热交换器结构培训资料课件

热交换器结构1热交换器结构11.1定义:热交换器（heatexchanger），是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，又称换热器。换热器在化工、石油、动力、食品及其它许多工业生产中占有重要地位，其在化工生产中换热器可作为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等，应用广泛。21基本介绍1.1定义:21基本介绍31.2基本类型1、固定管板式2、浮头式3、U形管式4、填料函式31.2基本类型1、固定管板式2、浮头式3、U形管式4、●

热量能有效地从一种流体传递到另一种流体，即传热效率高，单位传热面上能传递的热量多。●

换热器的结构能适应所规定的工艺操作条件，运转安全可靠，密封性好，清洗、检修方便，流体阻力小。

●

价格便宜，维护容易，使用时间长。41.3换热器的基本要求

●热量能有效地从一种流体传递到另一种流体，即传热效率高，单52、固定管板式换热器1—封头；2—法兰；3—排气口；4—壳体；5—换热管；6—波形膨胀节；7—折流板（或支持板）；8—防冲板；9—壳程接管；10—管板；11—管程接管；12—隔板；13—封头；14—管箱；15—排液口；16—定距管；17—拉杆；18—支座；19—垫片；20、21—螺栓、螺母52、固定管板式换热器1—封头；2—法兰；3—排气口；4—壳6——适用于壳侧介质清洁且不易结垢并能进行溶解清洗，管、壳程两侧温差不大或温差较大但壳侧压力不高的场合。优点——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。缺点——当管束与壳体的壁温或材料的线膨胀系数相差较大时，壳体和管束中将产生较大的热应力。应用

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。6——适用于壳侧介质清洁且不易结垢并能进行溶优点——结构简单7隔板:增加管程数,提高管内流体流速.流速增加,传热效率提高;但流动的阻力也同时增加;折流板：提高壳程流体的流速和湍动程度。7隔板:增加管程数,提高管内流体流速.流速增加,传热效率提高8带膨胀节的固定管板式热交换器适用场合：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。为减少热应力，通常在固定管板式热交换器中设置柔性元件（如膨胀节、挠性管板等），来吸收热膨胀差。膨胀节的作用：由于两块管板都与壳体固定，当壳体、换热管受热、受压都会发生变形，加入膨胀节减少热应力来吸收热膨胀差。8带膨胀节的固定管板式热交换器适用场合：适用于壳程介质清洁，93、浮头式热交换器1—防冲板；2—折流板；3—浮头管板；4—钩圈；5—支耳

93、浮头式热交换器1—防冲板；2—折流板；3—浮头管板；410浮头式换热器10浮头式换热器11浮头结构示意图11浮头结构示意图12优点——管间和管内清洗方便，不会产生热应力；缺点——结构复杂，造价比固定管板式换热器高，设备笨重，材料消耗量大，且浮头端小盖在操作中无法检查，制造时对密封要求较高。应用——壳体和管束之间壁温差较大或壳程介质易结垢的场合。12优点——管间和管内清洗方便，不会产生热应力；13浮头式重沸器1—偏心锥壳；2—堰板；3—液面计接口13浮头式重沸器1—偏心锥壳；2—堰板；3—液面计接口144、U形管式换热器1—中间挡板；2—U形换热管；3—排气口；4—防冲板；5—分程隔板144、U形管式换热器1—中间挡板；2—U形换热管；3—排气15U形管式换热器15U形管式换热器16

优点结构比较简单、价格便宜，承压能力强。受弯管曲率半径限制，布管少；管束最内层管间距大，管板利用率低；缺点壳程流体易短路，传热不利。当管子泄漏损坏时，只有外层U形管可更换，内层管只能堵死，坏一根U形管相当于坏两根管，报废率较高。管、壳壁温差较大或壳程介质易结垢需要

应用清洗，又不宜采用浮头式和固定管板式的场合。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。16优点结构比较简单、价格便宜，承压能力强。175、填料函式换热器1—纵向隔板；2—浮动管板；3—活套法兰；4—部分剪切环；5—填料压盖；6—填料；7—填料函175、填料函式换热器1—纵向隔板；2—浮动管板；3—活套法18优点结构较浮头式简单，加工制造方便；节省材料，造价比较低廉;

管束从壳体内可抽出;

