化工设备机械基础(第七章)20101212

1、1第三篇典型化工设备的机械设计第三篇典型化工设备的机械设计换热器换热器搅拌设备搅拌设备塔设备塔设备2教学重点教学重点（1）典型管壳式换热器的选型）典型管壳式换热器的选型（2）固定管板式换热器的基本结构）固定管板式换热器的基本结构（3）管子的选用及管板的连接）管子的选用及管板的连接（4）温差应力产生的原因及补偿措施）温差应力产生的原因及补偿措施教学难点：教学难点： 管、壳程的分程及隔板管、壳程的分程及隔板第第7章章 管壳式换热器的机械设计管壳式换热器的机械设计 37.1 概述概述 一、定义一、定义 换热器是用来完成各种不同传热过程的设备。换热器是用来完成各种不同传热过程的设备。 3.3.可靠性可

2、靠性满足操作条件满足操作条件 ,强度足够强度足够,保证使用保证使用寿命寿命二、衡量标准二、衡量标准 2.合理性合理性 1.1.先进性先进性 可制造加工，成本可接受可制造加工，成本可接受 传热效率高，流体阻力小，材料省传热效率高，流体阻力小，材料省 4相关概念5三、不同目的的换热器三、不同目的的换热器 冷却器（冷却器（cooler）冷凝器（冷凝器（condenser）蒸发器（发生相变）（蒸发器（发生相变）（evaporator）加热器（一般不发生相变）（加热器（一般不发生相变）（heater）再沸器（再沸器（reboiler） 废热锅炉（废热锅炉（waste heat boiler） 6四、换热

3、器的基本类型四、换热器的基本类型按传热方式或工作原理分类按传热方式或工作原理分类1、直接接触式、直接接触式传热效果好，但不能传热效果好，但不能用于发生反应或有影用于发生反应或有影响的流体之间响的流体之间图图7-1 直接接触式换热器直接接触式换热器热流体热流体冷流体冷流体热流体热流体冷流体冷流体72、蓄热式、蓄热式温度较高的场温度较高的场合，但有交叉合，但有交叉污染，温度波污染，温度波动大动大图图7-2蓄热式换热器蓄热式换热器冷流体冷流体冷流体冷流体热流体热流体热流体热流体83、间壁式、间壁式又称表面式换热器又称表面式换热器 利用间壁（固体壁面）进行热交换。利用间壁（固体壁面）进行热交换。冷热两

4、种流体隔开，互不接触，热量冷热两种流体隔开，互不接触，热量由热流体通过间壁传递给冷流体。由热流体通过间壁传递给冷流体。应用最为广泛，形式多种多样，应用最为广泛，形式多种多样，如管壳式换热器、板式换热器等如管壳式换热器、板式换热器等9对于间壁式换热器，按间壁形状进一步分为对于间壁式换热器，按间壁形状进一步分为(3)管壳式管壳式(1)管式管式(2)紧凑式紧凑式螺旋板式、螺旋板式、板式板式、板、板翅、伞板等翅、伞板等排管、蛇管排管、蛇管、套管套管重点重点10 板式换热器是由一系列具有一定波纹形状的金属板式换热器是由一系列具有一定波纹形状的金属片叠装而成的一种新型高效换热器。各种板片之片叠装而成的一种

5、新型高效换热器。各种板片之间形成薄矩形通道，通过半片进行热量交换。间形成薄矩形通道，通过半片进行热量交换。 板式换热器是液板式换热器是液液、液液、液汽进行热交换的理想汽进行热交换的理想设备。设备。 它具有换热效率高、热损失小、结构紧凑轻巧、它具有换热效率高、热损失小、结构紧凑轻巧、占占 地面积小、安装清洗方便、应用广泛、使用寿地面积小、安装清洗方便、应用广泛、使用寿命长等特点。命长等特点。 在相同压力损失情况下，其传热系数比管式换在相同压力损失情况下，其传热系数比管式换 热热器高器高3-5倍，占地面积为管式换热器的三分之一，倍，占地面积为管式换热器的三分之一，热回收率可高达热回收率可高达90%

