第十二章管壳式换热器

1、1第三篇典型的化工设备第三篇典型的化工设备第十二章第十二章 管壳式换热器管壳式换热器2 一一 概述概述 二二 换热管的选用及其与管板的连接换热管的选用及其与管板的连接 三三 换热管排列形式换热管排列形式 四四 其它附件的作用与结构其它附件的作用与结构 五五 温差应力温差应力3 直接影响产品质量、生产效率和经营直接影响产品质量、生产效率和经营成本成本 化工装置投资的化工装置投资的11%11%，石油炼厂设备投资的，石油炼厂设备投资的 40%40%。应用广泛应用广泛适用于多种目的：适用于多种目的： 热交换，加热，冷却，冷凝，蒸发热交换，加热，冷却，冷凝，蒸发衡量标准：衡量标准：传热效率，流体阻力，强

2、度，结传热效率，流体阻力，强度，结构可靠度，耗材量，成本，制造，安装，检构可靠度，耗材量，成本，制造，安装，检修修结构品种多，各有利弊结构品种多，各有利弊一一 概述概述4接管法兰管箱容器法兰排气管膨胀节管板拉杆定距管折流板换热管壳程接管支座排污口管程接管 1.管壳式换热器的结构：管壳式换热器的结构：5（1 1）固定管板换热器）固定管板换热器 两端管板与壳体焊接在一起。两端管板与壳体焊接在一起。优点：优点： 结构简单；造价低结构简单；造价低 缺点：壳程难清洗；存在有温差应力缺点：壳程难清洗；存在有温差应力 介质须较清洁，不易结垢；介质须较清洁，不易结垢；管程与壳程温差不大；管程与壳程温差不大；壳

3、程压力不高。壳程压力不高。2 管壳式换热器的分类管壳式换热器的分类接管法兰管箱容器法兰排气管膨胀节管板拉杆定距管折流板换热管壳程接管支座排污口管程接管6特特点点1.1.换热器两端的管板，一个固定，一个浮动换热器两端的管板，一个固定，一个浮动2.2.管束与壳体间隙较大管束与壳体间隙较大消除了热应力消除了热应力3.3.管束可以抽出，清洗；管束可以抽出，清洗；4.4.结构复杂，浮头内漏不便检查结构复杂，浮头内漏不便检查 （2）浮头式换热器）浮头式换热器71.1.只有一个管板，结构简单；只有一个管板，结构简单；2.2.管子可以抽出，管间易清洗；管子可以抽出，管间易清洗；3.3.管子可以自由膨胀；管子可

4、以自由膨胀；4.4.管内不便清洗，不易更换；管内不便清洗，不易更换；5.5.结构不紧凑。结构不紧凑。( (管壳温差大，介质清洁管壳温差大，介质清洁）（3）U型管式换热器型管式换热器 特特点点81.1.一端可自由伸缩一端可自由伸缩 不产生热应力；不产生热应力；2.2.管束可以抽出，管内外均易清洗；管束可以抽出，管内外均易清洗；3.3.填料将壳程介质与外界隔开，易外漏，填料将壳程介质与外界隔开，易外漏， 介质受限制；介质受限制；（4）填料函式换热器）填料函式换热器 特特点点91.1.壳体直径及壁厚；壳体直径及壁厚； 2.2.封头法兰、管件及补强；封头法兰、管件及补强；3.3.管板结构及强度；管板结

5、构及强度； 4.4.细部连接结构；细部连接结构；5.5.附件结构；附件结构； 6.6.管子拉脱力验算；管子拉脱力验算；7.7.壳体热应力校核；壳体热应力校核； 8.8.支座设计。支座设计。3.3.管壳式换热器机械设计内容管壳式换热器机械设计内容接管法兰管箱容器法兰排气管膨胀节管板拉杆定距管折流板换热管壳程接管支座排污口管程接管10二二 换热管的选用及其与管板的连接换热管的选用及其与管板的连接1 1 换热管选用换热管选用 常用管子形式：常用管子形式：11常用管子材质：常用管子材质：碳钢（碳钢（1010，2020），低合金钢），低合金钢（16Mn,15MnV),16Mn,15MnV),合金钢（合金

