、支承板、旁路挡板及拦液板的作用第五节第五节 温差应力温差应力第六节第六节 管箱与壳程接管管箱与壳程接管第七节第七节 管壳式换热器的机械设计举例管壳式换热器的机械设计举例（1 1）换热器是许多工业部门广泛应用的通用工艺设备。在化工厂的建设中，换热器约占总投资的11 40。（2 2）根据不同的目的，换热器可以是热交换器热交换器热交换器热交换器、加热器加热器加热器加热器、冷却器冷却器冷却器冷却器、蒸发器蒸发器蒸发器蒸发器、冷凝器冷凝器冷凝器冷凝器等。（3 3）衡量一台换热器好坏的标准：衡量一台换热器好坏的标准：传热效率高传热效率高传热效率高传热效率高，流体流体阻阻阻阻力小力小力小力小，强度足够强度足够强度足够强度足够，结构可靠结构可靠结构可靠结构可靠，节省材料节省材料节省材料节省材料，成本低成本低成本低成本低，制造制造制造制造、安装安装安装安装、检修方便检修方便检修方便检修方便。（4 4）任何一种换热器不可能十全十美。第一节第一节 概论概论 概述：概述：第七章第七章第七章第七章 管壳式换热器管壳式换热器管壳式换热器管壳式换热器 板式换热器板式换热器板式换热器板式换热器传热效率高、金属消耗量低，但流体阻力大、强度和刚度差，制造、维修困难。列管式换热器列管式换热器列管式换热器列管式换热器虽在传热效率、紧凑性、金属消耗量等方面均不如板式换热器，但其结构坚固、可靠程度高、适应性强、材料范围广。概述：概述：第一节第一节 概论概论 第七章第七章第七章第七章 管壳式换热器管壳式换热器管壳式换热器管壳式换热器 管壳式换热器是把换热管束与管板连接后，再用筒体与管箱包起来，形成两个独立的空间：管内通道及与其相贯通的管箱，称为管程管程空间；换热管外的通道及与其贯通的部分，称为壳程壳程空间。一、管壳式换热器的结构及主要零部件一、管壳式换热器的结构及主要零部件第七章第七章第七章第七章 管壳式换热器管壳式换热器管壳式换热器管壳式换热器1 1 列管式换热器的主要结构：列管式换热器的主要结构：第七章第七章第七章第七章 管壳式换热器管壳式换热器管壳式换热器管壳式换热器第七章第七章第七章第七章 管壳式换热器管壳式换热器管壳式换热器管壳式换热器1 1 列管式换热器的主要结构：列管式换热器的主要结构：2 2 列管式换热器的工作原理：列管式换热器的工作原理：列管式换热器列管式换热器第七章第七章第七章第七章 管壳式换热器管壳式换热器管壳式换热器管壳式换热器一、管壳式换热器的分类从结构上分从结构上分固定管板式换热器固定管板式换热器浮头式换热器浮头式换热器U U形管式换热器形管式换热器填料函式换热器填料函式换热器第七章第七章第七章第七章 管壳式换热器管壳式换热器管壳式换热器管壳式换热器 1 1、固定管板式换热器、固定管板式换热器1 1）、结构特点：）、结构特点：两块管板均与壳体相焊接（加入了热补偿两块管板均与壳体相焊接（加入了热补偿原件原件膨胀节）。膨胀节）。2 2）、适用场合：）、适用场合：适用于壳程介质清洁，不易结垢，管程需清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。洗以及温差不大或温差虽大但是壳程压力不大的场合。3)3)、优点：、优点：结构比较简单，造价较低。结构比较简单，造价较低。4 4）、缺点：）、缺点：管外清洗困难，管、壳间有温差应力。管外清洗困难，管、壳间有温差应力。第七章第七章第七章第七章 管壳式换热器管壳式换热器管壳式换热器管壳式换热器一、管壳式换热器的分类 固定管板式换热器固定管板式换热器带膨胀节的固定管板式换热器带膨胀节的固定管板式换热器膨胀节的作用：膨胀节的作用：膨胀节的作用：膨胀节的作用：减少热应力，吸收热膨胀差。减少热应力，吸收热膨胀差。第七章第七章第七章第七章 管壳式换热器管壳式换热器管壳式换热器管壳式换热器一、管壳式换热器的分类 1 1、固定管板式换热器、固定管板式换热器 当壳体和管子之间的温差较大当壳体和管子之间的温差较大(60(6070)70)且壳体承且壳体承受压力不太高时，可采用补偿圈（膨胀节）。受压力不太高时，可采用补偿圈（膨胀节）。补偿圈补偿补偿圈补偿补偿圈补偿补偿圈补偿-固定管板式换热器固定管板式换热器固定管板式换热器固定管板式换热器第七章第七章第七章第七章 管壳式换热器管壳式换热器管壳式换热器管壳式换热器一、管壳式换热器的分类浮头式换热器浮头式换热器结构特点：结构特点：管板一为固定，一可在壳体内移动。管板一为固定，一可在壳体内移动。管板一为固定，一可在壳体内移动。管板一为固定，一可在壳体内移动。优点：优点：管、壳间没有温差应力，便于清洗。管、壳间没有温差应力，便于清洗。缺点：缺点：结构胶复杂，金属耗量较大，内漏不便检查，管结构胶复杂，金属耗量较大，内漏不便检查，管束与壳体间隙较大，影响传热。