换热器的机械设计

1、换热器的机械设计换热器的机械设计 第一节、换热器概论第一节、换热器概论 第二节、换热管、管板与折流板第二节、换热管、管板与折流板 第三节、温差应力第三节、温差应力 第一节、换热器概论第一节、换热器概论 v 在化工厂建设投资中，换热器占着很重要的份额，10%40%； v 换热器可以是热交换器、加热器、蒸发器、冷凝器等； v 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. 1. 换热器结构换热器结构 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

2、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。 1.1 管箱管箱 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 壳体型式壳体型式 1.3 换热器的标记方式换热器的标记方式 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 IBEB4 25 9

3、 200 6 . 1 5 . 2 700 例如：例如： 其中：其中： 两管板由换热管相互支撑，两管板由换热管相互支撑， 管板最薄；管板最薄； 结构简单，造价较低；结构简单，造价较低； 管外清洗困难；管外清洗困难； 管壳间存在温差应力，当管壳间存在温差应力，当 介质温差较大时，必须设介质温差较大时，必须设 置膨胀节；置膨胀节； 适合于壳程介质清洁、不适合于壳程介质清洁、不 易结垢，管程需清洗以及易结垢，管程需清洗以及 温差不大或温差虽大但管温差不大或温差虽大但管 程压力不高的场合。程压力不高的场合。 2. 2. 换热器的分类换热器的分类 2.1 固定管板式换热器固定管板式换热器 一端管板固定，另

4、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 浮头式换热器浮头式换热器 v 管束一端可以自由膨胀，检修、清洗方便； v 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； v 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；

5、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型管式换热器型管式换热器 1)壳体直径的确定和壳体壁厚的计算； 2)换热器封头选择，压力容器法兰选择； 3)管板尺寸的确定； 4)管子拉脱力的计算； 5)折流板的选择与计算； 6)温差应力的计算； 7)接管的选择； 8)接管法兰的选择； 9)开孔补强； 10)换热器支座； 11)附件。 3. 3. 管壳式换热器机械设计的内容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， 7

6、500，9000，12000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、管板与折流板第二节、换热管、管板与折流板 1. 1. 换热管的选用换热管的选用 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. 2. 换热管与管板的连接换热管与管板的

7、连接 2.1 胀接胀接 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性，因为当胀管后管子产生塑性变可以增加连接强度和紧密性，因为当胀管后管子产生塑性变 形，管壁被嵌入小槽中。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 焊接焊接 优点：优点： 缺点：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。 焊接接头

8、的结构焊接接头的结构 2.3 胀焊结合胀焊结合 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. 3. 管板结构管板结构 3.1 换热管排列形式换热管排列形式 优点：在相同的管板面积上可排列较多的换热管；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洗的场合。主要适用于壳程介质污垢少，且不需要进行机械清洗的场合。 3.1.1 正三角形和转角正三角形排列正三角形和转角正三角形排列 优点：便于清洗；优点：便于清洗； 但在相同管板面积上排列但在相同管板面积上排列 管数目最少；管数目最少； 一

9、般用于管束可抽出清洗一般用于管束可抽出清洗 管间的场合。管间的场合。 3.1.2 正方形和转角正方形排列正方形和转角正方形排列 3.1.3 组合排列法组合排列法 3.1.4 正三角形排列时管子的根数正三角形排列时管子的根数 N=3a(a+1)+1 六角形的层数六角形的层数a对角线上的管数对角线上的管数b总根数总根数N 137 2519 3737 4961 51191 613127 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 管间距管间距 管子外径141925323

10、84557 最小管间距18253240485770 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：管束最外层换热管外表面至客体内壁的最短距离 3.3 布管限定圆布管限定圆 3.4 管程的分程管程的分程 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：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

11、，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. 4. 折流板、支承板、旁路挡板折流板、支承板、旁路挡板 4.1 折流板与支承板折流板与支承板 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%，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放置，若气体中含少量液体时，则应

12、在缺口朝上的折流板的最低处 开通液口；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。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。防止流体短路。 4.2 旁路挡板旁路挡板 在立式冷凝器中，为减薄管壁上的液膜而提

13、高传热系数，常常装在立式冷凝器中，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。设拦液板以起到拦液膜的作用。 4.3 拦液板拦液板 4.4 折流杆折流杆 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，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；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，其上下左右均有折方形小格，换热管就在各个小方格之中，其上下左右均有折

14、 流杆固定，可较好地防止换热管的振动。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、温差应力第三节、温差应力 Ltt Ltt sss ttt 0 0 自由伸长量：自由伸长量： 1. 1. 温差应力产生的原因温差应力产生的原因 tt t AE FL ss s AE FL ss s tt t AE FL AE FL sstt tstt AEAE tttt

15、 F 11 )()( 00 t t A F s s A F 其中：其中： 22 4 iot ddnA SDAs 中 v 换热器在使用过程中，承受换热器在使用过程中，承受流体压力和温差应力流体压力和温差应力的联合作用，这两的联合作用，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；离的倾向； v 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； v 产生的地方：换热管与管板的连接处；产生的地方：换热管与管板的连接处； v 试验表明：焊接可以不用考

16、虑拉脱力，而试验表明：焊接可以不用考虑拉脱力，而胀接却要考虑拉脱力胀接却要考虑拉脱力； 2. 2. 管子拉脱力管子拉脱力 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由操作压力所引起的拉脱力qp ld pf q o p v 三角形排列时： 22 4 866. 0 o daf v 正方形排列时： 22 4 o daf 2.2 由温差应力所引起的拉脱力由温差应力所引起的拉脱力qt ld dd ld a q o iot o tt t 4 )( 22 其中：t管子的温差应力，MP

17、a ； at每根管子管壁横截面积，mm2； do换热管外径，mm； di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，即若管子被压缩、壳体被拉伸，即F为正值，二者同向；为正值，二者同向； 若管子被拉伸、壳体被压缩，即若管子被拉伸、壳体被压缩，即F为负值，二者异向。为负值，二者异向。 2.3 总拉脱力总拉脱力q 例题：有一台冷凝器，管束由例题：有一台冷凝器，管束由109根根25*2的的1Cr18Ni9Ti的不锈钢钢的不锈钢

18、钢 管制成，壳体内径为管制成，壳体内径为400mm，由，由20R钢板卷焊制成，壳体厚度为钢板卷焊制成，壳体厚度为 6mm，两管板间距为，两管板间距为1500mm。该冷凝器的操作条件是：被冷凝的。该冷凝器的操作条件是：被冷凝的 蒸汽走管内，压力为蒸汽走管内，压力为720mmHg，冷凝温度为，冷凝温度为118，管间是冷却水，管间是冷却水， 压力为压力为0.2MPa，冷却水入口温度为，冷却水入口温度为28，出口为，出口为35，若壳体壁温，若壳体壁温 取取30 ，试计算温差应力。，试计算温差应力。 解：已知条件： ts=30 tt=100 to=20 /110*13 6 s /110*1 .16 6

19、t MPaEs 5 10*1 . 2MPaEt 5 10*96. 1 2 76506406mmDSAs 22222 158002125 4 109 4 mmddnA iot N AEAE tttt F sstt tstt 1224900 7650101 . 2 1 158001096. 1 1 )2030(1013)20100(101 .16 11 )()( 55 66 00 MPa A F s s 160 7650 1224900 MPa A F t t 5 .77 15800 1224900 查表壳体材料查表壳体材料20R的许用应力为的许用应力为133MPa，而现在壳体温差应力为，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？，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：增加壳体壁厚可能的方法：增加