管壳式换热器课件

第六章第六章 换热设备换热设备 6.1 6.1 概述概述6.2 6.2 管壳式换热器管壳式换热器6.4 6.4 传热强化技术传热强化技术过程设备设计过程设备设计6.3 6.3 余热锅炉余热锅炉1第六章 换热设备 6.1 概述6.2 管壳式换热器6特点：结构坚固，弹性大，可靠性高，使用范围广，特点：结构坚固，弹性大，可靠性高，使用范围广，使用经验丰富使用经验丰富仍占主导地位。仍占主导地位。6.2 6.2 管壳式换热器管壳式换热器一、结构型式：一、结构型式：1.总总体体结结构构2特点：结构坚固，弹性大，可靠性高，使用范围广，6.2 管壳2 2.基本类型基本类型:(1)固定管板式固定管板式：图6-13(a)按结构特点按结构特点 刚性结构刚性结构固定管板式固定管板式具有温度补偿装置具有温度补偿装置带膨胀节的固定管板式带膨胀节的固定管板式使受热部分自由伸缩使受热部分自由伸缩 浮头式浮头式U形管式形管式填料函式填料函式 32.基本类型:(1)固定管板式：图6-13(a)按结构特点 结构结构:特点特点:管子、管板、壳体三者刚性连接管子、管板、壳体三者刚性连接/结构简单、紧凑结构简单、紧凑/造价便宜造价便宜/应用较广应用较广缺点缺点:管外不能机械清洗管外不能机械清洗/当当t 由于刚性连接由于刚性连接 适用适用:t (管子管子壳体壳体)为减少为减少热应力热应力，通常在固定管板式换热器中设置柔性元，通常在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。件（如膨胀节、挠性管板等），来吸收热膨胀差。4结构:特点:管子、管板、壳体三者刚性连接/结构简单、紧凑/过程设备设计过程设备设计浮头端可自由伸缩，无热应力浮头端可自由伸缩，无热应力浮头端浮头端(2)浮头式浮头式:图6-13(b)（内浮头式）（内浮头式）结构结构:一块管板与壳体螺栓固定一块管板与壳体螺栓固定 另一块管板相对于壳体自由移动另一块管板相对于壳体自由移动 5过程设备设计浮头端可自由伸缩，无热应力浮头端(2)浮头式:特点特点:管壳间不产生管壳间不产生t/管束可自由抽出，便于清洗管管束可自由抽出，便于清洗管 内外及拆修内外及拆修/相对填料函式能在较高的工作压力和相对填料函式能在较高的工作压力和 浓度下工作。浓度下工作。缺点缺点:结构复杂结构复杂/金属消耗量大金属消耗量大/造价高（比固定式高约造价高（比固定式高约20%）/在浮头处发生内漏无法检查在浮头处发生内漏无法检查适用适用:管、壳管、壳t /介质易结垢需清洗的场合介质易结垢需清洗的场合6特点:管壳间不产生t/管束可自由抽出，便于清洗管缺过程设备设计过程设备设计U U形管形管(3)U形管式形管式:图6-13(c)结构结构:管被弯成管被弯成U形形/只有一块管板，管束两端固定在同一只有一块管板，管束两端固定在同一 管板上管板上/管束可自由伸缩管束可自由伸缩7过程设备设计U形管(3)U形管式:图6-13(c)结构:特点特点:不产生不产生t/结构简单结构简单/造价低造价低/管束可抽出管束可抽出管外清洗方便管外清洗方便缺点缺点:管束对管板无支撑作用，所需管板厚管束对管板无支撑作用，所需管板厚/管内清洗不便管内清洗不便/常振动常振动/管板布管少，管板利用率低管板布管少，管板利用率低/管外流体常短路管外流体常短路/内层损坏不易更换，堵管后管子报废率高内层损坏不易更换，堵管后管子报废率高8特点:不产生t/结构简单/造价低/缺点:过程设备设计过程设备设计填料函式密封填料函式密封(4)填料函式填料函式:图图6-13(d)(外浮头式外浮头式)结构结构:浮头伸出壳外浮头伸出壳外/浮头与壳体间用填料密封浮头与壳体间用填料密封9过程设备设计填料函式密封(4)填料函式:图6-13(d)(特点特点:管束自由伸缩管束自由伸缩管壳间不产生管壳间不产生t/较浮头式结构较浮头式结构 简单简单/加工制造方便加工制造方便/检修清洗容易，填料处泄漏检修清洗容易，填料处泄漏 能及时发现能及时发现缺点缺点:壳程有外泄可能，故壳程壳程有外泄可能，故壳程p/使用温度受填料性能使用温度受填料性能 限制限制t不可太高不可太高/不易处理易挥发，易燃，易爆，不易处理易挥发，易燃，易爆，有毒及贵重介质有毒及贵重介质适用适用:p ，D ，生产中不是为了消除，生产中不是为了消除t，而是为了便于，而是为了便于 清洗壳程才用这类换热器。现在已很少采用。清洗壳程才用这类换热器。现在已很少采用。10特点:管束自由伸缩管壳间不产生t/较浮头式结构缺过程设备设计过程设备设计蒸发空间蒸发空间管束可以为浮头式、管束可以为浮头式、U U形管式和固定管板式结构形管式和固定管板式结构(5)釜式重沸器釜式重沸器:图6-13(f)结构结构:管束可以浮头式，管束可以浮头式，U形管，固定管板式形管，固定管板式/壳体上部壳体上部 设置一个蒸发空间设置一个蒸发空间 特点特点:根据管束形式而定根据管束形式而定11过程设备设计蒸发空间管束可以为浮头式、U形管式和固定管板式结过程设备设计过程设备设计管程管程与管束中流体相通的空间与管束中流体相通的空间壳程壳程换热管外面流体及相通空间换热管外面流体及相通空间管程管程管程管程壳程壳程壳程壳程管程管程管程管程二、结构设计二、结构设计12过程设备设计管程与管束中流体相通的空间壳程换热管外面流体1.