6、以上。以上。11121314新型换热器新型换热器15管壳式换热器管壳式换热器 1617图图7-3换热器构件名称换热器构件名称1-1-管箱管箱(A,B,C,D(A,B,C,D型型);2-);2-接管法兰接管法兰;3-;3-设备法兰设备法兰;4-;4-管板管板;5-;5-壳程接管壳程接管;6-;6-拉杆拉杆;7-;7-膨膨胀节胀节;8-;8-壳体壳体;9-;9-换热管换热管;10-;10-排气管排气管;11-;11-吊耳吊耳;12-;12-封头封头;13-;13-顶丝顶丝;14-;14-双头螺双头螺柱柱;15-;15-螺母螺母;16-;16-垫片垫片;17-;17-防冲板防冲板;18-;18-折流

7、板或支承板折流板或支承板;19-;19-定距管定距管;20-;20-拉杆螺拉杆螺母母;21-;21-支座支座;22-;22-排液管排液管;23-;23-管箱壳体管箱壳体;24-;24-管程接管管程接管;25-;25-分程隔板分程隔板;26-;26-管箱盖管箱盖18列管式换热器 列管式换热器是目前化工生产上应用最广的一种换热器。它主要由壳体、管板、换热管、封头、折流挡板等组成。所需材质 ，可分别采用普通碳钢、紫铜、或不锈钢制作。 在进行换热时，一种流体由封头的连结管处进入，在管流动，从封头另一端的出口管流出，这称之管程；另-种流体由壳体的接管进入，从壳体上的另一接管处流出，这称为壳程 19固定管

8、板式固定管板式换热器换热器浮头式浮头式换热器换热器U形管式换热器形管式换热器填料函式填料函式换热器换热器五、管壳式换热器的分类五、管壳式换热器的分类 基本类型基本类型20（一（一）固定管板式固定管板式换热器换热器优点：优点：结构简单、紧凑、能承受较高的压力，造价低，管结构简单、紧凑、能承受较高的压力，造价低，管程清洗方便，管子损坏时易于堵管或更换。程清洗方便，管子损坏时易于堵管或更换。缺点：缺点：不易清洗壳程，壳体和管束中可能产生较大的不易清洗壳程，壳体和管束中可能产生较大的热应力。热应力。图图7-4固定管板式换热器固定管板式换热器动画动画221为减少热应力，通常在固定管板式换热器中设置柔性元

9、为减少热应力，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。图图7-3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图7-2 固定管板式换热器图7-3 带补偿器的固定管板式换热器适用场合：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。22（二）浮头式（二）浮头式换热器换热器优点：优点： 管内和管间清洗方便，不会产生热应力。管内和管间清洗方便，不会产生热应力。缺点：缺点： 结构复杂

10、，设备笨重，造价高，浮头端小盖在结构复杂，设备笨重，造价高，浮头端小盖在 操作中无法检查。操作中无法检查。适用场合：适用场合：壳体和管束之间壁温相差较大，或介质易壳体和管束之间壁温相差较大，或介质易 结垢的场合。结垢的场合。图图7-4浮头式换热器浮头式换热器图7-4 浮头式换热器fts1.rm23（三）（三）U形管式换热器形管式换热器图图7-6U型管式换热器型管式换热器优点：优点：结构简单，价格便宜，承受能力强，不会产生热应力。结构简单，价格便宜，承受能力强，不会产生热应力。缺点：缺点：布管少，管板利用率低，管子坏时不易更换。布管少，管板利用率低，管子坏时不易更换。适用场合：适用场合：特别适用

11、于管内走清洁而不易结垢的高温、高压、腐蚀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。性大的物料。图7-6 U形管式换热器24（四）填料函式（四）填料函式换热器换热器优点：优点：结构简单，加工制造方便，造价低，管内和管间清洗方便。结构简单，加工制造方便，造价低，管内和管间清洗方便。 缺点：缺点：填料处易泄漏。填料处易泄漏。 适用场合：适用场合： 4MPa 4MPa 以下，且不适用于易挥发、易燃、易爆、有毒及以下，且不适用于易挥发、易燃、易爆、有毒及 贵重介质，使用温度受填料的物性限制。贵重介质，使用温度受填料的物性限制。填料函式密封填料函式密封图图7-5填料函式换热器填料函式换

