典型化工设备设计-换热器结构

压力容器的常规设计方法内压、外压（中、低压）几类常用化工设备换热设备、塔设备、搅拌设备第三篇典型化工设备的机械设计换热器搅拌设备塔设备教学重点（1）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（3）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教学难点：管、壳程的分程及隔板第七章管壳式换热器的机械设计

第一节换热器概述一、定义

换热器是用来完成各种不同传热过程的设备。

1、如：开水锅炉、水杯、冰箱、空调等。2、是许多工业部门广泛应用的通用工艺设备。通常，在化工厂的建设中，换热器约占总投资的11％～40％。那么衡量一台换热器好坏的标准是什么呢？3.可靠性满足操作条件,强度足够,保证使用寿命二、衡量标准2.合理性1.先进性可制造加工，成本可接受传热效率高，流体阻力小，材料省

三、不同目的的换热器

冷却器（cooler）冷凝器（condenser）蒸发器（发生相变）（evaporator）加热器（一般不发生相变）（heater）再沸器（reboiler）废热锅炉（wasteheatboiler）四、、换换热热器器的的基基本本类类型型按传传热热方方式式或或工工作作原原理理分分类类1、直直接接接接触触式式传热热效效果果好好，，但但不不能能用用于于发发生生反反应应或或有有影影响响的的流流体体之之间间直接接接接触触式式换换热热器器热流体冷流体热流体冷流体2、蓄蓄热热式式温度度较较高高的的场场合合，，但但有有交交叉叉污污染染，，温温度度波波动动大大蓄热热式式换换热热器器冷流体冷流体热流体热流体3、间壁式重点———又称称表表面面式式换换热热器器利用用间间壁壁（（固固体体壁壁面面））进进行行热热交交换换。。冷热热两两种种流流体体隔隔开开，，互互不不接接触触，，热热量量由热热流流体体通通过过间间壁壁传传递递给给冷冷流流体体。。应用用最最为为广广泛泛，，形形式式多多种种多多样样，，如管管壳壳式式换换热热器器、、板板式式换换热热器器等等对于于间间壁壁式式换换热热器器，，按按间间壁壁形形状状进进一一步步分分为为(3)管壳壳式式(1)管式式(2)紧凑凑式式螺旋旋板板式式、、板板式式、、板板翅翅、、伞伞板板等等排管管、、蛇蛇管管、、套套管管重点点下面面我我们们来来看看一一看看管管壳壳式式换换热热器器的的基基本本结结构构管壳壳式式换换热热器器图7-1换热热器器构构件件名名称称1-管箱箱(A,B,C,D型);2-接管管法法兰兰;3-设备备法法兰兰;4-管板板;5-壳程程接接管管;6-拉杆杆;7-膨胀胀节节;8-壳体体;9-换热热管管;10-排气气管管;11-吊耳耳;12-封头头;13-顶丝丝;14-双头头螺螺柱柱;15-螺母母;16-垫片;17-防冲板板;18-折流板板或支支承板板;19-定距管管;20-拉杆螺螺母;21-支座;22-排液管管;23-管箱壳壳体;24-管程接接管;25-分程隔隔板;26-管箱盖盖根据我我们前前面学学习的的内容容，请请同学学们说说说序序号2、3、8、12、21各代表表什么么零件件？管壳式式换热热器的的结构构：固定管管板式式换热热器浮头式式换热热器U形管式式换热热器填料函函式换换热器器五、管管壳式式换热热器的的分类类基本类类型无补偿偿器带补偿偿器（一）固定管管板式式换热热器固定管管板换换热器器——分为带补偿偿器和不带补补偿器器两种。。优点：：结构简简单、、紧凑凑、能能承受受较高高的压压力，，造价价低，，管程程清洗洗方便便，管管子损损坏时时易于于堵管管或更更换。。缺点：：不易清清洗壳壳程，，壳体体和管管束中中可能能产生生较大大的热热应力力。图7-2固定管管板式式换热热器结构三三维图图为减少少热应应力，，通常常在固固定管管板式式换热热器中中设置置柔性性元件件（如如膨胀胀节、、挠性性管板板等）），来来吸收收热膨膨胀差差。图7-3带膨胀胀节的的固定定管板板式换换热器器适用场场合：：适用于于壳程程介质质清洁洁，不不易结结垢，，管程程需清清洗以以及温温差不不大或或温差差虽大大但是是壳程程压力力不大大的场场合。。（二））浮头头式换换热器器优点：：管内和和管间间清洗洗方便便，不不会产产生热热应力力。缺点：：结构复复杂，，设备备笨重重，造造价高高，浮浮头端端小盖盖在操作中中无法法检查查，影影响传传热。。适用场场合：：壳体和和管束束之间间壁温温相差差较大大，或或介质质易结垢的的场合合。