管程结构管程结构(1)管束分程管束分程(分程隔板分程隔板):):条件条件:当换热器所需换热面当换热器所需换热面，而管子又不能太长时，而管子又不能太长时，就要就要管数管数n (v)为使管内为使管内v提高传热效果提高传热效果需分程需分程 管程数管程数:一般有一般有1，2，4，6，8，10，12等七种等七种,最简单、最简单、最常用的是单管程。最常用的是单管程。隔板布置方式隔板布置方式 (表6-2)平行布置法平行布置法 T形布置法形布置法分程的要求分程的要求:a.避免流体温差较大的两部分管束紧邻避免流体温差较大的两部分管束紧邻b.程与程之间温差不宜过大程与程之间温差不宜过大,不超过不超过20c.应尽可能使各管程的换热管数大致相同应尽可能使各管程的换热管数大致相同d.分程隔板槽形状简单分程隔板槽形状简单,密封面长度较短密封面长度较短131.管程结构(1)管束分程(分程隔板):条件:当换热器所1414过程设备设计过程设备设计表表6-2 管束分程布置图管束分程布置图流向流向15过程设备设计表6-2 管束分程布置图流向15分程隔板与管板的连接形式分程隔板与管板的连接形式:隔板密封面通常隔板密封面通常10mm;对卧式换热器对卧式换热器:设置设置6mm的排液孔的排液孔,其位置按具体情况而定其位置按具体情况而定16分程隔板与管板的连接形式:隔板密封面通常10mm;16换热管换热管材料材料:管内流速管内流速:使管内流体使管内流体达湍流达湍流,提高传热效果提高传热效果 通常液体通常液体v=0.32m/s 气体气体v=825m/s结构尺寸结构尺寸:192、252.5和和382.5mm无缝钢管无缝钢管252和和382.5mm不锈钢管不锈钢管a.外径外径壁厚壁厚b.标准管长标准管长:1.5、2.0、3.0、4.5、6.0、9.0m注意注意:考虑考虑d d、ll对换热器造价的影响。对换热器造价的影响。如有可能，应选取多个如有可能，应选取多个d d和和l l进行方案比较，进行方案比较，以确定最佳参数。以确定最佳参数。17换热管材料:管内流速:使管内流体达湍流,提高传型式型式:光管光管强化传热管强化传热管翅片管（在给热系数低侧）翅片管（在给热系数低侧）螺旋槽管螺旋槽管螺纹管螺纹管布管布管:管子在管子在管板上的排列管板上的排列p p正三角形正三角形:最普遍最普遍/布管多布管多/声振小声振小/管外流体扰动大管外流体扰动大传热传热好好 但不易清洗；但不易清洗；转角三角形转角三角形:易清洗，但传热效果不如正三角形易清洗，但传热效果不如正三角形正方形及转角正方形正方形及转角正方形:管外清洗方便管外清洗方便/但排管比三角形少但排管比三角形少18型式:光管强化传热管翅片管（在给热系数低侧）螺旋槽管螺纹管原则原则:无论哪种排列都必须在管束周围的弓形空间无论哪种排列都必须在管束周围的弓形空间 尽可能尽可能 多布管多布管传热面积传热面积，且可防壳程流体短路，且可防壳程流体短路管心距管心距:保证管子与管板连接时，管桥有足够的强度和刚度保证管子与管板连接时，管桥有足够的强度和刚度影响因素有影响因素有:结构紧凑性结构紧凑性/传热效果传热效果/清洗难易清洗难易取值取值:t1.25d0(保证管桥强度和清洗通道保证管桥强度和清洗通道)表表6-1 常用换热管中心距常用换热管中心距/mm换热管外径换热管外径do1214192532384557换热管中心距换热管中心距161925324048577219原则:无论哪种排列都必须在管束周围的弓形空间管心距:保证管板管板:作用作用:a.排布换热管；排布换热管；b.分隔管程和壳程流体分隔管程和壳程流体避免冷、热流体混合避免冷、热流体混合 c.承受管程、壳程压力和温度的载荷作用承受管程、壳程压力和温度的载荷作用20管板:作用:a.排布换热管；20材料材料:一般一般:碳素钢或低合金钢板或锻件制造碳素钢或低合金钢板或锻件制造流体腐蚀性较强流体腐蚀性较强不锈钢、铜、铝、钛不锈钢、铜、铝、钛复合板复合板堆焊衬里堆焊衬里结构结构:满足强度前提下，尽量减少管板厚度。满足强度前提下，尽量减少管板厚度。平管板平管板:可用钢板、锻件制成可用钢板、锻件制成复合板复合板堆焊复合板堆焊复合板轧制复合板轧制复合板爆炸复合板爆炸复合板薄管板薄管板:一般一般820mm，图，图6-15椭圆形管板椭圆形管板:图图6-16双管板双管板:图图6-1721材料:一般:碳素钢或低合金钢板或锻件制造不锈钢、铜、铝、过程设备设计过程设备设计比较四种用于固定管板换热器的薄管板结构比较四种用于固定管板换热器的薄管板结构（a）（b）图图6-15 薄管板结构形式薄管板结构形式22过程设备设计比较四种用于固定管板换热器的薄管板结构（a）（b过程设备设计过程设备设计（c）（d）23过程设备设计（c）（d）23过程设备设计过程设备设计图图6-166-16椭圆形管板椭圆形管板以椭圆形封头作为管板，与换热器壳体焊接在一起。以椭圆形封头作为管板，与换热器壳体焊接在一起。受力情况比平管板好得多，可以做得很薄，有利于降受力情况比平管板好得多，可以做得很薄，有利于降低热应力；适用于高压、大直径的换热器。低热应力；适用于高压、大直径的换热器。