管内、管间都能进行清洗，维修方便。缺点填料处易泄漏。

应用

4MPa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。

注：填料函式换热器现在已很少采用。18优点结构较浮头式简单，加工制造方便；196不同类型比较表列管式热交换器种类优点缺点固定管板式结构较简单，造价较低，相对其它列管式热交换器其管板最薄。管外清洗困难；管壳间有温差应力存在；当两种介质温差较大时必须设置膨胀节。浮头式一端管板固定，另一端管板可在壳体内移动；管壳间不产生温差应力；管束可抽出，便于清洗。结构较复杂，金属耗量较大；浮头处发生内漏时不便检查；管束与管体间隙较大，影响传热。填料函式管束一端可自由膨胀；造价比浮头式低；检修、清洗容易；填函处泄漏能及时发现。壳程内介质有外漏的可能；壳程中不宜处理易挥发、易燃、易爆、有毒的介质。U型管式只有一个管板；管程至少为两程；管束可以抽出清洗；管子可自由膨胀。管内不便清洗；管板上布管少，结构不紧凑，管外介质易短路，影响传热效果；内层管子损坏后不易更换。196不同类型比较表列管式热交换器优点缺207管壳式换热器结构管程——与管束中流体相通的空间壳程——换热管外面流体及相通空间管程壳程管程207管壳式换热器结构管程——与管束中流体相通的空间壳程—217.1管程结构一、换热管二、管板三、管箱四、管束分程五、换热管与管板连接217.1管程结构一、换热管二、管板三、管箱四、管束分程五22一、换热管a.换热管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b.换热管尺寸φ19×2、φ25×2.5和φ38×2.5mm无缝钢管φ25×2和φ38×2.5mm不锈钢管标准管长1.5、2.0、3.0、4.5、6.0、9.0m等22一、换热管a.换热管型式光管强化传热管翅片管（在给热系数23小管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粘性大或污浊的流体大管径23小管径单位体积传热面积增大、结构紧凑、粘性大或污浊的流体24c.换热管材料金属材料碳素钢低合金钢不锈钢铜铜镍合金铝合金钛等非金属材料石墨陶瓷聚四氟乙烯等24c.换热管材料金属材料碳素钢低合金钢不锈钢铜铜镍合金铝合25d.换热管排列形式及中心距p三角形布管多，但不易清洗；正方形及转角正方形较易清洗管桥强度清洗通道P≥1.25d025d.换热管排列形式及中心距p三角形布管多，但不易清洗；管26常用换热管中心距/mm换热管外径do1214192532384557换热管中心距161925324048577226常用换热管中心距/mm换热管外径do1214192532272728二、管板作用用来排布换热管；将管程和壳程流体分开，避免冷、热流体混合；承受管程、壳程压力和温度的载荷作用。28二、管板作用用来排布换热管；29a.管板材料力学性能介质腐蚀性（及tube-tubesheet间电位差对腐蚀影响）贵重钢板价格流体无腐蚀性或有轻微腐蚀性时，管板采用压力容器用碳素钢或低合金钢板或锻件制造；腐蚀性较强时，用不锈钢、铜、铝、钛等材料，为经济考虑，采用复合钢板或堆焊衬里。29a.管板材料力学性能流体无腐蚀性或有轻微腐蚀性时，30b.管板结构厚度——满足强度前提下，尽量减少管板厚度热应力30b.管板结构厚度——热应力31厚度计算标准GB151《管壳式换热器》美国管式换热器制造商协会标准TEMA西德AD标准厚度“厚管板”——GB151《管壳式换热器》、美国管式换热器制造商协会标准TEMA“薄管板”——西德AD标准，厚度一般为8-20mm31厚度计算标准GB151《管壳式换热器》厚度“厚管板”——32薄管板平面形椭圆形碟形球形挠性薄管板等目前主要有32薄管板平面形椭圆形碟形球形挠性薄管板等目前主要有33比较四种用于固定管板换热器的薄管板结构：薄管板贴于法兰表面上，当管程通过腐蚀性介质时，密封槽开在管板上，法兰不与管程介质接触（a）（b）薄管板嵌入法兰内，并将表面车平。不论管程和壳程是否有腐蚀性介质，法兰都会与腐蚀性介质接触，需采用耐腐蚀材料，※而且管板受法兰力距的影响较大33比较四种用于固定管板换热器的薄管板结构：薄管板贴于法兰表34●薄管板在法兰下面且与筒体焊接。壳程通入腐蚀性介质时，不必采用耐腐蚀材料；●管板离开了法兰，减小了法兰力矩和变形对管板的影响，降低了管板因法兰引起的应力；●管板与刚度较小的筒体连接，也降低了管板的边缘应力；●是一种较好的结构。（c）34●薄管板在法兰下面且与筒体（c）35（d）●管板与壳体间有一个圆弧过渡连接，并且很薄，管板具有一定弹性，可补偿管束与壳体间的热膨胀；●过渡圆弧可减少管板边缘的应力集中。●该种管板没有法兰力矩的影响。●壳程流体通入腐蚀性介质时，法兰不会受到腐蚀。●挠性薄管板加工比较复杂。挠性薄管板结构35（d）●管板与壳体间有一个圆弧过挠性薄管板结构36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。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。36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。37用于严格禁止管程与壳程介质互相混合的场合。方法：从短节排出短节圆筒充入高于管程、壳程压力的惰性介质图6-17双管板结构1—空隙2—壳程管板