束与壳体间隙较大，影响传热。第七章第七章第七章第七章 管壳式换热器管壳式换热器管壳式换热器管壳式换热器2 2、浮头式换热器、浮头式换热器 3 3、U U形管式换热器形管式换热器结构特点结构特点结构特点结构特点只有一块管板，结构简单，换热管呈只有一块管板，结构简单，换热管呈U U形形U U型管式换热器结构图型管式换热器结构图第七章第七章第七章第七章 管壳式换热器管壳式换热器管壳式换热器管壳式换热器一、管壳式换热器的分类2 2）适用场合：）适用场合：特别适用于管内走清洁而不易结垢的高温、高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。压、腐蚀性大的物料。U U型管式换热管箱器型管式换热管箱器 结构图结构图U U型换热管结构图型换热管结构图第七章第七章第七章第七章 管壳式换热器管壳式换热器管壳式换热器管壳式换热器 3 3、U U形管式换热器形管式换热器 4 4、填料函式换热器、填料函式换热器1 1）、结构特点：）、结构特点：该换热器的结构与浮头式换热器的结构相似，该换热器的结构与浮头式换热器的结构相似，只是浮头伸到了壳体外，浮头与壳体之间采取填料函密封。只是浮头伸到了壳体外，浮头与壳体之间采取填料函密封。填料函式密封填料函式密封填料函式换热器填料函式换热器第七章第七章第七章第七章 管壳式换热器管壳式换热器管壳式换热器管壳式换热器一、管壳式换热器的分类列管式换热器种类优 点缺 点固定管板式结构较简单，造价较低，相对其它列管式换热器其管板最薄。管外清洗困难；管壳间有温差应力存在；当两种介质温差较大时必须设置膨胀节。浮头式一端管板固定，另一端管板可在壳体内移动；管壳间不产生温差应力；管束可抽出，便于清洗。结构较复杂，金属耗量较大；浮头处发生内漏时不便检查；管束与管体间隙较大，影响传热。填料函式管束一端可自由膨胀；造价比浮头式低；检修、清洗容易；填函处泄漏能及时发现。壳程内介质有外漏的可能；壳程中不宜处理易挥发、易燃、易爆、有毒的介质。U型管式只有一个管板；管程至少为两程；管束可以抽出清洗；管子可自由膨胀。管内不便清洗；管板上布管少，结构不紧凑，管外介质易短路，影响传热效果；内层管子损坏后不易更换。设计一个比较完善的换热器，除满足传热方面的要求，还应该是传热效率高、体积小、重量轻、消耗材料少，制造成本低，清洗、维护方便和操作安全等。管壳式换热器的设计，首先根据生产工艺条件确定换热器的传热面积，同时选择管径、管长、决定管数、管程数和壳程数，然后进行机械设计。壳体直径的决定和壳体壁厚的计算；换热器封头选择，压力容器法兰选择；管板尺寸确定；管子拉脱力的计算；折流板的选择与计算；温差应力计算。此外还应考虑接管、接管法兰选择及开孔补强等。第七章第七章第七章第七章 管壳式换热器管壳式换热器管壳式换热器管壳式换热器三、管壳式换热器机械设计内容三、管壳式换热器机械设计内容1 1、换热管的尺寸、规格及材料、换热管的尺寸、规格及材料第七章第七章第七章第七章 管壳式换热器管壳式换热器管壳式换热器管壳式换热器第二节第二节 管子的选用及其与管扳的连接管子的选用及其与管扳的连接 一般对清洁流体用小直径管子，粘性较大的或污染的流体采用一般对清洁流体用小直径管子，粘性较大的或污染的流体采用大直径管子。大直径管子。我国管壳式换热器常用换热管为：我国管壳式换热器常用换热管为：长度规格：长度规格：1 1、1.51.5、2.02.0、2.52.5、3.03.0、4.54.5、6.06.0、7.57.5、9.09.0、12.0m12.0m，第七章第七章第七章第七章 管壳式换热器管壳式换热器管壳式换热器管壳式换热器第二节第二节 管子的选用及其与管扳的连接管子的选用及其与管扳的连接二、管子与管板的连接二、管子与管板的连接管子与管板的连接方法有：管子与管板的连接方法有：胀接胀接胀接胀接、焊接焊接焊接焊接、胀焊接结合胀焊接结合胀焊接结合胀焊接结合等。等。1 1、胀接、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。子产生一定的挤压力，贴在一起达到密封紧固连接的目的。（a a）胀管前）胀管前（b b）胀管后）胀管后胀管前后示意图胀管前后示意图第二节第二节 管子的选用及其与管扳的连接管子的选用及其与管扳的连接 适用范围：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4MPa4MPa，设计温度300300，管外径14mm14mm且无特殊要求的场合。要求：要求：管板硬度管子硬度，否则将管端退火后再胀接。液压胀管器液压胀管器二二、管子与管板的连接管子与管板的连接第二节第二节 管子的选用及其与管扳的连接管子的选用及其与管扳的连接1、胀接、胀接二、管子与管板的连接二、管子与管板的连接第二节第二节 管子的选用及其与管扳的连接管子的选用及其与管扳的连接1、胀接、胀接 管板厚度较大时，为提高管子抗拉脱能力及增加密封性能，需要在管孔中开环形槽。