24过程设备设计图6-16以椭圆形封头作为管板，与换热器壳体焊接过程设备设计过程设备设计用于严格禁止管程用于严格禁止管程与壳程介质互相混与壳程介质互相混合的场合。合的场合。方法：方法：从短节排出从短节排出 短节圆筒充入高于短节圆筒充入高于 管程、壳程压力的管程、壳程压力的 惰性介质惰性介质图图6-16 6-16 双管板结构双管板结构11空隙空隙 2 2壳程管板壳程管板 3 3短节短节 4 4管程管板管程管板123425过程设备设计用于严格禁止管程方法：图6-16 双管板结构12管子与管板的连接管子与管板的连接:连接要求连接要求良好的密封性良好的密封性防止流体短路防止流体短路足够的紧固强度足够的紧固强度有足够的抗拉脱力有足够的抗拉脱力连接方法连接方法胀接胀接焊接焊接胀焊并用胀焊并用强度胀强度胀:定义定义:保证换热管与管板连接的保证换热管与管板连接的密封性能密封性能及及抗拉脱强度抗拉脱强度的胀接的胀接方法方法:均匀胀接均匀胀接非均匀胀接非均匀胀接机械滚胀法，常用机械滚胀法，常用液压胀接液压胀接液袋胀接液袋胀接橡胶胀接橡胶胀接爆炸胀接爆炸胀接26管子与管板的连接:连接要求良好的密封性防止流体短路连接原理原理:要求要求:a.管子不能排的太密管子不能排的太密 管板强度、刚度管板强度、刚度 管子温度不易太高管子温度不易太高 会消除接头处残余应力会消除接头处残余应力b.不能不能c.材料要求材料要求:管板硬度管子硬度管板硬度管子硬度 若两者材料相同若两者材料相同,应把管子端部退火应把管子端部退火d.结合面粗糙度结合面粗糙度:一般要求为一般要求为过胀过胀否则影响密封性否则影响密封性欠胀欠胀否则影响紧固性否则影响紧固性12.5结构形式结构形式:图图19适用范围适用范围:设计压力设计压力4.0MPa；设计温度；设计温度300；操作中无剧烈振动、无过大温度波动，操作中无剧烈振动、无过大温度波动，及无明显应力腐蚀等场合。及无明显应力腐蚀等场合。注意注意:当管板是不易胀紧的不锈钢材料时当管板是不易胀紧的不锈钢材料时,不能用强度胀不能用强度胀27原理:要求:a.管子不能排的太密 管板强度焊强度焊:定义定义:保证换热管与管板连接的保证换热管与管板连接的密封性能密封性能及及抗拉脱强度抗拉脱强度 的焊接的焊接.优点优点:a.比胀接密封性比胀接密封性，连接强度，连接强度 b.对管板孔及管子端部加工要求低，对对管板孔及管子端部加工要求低，对管板及管子管板及管子 材料要求低。材料要求低。c.允许采用较小的允许采用较小的管板厚度。管板厚度。d.制造容易，加工简单。制造容易，加工简单。缺点缺点:a.焊缝处焊缝处:开孔开孔应力集中应力集中+焊接残余应力焊接残余应力 运行时可能引起运行时可能引起 b.管板孔与管子间有缝隙管板孔与管子间有缝隙产生间隙腐蚀产生间隙腐蚀应力腐蚀应力腐蚀疲劳破坏疲劳破坏28强度焊:定义:保证换热管与管板连接的密封性能及抗拉脱强结构形式结构形式:图图20适用范围适用范围:除较大振动和缝隙腐蚀场合外，该方法应用广泛除较大振动和缝隙腐蚀场合外，该方法应用广泛;薄管板不能胀，只能焊。薄管板不能胀，只能焊。胀焊并用胀焊并用特点特点:连接处抗疲劳性能连接处抗疲劳性能/消除应力腐蚀和间隙腐蚀消除应力腐蚀和间隙腐蚀/使用寿命使用寿命（具有胀、焊优点）（具有胀、焊优点）连接方式连接方式:强度胀强度胀+密封焊、强度焊密封焊、强度焊+贴胀、强度焊贴胀、强度焊+强度胀等强度胀等名词术语名词术语:强度胀强度胀为保证换热管与管板连接的密封性能及为保证换热管与管板连接的密封性能及 抗拉脱强度的胀接抗拉脱强度的胀接 贴胀贴胀为消除换热管与管孔间隙的轻度胀接为消除换热管与管孔间隙的轻度胀接,并不并不 承担拉脱力承担拉脱力 强度焊强度焊保证换热管与管板连接的密封性能及保证换热管与管板连接的密封性能及 抗拉脱强度的焊接抗拉脱强度的焊接 密封焊密封焊保证换热管与管板连接的密封性能的焊接保证换热管与管板连接的密封性能的焊接29结构形式:图20适用范围:除较大振动和缝隙腐蚀场过程设备设计过程设备设计课堂讨论课堂讨论关于先焊还是先胀的讨论关于先焊还是先胀的讨论机械胀接机械胀接先焊后胀先焊后胀液压胀接液压胀接先胀后焊先胀后焊30过程设备设计课堂讨论关于先焊还是先胀的讨论机械胀接先焊后应用应用:密封性能要求较高；密封性能要求较高；承受振动和疲劳载荷；承受振动和疲劳载荷；有缝隙腐蚀；有缝隙腐蚀；需使用复合管板等的场合需使用复合管板等的场合31应用:密封性能要求较高；31过程设备设计过程设备设计作用作用流体送入换热管和送出换热器；流体送入换热管和送出换热器；在多管程结构中，还起到改变流体流向的作用。在多管程结构中，还起到改变流体流向的作用。结构形式决定因素结构形式决定因素清洗？管束分程？清洗？管束分程？(a)(b)(c)(d)(6)(6)管箱管箱图图6-1832过程设备设计作用流体送入换热管和送出换热器；结构形式决定过程设备设计过程设备设计特点特点清洗时要拆除管线；清洗时要拆除管线；该结构适用于较清洁的该结构适用于较清洁的介质。介质。(a)33过程设备设计特点清洗时要拆除管线；(a)33过程设备设计过程设备设计清洗时不要拆除管线；清洗时不要拆除管线；缺点是用材较多。缺点是用材较多。