3—短节4—管程管板123437用于严格禁止管程方法：图6-17双管板结构123438三、管箱作用——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。结构形式决定因素——清洗？管束分程？(a)(b)(c)(d)38三、管箱作用——流体送入换热管和送出换热器，结构形式决定39特点清洗时要拆除管线；该结构适用于较清洁的介质。(a)39特点清洗时要拆除管线；该结构适用于较清洁的介质。(a)40换热器管箱40换热器管箱41清洗时不要拆除管线；缺点是用材较多。特点(b)41清洗时不要拆除管线；特点(b)42特点检查、清洗不方便很少使用（1）（2）(c)42特点检查、清洗不方便（1）（2）(c)43特点设置多层隔板的管箱结构(d)43特点设置多层隔板的管箱结构(d)44四、管束分程管内流动的流体从管子的一端流到另一端，称为一个管程换热面积要变大管数增加流速下降传热系数下降多管程管子加长44四、管束分程管内流动的流体从管子的一端流到另一端，称为一45管束分程布置图每程管数大致相同，温差不超过20℃左右为好流向45管束分程布置图每程管数大致相同，温差不超过20℃左右为好46五、换热管与管板连接强度胀强度焊胀焊并用a.强度胀保证换热管与管板连接的密封性能及抗拉脱强度的胀接设计压力≤4.0MPa；设计温度≤300℃；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。应用46五、换热管与管板连接强度胀强度焊胀焊并用a.强度胀保证换47338300300Kδ1113003386K111δδ33863003111300K贴胀结构用于δ≤25mm的场合用于δ＞25mm的场合用于厚管板及避免晶间腐蚀的场合强度胀接管孔结构300l47338300300Kδ1113003386K111δδ348非均匀胀接均匀胀接胀接机理方法管子硬度一般须低于管板硬度，若达不到，可进行管头退火处理48非均匀胀接均匀胀接胀接机理方法管子硬度一般须低于管板硬度49液压胀接49液压胀接50机械胀接50机械胀接51b.强度焊保证换热管与管板连接的密封性能及抗拉脱强度的焊接。用于整体管板用于复合管板图6-20强度焊接管孔结构51b.强度焊保证换热管与管板连接的用于整体管板用于复合管板52优点焊接结构强度高，抗拉脱力强度高。高温下也能保证连接处的密封性能和抗拉脱能力。泄露处可补焊和更换。焊后，管子与管板中存在残余热应力和应力集中，运行时可能引起应力腐蚀与疲劳破坏；缝隙腐蚀。缺点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。应用52优点焊接结构强度高，抗拉脱力强度高。焊后，管子与管板中存53c.胀焊并用主要有强度胀+密封焊、强度焊+贴胀、强度焊+强度胀等不仅能提高连接处的抗疲劳性能，而且还可消除应力腐蚀和缝隙腐蚀，提高使用寿命应用：密封性能要求较高；承受振动和疲劳载荷；有缝隙腐蚀；需使用复合管板等的场合53c.胀焊并用主要有强度胀+密封焊、强度焊+贴胀、强度焊+54切除管子端部54切除管子端部557.2壳程结构一、壳体二、折流板三、折流杆四、防短路结构五、壳程分程557.2壳程结构一、壳体二、折流板三、折流杆四、防短路结构56一、壳体a.接管b.防冲挡板c.导流筒焊在壳体上，供壳程流体进、出。防止进口流体直接冲击管束造成管子的侵蚀和振动，在壳程进口接管处安装，也叫缓冲板。焊接在拉杆、定距管、I折流板上焊接在圆筒上用U型螺栓固定在换热管上固定形式减少流体滞留区，改善两端流体的分布，增加换热管的有效换热长度，提高传热效率；起防冲挡板的作用。56一、壳体a.接管b.防冲挡板c.导流筒焊在壳57导流筒57导流筒58二、折流板a.作用提高壳程流体流速，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；减少结垢。b.结构形式（见图）弓形圆盘-圆环形堰形折流板58二、折流板a.作用提高壳程流体流速，增加湍动程度；b.结59(a)单弓形(d)圆盘-圆环形(c)三弓形(b)双弓形弓形缺口高度h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，如单弓形折流板，h一般取0.20～0.45Di，最常用0.25Di。图6-21

折流板形式59(a)单弓形(d)圆盘-圆环形(c)三弓形(b)双弓形弓60c.弓形缺口及通液口设置（A）壳程为单相清洁液体时，折流板缺口上下布置图6-22折流板缺口布置通液口通气口60c.弓形缺口及通液口设置（A）壳程为单相清洁液体时，折流61（B）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，并在折流板最低处开通液口通液口图6-22折流板缺口布置61（B）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62折流板缺口垂直左右布置62折流板缺口垂直左右布置63折流板63折流板64d.折流板布置位置：管束两端的折流板尽量靠近进出口接管间距：Lmin不小于0.2Di，且不小于50mm；

Lmax不大于Di；64d.折流板布置位置：管束两端的折流板尽量靠近进出口接管65折流板上管孔与换热管的间隙以及折流板与壳体内壁之间的间隙过大——泄露严重，不利传热；易引起振动。过小——安装困难。当换热管的无支撑跨距超过了标准中规定值时，必须设置一定数量的支撑板，按照折流板处理。65折流板上管孔与换热管的间隙以及折流板与壳体内壁之间的间隙66e.折流板的固定B、换热管外径≤14mm时——点焊结构A、换热管外径＞14mm时——拉杆-定距管结构dndn图6-23

拉杆结构66e.折流板的固定B、换热管外径≤14mm时——点焊结构A67三、折流杆作用——管束支撑结构特点——减轻折流板对换热管的剪切破坏和流体诱导振动；避免折流板导致的传热死区，减小流体阻力，提高传热效率；（1）支撑杆（2）折流杆（3）滑轨图6-24折流杆结构67三、折流杆作用——管束支撑结构特点——减轻折流板对换热管68四、防短路结构a.旁路挡板旁路挡板挡管（或称假管）中间挡板为了防止壳程边缘介质短路旁路挡板折流板图6-25挡管结构68四、防短路结构a.旁路挡板旁路挡板挡管（或69旁路挡板可用钢板或扁钢制成，其厚度一般与折流板相同。旁路挡板嵌入折流板槽内，并与折流板焊接。壳体公称直径DN≤500mm时，增设一对旁路挡板；

DN=500mm时，增设二对挡板；

DN≥1000mm时，增设三对旁路挡板。69旁路挡板可用钢板或扁钢制成，其厚度一般与70b、挡管图6-26挡管结构防止管间短路；分程隔板槽背面两管板之间设置两端堵死的管子，即挡管；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。挡管每隔3～4排换热管设置一根，但不设置在折流板缺口处70b、挡管图6-26挡管结构防止管间短路；71隔板与挡管71隔板与挡管72c.中间挡板中间挡板图6-27中间挡板U形管束中心部分存在较大间隙，防止管间短路；中间挡板一般与折流板点焊固定；中间挡板的数量:DN≤500mm时，设置1块挡板；