二、管子与管板的连接二、管子与管板的连接第二节第二节 管子的选用及其与管扳的连接管子的选用及其与管扳的连接1、胀接、胀接2 2 2 2）、焊接）、焊接）、焊接）、焊接将换热管的端部与管板焊在一起。将换热管的端部与管板焊在一起。优点：优点：在高温高压条件下，焊接能保在高温高压条件下，焊接能保持连接的紧密性，管板加工要求可降持连接的紧密性，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。简单，压力较低时可使用较薄的管板。缺点：缺点：在焊接接头处产生的热应力可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，易出现时管子、管板间存在间隙，易出现“缝隙腐蚀缝隙腐蚀”。管板管板换热管换热管间隙间隙换热管焊接示意图换热管焊接示意图二二、管子与管板的连接管子与管板的连接第二节第二节 管子的选用及其与管扳的连接管子的选用及其与管扳的连接3 3）、焊胀结合）、焊胀结合胀焊结合连接主要有：胀焊结合连接主要有：强度焊密封胀强度焊密封胀先焊后胀。先焊后胀。强度胀密封焊强度胀密封焊先胀后焊。先胀后焊。概念解释：密封焊概念解释：密封焊不保证强度，只防漏；不保证强度，只防漏；强度焊强度焊既防漏，又保证抗拉脱强度；既防漏，又保证抗拉脱强度；密封胀密封胀只消除间隙，不承担拉脱力；只消除间隙，不承担拉脱力；强度胀强度胀既消除间隙，又满足胀接强度。既消除间隙，又满足胀接强度。二二、管子与管板的连接管子与管板的连接第二节第二节 管子的选用及其与管扳的连接管子的选用及其与管扳的连接胀焊结合连接方式的适用性胀焊结合连接方式的适用性 密封要求较高、承受振动或疲劳载荷、有间隙密封要求较高、承受振动或疲劳载荷、有间隙腐蚀、采用复合管板的场合。腐蚀、采用复合管板的场合。目前，先焊后胀与先胀后焊两派学说仍处于争目前，先焊后胀与先胀后焊两派学说仍处于争议之中。议之中。二、管子与管板的连接二、管子与管板的连接第二节第二节 管子的选用及其与管扳的连接管子的选用及其与管扳的连接一、换热管排列形式一、换热管排列形式 有正三角形、转角正三角形、正方形和转角正方形、同有正三角形、转角正三角形、正方形和转角正方形、同心圆等。心圆等。流流体体流流动动方方向向流流体体流流动动方方向向正三角形正三角形正三角形正三角形转角正三角形转角正三角形转角正三角形转角正三角形1 1 1 1、三角形排列、三角形排列、三角形排列、三角形排列第三节第三节 管板结构管板结构 正三角形最普遍，在相同的管板面积上正三角形最普遍，在相同的管板面积上排管最多排管最多，结构紧结构紧凑凑，但管外，但管外清洗不方便清洗不方便清洗不方便清洗不方便；管板管板焊接管口焊接管口第三节第三节 管板结构管板结构流流体体流流动动方方向向流流体体流流动动方方向向正方形正方形转角正方形转角正方形 正方形排管少，结构不够紧凑正方形排管少，结构不够紧凑,但管外清洗较方便。一般但管外清洗较方便。一般在固定管板式换热器中多用三角形排列，在固定管板式换热器中多用三角形排列，浮头式换热器、填料浮头式换热器、填料浮头式换热器、填料浮头式换热器、填料函式换热器中多用正方形排列。函式换热器中多用正方形排列。函式换热器中多用正方形排列。函式换热器中多用正方形排列。2 2 2 2、正方形排列、正方形排列、正方形排列、正方形排列第三节第三节 管板结构管板结构一、换热管排列形式一、换热管排列形式 正三角形与转角正方形排列时，流体在垂直流向拆流板缺正三角形与转角正方形排列时，流体在垂直流向拆流板缺口时，正对换热管，口时，正对换热管，冲刷换热管外表面冲刷换热管外表面，可提高换热效果。同，可提高换热效果。同时，此二种排列方式较转角正三角形和正方形排列的时，此二种排列方式较转角正三角形和正方形排列的流体通道流体通道截面小截面小，有利于提高流速，提高换热效率。，有利于提高流速，提高换热效率。流流体体流流动动方方向向转角正方形转角正方形流流体体流流动动方方向向正三角形正三角形隆重排荐隆重排荐隆重排荐隆重排荐第三节第三节 管板结构管板结构一、换热管排列形式一、换热管排列形式二二、管间距管间距管间距：管间距：管板上两换热管中心的距离管板上两换热管中心的距离。管间距用s s表示，多程换热器分程隔板两侧管间距应加大，用s sn n表示。管间距影响管板强度与壳程阻力、换热器外形尺寸等。第三节第三节 管板结构管板结构三、管板受力及其设计方法简介三、管板受力及其设计方法简介第三节第三节 管板结构管板结构 1 1、影响管板应力大小的因素：、影响管板应力大小的因素：管板自身的直径、厚度、材料强度、使用温度等；管板自身的直径、厚度、材料强度、使用温度等；管束对管板的支承作用。