特点特点(b)34过程设备设计清洗时不要拆除管线；特点(b)34过程设备设计过程设备设计特点特点检查、清洗不方便检查、清洗不方便,很少使用很少使用(1)(2)(c)35过程设备设计特点检查、清洗不方便,(1)(2)(c)35过程设备设计过程设备设计特点特点设置多层隔板的设置多层隔板的管箱结构管箱结构(d)36过程设备设计特点设置多层隔板的管箱结构(d)36过程设备设计过程设备设计壳体壳体折流板折流板折流杆折流杆防短路结构防短路结构壳程分程壳程分程2.壳程结构壳程结构 壳体壳体接管接管焊在壳体上，供壳程流体进、出。焊在壳体上，供壳程流体进、出。防冲挡板防冲挡板作用作用:减小流体的不均匀分布和对管束的侵蚀和震动，减小流体的不均匀分布和对管束的侵蚀和震动，在壳程进口接管处设置在壳程进口接管处设置防冲挡板防冲挡板.固定形式固定形式焊接在拉杆、定距管、折流板上焊接在拉杆、定距管、折流板上焊接在圆筒上焊接在圆筒上用用U型螺栓固定在换热管上型螺栓固定在换热管上37过程设备设计壳体折流板折流杆防短路结构壳程分程2.壳程结构 条件条件:a.当壳程进口管流体的当壳程进口管流体的v2值为下列数值时，值为下列数值时，应在壳程进口管处设置防冲板或导流筒应在壳程进口管处设置防冲板或导流筒 (i)非腐蚀非腐蚀,非磨蚀性单相流体非磨蚀性单相流体v22230kg/(m.s2)(ii)其他液体，包括沸点下液体其他液体，包括沸点下液体v2740kg/(m.s2)b.有腐蚀或有磨蚀的气体、蒸汽及汽液混合物，有腐蚀或有磨蚀的气体、蒸汽及汽液混合物，应设置防冲板应设置防冲板导流筒导流筒作用作用:a.充分利用换热面积充分利用换热面积,减小壳程进出口处死区减小壳程进出口处死区 b.也起防冲作用也起防冲作用 c.减少壳程进出口处压降减少壳程进出口处压降(外导流结构外导流结构)条件条件:当壳程进出口接管距管板较远，流体停滞区过大时，当壳程进出口接管距管板较远，流体停滞区过大时，应设置导流筒应设置导流筒38条件:a.当壳程进口管流体的v2值为下列数值时，导流筒作过程设备设计过程设备设计作用作用:a.提高壳程流体流速，增加湍动程度；提高壳程流体流速，增加湍动程度；使壳程流体垂直冲刷管束，提高壳程传热系数；使壳程流体垂直冲刷管束，提高壳程传热系数；b.减少结垢。减少结垢。c.支承管束支承管束折流板、支持板折流板、支持板折流板折流板结构形式结构形式弓形弓形圆盘圆盘-圆环形圆环形堰形折流板堰形折流板（见图（见图6-21）39过程设备设计作用:a.提高壳程流体流速，增加湍动程度；折流过程设备设计过程设备设计(a)单弓形单弓形(d)圆盘圆盘-圆环形圆环形(c)三弓形三弓形(b)双弓形双弓形弓形缺口高度弓形缺口高度h h应使流体流过缺口时与横向流过管束时的流速相近应使流体流过缺口时与横向流过管束时的流速相近缺口大小用弓形弦高占壳体内直径的百分比来表示，缺口大小用弓形弦高占壳体内直径的百分比来表示，如单弓形折流板，如单弓形折流板，h=(0.20h=(0.200.45)0.45)Di，最常用，最常用0.250.25Di。40过程设备设计(a)单弓形(d)圆盘-圆环形(c)三弓形(b)布置原则布置原则:a.一般应按等间距布置一般应按等间距布置 b.管束两端的折流板尽可能靠近壳程进出口接管管束两端的折流板尽可能靠近壳程进出口接管 折流板缺口布置原则折流板缺口布置原则:a.壳程为单相清洁流体时，折流板缺口壳程为单相清洁流体时，折流板缺口 (卧式）卧式）应应水平上下水平上下布置。布置。若气体中含有少量液体若气体中含有少量液体,应在缺口朝上的应在缺口朝上的 折流板最低处开设通液口折流板最低处开设通液口,见图见图6-22(a);若液体中含有少量气体，应在缺口朝下若液体中含有少量气体，应在缺口朝下 的折流板最高处开通气口的折流板最高处开通气口,见图见图6-22(b);b.壳程介质为气液共存或液体中含有固体壳程介质为气液共存或液体中含有固体 颗粒时，折流板应垂直颗粒时，折流板应垂直左右布置左右布置，并在，并在 折流板最低处开通液口折流板最低处开通液口,见图见图6-22(c)c.间距：间距：L Lminmin不小于不小于0.2Di0.2Di，且不小于，且不小于50mm50mm；L Lmaxmax不大于不大于DiDi；41布置原则:a.一般应按等间距布置折流板缺口布置原则:a.过程设备设计过程设备设计壳程为单相清洁液体时，折流板缺口上下布置壳程为单相清洁液体时，折流板缺口上下布置图图6-22 6-22 折流板缺口布置折流板缺口布置通液口通液口通液口通液口通气口通气口通气口通气口(a)(b)42过程设备设计壳程为单相清洁液体时，折流板缺口上下布置图6-2过程设备设计过程设备设计卧式换热器的壳程介质为气液相共存或液体中含有固卧式换热器的壳程介质为气液相共存或液体中含有固体颗粒时，折流板缺口应垂直左右布置，并在折流板体颗粒时，折流板缺口应垂直左右布置，并在折流板最低处开通液口最低处开通液口通液口通液口图图6-22 6-22 折流板缺口布置折流板缺口布置(c)43过程设备设计卧式换热器的壳程介质为气液相共存或液体中含有固体折流板上管孔与换热管折流板上管孔与换热管折流板与壳体内壁之间折流板与壳体内壁之间过大过大泄露严重泄露严重,不利传热不利传热;易引起振动。