图7-4浮头式式换热热器浮头结结构特点：：1.一端可可自由由伸缩缩—不产生生热应应力；；2.管束可可以抽抽出，，管内内外均均易清清洗；；3.填料将将壳程程介质质与外外界隔隔开，，易外外漏，，介质质受限限制；；（三））填料料函式式换热热器优点：：结构简简单，，加工工制造造方便便，造造价低低，管管内和和管间间清洗洗方便便。缺点：：填料处处易泄泄漏。。适用场场合：：4MPa以下，，且不不适用用于易易挥发发、易易燃、、易爆爆、有有毒及及贵重介介质，，使用用温度度受填填料的的物性性限制制。填料函函式密密封填料函函式换换热器器U形管式式换热热器U形管式式换热热器动画U型管式式换热热器的的二维维图特点：：1.只有一一个管管板，，结构构简单单；2.管子可可以抽抽出，，管间间易清清洗；；3.管子可可以自自由膨膨胀；；4.管内不不便清清洗，，不易易更换换；5.结构不不紧凑凑。（四））U形管式式换热热器图7-7U型管式式换热热器优点：：结构简简单，，价格格便宜宜，承承受能能力强强，不不会产产生热热应力力。缺点：：布板少少，管管板利利用率率低，，管子子坏时时不易易更换换。适用场场合：：特别适适用于于管内内走清清洁而而不易易结垢垢的高高温、、高压压、腐腐蚀性大的的物料料。（一）工艺计计算六、管管壳式式换热热器设设计内内容选型；；确定定管、、壳程程；通通过化化工工工艺计计算，，确定定换热热器的的传热热面积积，同同时选选择管管径、、管长长，决决定管管数、、管程程数和和壳程程数。（二）机械设设计1）壳壳体直直径的的决定定和壳壳体厚厚度的的计算算；2）换换热器器封头头选择择，压压力容容器法法兰选选择；；3）管管板尺尺寸确确定；；4）折折流板板的选选择与与计算算；5）管管子拉拉脱力力的计计算；；6）温温差应应力计计算。。课堂提提问说出换换热器器类型型固定管管板式式换热热器浮头式式换热热器U形管式式换热热器填料函函式换换热器器第二节节管管板式式换热热器换换热管管的选选用及及其与与管板板的连连接一、换换热管管的选选用（一）直径粘性大大或污污浊的的流体体大管径径单位体积传热面积增大、结构紧凑、金属耗量减少、传热系数提高阻力大，不便清洗，易结垢堵塞用于较清洁的流体小管径径（二）规格（外径径×壁壁厚）），长长度按按规定定决定定换热管管尺寸寸φ19×2、φ25×2.5和φ38×2.5mm无缝钢钢管φ25×2和φ38×2.5mm不锈钢钢管标准管管长1.5、2.0、3.0、4.5、6.0、9.0m等换热器器的换换热管管长度度与公公称直直径之之比，，一般般在4～25之间，，常用用的为为6～10。立式式换热热器，，其比比值多多为4～6。（三）材料由压力力、温温度、、介质质的腐腐蚀性性能决决定。。常用用管子子材质质有：：碳素素钢（（10，20）、合金钢钢（1Cr18Ni9Ti)、低合金金钢（（16Mn,15MnV)、铜、、钛、、塑料料、石石墨等等。金属材材料碳素钢钢低合金金钢不锈钢钢铜铜镍合合金铝合金金钛等非金属属材料料石墨陶瓷聚四氟氟乙烯烯等（四）结构型型式换热管型式光管强化传热管螺旋槽管螺纹管翅片管（在给热系数低侧）多用光光管，，因为为结构构简单单，制制造容容易，，为强化化传热热，也也采用用强化化传热热管。。常用管管子形形式：：图7-9几种异异形管管（a）扁平平管（（b）椭圆圆管（（c）凹槽槽扁平平管（（d）波纹纹管图7-10纵向翅翅片管管（a）焊接接外翅翅片管管（（b）整体体式外外翅片片管（c）镶嵌嵌式外外翅片片管（（d）整体体式内内外翅翅片管管图7-11径向翅翅片管管图7-12螺纹管管二、管管子与与管板板的连连接（一）胀接利用胀胀管器器挤压压伸入入管板板孔中中的管子端端部，使管管端发发生塑性变变形，管板孔孔边缘缘同时产产生弹性变变形，取去去胀管管器后后，管管板边边缘弹弹性恢恢复与与管子子产生生一定定的挤挤压力力，贴贴在一一起达达到密密封紧紧固连连接的的目的的。图7-13胀管前前后示示意图图（a）胀管管前（b）胀管管后胀接工工具：：胀管器器液压胀管器器液压胀胀接机械胀胀接优点：：工艺艺简单单方便便；消除间间隙——避免间间隙腐腐蚀。缺点：：温度度升高高时，，管端端会发发生松松弛——泄漏。适用范范围：：换热管管为碳碳素钢钢，管管板为为碳素素钢或或低合合金钢钢，设设计压压力≤≤4MPa，设计温温度≤≤300℃℃，且且无特特殊要要求的的场合合。原因：：温度升升高，，残余余应力力减小小，使使管子子与管管板间间的胀胀接密密封性性能、、紧固固性能能都下下降，，故设设计温温度≤≤300℃℃。