12、热器257.2 管子的选用及其与管板的连接管子的选用及其与管板的连接一、管子的选用一、管子的选用 （一（一）直径直径 粘性大或污浊的流体粘性大或污浊的流体大管径大管径单位体积传热面积增大、单位体积传热面积增大、结构紧凑、结构紧凑、金属耗量减少、传热系数提高金属耗量减少、传热系数提高阻力大，不便清洗，易结垢堵塞阻力大，不便清洗，易结垢堵塞用于较清洁的流体用于较清洁的流体小管径小管径26（二（二）规格规格 （外径壁厚），长度按规定决定（外径壁厚），长度按规定决定 换热管尺寸换热管尺寸192、252.5和和382.5mm无缝钢管无缝钢管252和和382.5mm不锈钢管不锈钢管标准管长标准管长1.5、

13、2.0、3.0、4.5、6.0、9.0m等等 换热器的换热管长度与公称直径之比，一般在换热器的换热管长度与公称直径之比，一般在4 42525之间，常用的为之间，常用的为6 61010。立式换热器，其比值多为。立式换热器，其比值多为4 46 6。27（三（三）结构型式结构型式 换热管型式换热管型式光管光管强化传热管强化传热管螺旋槽管螺旋槽管螺纹管螺纹管翅片管（在给热系数低侧）翅片管（在给热系数低侧） 多用光管，因为结构简单，制造容易，多用光管，因为结构简单，制造容易，为强化传热，也采用强化传热管。为强化传热，也采用强化传热管。28图图7-10 几种异形管几种异形管（a）扁平管）扁平管 （b）椭圆

14、管）椭圆管 （c）凹槽扁平管（）凹槽扁平管（d）波纹管）波纹管29图图7-8 纵向翅片管纵向翅片管（a）焊接外翅片管）焊接外翅片管 （b）整体式外翅片管）整体式外翅片管 （c）镶嵌式外翅片管）镶嵌式外翅片管 （d）整体式内外翅片管）整体式内外翅片管30（四（四）材料材料由压力、温度、介质的腐蚀性能决定。主要有碳素由压力、温度、介质的腐蚀性能决定。主要有碳素钢、合金钢、铜、钛、塑料、石墨等。钢、合金钢、铜、钛、塑料、石墨等。金属材料金属材料碳素钢碳素钢低合金钢低合金钢不锈钢不锈钢铜铜铜镍合金铜镍合金铝合金铝合金钛等钛等非金属材料非金属材料石墨石墨陶瓷陶瓷聚四氟乙烯等聚四氟乙烯等31二、管子与管板

15、的连接二、管子与管板的连接 （一（一）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。 图图7-11 胀管前后示意图胀管前后示意图（a）胀管前）胀管前（b）胀管后）胀管后32适用范围：适用范围：换热管为碳素钢，管板为碳素钢或低换热管为碳素钢，管板为碳素钢或低合金钢，设计压力合金钢，设计压力4MPa，设计温度设计温度300，且

16、，且无特殊要求的场合。无特殊要求的场合。原因：原因：温度升高，残余应力减小，使管子与管板温度升高，残余应力减小，使管子与管板间的胀接密封性能、紧固性能都下降，故设计温间的胀接密封性能、紧固性能都下降，故设计温度度300 。要求管板硬度大于管子硬度，否则将管端退火要求管板硬度大于管子硬度，否则将管端退火后再胀接。后再胀接。胀接时管板上的孔可以是光孔，也可开槽胀接时管板上的孔可以是光孔，也可开槽(开槽开槽可以增加连接强度和紧密性可以增加连接强度和紧密性)。3334（二（二）焊接焊接 优点：优点：在高温高压条件下，在高温高压条件下，焊接连接能保持连接的紧密焊接连接能保持连接的紧密性，管板加工要求可降