易引起振动。过小过小安装困难。安装困难。间隙间隙44折流板上管孔与换热管过大泄露严重,不利传热;间隙44支持板支持板设置条件设置条件:当换热器在工艺上无须设置折流板，当换热器在工艺上无须设置折流板，但管子又比较长，超过最大无支撑跨距时，但管子又比较长，超过最大无支撑跨距时，需设置一定数量的支持板，按照折流板处理需设置一定数量的支持板，按照折流板处理.作用作用:a.减小跨距减小跨距防振防振 b.支承管子支承管子增加管子刚度，防止管子产生过大挠度增加管子刚度，防止管子产生过大挠度形状尺寸形状尺寸:同折流板同折流板 最大无支撑跨距最大无支撑跨距:换热管外径管外径10121416192532384557 最大无最大无支撑跨距支撑跨距钢管管-11001300150018502200250027503200有色金属有色金属管管750850950110013001600190022002400280045支持板设置条件:当换热器在工艺上无须设置折流板，作用:过程设备设计过程设备设计A A、换热管外径、换热管外径14mm14mm时时点焊结构点焊结构B、换热管外径、换热管外径 14mm时时拉杆拉杆-定距管结构定距管结构dndn折流板、支持板固定方式：折流板、支持板固定方式：46过程设备设计A、换热管外径14mm时点焊结构B、换热管拉杆数量拉杆数量:与拉杆直径，壳体与拉杆直径，壳体DN有关有关拉杆布置拉杆布置:尽量布置在管束的外边缘，对于大直径的尽量布置在管束的外边缘，对于大直径的 换热器，在布管区内或靠近折流板缺口处换热器，在布管区内或靠近折流板缺口处 应布置适当数量的拉杆应布置适当数量的拉杆折流杆折流杆针对传统折流板针对传统折流板:有传热死区有传热死区,流体阻力流体阻力,易产生管振动等缺点易产生管振动等缺点开发开发 新型折流杆新型折流杆结构结构:图图6-241 1支撑杆支撑杆2 2折流杆折流杆3 3滑轨滑轨47拉杆数量:与拉杆直径，壳体DN有关拉杆布置:尽量布置在管束优点优点:a.传热量相同下，传热量相同下，p比弓形折流板降低比弓形折流板降低50%；b.没有传热死区没有传热死区 c.结垢速度快；结垢速度快；d.管束不易振动管束不易振动(壳程流体流向由横流变为轴流壳程流体流向由横流变为轴流)(4)防短路结构防短路结构目的目的:防止壳程流体，在某些区域短路防止壳程流体，在某些区域短路使传热效率增加使传热效率增加结构：结构：旁路挡板旁路挡板 图图6-25挡管挡管 图图6-26 中间挡板中间挡板 图图6-27 48优点:a.传热量相同下，p比弓形折流板降低50%；(4)过程设备设计过程设备设计旁路挡板旁路挡板折流板折流板旁路挡板旁路挡板 图图6-25为了防止为了防止壳程边缘壳程边缘介质短路介质短路49过程设备设计旁路挡板折流板旁路挡板 图6-25为了防止49过程设备设计过程设备设计挡管挡管挡挡管管图图6-26 6-26 挡管结构挡管结构防止管间短路防止管间短路；分程隔板槽背面两管板之间设置两端堵死的管子，即挡管；分程隔板槽背面两管板之间设置两端堵死的管子，即挡管；挡管一般与换热管规格相同，可与折流板点焊固定，也可用挡管一般与换热管规格相同，可与折流板点焊固定，也可用拉杆（带定距管或不带定距管）代替。拉杆（带定距管或不带定距管）代替。挡管每隔挡管每隔3 34 4排换热管设置一根，但不设置在折流板缺口处排换热管设置一根，但不设置在折流板缺口处50过程设备设计挡管挡图6-26 防止管间短路；50过程设备设计过程设备设计中间挡板中间挡板图图6-276-27中间挡板中间挡板U U形管束中心部分存在较大间隙形管束中心部分存在较大间隙 ，防止管间短路；，防止管间短路；中间挡板一般与折流板点焊固定；中间挡板一般与折流板点焊固定；壳体壳体DN500mm时时设置设置1块挡板块挡板500DN1000mm时时设置设置2块挡板块挡板DN1000mm时时设置不少于设置不少于3块挡板块挡板51过程设备设计中间挡板图6-27U形管束中心部分存在较大间隙 过程设备设计过程设备设计(5)壳程分程壳程分程(纵向隔板纵向隔板)目的目的:a.满足工艺设计要求满足工艺设计要求 b.增大壳程流体传热系数增大壳程流体传热系数型式型式:E型、型、F型、型、G型、型、H型型保证隔板与壳体间密封保证隔板与壳体间密封防介质短路防介质短路纵向隔板与壳体的连接形式纵向隔板与壳体的连接形式:焊接焊接将隔板与壳体内壁焊接将隔板与壳体内壁焊接 可拆可拆有密封元件有密封元件壳程分程较管程分程困难，所以一般壳程壳程分程较管程分程困难，所以一般壳程2注注:折流板仅改变流向而不是分程折流板仅改变流向而不是分程52过程设备设计(5)壳程分程(纵向隔板)目的:a.满足工艺设过程设备设计过程设备设计测测 验验1 1、写出管程结构及作用、写出管程结构及作用2 2、写出壳程结构及作用、写出壳程结构及作用53过程设备设计测 验1、写出管程结构及作用2、写出壳程结过程设备设计过程设备设计三、管板设计三、管板设计换热器和一般容器的受力不同之处换热器和一般容器的受力不同之处:若按一般受压容器计算满足强度要求，仍存在下列几种若按一般受压容器计算满足强度要求，仍存在下列几种 特有特有的破坏情况：的破坏情况：54过程设备设计三、管板设计换热器和一般容器的受力不同之处:若换热器强度计算包括换热器强度计算包括:a.