机械设计课件-列管换热器结构设计

列管换热器结构设计返回第一节列管式换热器零部件的工艺结构设计一、分程隔板二、折流板或支承板三、拉杆、定距管四、旁路挡板、防冲板五、接管六、管板结构尺寸一、分程隔板在换热器中，要提高流体的给热系数，常采用隔板来增加程数以提高流体速度。（一）管程分程隔板管程分程隔板是用来将管内流体分程，一个管程意味着流体在管内走一次，管程分程隔板装置在管箱内，根据所需分的程数的不同有不同的组合，应使各程管子数目大致相等，形式要简单，焊缝尽量少，密封长度要短，温度不超过280C左右为宜。1、分程隔板结构分程隔板应采用与封头、管箱短节同等材

料、除密封面外，应满焊于管箱上。设计时要求管箱隔板的密封面与管箱法兰密封面，管板密封面与分程槽面必须处于同一几基面。结构如图4-1。2、分程隔板厚度及有关尺寸当承受脉动流体或隔板压差很大时，隔板的厚度应适当增厚，当厚度大于10mm的分程隔板，在距端部15mm处开始削成楔形，使端部保持10mm。（二）纵向隔板在壳侧介质流量较小的情况下，在壳程内安装一平行于传热管的纵向隔板。如图4-2防止短路的方式：如图4-3所示：(a)为隔板直接与筒体内壁焊接，但必须考虑到焊接的可能性；（b）纵向隔板插如导向槽中；(c)、(d)分别是单双向条形密封，防止间隙短路，对于需要将管束经常抽出清洗者，采用此结构。管板与隔板的连接形式

如图(a)为隔板与管板焊接，(b)是隔板用螺栓联接在焊于管板的角铁上的可拆结构.(三)分割流板在壳体上有对称的两个进口及一个出口时如图中J型壳体。二折流板或支撑板几种常见的折流板形式见图4-5所示。(一)弓形折流板的主要几何参数弓形折流板引导流体以垂直向横过管束，能提供高度的湍动和良好的传热主要几何参数是切口尺寸h和挡板间距B。在上述原则下确定的尺寸不是绝对的，应考虑制造、安装及实际情况进行圆整及调节为适于工程上尺寸。切口高度h按20%（或25%）Di确定后还考虑折流板制造中，可能产生的管口变形。间距B=（1/5～1）Di之间确定、从最小50mm起按

50mm，100mm，200mm，300mm，450mm，600mm圆整。由工艺条件决定管内流体给热系数αi很小而管外

α0又很大时，这时就没有必要通过减少间距B来提高壳程的给热系数α0折流板一般应使靠近管板的第一块或最后一块折流板尽可能靠近壳程进、出口接管靠近管板的折流板与管板间距离如图4-7所示（二）弓形折流板排列方式确定（图4-8）水平切口（图a、b，缺口上下布置）垂直切口（图c，缺口左右布置）倾斜切口（图4-5a，缺口倾斜布置）双弓形缺口与双弓形板交替（图4-5b）（三）折流板与壳程间隙折留板与壳程间隙依据制造安装调节，

在保证顺利的装入前提下，越小越好，一

般浮头式和U型管式换热器可允许比固管板式大1mm，折流板外圆直径和下偏差见表4-2。（四）折流板厚度折流板厚度与壳体直径、换管无支承长度有关，其数值不得小于表4-3规定。（五）折流板的管孔折流板的管孔直径与公差按GB151规定：Ⅰ级换热器，管孔直径与允许差按表4-4规定；Ⅱ级换热器按表4-5规定。管孔中心距折流板上管孔中心距见表4-7，公差为相邻两孔±0.03，任意两孔Ⅳ±1.00mm。管孔加工折流板上管孔加工后两端必须倒角0.5×450（六）支持板换热器壳程介质为相变时，无需设置折流板；换热器无支承跨距超过表4-6规定时，应设置支持板；浮头式换热器浮头端必须设置支持板，支持板可采用加厚的环板。螺纹与焊接相结合定距螺栓拉杆如图4-9（a）如图4-9（e）三、拉杆、定距管（一）拉杆的结构形式采用全焊接方法如图4-9（c）。拉杆定距管结构最常见的形式如图4-9拉杆的结构形式（图4-9）（二）拉杆直径、数量和尺寸