500mm<DN<1000mm时，设置2块挡板；

DN≥1000mm时，设置不少于3块挡板。72c.中间挡板中间挡板图6-27U形管束中心部分存在较大73五、壳程分程根据工艺设计要求，或为增大壳程流体传热系数，也可将换热器壳程分为多程的结构。73五、壳程分程根据工艺设计要求，748管板设计一、管板设计的基本考虑二、管板设计思路三、薄管板设计748管板设计一、管板设计的基本考虑二、管板设计思路三、薄75各国的管板设计公式尽管形式各异，但其大体上是分别在以下三种基本假设的前提下得出的：（1）将管板看成周边支承条件下承受均布载荷的圆平板，应用平板理论得出计算公式。考虑到管孔的削弱，再引入经验性的修正公式。（2）将管子当作管板的固定支撑而管板是受管子支撑着的圆平板。管板的厚度取决于管板上不布管区的范围。实践证明，这种公式适用于各种薄管板的计算。（3）将管板视为在广义弹性基础上承受均布载荷的多孔圆平板，既把圆平板简化为受到规则排列的管孔削弱、同时又被管子加强的等效弹性基础上的均质等效圆平板。75各国的管板设计公式尽管形式各异，但其大体上是分别在以下三76一、管板设计的基本考虑

假设：把实际的管板简化为承受均布载荷、放置在弹性基础上且受管孔均匀削弱的当量圆平板。GB151《管壳式换热器》76一、管板设计的基本考虑假设：GB151《管壳式换热77a.管束对管板挠度的约束作用，但忽略管束对管板转角的约束作用77a.管束对管板挠度的约束作用，但忽略管束对管板转角的约束78布管区不布管区b.管板周边不布管区对管板应力的影响按其面积简化为圆环形实心板管板边缘的应力下降管板靠近中央部分的布管区靠近周边处较窄的不布管区78布管区不布管区b.管板周边不布管区对管板应力的影响按其面79c.不同结构形式的换热器,管板边缘有不同形式的连接结构，根据具体情况，考虑壳体、管箱、法兰、封头、垫片等元件对管板边缘转角的约束作用；

(不同连接结构，设计步骤有所不同)a型b型c型d型e型f型79c.不同结构形式的换热器,管板边缘有不同形式的连接结构80d.管板兼作法兰时，法兰力矩的作用对管板应力的影响e型f型80d.管板兼作法兰时，法兰力矩的作用对管板应力的影响e型f81假设：把实际的管板简化为承受均布载荷、放置在弹性基础上且受管孔均匀削弱的当量圆平板。a.管束对管板挠度的约束作用，但忽略管束对管板转角的约束作用b.管板周边不布管区对管板应力的影响：将管板划分为两个区，即靠近中央部分的布管区和靠近周边处较窄的不布管区。通常管板周边部分较窄的不布管区按其面积简化为圆环形实心板。由于不布管区的存在，管板边缘的应力下降；c.不同结构形式的换热器，管板边缘有不同形式的连接结构，根据具体情况，考虑壳体、管箱、法兰、封头、垫片等元件对管板边缘转角的约束作用；d.管板兼作法兰时，法兰力矩的作用对管板应力的影响。81假设：a.管束对管板挠度的约束作用，但忽略管束对管板转82二、管板设计思路1.管板弹性分析综合考虑Ps、Pt；ΔT；预紧法兰力矩等载荷简化管板为弹性基础上的等效均质圆平板建立每个单独元件位移与转角与其上的内力的关系式以内力为未知量的变形协调方程组求得内力后，计算危险截面上应力应力校核u、ω---NΕ---u、ωΕ---NΕ---σ82二、管板设计思路1.管板弹性分析综合考虑Ps、Pt；Δ83管板与其相关元件的内力分析图内力共14个83管板与其相关元件的内力分析图内力共84作用在封头(管箱)与管箱法兰连接处的——

边缘弯矩Mh、横剪力Hh，轴向力Vh管板与其相关元件的内力分析图84作用在封头(管箱)与管箱法兰连接处的——管板与其相关85VGVbVbVG作用在垫片上的轴向内力VG与作用在螺栓圆上的螺栓力Vb管板与其相关元件的内力分析图85VGVbVbVG作用在垫片上的管板与其相关86MRHRVRVRHR作用在环形的不布管区与壳体法兰之间即半径为R处的:弯矩MR径向力HR轴向剪力VR管板与其相关元件的内力分析图86MRHRVRVRHR作用在环形的不布管区弯矩M87MfMfMfVfHf作用在管板布管区与边缘环板连接处即半径为Rt处的:边缘弯矩Mf径向剪力Hf边缘剪力Vf管板与其相关元件的内力分析图87MfMfMfVfHf作用在管板布管区边缘弯矩Mf管板与其882.危险工况确定危险工况的基本原则：如果不能保证换热器壳程压力ps与管程压力pt在任何情况下都能同时作用，则不允许以壳程压力和管程压力的压差进行管板设计。如果ps和pt之一为负压时，则应考虑压差的危险组合。管板是否兼作法兰等不同结构，危险工况组合也不同。882.危险工况确定危险工况的基本原则：如果不能保证换热器89对于固定管板换热器，管板分析时应考虑下列危险工况:只有壳程压力ps