作为受压容器作为受压容器计算筒体封头法兰开孔支座等，计算筒体封头法兰开孔支座等，与一般容器设计相同与一般容器设计相同b.换热器特有的强度计算换热器特有的强度计算管板厚度计算管板厚度计算/筒体筒体z 校核校核/拉脱力校核拉脱力校核/膨胀节计算膨胀节计算55换热器强度计算包括:a.作为受压容器计算筒体封头法兰开孔管板强度计算理论管板强度计算理论管板和圆平板的主要区别管板和圆平板的主要区别:结构上结构上:圆平板圆平板实心圆平板实心圆平板/圆环板且不装管子圆环板且不装管子 管管 板板 开孔圆平板开孔圆平板/且装管子且装管子,管束对管板强管束对管板强度度 有影响。有影响。受载上受载上:圆平板圆平板承受一侧的载荷承受一侧的载荷(均布力，集中力均布力，集中力)，对平板起弯曲作用对平板起弯曲作用 管管 板板承受管程、壳程两侧压力承受管程、壳程两侧压力/且两板面作用且两板面作用 面积不同面积不同/由于由于t产生产生pt。56管板强度计算理论管板和圆平板的主要区别:结构上:圆平板2.管板强度计算理论的主要类型管板强度计算理论的主要类型(1)优点优点:全面考虑了管束的支承全面考虑了管束的支承/t的影响，比较精确，的影响，比较精确，接近实际接近实际.缺点缺点:计算公式复杂，由于计算机的出现和发展，今天已计算公式复杂，由于计算机的出现和发展，今天已 成为一种有效的计算方法成为一种有效的计算方法572.管板强度计算理论的主要类型(1)优点:全面考虑了管束的(2)管板管板 (如美如美TEMA,日日JIS)承均布载荷圆平板承均布载荷圆平板计入孔对管板影响计入孔对管板影响方法方法:按平板理论按平板理论(弹性理论弹性理论)计算圆平板计算圆平板max为主要为主要 依据，加入适当修正系数依据，加入适当修正系数(半经验公式半经验公式)优点优点:公式简单，便于运算，结果安全公式简单，便于运算，结果安全缺点缺点:考虑不全面，考虑不全面，sp(3)管板管板 受管子支承着的平板受管子支承着的平板(如德如德AD)方法方法:管板上不布管区管板上不布管区决定管板厚度决定管板厚度适用适用:薄管板计算薄管板计算(4)我国我国:在在Miler法基础上，考虑了法兰力矩及其它影响因素法基础上，考虑了法兰力矩及其它影响因素58(2)管板 我国规范中管板设计计算理论我国规范中管板设计计算理论影响管板强度、刚度的主要因素：影响管板强度、刚度的主要因素：(1)管束对管板的支承作用管束对管板的支承作用:将管板看作放在管束这个弹性基础上的圆平板将管板看作放在管束这个弹性基础上的圆平板 (管束对管板起弹性支承作用管束对管板起弹性支承作用)管子对管板弹性作用管子对管板弹性作用 对管板挠度约束对管板挠度约束 对管板转角约束对管板转角约束对管板强度影响小，对管板强度影响小，可忽略可忽略管束对管板支承作用管束对管板支承作用大小随结构形式不同大小随结构形式不同 固定式固定式支承作用最显著支承作用最显著U形式形式无支承作用无支承作用浮填式浮填式管束可自由伸长管束可自由伸长,但两管板但两管板 变形通过管束相互制约而变形通过管束相互制约而 存在支承作用，存在支承作用，介于上两者之间介于上两者之间59我国规范中管板设计计算理论影响管板强度、刚度的主要因素：(2)管孔对管板强度影响管孔对管板强度影响:一方面一方面:管板上开孔管板上开孔 另一方面另一方面:管子固定在管板上，对管板有一定加强作用管子固定在管板上，对管板有一定加强作用,抵消部分峰值应力抵消部分峰值应力考虑管板整体削弱，考虑管板整体削弱，而忽略孔边应力集中而忽略孔边应力集中(在疲劳设计时考虑在疲劳设计时考虑)视管板视管板均匀连续削弱的当量圆平板均匀连续削弱的当量圆平板(3)管板周边支承形式影响管板周边支承形式影响:不同支承形式不同支承形式管板管板 均不一样均不一样应力应力挠度挠度60(2)管孔对管板强度影响:一方面:管板上开孔 另一方面:(4)t对管板影响：对管板影响：除上述因素外，根据具体结构还要考虑：除上述因素外，根据具体结构还要考虑：a.法兰力矩；法兰力矩；b.最大压力作用位置；最大压力作用位置；c.折流板间距等。折流板间距等。61(4)t对管板影响：除上述因素外，根据具体结构还要考虑：62.我国规范理论基础我国规范理论基础以以Miler法为基础，又有所区别：法为基础，又有所区别：Miler法的基本假设：法的基本假设：a.管束与管板联结无滑动管束与管板联结无滑动(否则影响管束对管板的支承作用否则影响管束对管板的支承作用)b.管板挠度很小，且忽略管束对管板转角约束管板挠度很小，且忽略管束对管板转角约束c.管束有折流板等部件的支承，不会产生弯曲和下垂管束有折流板等部件的支承，不会产生弯曲和下垂d.管子均匀分布在整个管板上，把管束看作管板的弹性基础管子均匀分布在整个管板上，把管束看作管板的弹性基础e.管板管板视同样直径、厚度视同样直径、厚度/均匀开孔受载的圆平板均匀开孔受载的圆平板f.管子管子对管板约束力对管板约束力视一个连续非均布力作用于管板上视一个连续非均布力作用于管板上我国规范：我国规范：把实际的管板简化为把实际的管板简化为:承受均布载荷、放置在弹性基础上且承受均布载荷、放置在弹性基础上且 受管孔均匀削弱的当量圆平板。