把管板看成是放在弹性基础上的管束对管板的支承作用。把管板看成是放在弹性基础上的平板，列管就起着弹性基础的作用；平板，列管就起着弹性基础的作用；管孔的存在削弱了管板的强度和刚度，使管孔边缘产生管孔的存在削弱了管板的强度和刚度，使管孔边缘产生峰值应力。但管板孔内的管子能增加管板的强度和刚度，抵消了峰值应力。但管板孔内的管子能增加管板的强度和刚度，抵消了一部分峰值应力。一部分峰值应力。管板外边缘的固定形式有夹持、简支、半夹持等。管板边管板外边缘的固定形式有夹持、简支、半夹持等。管板边界条件不同管板应力状态不同。界条件不同管板应力状态不同。由于管壁与壳壁温度的差异等，在管板内产生温差应力。由于管壁与壳壁温度的差异等，在管板内产生温差应力。其他：如管板兼做法兰时，拧紧法兰螺拴，在管板上产生其他：如管板兼做法兰时，拧紧法兰螺拴，在管板上产生附加弯矩。折流板间距、最大压力作用位置等对管板应力产生影附加弯矩。折流板间距、最大压力作用位置等对管板应力产生影响。响。三、管板受力及其设计方法简介三、管板受力及其设计方法简介第三节第三节 管板结构管板结构管板厚度的设计方法：管板厚度的设计方法：将管板当作受均布载荷的实心圆板，以弹性理将管板当作受均布载荷的实心圆板，以弹性理论得到的圆平板最大弯曲应力为主要依据，加入管板论得到的圆平板最大弯曲应力为主要依据，加入管板开孔削弱和管束的实际支承作用的修正系数。开孔削弱和管束的实际支承作用的修正系数。将管束当作弹性支承，而管板则作为放置于这将管束当作弹性支承，而管板则作为放置于这一弹性基础上的圆平板，然后根据载荷大小、管束的一弹性基础上的圆平板，然后根据载荷大小、管束的刚度及周边支撑情况来确定管板的弯曲应力。特点是刚度及周边支撑情况来确定管板的弯曲应力。特点是计算比较精确。计算比较精确。取管板上相邻四根管子之间的菱形面积，按弹取管板上相邻四根管子之间的菱形面积，按弹性理论求此面积在均布压力作用下的最大弯曲应力。性理论求此面积在均布压力作用下的最大弯曲应力。仅用于粗略计算。仅用于粗略计算。我国我国管壳式换热器管壳式换热器设计规定中采用第设计规定中采用第2 2种方法。种方法。四、管程的分程及管板与隔板的连接四、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，可采用增加管当换热器所需的换热面积较大，可采用增加管子长度或增加管子的数目。增加管长是有限度的，子长度或增加管子的数目。增加管长是有限度的，一般不超过一般不超过6m6m。增加管子数量则要保证管内流体有。增加管子数量则要保证管内流体有一定的流速，流速太低，传热效果差。为了一定的流速，流速太低，传热效果差。为了增加管增加管程流速程流速，提高传热效率，须将管束分程，使流体依，提高传热效率，须将管束分程，使流体依次流过各程管子。次流过各程管子。第三节第三节 管板结构管板结构（1）各程换热管数应大致相同；各程换热管数应大致相同；（2）相邻程间平均壁温差一般不应超过相邻程间平均壁温差一般不应超过28；（3）各程间的密封长度应最短；各程间的密封长度应最短；（4）分程隔板的形状应简单。分程隔板的形状应简单。对于各种程数的分程必须满足以下几条对于各种程数的分程必须满足以下几条:四、管程的分程及管板与隔板的连接第三节第三节 管板结构管板结构分程隔板与管板及封头的连接分程隔板与管板及封头的连接分程隔板与管板及封头的连接分程隔板与管板及封头的连接 分程隔板有分程隔板有单层单层和和双双层层两种。隔板材料应与封两种。隔板材料应与封头材料相同。头材料相同。四、管程的分程及管板与隔板的连接第三节第三节 管板结构管板结构 双层隔板有双层隔板有隔热空隔热空间间，可防止，可防止热热流流短路短路（不使已冷或已加热的（不使已冷或已加热的流体被刚进入的热或冷流体被刚进入的热或冷流体经隔板而再被加热流体经隔板而再被加热或冷却）。或冷却）。四、管程的分程及管板与隔板的连接第三节第三节 管板结构管板结构五、管板与壳体的连接结构1 1、固定管板式换热器管板与壳体的连接、固定管板式换热器管板与壳体的连接第三节第三节 管板结构管板结构五、管板与壳体的连接结构1 1、固定管板式换热器管板与壳体的连接、固定管板式换热器管板与壳体的连接第三节第三节 管板结构管板结构五、管板与壳体的连接结构1 1、固定管板式换热器管板与壳体的连接、固定管板式换热器管板与壳体的连接第三节第三节 管板结构管板结构兼做法兰时管板与壳体的连接结构兼做法兰时管板与壳体的连接结构五、管板与壳体的连接结构1 1、固定管板式换热器管板与壳体的连接、固定管板式换热器管板与壳体的连接第三节第三节 管板结构管板结构管板不作法兰时连接结构如图。