，而管程压力pt=0，不计热膨胀差；只有管程压力pt

，而壳程压力ps=0，不计热膨胀差；只有管程压力pt

，而壳程压力ps=0，同时考虑热膨胀差。只有壳程压力ps

，而管程压力pt=0，同时考虑热膨胀差；89对于固定管板换热器，管板分析时应考虑下列危险工况:只有壳903.管板应力校核管板布管区应力值、环形板的应力值、壳体法兰应力、换热管轴向应力、换热管与管板连接拉脱力q需计算出的进行校核的应力：应力分类、校核在不同的危险工况组合下，计算出相应的：903.管板应力校核管板布管区应力值、需计算出的进行校核的914.管板应力的调整调整方法※增加管板厚度※降低壳体轴向刚度，如设置膨胀节（降低由温差引起的膨胀差导致的管板应力增加）提高管板的抗弯截面模量914.管板应力的调整调整方法※增加管板厚度※降低壳体轴向925.管板设计计算软件减少繁重劳动，利用计算软件，如SW6等。925.管板设计计算软件减少繁重劳动，利用计算软件，如SW93三、薄管板设计主要载荷由管壁与壳壁的温度差决定，流体压力引起的应力与挠度相对说来是不大的。管子的稳定性验算公称直径300~400500~600700~800900~12001400~1800管板厚度810121416表6-3薄管板的厚度mm93三、薄管板设计主要载荷由管壁与壳壁的温度差决定，管子的稳94换热设备6.2.1基本类型6.2.2管壳式换热器结构6.2.3管板设计6.2.4膨胀节设计6.2.5管束振动和防止94换热设备6.2.1基本类型6.2.2管壳式换热器结构95膨胀节设计一、膨胀节的作用二、是否设置膨胀节的判断95膨胀节设计一、膨胀节的作用二、是否设置膨胀节的判断96一、膨胀节的作用1.膨胀节的作用降低由于管束和壳体间热膨胀差所引起的管板应力、换热管与壳体上的轴向应力以及管板与换热管间的拉脱力。U形膨胀节96一、膨胀节的作用1.膨胀节的作用降低由于管束和U形膨胀节97膨胀节97膨胀节982.膨胀节的结构形式a.U膨胀节b.Ω膨胀节c.平板膨胀节二、是否设置膨胀节的判断别忽视其他有效方法标准：GB16749《压力容器波形膨胀节》982.膨胀节的结构形式a.U膨胀节b.Ω膨胀节c.平999管束振动和防止一、振动原因二、振动防止999管束振动和防止一、振动原因二、振动防止100一、振动原因1.外激振力2.流体诱导振动现象a.纵向流体诱导振动b.横向流体诱导振动旋涡脱落流体弹性扰动湍流颤振声振动射流转换100一、振动原因1.外激振力2.流体诱导振动现象a.纵向流101二、振动防止1.改变流速2.改变管子固有频率3.增设消声板4.抑制周期性旋涡5.设置防冲板或导流筒101二、振动防止1.改变流速2.改变管子固有频率3.增设消热交换器结构102热交换器结构11.1定义:热交换器（heatexchanger），是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，又称换热器。换热器在化工、石油、动力、食品及其它许多工业生产中占有重要地位，其在化工生产中换热器可作为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等，应用广泛。1031基本介绍1.1定义:21基本介绍1041.2基本类型1、固定管板式2、浮头式3、U形管式4、填料函式31.2基本类型1、固定管板式2、浮头式3、U形管式4、●

热量能有效地从一种流体传递到另一种流体，即传热效率高，单位传热面上能传递的热量多。●

换热器的结构能适应所规定的工艺操作条件，运转安全可靠，密封性好，清洗、检修方便，流体阻力小。

●

价格便宜，维护容易，使用时间长。1051.3换热器的基本要求

●热量能有效地从一种流体传递到另一种流体，即传热效率高，单1062、固定管板式换热器1—封头；2—法兰；3—排气口；4—壳体；5—换热管；6—波形膨胀节；7—折流板（或支持板）；8—防冲板；9—壳程接管；10—管板；11—管程接管；12—隔板；13—封头；14—管箱；15—排液口；16—定距管；17—拉杆；18—支座；19—垫片；20、21—螺栓、螺母52、固定管板式换热器1—封头；2—法兰；3—排气口；4—壳107——适用于壳侧介质清洁且不易结垢并能进行溶解清洗，管、壳程两侧温差不大或温差较大但壳侧压力不高的场合。优点——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。缺点——当管束与壳体的壁温或材料的线膨胀系数相差较大时，壳体和管束中将产生较大的热应力。应用

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。6——适用于壳侧介质清洁且不易结垢并能进行溶优点——结构简单108隔板:增加管程数,提高管内流体流速.流速增加,传热效率提高;但流动的阻力也同时增加;折流板：提高壳程流体的流速和湍动程度。7隔板:增加管程数,提高管内流体流速.流速增加,传热效率提高109带膨胀节的固定管板式热交换器适用场合：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。为减少热应力，通常在固定管板式热交换器中设置柔性元件（如膨胀节、挠性管板等），来吸收热膨胀差。膨胀节的作用：由于两块管板都与壳体固定，当壳体、换热管受热、受压都会发生变形，加入膨胀节减少热应力来吸收热膨胀差。8带膨胀节的固定管板式热交换器适用场合：适用于壳程介质清洁，1103、浮头式热交换器1—防冲板；2—折流板；3—浮头管板；4—钩圈；5—支耳

93、浮头式热交换器1—防冲板；2—折流板；3—浮头管板；4111浮头式换热器10浮头式换热器112浮头结构示意图11浮头结构示意图113优点——管间和管内清洗方便，不会产生热应力；缺点——结构复杂，造价比固定管板式换热器高，设备笨重，材料消耗量大，且浮头端小盖在操作中无法检查，制造时对密封要求较高。应用——壳体和管束之间壁温差较大或壳程介质易结垢的场合。12优点——管间和管内清洗方便，不会产生热应力；114浮头式重沸器1—偏心锥壳；2—堰板；3—液面计接口13浮头式重沸器1—偏心锥壳；2—堰板；3—液面计接口1154、U形管式换热器1—中间挡板；2—U形换热管；3—排气口；4—防冲板；5—分程隔板144、U形管式换热器1—中间挡板；2—U形换热管；3—排气116U形管式换热器15U形管式换热器117