1.拉杆直径和数量按表4-7和表4-8选取

2.拉杆尺寸按图4-10和表4-9决定

3.拉杆布置应尽量均匀布置在管束的外边缘四、旁路挡板、防冲板（一）旁路档板主要作用：为防止壳程物料从这些旁路大量短路在管边缘的适当位置安装旁路挡板和在分程部位的适当的地方安装假管或带定距管的拉杆来增大旁路的阻力迫使物料通过管束进行换热。（二）防冲板1.防冲板的用途及其设置条件用途：为了防止壳程物料进口流体对换热管表面的直接冲刷，引起侵蚀及振动。设置条件：对有腐蚀或磨蚀的气体和蒸汽应设置防冲板。对于流体物料，当其值超过下列值，设置防冲板。①非腐蚀、非磨蚀的单相流体ρv2>2230kg/m.s2②其他流体、包括沸点下的流体，其中ρv2>740kg/m.s2防冲板的安装形式（图4-15）五、接管

1.接管的一般要求：接管不应凸出壳体内表面。接管应尽量沿径向或轴向布置。设计温度在3000C以上时，用整体法兰。对利用接管仍不能放气和排液，应设置放气口。操作允许时，接管与外部管线的连接也可采用焊接。必要时可设置温度计接口、压力表及液面计接口。2接管直径的确定管径的选择取决于：1）适宜的流速处理量，

2）结构协调，3）强度要求在选取时常综合考虑如下几种因素：使接管内的流速为相应管、壳程流速的

1.2～1.4倍。在压降允许的条件下，使接管内流速为下值：管程接管壳程接管ρv2〈3300kg/m.s2ρv2

〈2200kg/m.s2（3）管、壳程接管内的流速参考表4-10、表4-11选取。3.接管高度确定一般应符合下式计算值式中h—接管法兰厚度，mm；h1—接管法兰的螺母厚度，mm；—保温层厚度，mm；—接管安装高度。上述估算后，应圆整到标准尺寸。4.接管位置最小尺寸如图4-16带补强圈

L1≥B/2+（b-4）+C；无补强圈

L1≥

d0/2+（b-4）+C；管箱接管最小尺寸见图4-17按下式估算：带补强圈L2≥B/2+hf+C；无补强圈L2≥d0/2+hf+C5.接管法兰的要求：凹凸或榫槽密封面的法兰，密封面向下，一般应设计成凸面或榫面，其他朝向，则设计成凹面或榫面。接管法兰螺栓通孔不应和壳程主轴中心线相重合。6.排气、排液管排液的换热器应在壳程的最高，最低点，分别设置排气、排液接管排气、排液接管的端部必须与壳体或管结构箱壳体内壁齐其结构如图4-18、4-19。六、管板的结构尺寸一、传热管与管板的连接二、管板与壳体及管箱的连接三、管箱第二节列管式换热器机械结构设计一、传热管与管板的连接造成连接处破坏的原因主要有：高温下应力松弛而失效间隙腐蚀破坏疲劳破坏由于热补偿不好引起的破坏管子与管板的连接形式：强度胀接、强度焊接与胀焊接混合结构。应满足以下两个条件：连接处保证介质无泄漏的充分气密性；承受介质压力的充分结合力。（一）管板与壳体的连接常见的连接形式如下延长部分兼作法兰的管板不带法兰的管板(二)管板与管箱的连接多数是靠法兰的连接,形式很多,随着温度,压力及耐腐蚀情况不同而异.1.固定管板式换热器与管箱的连接二、管板与壳体及管箱的连接2.

浮头式、填料函式、u行管式换热器和浮式重沸器管板与管箱、壳体的连接可拆式换热器的管板形式：

图4-34(a)的形式，用得较多；图4-34（b）的形式适用于管程序需要经常清洗的场合；图4-34（d）的形式适用于两承压力相差较大的场合；图4-34(e)、(f)两种形式用在管程压力与壳程压力相差较大而需要不同密封形式螺柱结构的场

合。管箱的作用:把管道来的管程流体均匀分布到各热管和把管内流体汇集在一送出换热器(一)管箱结构形式及应用管箱结构形式如图3-1。A型B型封头管箱型C型、型管箱多管程换热器的介质返回管箱见图3-1中后段结构形式适所列的形式或图4-35。单程换热器管箱三、管箱（二）管箱结构尺寸确定管箱法兰通常用长颈法兰和平焊法兰。管箱要确定的尺寸主要是管箱长度。1.管箱最小长度（1）管箱最小长度的确定原则：①单程管箱采用周向接管时，最小长度应大于或等于接管内的1/3，如图4-35(d)。②多程管箱，最小流通面积应大于或于其中一程的管内流通面积的1/3倍。③管箱上各相邻焊缝间距必须大于或等于