由于法兰力矩不管板不作法兰时连接结构如图。由于法兰力矩不作用在管板上，改善了管板受力情况。作用在管板上，改善了管板受力情况。五、管板与壳体的连接结构1 1、固定管板式换热器管板与壳体的连接、固定管板式换热器管板与壳体的连接第三节第三节 管板结构管板结构五、管板与壳体的连接结构1 1、固定管板式换热器管板与壳体的连接、固定管板式换热器管板与壳体的连接第三节第三节 管板结构管板结构2 2、浮头式、浮头式、U U形管式及填料函式换热器固定端管形管式及填料函式换热器固定端管板与壳体的连接板与壳体的连接由于管束要从壳体中由于管束要从壳体中抽出，进行清洗，故将管抽出，进行清洗，故将管板做成可拆连接。板做成可拆连接。管板夹于壳体法兰和管板夹于壳体法兰和顶盖法兰之间，卸下顶盖顶盖法兰之间，卸下顶盖可把管板同管束从壳体中可把管板同管束从壳体中一起抽出来。一起抽出来。五、管板与壳体的连接结构第三节第三节 管板结构管板结构2 2、浮头式、浮头式、U U形管式及填料函式换热器固定端管形管式及填料函式换热器固定端管板与壳体的连接板与壳体的连接五、管板与壳体的连接结构第三节第三节 管板结构管板结构在对流传热的换热器中，为提高壳程内流体的流速在对流传热的换热器中，为提高壳程内流体的流速和加强湍流程度和加强湍流程度提高传热效率提高传热效率，在壳程内装置，在壳程内装置折流折流板板。折流板还起支撑换热管的作用。当工艺上无装折流。折流板还起支撑换热管的作用。当工艺上无装折流板的要求，管子比较细长时，应该考虑有一定数量的板的要求，管子比较细长时，应该考虑有一定数量的支支承板承板便于安装和防止管子变形过大便于安装和防止管子变形过大。折流板和支承板可分为横向和纵向两种。前者使折流板和支承板可分为横向和纵向两种。前者使流体横过管束流动；后者使管间的流体平行流过管束。流体横过管束流动；后者使管间的流体平行流过管束。第四节 折流板、支承扳、旁路挡板及拦液扳的作用与结构 一、折流板及支承板一、折流板及支承板一、折流板及支承板一、折流板及支承板 设置在壳体内与管束垂直的设置在壳体内与管束垂直的弓形弓形或或圆盘圆环形圆盘圆环形平板，安装折流板使平板，安装折流板使壳程流体按照规定的路径多次横向穿过管束，既提高了流速又增加了湍壳程流体按照规定的路径多次横向穿过管束，既提高了流速又增加了湍流速度，改善了传热效果。卧式换热器中折流板还可起到支撑管束的作流速度，改善了传热效果。卧式换热器中折流板还可起到支撑管束的作用。用。常用的折流挡板：常用的折流挡板：单弓形、双弓形、三弓形和盘单弓形、双弓形、三弓形和盘圆环形。圆环形。单弓形折流挡板对介质流向的影响单弓形折流挡板对介质流向的影响:1 1 1 1、横向折流板、横向折流板、横向折流板、横向折流板一、折流板及支承板一、折流板及支承板一、折流板及支承板一、折流板及支承板第四节第四节 折流板、支承扳、旁路挡板及拦液扳的作用与结折流板、支承扳、旁路挡板及拦液扳的作用与结构构 盘盘环形折流挡板对介质流向的影响环形折流挡板对介质流向的影响一、折流板及支承板一、折流板及支承板一、折流板及支承板一、折流板及支承板第四节第四节 折流板、支承扳、旁路挡板及拦液扳的作用与结折流板、支承扳、旁路挡板及拦液扳的作用与结构构 1 1 1 1、横向折流板、横向折流板、横向折流板、横向折流板1 1 1 1、横向折流板、横向折流板、横向折流板、横向折流板一、折流板及支承板一、折流板及支承板一、折流板及支承板一、折流板及支承板第四节第四节 折流板、支承扳、旁路挡板及拦液扳的作用与结折流板、支承扳、旁路挡板及拦液扳的作用与结构构 1 1 1 1、横向折流板、横向折流板、横向折流板、横向折流板 弓形折流板用得较普遍，它使流体只经折流板弓形折流板用得较普遍，它使流体只经折流板切去的圆缺部分而垂直流过管束，流动中死区较少。切去的圆缺部分而垂直流过管束，流动中死区较少。弓形折流板缺口高度应使流体通过缺口时与横弓形折流板缺口高度应使流体通过缺口时与横过管束时的流速相近。缺口高度过管束时的流速相近。缺口高度h=h=（0.20.20.450.45）D Di i一、折流板及支承板一、折流板及支承板一、折流板及支承板一、折流板及支承板第四节第四节 折流板、支承扳、旁路挡板及拦液扳的作用与结折流板、支承扳、旁路挡板及拦液扳的作用与结构构 横向折流板横向折流板和和支承板的厚度支承板的厚度与壳体直径和折流板间距与壳体直径和折流板间距有关有关，对换热器的振动也有影响。其最小厚度按标准选取。对换热器的振动也有影响。其最小厚度按标准选取。当壳程流体有脉动或用作浮头式换热器浮头端的支承板时，当壳程流体有脉动或用作浮头式换热器浮头端的支承板时，则厚度必须予以特别考虑。则厚度必须予以特别考虑。