优点结构比较简单、价格便宜，承压能力强。受弯管曲率半径限制，布管少；管束最内层管间距大，管板利用率低；缺点壳程流体易短路，传热不利。当管子泄漏损坏时，只有外层U形管可更换，内层管只能堵死，坏一根U形管相当于坏两根管，报废率较高。管、壳壁温差较大或壳程介质易结垢需要

应用清洗，又不宜采用浮头式和固定管板式的场合。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。16优点结构比较简单、价格便宜，承压能力强。1185、填料函式换热器1—纵向隔板；2—浮动管板；3—活套法兰；4—部分剪切环；5—填料压盖；6—填料；7—填料函175、填料函式换热器1—纵向隔板；2—浮动管板；3—活套法119优点结构较浮头式简单，加工制造方便；节省材料，造价比较低廉;

管束从壳体内可抽出;

管内、管间都能进行清洗，维修方便。缺点填料处易泄漏。

应用

4MPa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。

注：填料函式换热器现在已很少采用。18优点结构较浮头式简单，加工制造方便；1206不同类型比较表列管式热交换器种类优点缺点固定管板式结构较简单，造价较低，相对其它列管式热交换器其管板最薄。管外清洗困难；管壳间有温差应力存在；当两种介质温差较大时必须设置膨胀节。浮头式一端管板固定，另一端管板可在壳体内移动；管壳间不产生温差应力；管束可抽出，便于清洗。结构较复杂，金属耗量较大；浮头处发生内漏时不便检查；管束与管体间隙较大，影响传热。填料函式管束一端可自由膨胀；造价比浮头式低；检修、清洗容易；填函处泄漏能及时发现。壳程内介质有外漏的可能；壳程中不宜处理易挥发、易燃、易爆、有毒的介质。U型管式只有一个管板；管程至少为两程；管束可以抽出清洗；管子可自由膨胀。管内不便清洗；管板上布管少，结构不紧凑，管外介质易短路，影响传热效果；内层管子损坏后不易更换。196不同类型比较表列管式热交换器优点缺1217管壳式换热器结构管程——与管束中流体相通的空间壳程——换热管外面流体及相通空间管程壳程管程207管壳式换热器结构管程——与管束中流体相通的空间壳程—1227.1管程结构一、换热管二、管板三、管箱四、管束分程五、换热管与管板连接217.1管程结构一、换热管二、管板三、管箱四、管束分程五123一、换热管a.换热管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b.换热管尺寸φ19×2、φ25×2.5和φ38×2.5mm无缝钢管φ25×2和φ38×2.5mm不锈钢管标准管长1.5、2.0、3.0、4.5、6.0、9.0m等22一、换热管a.换热管型式光管强化传热管翅片管（在给热系数124小管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粘性大或污浊的流体大管径23小管径单位体积传热面积增大、结构紧凑、粘性大或污浊的流体125c.换热管材料金属材料碳素钢低合金钢不锈钢铜铜镍合金铝合金钛等非金属材料石墨陶瓷聚四氟乙烯等24c.换热管材料金属材料碳素钢低合金钢不锈钢铜铜镍合金铝合126d.换热管排列形式及中心距p三角形布管多，但不易清洗；正方形及转角正方形较易清洗管桥强度清洗通道P≥1.25d025d.换热管排列形式及中心距p三角形布管多，但不易清洗；管127常用换热管中心距/mm换热管外径do1214192532384557换热管中心距161925324048577226常用换热管中心距/mm换热管外径do121419253212827129二、管板作用用来排布换热管；将管程和壳程流体分开，避免冷、热流体混合；承受管程、壳程压力和温度的载荷作用。28二、管板作用用来排布换热管；130a.管板材料力学性能介质腐蚀性（及tube-tubesheet间电位差对腐蚀影响）贵重钢板价格流体无腐蚀性或有轻微腐蚀性时，管板采用压力容器用碳素钢或低合金钢板或锻件制造；腐蚀性较强时，用不锈钢、铜、铝、钛等材料，为经济考虑，采用复合钢板或堆焊衬里。29a.管板材料力学性能流体无腐蚀性或有轻微腐蚀性时，131b.管板结构厚度——满足强度前提下，尽量减少管板厚度热应力30b.管板结构厚度——热应力132厚度计算标准GB151《管壳式换热器》美国管式换热器制造商协会标准TEMA西德AD标准厚度“厚管板”——GB151《管壳式换热器》、美国管式换热器制造商协会标准TEMA“薄管板”——西德AD标准，厚度一般为8-20mm31厚度计算标准GB151《管壳式换热器》厚度“厚管板”——133薄管板平面形椭圆形碟形球形挠性薄管板等目前主要有32薄管板平面形椭圆形碟形球形挠性薄管板等目前主要有134比较四种用于固定管板换热器的薄管板结构：薄管板贴于法兰表面上，当管程通过腐蚀性介质时，密封槽开在管板上，法兰不与管程介质接触（a）（b）薄管板嵌入法兰内，并将表面车平。不论管程和壳程是否有腐蚀性介质，法兰都会与腐蚀性介质接触，需采用耐腐蚀材料，※而且管板受法兰力距的影响较大33比较四种用于固定管板换热器的薄管板结构：薄管板贴于法兰表135●薄管板在法兰下面且与筒体焊接。壳程通入腐蚀性介质时，不必采用耐腐蚀材料；●管板离开了法兰，减小了法兰力矩和变形对管板的影响，降低了管板因法兰引起的应力；●管板与刚度较小的筒体连接，也降低了管板的边缘应力；●是一种较好的结构。（c）34●薄管板在法兰下面且与筒体（c）136（d）●管板与壳体间有一个圆弧过渡连接，并且很薄，管板具有一定弹性，可补偿管束与壳体间的热膨胀；●过渡圆弧可减少管板边缘的应力集中。●该种管板没有法兰力矩的影响。●壳程流体通入腐蚀性介质时，法兰不会受到腐蚀。●挠性薄管板加工比较复杂。挠性薄管板结构35（d）●管板与壳体间有一个圆弧过挠性薄管板结构137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。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。36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。138用于严格禁止管程与壳程介质互相混合的场合。方法：从短节排出短节圆筒充入高于管程、壳程压力的惰性介质图6-17双管板结构1—空隙2—壳程管板