4s，且应大于或等于50mm，其中s为管箱壁。（2）管箱最小长度计算管箱最小长度计算涉及几何尺寸见图。A型管箱

见图4-35（a)，按流通面积计算式中，E值按表选取按各相邻焊缝之间距离计算：管箱最小长度

取

和中的较大值。B型管箱见图4-35(b)按流通面积计算式中E值按表4-21选取按各相邻焊缝间的距离计算管箱最小长度

取

和

中的较大值多程返回管箱，见图4-35，按流通面积算。2.管箱最大长度确定方法：在与换热器轴线垂直的平面上，按图4-36所示范围确定出角α的范围一、法兰选用二、垫片

三、膨胀节第三节其他结构设计1.法兰的形式结构形式为：平焊法兰及对焊法兰。法兰的密封形式：平面、凹凸面和榫曹面。法兰的结构形势和密封面形式，应根据使用质、设计压力、设计温度、公称直径等因素定。一、法兰选用2.标准法兰的选用

标准法兰有：

JB4701甲型平焊法兰JB4702JB4703乙型平焊法兰长颈对焊法兰法兰标准有：GB9112~9125。新的（容器）提出压力容器应优先推荐采

HG20592~

20614以及HG20615~

20635换热器的接管法兰一般应选用管法兰，至于选用哪一种标准，根据布管要求来选定设备垫片标准有：

JB4704非金属软垫片JB4705JB4706缠绕垫片

金属包垫片垫片结构垫片尺寸垫片的选择二、垫片膨胀节依靠易变形的挠性构件对管子与壳体的热膨胀差进行补偿，以此来缓解或降低壳体与管子因温差而引起的温差应力。1.结构形式：波形膨胀节（U型膨胀节）平板膨胀节Ώ形膨胀节夹壳膨胀节三、膨胀节2.膨胀节设置必要性判断通过计算由温差产生轴向力和压力产生轴向力共同作用，得到：换热管最大应力壳体最大应力

及管子拉脱力当或或时应设置膨胀节。

3.强度计算包括：(1)温差引起的轴向力计算补偿量的计算膨胀节疲劳寿命计算（一）立式支座公称直径的立式换热器,至少采用两个支座。公称直径的立式换热器，采用四个支座。支座在换热器上的位置，根据工艺安装的要求确定。立式支座的尺寸和要求，按JB/T4725B型、BN型悬挂式支座规定。（二）卧式支座四、支座一、管板强度计算简介二、壳体、封头强度计算三、法兰、浮头盖、钩圈第四节列管式换热器机械设计一、管板强度计算简介把管板当作承受均布载荷且放置在弹性基础上

的圆板，计入孔削弱的影响，计算最大弯曲应力。把管板当作孔承受均布载荷的圆板计入孔削弱的影响，根据强度理论计算其最大弯曲应力，而把边缘支承情况分为简支和固支。把管板简化为四管简支的棱形面积受均布载荷用弹性理论校核最大弯曲应力。按弹性理论为基础的极限载荷法，求最大弯曲应力。下面介绍几种常方法。（一）B.S法（二）管板TEMA设计法适于浮头，填料函，U型管式及带膨胀节的固定板式换热器。管板的设计应满足：必需的弯曲强度必需的剪切强度胀接所必需的管板厚度。设计管板厚度应以以上三者中最大的值，然后加上厚度附加量。（三）管板厚度表的使用表4-30为常用的延长部分兼作法兰的管板厚度表。表中计算条件有以下几条：（1）换热管材料10号钢[σ]=108MPa管板材料16Mn[σ]＝

147MPa实际温度为2000C壳体、管箱短节的纵向焊缝系数为换热管与管板采用帐接连结，对6.4MPa及带*者，采用焊接。在选用厚度后，仍需对管子与管板拉脱力进行校核。采用以下过程校核。1.管、壳壁差擦引起的拉脱力管子上热应力在热应力下每平方厘米连接周边上产生的拉脱力2.操作压力引起的拉脱力式中P——可比与管壁温差影响产生的力，Nqt，qp——热应力，操作压力产生拉脱力，MPadi，d0——传热管内、外径，mmft——管程金属截面积，mm2p——操作压力，MPaf——每四根管子之间管板面积，mmt—