要求管管板硬硬度大大于管管子硬硬度，，否则则将管管端退退火后后再胀胀接。。胀接时时管板板上的的孔可可以是是光孔孔，也也可开开槽(开槽槽可以以增加加连接接强度度和紧紧密性性)。。为什麽麽？如如何何实现现？注意：：保证紧紧密性性的方方法：管板孔孔开槽槽；胀接周周边保保证清清洁；；管子硬硬度低低于管管板孔孔周边边硬度度。保证管管端硬硬度较较低并并且低低于管管板硬硬度的的方法法：管端退退火处处理。。选材考考虑。图7-14胀管连连接结结构及及尺寸寸（二）焊接优点：：在高温温高压压条件件下，，焊接接连接接能保保持连连接的的紧密密性，，管板板加工工要求求可降降低，，节省省孔的的加工工工时时，工工艺较较胀接接简单单，压压力较较低时时可使使用较较薄的的管板板。缺点：在焊接接接头处产产生的热热应力可可能造成成应力腐蚀蚀开裂和疲疲劳破裂裂，同时时管子、、管板间间存在间间隙，易易出现间隙腐蚀蚀。图7-15焊接间隙隙示意图图管板间隙换热管图7-16焊接接头头的结构构(a)c(c)(b)(d)克服了单单纯的焊焊接及胀胀接的缺缺点，主要优点点是：连接紧密密，提高高抗疲劳劳能力；；消除间隙隙腐蚀和和应力腐腐蚀；提高使用用寿命。。（三）胀焊并用用胀焊并用用连接主主要有：：强度焊＋＋贴胀……………………先先焊后胀胀强度胀＋＋密封焊焊……………………先胀后后焊概念解释释：密封封焊—不不保证强强度，只只防漏；；强度焊——既防漏漏，又保保证抗拉拉脱强度度；贴胀—只只消除间间隙，不不承担拉拉脱力；；强度胀——既消除除间隙，，又满足足胀接强强度。目前，先先焊后胀胀与先胀胀后焊两两派学说说仍处于于争议之之中。第三节管管板与与管板连连接结构构一、管板板管板材料料选择既既有力学学的上考考虑，又又有耐介介质腐蚀蚀的考虑虑。二、管板板材料管板是管管壳式换换热器的的重要零零部件之之一。三、管板板结构在满足强强度要求求的前提提下，应应当尽量量减少管管板厚度度。四、换热热管排列列方式三角形排排列紧凑凑，传热热效果好好，同一一板上管管子比正正方形多多排10%左右右，同一一体积传传热面积积更大。。适用于于壳程介介质污垢垢少，且且不需要要进行机机械清洗洗的场合合。（一）正三角形形和转角角正三角角形排列列图7-17正三角形形排列的的管子流体流动动方向流体流动动方向正三角形形排列转角正三三角形排排列（二）正方形和和转角正正方形排排列管间小桥桥形成一一条直线线通道，，便于机机械清洗洗。要经经常清洗洗管子外外表面上上的污垢垢时，多多用正方方形排列列。图7-18正方形排排列的管管子流体流动动方向流体流动动方向转角正方方形排列列正方形排排列（三）组合排列列法在多程换换热器中中多采用用组合排排列方法法。即每每一程中中都采用用三角形形排列法法，而在在各程之之间，为为了便于于安装隔隔板，则则采用正正方形排排列法，，如图7－19。图7-19组合排列列法五、管间间距（一）定义（二）要求管间距指指两相邻邻换热管管中心的的距离。。管间距≥≥1.25d0，符合表7-4规定，便便于管子子与管板板间的连连接，因因为对于于胀接或或焊接来来讲，管管子间距距离太近近，那么么都会影影响连接接质量。。最外层层管壁与与壳壁之之间的距距离不应应小于1/2换热管外外径加10mm，主要是为为折流板板易于加加工，不不易损坏坏。表7-4常用换热热管中心心距/mm换热管外径do1214192532384557换热管中心距1619253240485772最外层换换热管中中心至壳壳体内表表面的距距离不应应小于[(换热管外外径的一一半)＋10mm]。六、管箱箱与管束束的分程程当换热器器所需的的换热面面积较大大，而管管子做得得太长时时，就得得增大壳壳体直径径，排列列较多的的管子。。此时，，为了增增加管程程流速，，提高传传热效果果，须将将管束分分程，使使流体依依次流过过各程管管子。（一）分程原因因固定管板板式换热热器利用用管箱来来实现管管束分程程。管箱箱位于换换热器两两端，便便于拆装装。隔板板安装在在管箱内内。管箱管箱结构构：（二）分程原则则（三）分程隔板板图7-22双层隔板板与管板板的密封封①各程换换热管数数应大致致相等；；②相邻程程间平均均壁温差差一般不不应超过过28℃℃；③各程间间的密封封长度应应最短；；④分程隔隔板的形形状应简简单。图7-21单层隔板板与管板板的密封封隔板管板封头隔板管板（四）分程方式式表7－5管程布置置表七、管程程接管与与挡板和和导流筒筒为减缓壳壳程入口口高速流流体对管管子的冲冲刷，将将接管做做成喇叭叭形，结结构为圆圆形时常常称为导