3—短节4—管程管板123437用于严格禁止管程方法：图6-17双管板结构1234139三、管箱作用——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。结构形式决定因素——清洗？管束分程？(a)(b)(c)(d)38三、管箱作用——流体送入换热管和送出换热器，结构形式决定140特点清洗时要拆除管线；该结构适用于较清洁的介质。(a)39特点清洗时要拆除管线；该结构适用于较清洁的介质。(a)141换热器管箱40换热器管箱142清洗时不要拆除管线；缺点是用材较多。特点(b)41清洗时不要拆除管线；特点(b)143特点检查、清洗不方便很少使用（1）（2）(c)42特点检查、清洗不方便（1）（2）(c)144特点设置多层隔板的管箱结构(d)43特点设置多层隔板的管箱结构(d)145四、管束分程管内流动的流体从管子的一端流到另一端，称为一个管程换热面积要变大管数增加流速下降传热系数下降多管程管子加长44四、管束分程管内流动的流体从管子的一端流到另一端，称为一146管束分程布置图每程管数大致相同，温差不超过20℃左右为好流向45管束分程布置图每程管数大致相同，温差不超过20℃左右为好147五、换热管与管板连接强度胀强度焊胀焊并用a.强度胀保证换热管与管板连接的密封性能及抗拉脱强度的胀接设计压力≤4.0MPa；设计温度≤300℃；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。应用46五、换热管与管板连接强度胀强度焊胀焊并用a.强度胀保证换148338300300Kδ1113003386K111δδ33863003111300K贴胀结构用于δ≤25mm的场合用于δ＞25mm的场合用于厚管板及避免晶间腐蚀的场合强度胀接管孔结构300l47338300300Kδ1113003386K111δδ3149非均匀胀接均匀胀接胀接机理方法管子硬度一般须低于管板硬度，若达不到，可进行管头退火处理48非均匀胀接均匀胀接胀接机理方法管子硬度一般须低于管板硬度150液压胀接49液压胀接151机械胀接50机械胀接152b.强度焊保证换热管与管板连接的密封性能及抗拉脱强度的焊接。用于整体管板用于复合管板图6-20强度焊接管孔结构51b.强度焊保证换热管与管板连接的用于整体管板用于复合管板153优点焊接结构强度高，抗拉脱力强度高。高温下也能保证连接处的密封性能和抗拉脱能力。泄露处可补焊和更换。焊后，管子与管板中存在残余热应力和应力集中，运行时可能引起应力腐蚀与疲劳破坏；缝隙腐蚀。缺点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。应用52优点焊接结构强度高，抗拉脱力强度高。焊后，管子与管板中存154c.胀焊并用主要有强度胀+密封焊、强度焊+贴胀、强度焊+强度胀等不仅能提高连接处的抗疲劳性能，而且还可消除应力腐蚀和缝隙腐蚀，提高使用寿命应用：密封性能要求较高；承受振动和疲劳载荷；有缝隙腐蚀；需使用复合管板等的场合53c.胀焊并用主要有强度胀+密封焊、强度焊+贴胀、强度焊+155切除管子端部54切除管子端部1567.2壳程结构一、壳体二、折流板三、折流杆四、防短路结构五、壳程分程557.2壳程结构一、壳体二、折流板三、折流杆四、防短路结构157一、壳体a.接管b.防冲挡板c.导流筒焊在壳体上，供壳程流体进、出。防止进口流体直接冲击管束造成管子的侵蚀和振动，在壳程进口接管处安装，也叫缓冲板。焊接在拉杆、定距管、I折流板上焊接在圆筒上用U型螺栓固定在换热管上固定形式减少流体滞留区，改善两端流体的分布，增加换热管的有效换热长度，提高传热效率；起防冲挡板的作用。56一、壳体a.接管b.防冲挡板c.导流筒焊在壳158导流筒57导流筒159二、折流板a.作用提高壳程流体流速，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；减少结垢。b.结构形式（见图）弓形圆盘-圆环形堰形折流板58二、折流板a.作用提高壳程流体流速，增加湍动程度；b.结160(a)单弓形(d)圆盘-圆环形(c)三弓形(b)双弓形弓形缺口高度h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，如单弓形折流板，h一般取0.20～0.45Di，最常用0.25Di。图6-21