17、低，性，管板加工要求可降低，节省孔的加工工时，工艺较节省孔的加工工时，工艺较胀接简单，压力较低时可使胀接简单，压力较低时可使用较薄的管板。用较薄的管板。缺点：缺点：在焊接接头处产生的在焊接接头处产生的热应力可能造成应力腐蚀开热应力可能造成应力腐蚀开裂和疲劳破裂，同时管子、裂和疲劳破裂，同时管子、管板间存在间隙，易出现间管板间存在间隙，易出现间隙腐蚀。隙腐蚀。 图图7-16 焊接间隙示意图焊接间隙示意图35管与管板焊接形式管与管板焊接形式：36（三（三）胀焊并用胀焊并用胀焊并用连接主要有：胀焊并用连接主要有：强度焊贴胀强度焊贴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：概

18、念解释： 密封焊密封焊不保证强度，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； 贴胀贴胀只消除间隙，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。目前，先焊后胀与先胀后焊两派学说仍处于争议之中。目前，先焊后胀与先胀后焊两派学说仍处于争议之中。 377.3 管板结构管板结构一、换热管排列方式一、换热管排列方式 三角形排列紧凑，传热效果好，同一板上管子比正方形多三角形排列紧凑，传热效果好，同一板上管子比正方形多排排10%10%左右，同一体积传热面积更大。适用于壳程介质污左右，同一体积传

19、热面积更大。适用于壳程介质污垢少，且不需要进行机械清洗的场合。垢少，且不需要进行机械清洗的场合。 （一（一）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 图图7-15 正三角形排列的管子正三角形排列的管子流体流动方向流体流动方向流体流动方向流体流动方向正三角形排列正三角形排列转角正三角形排列转角正三角形排列38（二（二）正方形和转角正方形排列正方形和转角正方形排列 管间小桥形成一条直线通道，便于机械清洗。要经常管间小桥形成一条直线通道，便于机械清洗。要经常清洗管子外表面上的污垢时，多用正方形排列。清洗管子外表面上的污垢时，多用正方形排列。 图图7-16 正方形排列的管子正方形排列的管子

20、流体流动方向流体流动方向流体流动方向流体流动方向转角正方形排列转角正方形排列正方形排列正方形排列39（三（三）组合排列法组合排列法 在多程换热器中多采在多程换热器中多采用组合排列方法。即用组合排列方法。即每一程中都采用三角每一程中都采用三角形排列法，而在各程形排列法，而在各程之间，为了便于安装之间，为了便于安装隔板，则采用正方形隔板，则采用正方形排列法，如图排列法，如图720。图图7-17 组合排列法组合排列法40二、管间距二、管间距 （一（一）定义定义（二（二）要求要求 管间距指两相邻换热管中心的距离。管间距指两相邻换热管中心的距离。 管间距管间距1.25d0，符合表符合表7-5规定，便于管

21、子规定，便于管子与管板间的连接，因为对于胀接或焊接来与管板间的连接，因为对于胀接或焊接来讲，管子间距离太近，那么都会影响连接讲，管子间距离太近，那么都会影响连接质量。最外层管壁与壳壁之间的距离为质量。最外层管壁与壳壁之间的距离为10mm，主要是为折流板易于加工，不易损主要是为折流板易于加工，不易损坏。坏。41表表7-5 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1619253240485772 最外层换热管中心至壳体内表面的距离不应小于最外层换热管中心至壳体内表面的距离不应小于(换换热管外径的一半热管外径的一半)10m

22、m。42三、管程的分程及管板与隔板的连接三、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，而管子做得太长当换热器所需的换热面积较大，而管子做得太长时，就得增大壳体直径，排列较多的管子。此时，为时，就得增大壳体直径，排列较多的管子。此时，为了增加管程流速，提高传热效果，须将管束分程，使了增加管程流速，提高传热效果，须将管束分程，使流体依次流过各程管子。流体依次流过各程管子。 （一（一）分程原因分程原因 43管箱分程管箱分程：分程举例：分程举例： 2程程 管管内内流动的液体从管子的一端流到另一端，称流动的液体从管子的一端流到另一端，称为为一个管程一个管程。444程程45（二（二）分程原