受管孔均匀削弱的当量圆平板。622.我国规范理论基础以Miler法为基础，又有所区别：Mia.管板兼作法兰，考虑了法兰力矩作用管板兼作法兰，考虑了法兰力矩作用b.考虑了管板周边不布管区对管板边缘的应力影响使管板考虑了管板周边不布管区对管板边缘的应力影响使管板 边缘的边缘的下降下降c.管板边缘的转向受壳体法兰蛔栓垫中系统的约束转角在管板边缘的转向受壳体法兰蛔栓垫中系统的约束转角在 连接处协调连接处协调d.设计准则设计准则:运用了应力分类的概念，对不同的应力采用运用了应力分类的概念，对不同的应力采用 不同的许用值不同的许用值在在Miler法基础上，又考虑了以下几方面对管板应力的影响：法基础上，又考虑了以下几方面对管板应力的影响：3.管板受力分析：管板受力分析：图图6-2863a.管板兼作法兰，考虑了法兰力矩作用在Miler法基础上，又过程设备设计过程设备设计 图图6-28 6-28 管板与其相关元件的内力分析图管板与其相关元件的内力分析图内力共内力共14个个64过程设备设计 图6-28 管板与其相关元件的内力分析图VGVbVbVG过程设备设计过程设备设计作用在垫片上的作用在垫片上的轴向内力轴向内力 VG与作用在螺栓圆上的与作用在螺栓圆上的螺栓力螺栓力 Vb图图6-27 6-27 管板与其相关管板与其相关 元件的内力分析图元件的内力分析图65VGVbVbVG过程设备设计作用在垫片上的图6-27 管板与过程设备设计过程设备设计HsVsMsHsMsVsVs边缘弯矩边缘弯矩Ms横向剪力横向剪力Hs轴向力轴向力Vs图图6-27 6-27 管板与其相关管板与其相关 元件的内力分析图元件的内力分析图66过程设备设计HsVsMsHsMsVsVs边缘弯矩Ms图6-2过程设备设计过程设备设计MMR RHHR RV VR RV VR RHHR R作用在环形的不布管区作用在环形的不布管区与壳体法兰之间即半径与壳体法兰之间即半径为为R R处的处的:弯矩弯矩 MR径向力径向力 HR轴向剪力轴向剪力 VR图图6-27 6-27 管板与其相关管板与其相关 元件的内力分析图元件的内力分析图67过程设备设计MRHRVRVRHR作用在环形的不布管区弯矩 过程设备设计过程设备设计MfMfMfVfHf作用在管板布管区作用在管板布管区与边缘环板连接处与边缘环板连接处即半径为即半径为Rt处的处的:边缘弯矩边缘弯矩Mf径向剪力径向剪力Hf边缘剪力边缘剪力Vf图图6-27 6-27 管板与其相关管板与其相关 元件的内力分析图元件的内力分析图68过程设备设计MfMfMfVfHf作用在管板布管区边缘弯矩Mf(三三)管板计管板计算算 固定管板换热器固定管板换热器危险工况的组合危险工况的组合:在进行管板设计时在进行管板设计时,应根据设计条件考虑下列应根据设计条件考虑下列危险工况危险工况的组合：的组合：只有壳程压力只有壳程压力ps，而管程压力，而管程压力pt=0，不计热膨胀差，不计热膨胀差(t=0)只有壳程压力只有壳程压力ps，而管程压力，而管程压力pt=0，同时考虑热膨胀差，同时考虑热膨胀差只有管程压力只有管程压力pt，而壳程压力，而壳程压力ps=0，不计热膨胀差，不计热膨胀差只有管程压力只有管程压力pt，而壳程压力，而壳程压力ps=0，同时考虑热膨胀差，同时考虑热膨胀差注注:如如ps和和pt之一为负压时，还应考虑压差的危险组合之一为负压时，还应考虑压差的危险组合 1,3两种工况算出的最大应力属一次弯曲应力两种工况算出的最大应力属一次弯曲应力 2,4两种工况算出的最大应力属一次应力加上二次应力两种工况算出的最大应力属一次应力加上二次应力69(三)管板计算 固定管板换热器危险工况的组合:在进行管板应力校核应力校核:校核条件校核条件无温差无温差(只有只有p)有温差有温差(p、t)管板应力管板应力壳体轴向应力壳体轴向应力管子轴向应力管子轴向应力拉脱力拉脱力70应力校核:校核条件无温差(只有p)有温差(p、t)管板应管板延长部分兼做法兰管板延长部分兼做法兰,校核壳体法兰应力校核壳体法兰应力:换热管与管板连接的许用拉脱力换热管与管板连接的许用拉脱力:换热管与管板管与管板连接接结构形式构形式q胀接接钢管管管端不卷管端不卷边，管孔不开槽，管孔不开槽2管端卷管端卷边或管孔开槽或管孔开槽4有色金属管有色金属管管孔开槽管孔开槽3焊接接(钢管，有色金属管管，有色金属管)0.5tt单位单位:MPa71管板延长部分兼做法兰,校核壳体法兰应力:换热管与管板连接的应力的应力的调整措施调整措施:a.若管板应力不满足若管板应力不满足b.若壳体轴向应力不满足若壳体轴向应力不满足c.若管子轴向应力不满足若管子轴向应力不满足d.若拉脱力不满足若拉脱力不满足72应力的调整措施:a.若管板应力不满足b.