折流板形式59(a)单弓形(d)圆盘-圆环形(c)三弓形(b)双弓形弓161c.弓形缺口及通液口设置（A）壳程为单相清洁液体时，折流板缺口上下布置图6-22折流板缺口布置通液口通气口60c.弓形缺口及通液口设置（A）壳程为单相清洁液体时，折流162（B）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，并在折流板最低处开通液口通液口图6-22折流板缺口布置61（B）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163折流板缺口垂直左右布置62折流板缺口垂直左右布置164折流板63折流板165d.折流板布置位置：管束两端的折流板尽量靠近进出口接管间距：Lmin不小于0.2Di，且不小于50mm；

Lmax不大于Di；64d.折流板布置位置：管束两端的折流板尽量靠近进出口接管166折流板上管孔与换热管的间隙以及折流板与壳体内壁之间的间隙过大——泄露严重，不利传热；易引起振动。过小——安装困难。当换热管的无支撑跨距超过了标准中规定值时，必须设置一定数量的支撑板，按照折流板处理。65折流板上管孔与换热管的间隙以及折流板与壳体内壁之间的间隙167e.折流板的固定B、换热管外径≤14mm时——点焊结构A、换热管外径＞14mm时——拉杆-定距管结构dndn图6-23

拉杆结构66e.折流板的固定B、换热管外径≤14mm时——点焊结构A168三、折流杆作用——管束支撑结构特点——减轻折流板对换热管的剪切破坏和流体诱导振动；避免折流板导致的传热死区，减小流体阻力，提高传热效率；（1）支撑杆（2）折流杆（3）滑轨图6-24折流杆结构67三、折流杆作用——管束支撑结构特点——减轻折流板对换热管169四、防短路结构a.旁路挡板旁路挡板挡管（或称假管）中间挡板为了防止壳程边缘介质短路旁路挡板折流板图6-25挡管结构68四、防短路结构a.旁路挡板旁路挡板挡管（或170旁路挡板可用钢板或扁钢制成，其厚度一般与折流板相同。旁路挡板嵌入折流板槽内，并与折流板焊接。壳体公称直径DN≤500mm时，增设一对旁路挡板；

DN=500mm时，增设二对挡板；

DN≥1000mm时，增设三对旁路挡板。69旁路挡板可用钢板或扁钢制成，其厚度一般与171b、挡管图6-26挡管结构防止管间短路；分程隔板槽背面两管板之间设置两端堵死的管子，即挡管；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。挡管每隔3～4排换热管设置一根，但不设置在折流板缺口处70b、挡管图6-26挡管结构防止管间短路；172隔板与挡管71隔板与挡管173c.中间挡板中间挡板图6-27中间挡板U形管束中心部分存在较大间隙，防止管间短路；中间挡板一般与折流板点焊固定；中间挡板的数量:DN≤500mm时，设置1块挡板；

500mm<DN<1000mm时，设置2块挡板；

DN≥1000mm时，设置不少于3块挡板。72c.中间挡板中间挡板图6-27U形管束中心部分存在较大174五、壳程分程根据工艺设计要求，或为增大壳程流体传热系数，也可将换热器壳程分为多程的结构。73五、壳程分程根据工艺设计要求，1758管板设计一、管板设计的基本考虑二、管板设计思路三、薄管板设计748管板设计一、管板设计的基本考虑二、管板设计思路三、薄176各国的管板设计公式尽管形式各异，但其大体上是分别在以下三种基本假设的前提下得出的：（1）将管板看成周边支承条件下承受均布载荷的圆平板，应用平板理论得出计算公式。考虑到管孔的削弱，再引入经验性的修正公式。（2）将管子当作管板的固定支撑而管板是受管子支撑着的圆平板。管板的厚度取决于管板上不布管区的范围。实践证明，这种公式适用于各种薄管板的计算。（3）将管板视为在广义弹性基础上承受均布载荷的多孔圆平板，既把圆平板简化为受到规则排列的管孔削弱、同时又被管子加强的等效弹性基础上的均质等效圆平板。75各国的管板设计公式尽管形式各异，但其大体上是分别在以下三177一、管板设计的基本考虑

假设：把实际的管板简化为承受均布载荷、放置在弹性基础上且受管孔均匀削弱的当量圆平板。GB151《管壳式换热器》76一、管板设计的基本考虑假设：GB151《管壳式换热178a.管束对管板挠度的约束作用，但忽略管束对管板转角的约束作用77a.管束对管板挠度的约束作用，但忽略管束对管板转角的约束179布管区不布管区b.管板周边不布管区对管板应力的影响按其面积简化为圆环形实心板管板边缘的应力下降管板靠近中央部分的布管区靠近周边处较窄的不布管区78布管区不布管区b.管板周边不布管区对管板应力的影响按其面180c.不同结构形式的换热器,管板边缘有不同形式的连接结构，根据具体情况，考虑壳体、管箱、法兰、封头、垫片等元件对管板边缘转角的约束作用；

(不同连接结构，设计步骤有所不同)a型b型c型d型e型f型79c.不同结构形式的换热器,管板边缘有不同形式的连接结构181d.管板兼作法兰时，法兰力矩的作用对管板应力的影响e型f型80d.管板兼作法兰时，法兰力矩的作用对管板应力的影响e型f182假设：把实际的管板简化为承受均布载荷、放置在弹性基础上且受管孔均匀削弱的当量圆平板。a.管束对管板挠度的约束作用，但忽略管束对管板转角的约束作用b.管板周边不布管区对管板应力的影响：将管板划分为两个区，即靠近中央部分的布管区和靠近周边处较窄的不布管区。通常管板周边部分较窄的不布管区按其面积简化为圆环形实心板。由于不布管区的存在，管板边缘的应力下降；c.不同结构形式的换热器，管板边缘有不同形式的连接结构，根据具