23、则分程原则 （三（三）分程隔板分程隔板 图图7-21 双层隔板与管板的密封双层隔板与管板的密封 各程换热管数应大致相等；各程换热管数应大致相等； 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； 各程间的密封长度应最短；各程间的密封长度应最短； 分程隔板的形状应简单。分程隔板的形状应简单。图图7-22 单层隔板与管板的密封单层隔板与管板的密封图7-20 双层隔板与管板的密封隔板图7-19单层隔板与管板的密封s+2管板s封头隔板管板隔板隔板管板管板封头封头隔板隔板管板管板46（四（四）分程方式分程方式 表表72管程布置表管程布置表图序管箱隔板介质返回侧隔板管程数流动顺序2146

24、12123414231432213546146325bacdefg47五、管板与壳体的连接结构五、管板与壳体的连接结构 （一（一）不可拆的焊接式不可拆的焊接式 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兼做法兰兼做法兰不兼做法兰不兼做法兰48兼作法兰情况：兼作法兰情况：49（二（二）可拆式可拆式 浮头式、浮头式、U型管式及填型管式及填料函式换热器固定端管料函式换热器固定端管板与壳体的连接板与壳体的连接图图7-25 管板与壳体可拆连接管板与壳体可拆连接50作用：作用：1、提高壳程流体流速，改变流动方向、提高壳程流体流速，改变流动方向提高提高传热效率。传热效率。 2、支撑换热

25、管。、支撑换热管。形式：形式：a.弓形弓形；b.圆盘圆盘-圆环形圆环形；c.扇形。扇形。填空填空7.4 其它附件的作用与结构其它附件的作用与结构一、折流板及支撑板一、折流板及支撑板5152 壳体与管束之间存在有较大间隙时，为避免流体走短路，沿纵向设置板条，迫使流体穿过管束。二、旁路挡板二、旁路挡板53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。三、拦液板三、拦液板54一、温差应力的产生：一、温差应力的产生：LttLttsSSottt)()(0sSstttAEFLAEFL7.5 温差应力温差应力55ssttSSttssttAF AFAEAEttttF壳壁内温差应力：管壁内温差应力

26、温差轴向力:11)()( 0056二、二、 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。1.介质压力和温差力对管板的作用：假设 管壁温度壳壁温度572.拉脱力的计算计算的目的计算的目的：保证胀接接头的牢固连接和良好的密封性。拉脱力定义拉脱力定义：管子每平方米胀接周边上所受的力，单位为帕。引起拉脱力的因素为：操作压力和温引起拉脱力的因素为：操作压力和温差力。差力。（1）操作压力引起的拉脱力）操作压力引起的拉脱力qp:介质压力作用的面积 f 如图示58介质压力介质压力p，取管程压力和壳程压力两者中的较大者。取管程压力和壳程压力两者中的较大者。管子外径为管子外径为d0 ；管子胀接长度为管

27、子胀接长度为l。则拉脱力为：则拉脱力为：ldpfqp0（2）温差力引起的拉脱力温差力引起的拉脱力 qt ：每根管承受温差力为每根管承受温差力为 tat 。则拉脱力为：则拉脱力为：ldddldaqitttt022004)(（3）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。59（4）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： qq管端不卷边，管板孔不开槽 取2.0MPa。管端卷边或管板孔开槽 取4.0MPa 。 许用拉脱力q的确定：60例例7-1 有一台固定管板式换热

28、器有一台固定管板式换热器,已知条件如下已知条件如下,求管子的拉求管子的拉脱力。脱力。管子壳体操作压力(MPa)1.60.6操作温度(oC)200100材料10Q235-B线膨胀系数(1/ oC)11.810611.8106弹性模量(MPa)0.211060.21106许用应力(MPa)111124.6尺寸(mm)252.515008006=内径壁厚管子数(根)501排列方式正三角形管间距(mm)a32管子与管板的连接结构开槽胀接胀接长度(mm)l29许用拉脱力(MPa)4.061解：在操作压力下，每平方米胀接周边产生的力qp: 其中： ldpfqp224866.0daf2225432866.0)(3962mm)(28. 014. 329253966 . 1apMPq62ldddldaqitttt4)(22501806636.3其中其中: 在温差应力作用下，管子每平方米胀接