横向折流板的尺寸横向折流板的尺寸横向折流板的尺寸横向折流板的尺寸-厚度厚度厚度厚度第四节第四节 折流板、支承扳、旁路挡板及拦液扳的作用与结折流板、支承扳、旁路挡板及拦液扳的作用与结构构 折流板按等间距布置，管束两端的折流板尽可能靠近壳程进、出口接管。卧式换热器的壳程为单相清洁流体时，折流板缺口应水平上下布置，若气体中含有少量液体时，则应在缺口朝上的折流板的最低处开通液口最低处开通液口；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最高处开通气口气口。卧式换热器、冷凝器和再沸器的壳程介质为气、液相共存或液体中含有固体物料时，折流板缺口应垂垂直左右布置直左右布置，并在折流板最低处开通液口最低处开通液口。横向折流板的间距横向折流板的间距横向折流板的间距横向折流板的间距第四节第四节 折流板、支承扳、旁路挡板及拦液扳的作用与结折流板、支承扳、旁路挡板及拦液扳的作用与结构构 横向折流板的间距横向折流板的间距横向折流板的间距横向折流板的间距第四节第四节 折流板、支承扳、旁路挡板及拦液扳的作用与结折流板、支承扳、旁路挡板及拦液扳的作用与结构构 折流板最小间距一般不小于圆筒内直径的1/5，且不小于50mm及相邻两块折流板间距不得大于壳体内直径。特殊情况下也可取较小的间距。最大无支撑跨距：横向折流板的间距横向折流板的间距横向折流板的间距横向折流板的间距第四节第四节 折流板、支承扳、旁路挡板及拦液扳的作用与结折流板、支承扳、旁路挡板及拦液扳的作用与结构构 安装折流挡板的目的是为提高管外表面传热系数，为取得良好的效果，挡板的形状和间距必须适当。对圆缺形挡板而言，弓形缺口的大小对壳程流体的流动情况有重要影响。a.切除过少切除过少b.切除适当切除适当 c.切除过多切除过多我国系列标准中采用的挡板间距：固定管板式固定管板式固定管板式固定管板式有100，150，200，300，450，600，700mm七种浮头式浮头式浮头式浮头式有100，150，200，250，300，350，450（或480），600mm八种。第四节第四节 折流板、支承扳、旁路挡板及拦液扳的作用与结折流板、支承扳、旁路挡板及拦液扳的作用与结构构 1 1 1 1、横向折流板、横向折流板、横向折流板、横向折流板折流板与壳体之间的间隙越小，壳程折流板与壳体之间的间隙越小，壳程流体由此泄漏的量越少，传热效率越高。流体由此泄漏的量越少，传热效率越高。但间隙过小，给制造和安装带来困难。但间隙过小，给制造和安装带来困难。横向折流板与壳体间隙横向折流板与壳体间隙横向折流板与壳体间隙横向折流板与壳体间隙1 1 1 1、横向折流板、横向折流板、横向折流板、横向折流板第四节第四节 折流板、支承扳、旁路挡板及拦液扳的作用与结折流板、支承扳、旁路挡板及拦液扳的作用与结构构 折流板与支持板的固定折流板与支持板的固定折流板与支持板的固定折流板与支持板的固定折流板和支承板的固定是通过折流板和支承板的固定是通过拉杆拉杆和和定距管定距管完成的。完成的。d14mm时时第四节第四节 折流板、支承扳、旁路挡板及拦液扳的作用与结折流板、支承扳、旁路挡板及拦液扳的作用与结构构 二、旁路挡板二、旁路挡板当壳体与管束之间存在较大间隙时当壳体与管束之间存在较大间隙时(浮头式、浮头式、U形管形管式和填料函式换热器式和填料函式换热器)，可在管束上增设旁路挡板，可在管束上增设旁路挡板阻阻止流体短路，迫使壳程流体通过管束进行热交换。止流体短路，迫使壳程流体通过管束进行热交换。旁路挡板可用旁路挡板可用6mm厚的扁钢制成，采用对称布置，厚的扁钢制成，采用对称布置，每侧为每侧为24块。挡板加工成规则的长条状，长度等于折块。挡板加工成规则的长条状，长度等于折流板或支承板的板间距，两端焊在折流板或支承板上。流板或支承板的板间距，两端焊在折流板或支承板上。第四节第四节 折流板、支承扳、旁路挡板及拦液扳的作用与结折流板、支承扳、旁路挡板及拦液扳的作用与结构构 DN500mm时，设一对旁路挡板。时，设一对旁路挡板。DN=500mm1000时，设两对旁路挡板。时，设两对旁路挡板。DN1000mm时，设三对旁路挡板。时，设三对旁路挡板。二、旁路挡板二、旁路挡板第四节第四节 折流板、支承扳、旁路挡板及拦液扳的作用与结折流板、支承扳、旁路挡板及拦液扳的作用与结构构 第五节 温差应力一、管壁与壳壁温度差引起的温差应力固定管板式换热器的壳体与管子，在安装温度下，它们的长度均为固定管板式换热器的壳体与管子，在安装温度下，它们的长度均为L；当操作时，壳体和管子温度都升高，若管壁温度高于壳壁温度，；当操作时，壳体和管子温度都升高，若管壁温度高于壳壁温度，则管则管 子自由伸长量子自由伸长量t和壳体自由伸长量和壳体自由伸长量s：(a)(b)(c)L s s t t t=t(tt一一t0)L s=s(ts一一t0)L 温差应力有时非常可观的。