6、钢（1Cr18Ni9),1Cr18Ni9),铜，钛，铜，钛，铝，塑料，石墨等。铝，塑料，石墨等。管子选用，要注意管子选用，要注意 单位传热面积的金属耗量单位传热面积的金属耗量; ; 传热效果传热效果; ; 结构紧凑结构紧凑; ; 清洗及结垢等等因素。清洗及结垢等等因素。12 2 管子与管板的连接：管子与管板的连接：（1 1） 胀接胀接13胀管结束后：胀管结束后：管板孔边缘弹性回复，管板孔边缘弹性回复，挤压管端并贴紧。挤压管端并贴紧。胀管过程发生：胀管过程发生：管子端部管子端部塑性变形；塑性变形；管板孔边缘管板孔边缘弹性变形弹性变形14优点：优点：工艺简单方便；工艺简单方便； 消除间隙消除间隙避

7、免间隙腐蚀。避免间隙腐蚀。缺点：缺点：温度升高时，管端会发生松弛温度升高时，管端会发生松弛 泄漏。泄漏。适用条件：适用条件：p4.0MPa , t300p4.0MPa , t300。 注意：管端硬度管板硬度。注意：管端硬度管板硬度。15 保证紧密性的方法：保证紧密性的方法：胀接周边保证清洁胀接周边保证清洁管子硬度低于管板孔周边硬管子硬度低于管板孔周边硬度度保证管端硬度较低并且低于保证管端硬度较低并且低于管板硬度的方法：管板硬度的方法：管端退火处理管端退火处理选材考虑选材考虑16（2）焊接）焊接优点：优点：高温高压下能保证连接的高温高压下能保证连接的紧密性；紧密性；管板孔加工精度要求不管板孔加工

8、精度要求不高，低于胀接；高，低于胀接；焊接工艺简单；焊接工艺简单； 缺点：缺点：存在焊接热应力存在焊接热应力应力应力腐蚀；腐蚀；管与孔间有间隙管与孔间有间隙形成形成介质死区，介质死区，间隙腐蚀间隙腐蚀。17管与管板焊接形式管与管板焊接形式：18（3）胀焊并用）胀焊并用克服了单纯的焊接及胀接的缺点，主要克服了单纯的焊接及胀接的缺点，主要优点是：优点是： 连接紧密，提高抗疲劳能力；连接紧密，提高抗疲劳能力； 消除间隙腐蚀和应力腐蚀；消除间隙腐蚀和应力腐蚀； 提高使用寿命。提高使用寿命。施工方式：先胀后焊；先焊后胀。施工方式：先胀后焊；先焊后胀。 胀接胀接贴胀；强度胀。贴胀；强度胀。 焊接焊接密封焊

9、，强度焊。密封焊，强度焊。根据不同情况具体制定施工工艺。根据不同情况具体制定施工工艺。19三三 换热管排列形式换热管排列形式1 1 排列方式排列方式（1 1）正三角形和转正三角形排列）正三角形和转正三角形排列优点：较高的对流传热系数优点：较高的对流传热系数缺点：不利于清洗缺点：不利于清洗20（2）正方形和转角正方形排列）正方形和转角正方形排列优点：利于清洗优点：利于清洗缺点：较低的对流传热系数缺点：较低的对流传热系数21（3）组合排列）组合排列22 2 管间距（换热管中心距）管间距（换热管中心距） 管间距管间距：相邻两根换热管的中心距。：相邻两根换热管的中心距。 要考虑到：要考虑到：管板强度；

10、管板强度；清洗空间；清洗空间；管子在管板上的固定方法等管子在管板上的固定方法等中心距中心距1.251.25倍管子外径。倍管子外径。23 3 管板设计方法简介管板设计方法简介 （1 1）管板当作受均布载荷的实心圆平板，）管板当作受均布载荷的实心圆平板， 按弹性理论求解弯曲应力；按弹性理论求解弯曲应力；（2 2）管束作为弹性基础，计算各种载荷作）管束作为弹性基础，计算各种载荷作 用下的弯曲应力；用下的弯曲应力；（3 3）取相邻四个管板孔间的）取相邻四个管板孔间的菱形菱形，按弹性，按弹性 理论，计算均布载荷下的最大弯曲应理论，计算均布载荷下的最大弯曲应 力。力。24 4 管程分程及管板与隔板的连接管

11、程分程及管板与隔板的连接（1 1）换热面积较大，要进行分程）换热面积较大，要进行分程 a.a.管子太长，设备长径比过大，浪费材料；管子太长，设备长径比过大，浪费材料； b.b.增加流速，提高传热效果。增加流速，提高传热效果。（2 2）分程要求：）分程要求： a.a.各程管数大致相同；各程管数大致相同； b.b.相邻程管壁温差不大于相邻程管壁温差不大于2828； c.c.隔板形状应简单。隔板形状应简单。（3 3）常用管程数为：）常用管程数为：1 1，2 2，4 4，6 6，8 8，1212。25 分程举例：分程举例：4 4程程2 2程程26（4）分程隔板及其与管板间的密封）分程隔板及其与管板间的