若壳体轴向应力不满足 浮头式、填料函式换热器浮头式、填料函式换热器应力校核：应力校核：换热管轴向应力应按下列三种工况分别计算和校核：换热管轴向应力应按下列三种工况分别计算和校核：(1)只有只有ps，而，而pt=0 (2)只有只有pt，而，而ps=0 (3)ps、pt同时作用同时作用73 浮头式、填料函式换热器应力校核：换热管轴向应力应按下列三 U形管式换热器形管式换热器应力校核：应力校核：一般情况下，按下列三种工况分别计算和校核：一般情况下，按下列三种工况分别计算和校核：(1)只有只有ps，而，而pt=0 (2)只有只有pt，而，而ps=0 (3)ps、pt同时作用同时作用74 U形管式换热器应力校核：一般情况下，按下列三种工况分别计 薄管板设计：薄管板设计：查表查表6-3表表6-3 薄管板的厚度薄管板的厚度公称公称直径直径300400500600700800900120014001800管板管板厚度厚度81012141675 薄管板设计：查表6-3表6-3 薄管板的厚度公称300 管板设计计算软件：管板设计计算软件：SW6：内压内压M01，外压，外压M02，开孔补强，开孔补强M03，法兰法兰M04，静密封，静密封M05，固定式管板，固定式管板M06，浮头、填料、浮头、填料、U型管板型管板M07，U型膨胀节型膨胀节M08，局部应力局部应力M09，异型容器，异型容器M10.76 管板设计计算软件：SW6：内压M01，外压M02，开孔四、膨胀节设计四、膨胀节设计 作用作用:降低降低t(但不能消除但不能消除)/防震，消震防震，消震 起补偿轴向变形的作用起补偿轴向变形的作用 特点特点:轴向挠性轴向挠性，较小的轴向力，较小的轴向力产生较大变形。产生较大变形。S膨膨柔度柔度，补偿能力，补偿能力。形式形式:平板形平板形用于用于D，t的常压或真空设备，的常压或真空设备，制造简单，但挠性差。制造简单，但挠性差。形形用于用于D，p的设备，在焊接处易产生的设备，在焊接处易产生 较大应力，且焊缝不易焊透。较大应力，且焊缝不易焊透。U 形形最常用，图最常用，图6-29，结构简单，使用可靠，结构简单，使用可靠，制造方便。制造方便。77四、膨胀节设计 作用:降低t(但不能消除)/防过程设备设计过程设备设计图图6-29 U6-29 U形膨胀节形膨胀节78过程设备设计图6-29 U形膨胀节78 结构结构:a.可单波可单波,多波多波(补偿量补偿量)/可单层板可单层板,多层板多层板(补偿量补偿量);b.可整体成型，也可由两个半波拚焊而成可整体成型，也可由两个半波拚焊而成;c.内衬筒：使壳程流体阻力内衬筒：使壳程流体阻力/避免流体走旁路避免流体走旁路 减少对膨胀节的磨损减少对膨胀节的磨损;d.最低点有排液孔最低点有排液孔(对卧式对卧式)膨胀节设置膨胀节设置内衬筒内衬筒时应注意：时应注意：a.衬筒厚度不小于衬筒厚度不小于2mm,且不大于膨胀节的厚度且不大于膨胀节的厚度;长度一般应超过膨胀节波长长度一般应超过膨胀节波长b.衬筒在迎着流体流动方向一端与圆筒焊接衬筒在迎着流体流动方向一端与圆筒焊接c.在结构设计和制造时，应考虑衬筒对管束组装的影响在结构设计和制造时，应考虑衬筒对管束组装的影响79 结构:a.可单波,多波(补偿量)/可单层板,流体流动方向流体流动方向80流体流动方向80目前，有许多计算膨胀节近似方法目前，有许多计算膨胀节近似方法 计算方法计算方法:共同点共同点:以材料力学方法对膨胀节进行简化以材料力学方法对膨胀节进行简化 梁梁/曲杆曲杆/环板环板 81目前，有许多计算膨胀节近似方法 计算方法:共同点:以材料我国我国:以前以前(77年前年前)采用苏联采用苏联维赫曼法，维赫曼法，此法不完善，现在不用此法不完善，现在不用 现在现在采用美国采用美国EJMA标准标准(美膨胀节制造者协会美膨胀节制造者协会)全称全称:Expansion Joint Manufactures Association 设计计算内容设计计算内容:判断是否设膨胀节判断是否设膨胀节 选择计算公式选择计算公式强度计算强度计算 应力评定应力评定强、疲校核强、疲校核 参见参见GB16749压力容器波形膨胀节压力容器波形膨胀节在进行膨胀节计算过程中，不可避免需调整膨几何尺寸，在进行膨胀节计算过程中，不可避免需调整膨几何尺寸，可按下述原则处理：可按下述原则处理：t，ph，pt，ph，pm(层数层数),n(波数波数)弹性弹性,强度强度 (有利于应力状况的改善有利于应力状况的改善)82我国:以前(77年前)采用苏联维赫曼法，设计计五、管束震动和防止五、管束震动和防止问题问题:1.当壳程流体横向流过管束时，在哪些部位易引起振动？当壳程流体横向流过管束时，在哪些部位易引起振动？2.管子振动可能导致哪些后果？管子振动可能导致哪些后果？3.换热器流体诱导振动主要指什么方向诱导振动？换热器流体诱导振动主要指什么方向诱导振动？4.横向流诱发振动的主要原因？横向流诱发振动的主要原因？5.在什么情况下，可不考虑声振动？在什么情况下，可不考虑声振动？6.防振措施有哪些？防振措施有哪些？注意注意:振动不一定损坏。只有振幅振动不一定损坏。只有振幅，引起管子撞击或疲劳，引起管子撞击或疲劳，导致管子失效导致管子失效损坏损坏83五、管束震动和防止问题:1.当壳程流体横向流过管束时，在哪六、设计方法六、设计方法设计步骤设计步骤:如图如图6-30 设计原则设计原则:在满足工艺过程要求的前提下在满足工艺过程要求的前提下,换热器应达到换热器应达到 安全与经济的目标。安全与经济的目标。84六、设计方法设计步骤:如图6-30 设计原则:在满足工艺