温差应力有时非常可观的。严重时会引起壳体破坏或造成管子弯曲甚至被拉脱。为避免这种情况的发生，当温差较大时可选用浮头式、U形管式或填料函式换热器。这几种换热器的造价较高，如果壳程不需清洗时，可在固定管板式换热器上装设膨胀节来消除或降低热应力。一、管壁与壳壁温度差引起的温差应力一、管壁与壳壁温度差引起的温差应力第五节 温差应力 换热器在操作中，承受流体压力和管壳壁的换热器在操作中，承受流体压力和管壳壁的温差应力的联合作用这两个力在管子与管板的温差应力的联合作用这两个力在管子与管板的连接接头处产生了一个拉脱力，使管子与管板有连接接头处产生了一个拉脱力，使管子与管板有脱离的倾向。拉脱力的定义为管子每平方米胀接脱离的倾向。拉脱力的定义为管子每平方米胀接周边上所受到的力，单位为帕。周边上所受到的力，单位为帕。二、管子拉脱力的计算第五节 温差应力二、管子拉脱力的计算第五节 温差应力 由温差产生的管子周边力与压力产生的管子周边力可能是同向或反向。管子的拉脱力为两者的矢量和，其必须小于许用拉脱力q。二、管子拉脱力的计算第五节 温差应力 消除温差应力的主要方法是解决壳体与管束热膨胀消除温差应力的主要方法是解决壳体与管束热膨胀的不一致性，或消除壳体与管子间刚性约束，使壳体和的不一致性，或消除壳体与管子间刚性约束，使壳体和管子都自由膨胀和收缩。管子都自由膨胀和收缩。1、减少壳体与管束间的温度差、减少壳体与管束间的温度差 可考虑将传热膜系数可考虑将传热膜系数大的流体通入管间空间，并大的流体通入管间空间，并对壳壁采取保温。对壳壁采取保温。2装设挠性构件装设挠性构件 用得最多的是在固定管扳式换热器的壳体上装设波用得最多的是在固定管扳式换热器的壳体上装设波形膨胀节。形膨胀节。三、温差应力的补偿三、温差应力的补偿 第五节 温差应力 3使壳体和管束自由热膨胀(1)填料函式换热器三、温差应力的补偿 第五节 温差应力 3使壳体和管束自由热膨胀(2)浮头式换热器三、温差应力的补偿 第五节 温差应力4双套管温度补偿三、温差应力的补偿 第五节 温差应力 （1）膨胀节是装在固定管板式换热器上的挠性元件，对管子与壳体的膨胀变形差进行补 偿，以此来消除或减小不利的温差应力。四、膨胀节的结构及设置第五节 温差应力（2 2）设置膨胀节的条件）设置膨胀节的条件 判断固定管板式换热器是否需要设置膨胀节，要从判断固定管板式换热器是否需要设置膨胀节，要从管束与壳体的管束与壳体的轴向强度轴向强度、稳定性稳定性及管子与管板连接处的及管子与管板连接处的拉脱力拉脱力三方面考虑，任意一种失效均需设置膨胀节。三方面考虑，任意一种失效均需设置膨胀节。若满足下列条件之一者，必须设置膨胀节：若满足下列条件之一者，必须设置膨胀节：（1）s 2 ts;s 壳体应力（2）t 2 tt;t 管子应力（3）s B（4）管子拉脱力）管子拉脱力q q。四、膨胀节的结构及设置第五节 温差应力F1由壳体和管子之间温差引起的轴向力，N。F2由壳程和管程压力作用于壳体上的轴向由壳程和管程压力作用于壳体上的轴向力，力，N；Q0.25(D2in d2o)ps n(do2St)2 pt St管子壁厚，管子壁厚，mmF3由壳程和管程压力作用于管子上的轴向力，由壳程和管程压力作用于管子上的轴向力，N（3）膨胀节的选用及设置 波形膨胀节的材料和尺寸可按波形膨胀节的材料和尺寸可按GBI 67491997压力容器波压力容器波形膨胀节形膨胀节标准选用，冷作成型的铁素体钢膨胀节必须经过消除应标准选用，冷作成型的铁素体钢膨胀节必须经过消除应力处理。奥氏体钢膨胀节冷作成型后通常不需要热处理，热作成型力处理。奥氏体钢膨胀节冷作成型后通常不需要热处理，热作成型的奥氏体钢膨胀节应进行固溶处理。的奥氏体钢膨胀节应进行固溶处理。波形膨胀节与换热器壳体的连接，一般采用对接。膨胀节零件波形膨胀节与换热器壳体的连接，一般采用对接。膨胀节零件的环焊缝，以及膨胀节和壳体连接的环焊缝均采用可以焊透的焊接的环焊缝，以及膨胀节和壳体连接的环焊缝均采用可以焊透的焊接形式，并按与壳体相同的要求进行无损探伤。对卧式换热器用的波形式，并按与壳体相同的要求进行无损探伤。对卧式换热器用的波形膨胀节，必须在其安装位置的最低点设置排液孔，以便排净壳形膨胀节，必须在其安装位置的最低点设置排液孔，以便排净壳 体内的残留液体。体内的残留液体。为了减少膨胀节的磨损防止振动及降低流体为了减少膨胀节的磨损防止振动及降低流体阻力等目的，可在膨胀节的内侧增设一内衬筒。阻力等目的，可在膨胀节的内侧增设一内衬筒。四、膨胀节的结构及设置第五节 温差应力（3）膨胀节的选用及设置设计内衬筒时应注意下列事项：内衬筒的厚度不小于2mm，且不大于膨胀节厚度；长度应超过膨胀节的曲线部分 的轴向长度。内衬筒在迎着流体流动方向一端与壳体焊接。