12、密封管箱结构：管箱结构：27四四 其它附件的作用与结构其它附件的作用与结构 1 1 折流板及支撑板折流板及支撑板作用：作用：a.a.提高壳程流体流速，改变流动方向提高壳程流体流速，改变流动方向提高传热效率。提高传热效率。b.b.支撑换热管。支撑换热管。形式：形式：a.a.弓形；弓形；b.b.圆盘圆盘- -圆环形；圆环形；c.c.扇形。扇形。28292 旁路挡板旁路挡板壳体与管束之间壳体与管束之间存在有较大间隙存在有较大间隙时，为避免流体时，为避免流体走短路，沿纵向走短路，沿纵向设置板条，迫使设置板条，迫使流体穿过管束。流体穿过管束。30 3 拦液板拦液板作用：在立式冷凝器中，用来减薄管壁上的液

13、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。膜以提高传热膜系数。31五五 温差应力温差应力 1 1 温差应力的产生：温差应力的产生：LttLttsSSottt)()(0sSstttAEFLAEFL32ssttSSttssttAF AFAEAEttttF壳壁内温差应力：管壁内温差应力温差轴向力:11)()( 0033 2 管子拉脱力的计算管子拉脱力的计算限于管子与管板胀接情况限于管子与管板胀接情况计算的目的：保证胀接接头的牢固连接和良计算的目的：保证胀接接头的牢固连接和良好的密封性。好的密封性。拉脱力定义：管子每平方米胀接周边上所受拉脱力定义：管子每平方米胀接周边上所受的力，单位

14、为帕。的力，单位为帕。34引起拉脱力的因素为：操作压力和温差应力引起拉脱力的因素为：操作压力和温差应力 a a 操作压力引起的拉脱力操作压力引起的拉脱力q qp p: :介质压力作用的面积介质压力作用的面积 f f 如图示如图示35介质压力介质压力p p，取管程压力和壳程压力两者中的较，取管程压力和壳程压力两者中的较大者。管子外径为大者。管子外径为d d0 0 ；管子胀接长度为；管子胀接长度为l l。则拉脱力为：则拉脱力为：ldpfqp036b b 温差力引起的拉脱力温差力引起的拉脱力 q qt t ：每根管承受温差力为每根管承受温差力为 t ta at t 。则拉脱力为：则拉脱力为：37c

15、c 合拉脱力：合拉脱力： 两者使管子受力方向相同两者使管子受力方向相同取之和；取之和； 两者使管子受力方向相反两者使管子受力方向相反取之差。取之差。38d 拉脱力判据：拉脱力判据：计算合拉脱力必须小于许用拉脱力：计算合拉脱力必须小于许用拉脱力： q qqq管端不卷边，管板孔不管端不卷边，管板孔不开槽开槽 取取2.0MPa2.0MPa。管端卷边或管板孔开槽管端卷边或管板孔开槽 取取4.0MPa 4.0MPa 。 许用拉脱力许用拉脱力qq的确定：的确定：39 3 温差应力的补偿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。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

16、性约束，实现或者说，消除壳体与管子间的刚性约束，实现壳体和管子自由伸缩。壳体和管子自由伸缩。补偿方法：补偿方法： （1 1）减小壳体与管束间的温度差）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；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。壳壁温度低于管壁温度时，对壳体进行保温。 40（2 2）采用壳体与管束自由伸缩的结构）采用壳体与管束自由伸缩的结构a a填料函式换热器填料函式换热器4142 b b 浮头式换热器浮头式换热器4344（3）套管式结构）套管式结构如三十万吨合成氨装置中的废热锅炉；如三十万吨合成氨装置中的废热锅炉；（4 4）装设挠性构件）装设挠性构件壳体上安装膨胀节壳体上安装膨胀节45 4 膨胀节结构及设置膨胀节结构及设置装在固定管板式换热装在固定管板式换热器上的挠性元件器上的挠性元件。(1)(1)膨胀节的作用及结构形式：膨胀节的作用及结构形式：作用：对管子与壳体的膨胀作用：对管子与壳体的膨胀变形差进行补偿，以消除或变形差进行补偿，以消除或减小温差应力；减小温差应力；(2)(2)结构形式：结构形式：a a 平板焊接膨胀节；平板焊接膨胀节；b b 波形膨胀节；波形膨胀