对立式换热器，壳程介质为蒸汽或液体，且流动方向朝上时，应在内衬筒下端设置排液孔道。带有内衬筒的膨胀节与管束装配时可能会有妨碍，在换热器结构设计时应考虑。四、膨胀节的结构及设置第五节 温差应力作用作用作用作用:将进入管程的流体均匀分布到各换热管，把管内流将进入管程的流体均匀分布到各换热管，把管内流体汇集在一起送出换热器。在多管程换热器中，管箱还通过体汇集在一起送出换热器。在多管程换热器中，管箱还通过设设置隔板置隔板起起分隔分隔作用。作用。一、一、管箱管箱第六节 管箱与壳程接管(a)(a)适用于较清洁介质工况。检查换热管内及清洗换热管时，必适用于较清洁介质工况。检查换热管内及清洗换热管时，必须将连接管道一起拆下，很不方便。须将连接管道一起拆下，很不方便。(b)(b)在清洗换热管内时，仅将平盖拆下，不必拆除连接管道，易在清洗换热管内时，仅将平盖拆下，不必拆除连接管道，易清洗和检查。清洗和检查。(c)(c)将管箱与管板焊成一体。可避免在管板密封处的泄漏，但管将管箱与管板焊成一体。可避免在管板密封处的泄漏，但管箱不能单独拆下，检修清洗不方便，很少采用。箱不能单独拆下，检修清洗不方便，很少采用。(d)(d)多程隔板安置的一种形式。其接管安装形式有多种。多程隔板安置的一种形式。其接管安装形式有多种。二、壳程接管 为防止壳程进口接管处壳程流体对换热管的直为防止壳程进口接管处壳程流体对换热管的直接冲刷，可设置壳程的防冲挡板接冲刷，可设置壳程的防冲挡板第四节第四节 管箱与壳程接管箱与壳程接管管进口接管进口接管扩大管扩大管二、壳程接管第四节第四节 管箱与壳程接管箱与壳程接管管二、壳程接管第四节第四节 管箱与壳程接管箱与壳程接管管二、壳程接管第四节第四节 管箱与壳程接管箱与壳程接管管当壳体受轴向拉伸时，其强度条件：当壳体受轴向拉伸时，其强度条件：壳体壁厚的确定壳体壁厚的确定壳体壁厚的确定壳体壁厚的确定1.1.设计按压力容器壁厚计算公式计算设计按压力容器壁厚计算公式计算2.2.校核轴向应力（介质应力与热应力）校核轴向应力（介质应力与热应力）公式公式？注注：s为壳体应力，并非屈服极限为壳体应力，并非屈服极限三、壳体三、壳体第四节第四节 管箱与壳程接管箱与壳程接管管选用、设计原则选用、设计原则列管式（管壳式）换热器选用列管式（管壳式）换热器选用 流动方式的选择流动方式的选择 除逆流逆流和并流并流之外，在列管式换热器中冷、热流体还可以作各种多管程多壳程的复杂流动复杂流动。流量一定时，管程管程或壳程越多壳程越多，表面传热系数越传热系数越大大，对传热过程越有利。但采用多管程或多壳程必导致流体阻力损失流体阻力损失，输送流体的动力费用增加增加。因此，在决定换热器的程数时，需权衡传热和流体输送两方面的损失。当采用多管程或多壳程时，列管式换热器内的流动形式复杂，对数平均值的温差要加以修正对数平均值的温差要加以修正对数平均值的温差要加以修正对数平均值的温差要加以修正。列管式（管壳式）换热器选用列管式（管壳式）换热器选用设计方法及步骤：设计方法及步骤：根据换热任务（流量、温度、热负荷）初选换热器形式，流体走向，确定相关定性物性数据。初选一些参数：u，K等确定换热器结构尺寸，完成流体力学验算、确定换热器结构尺寸，完成流体力学验算、换热器机械设计、强度设计、附件选型等。换热器机械设计、强度设计、附件选型等。绘制图纸。绘制图纸。？换热器的流体力学计算、结构设计、强度计算。换热器的流体力学计算、结构设计、强度计算。列管式（管壳式）换热器选用列管式（管壳式）换热器选用（1）壳体和管箱的壁厚计算）壳体和管箱的壁厚计算（2）换热管与管板连接处的结构设计）换热管与管板连接处的结构设计（3）壳体与管板连接结构设计）壳体与管板连接结构设计（4）管板厚度计算）管板厚度计算（5）折流板、支持板等零部件的结构设计）折流板、支持板等零部件的结构设计（6）换换热热管管与与壳壳体体在在介介质质压压力力和和温温差差联联合合作作用下的应力计算用下的应力计算补充：管壳式换热器的机械设计计算步骤补充：管壳式换热器的机械设计计算步骤（7）管子拉脱力和稳定性校核）管子拉脱力和稳定性校核（8）判判断断是是否否需需要要设设置置膨膨胀胀节节，如如果果需需要要，则则选选择择膨胀节的结构形式及基本尺寸；膨胀节的结构形式及基本尺寸；（9）膨胀节的应力计算及校核；膨胀节的应力计算及校核；（10）接接管管、法法兰兰、支支座座等等的的选选择择；开开孔孔补补强强设设计计计算等；计算等；（11）换热器的振动与防振）换热器的振动与防振 如如果果选选用用换换热热器器，则则应应进进行行压压力力降降、传传热热面面积积及及温温差应力校核等方面的计算。差应力校核等方面的计算。补充：管壳式换热器的机械设计计算步骤补充：管壳式换热器的机械设计计算步骤作业P233一（双）、二（1）不画图、三