管殼式換熱器

第六章管殼式換熱器的機械設(shè)計（MechanicalDesignofShellandTubeHeatExchanger）6.1概述換熱器是工業(yè)部門廣泛應(yīng)用的通用工藝設(shè)備。根據(jù)不同的目的，換熱器可以是熱交換器（Heatexchanger）、加熱器（Heater）、冷卻器（Cooler）、蒸發(fā)器（Evaporator）、冷凝器（Condenser）等，結(jié)構(gòu)型式也多種多樣，常用的換熱器有板式換熱器（Plateheatexchanger）、管殼式換熱器（Shellandtubeheatexchanger）。管殼式換熱器又稱列管式換熱器。管殼式換熱器具有處理能力大適應(yīng)性強，可靠性高，設(shè)計和制造工藝成熟，生產(chǎn)成本低，清洗較為方便等優(yōu)點，是目前生產(chǎn)中最為廣泛使用的一種換熱設(shè)備。管殼式換熱器的設(shè)計和選用除了滿足規(guī)定的化工工藝條件外，還需滿足下列各項基本要求：（1）換熱效率高；（2）流體流動阻力小，即壓力降小；（3）結(jié)構(gòu)可靠，制造成本低；（4）便于安裝、檢修。6.1.1管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)及主要零部件換熱器構(gòu)件名稱6.1.2管殼式換熱器的分類（ClassificationofShellandTubeHeatExchanger）管殼式換熱器種類很多，根據(jù)換熱器所受溫差應(yīng)力以及是否采用溫差補償裝置，分為剛性結(jié)構(gòu)和具有溫差補償?shù)膬深?。常用的管殼式換熱器有固定管板式，浮頭式，填函式和U型管式。1、固定管板式換熱器（Fixedtubeheatexchanger）固定管板式換熱器分為剛性結(jié)構(gòu)的固定管板式和帶膨脹節(jié)的固定管板式兩種。換熱器殼體和管束通過兩端的管板剛性地連在一起。固定管板式換熱器帶膨脹節(jié)的固定管板式換熱器優(yōu)點：換熱器結(jié)構(gòu)簡單、造價低，每根管子都能單獨更換，管內(nèi)便于清洗缺點：管外清洗困難，管殼間有溫差應(yīng)力存在。當兩種介質(zhì)溫差較大時，必須設(shè)置膨脹節(jié)。固定管板式換熱器適用于殼程介質(zhì)清潔、不易結(jié)垢、溫差不大和殼程壓力不高的場合。2、浮頭式換熱器（Floatingheadheatexchanger）浮頭式換熱器中只有一塊管板與殼體剛性固定在一起，另一端的管板可在殼體內(nèi)自由移動。管束和殼體在不同溫度下膨脹自由，互不牽連。優(yōu)點：這種換熱器消除了溫差應(yīng)力的影響，可用于溫差較大的兩種介質(zhì)的換熱。管程和殼程均能承受較高的介質(zhì)壓力。管束可從殼程一端抽出，殼程與管程的清洗均很方便。缺點：由于換熱器管束與殼程之間存在較大的環(huán)隙，設(shè)備的緊湊性差，傳熱效率較低。結(jié)構(gòu)復(fù)雜，浮頭部分由活動管板、浮頭蓋和勾圈組成，浮頭處發(fā)生內(nèi)漏不便檢查。金屬消耗量大，造價也較高。浮頭式換熱器3、填函式換熱器（Fillfunctionheatexchanger）填函式換熱器的浮頭與殼體間采用填料函進行密封和熱補償。優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，造價較浮頭式低。檢修、清洗容易，填函處的泄漏能及時發(fā)現(xiàn)。缺點：殼程受到填料密封的限制，不能承受過高的壓力和溫度。且殼程內(nèi)介質(zhì)有外漏的可能，殼程內(nèi)不宜處理易揮發(fā)、易燃、易爆、有毒的介質(zhì)。為減少管束與殼體之間的環(huán)隙，可采用滑動式管板結(jié)構(gòu)。填函式換熱器4、U型管式換熱器（U-tubeheatexchanger）換熱器的管束彎成U型，U型管兩端固定在同一塊管板上，在管箱中加有一塊隔板。U型管式換熱器優(yōu)點：換熱器只有一塊管板，結(jié)構(gòu)簡單，造價便宜。管束可以抽出清洗，管子可以自由膨脹。缺點：管內(nèi)不便清洗，管板上布管少，結(jié)構(gòu)不緊湊。管外介質(zhì)易短路，影響傳熱效果。內(nèi)層管子損壞后不易更換。U型管式換熱器主要用于管內(nèi)清潔而不結(jié)垢的高溫、高壓介質(zhì)。殼層介質(zhì)適應(yīng)性強，常用于高壓、高溫、粘度較大的場合。6.1.3管殼式換熱器機械設(shè)計內(nèi)容管殼式換熱器的設(shè)計，首先根據(jù)化工生產(chǎn)工藝條件的要求，通過化工工藝計算，確定換熱器的傳熱面積，同時選擇管徑。管長，確定管數(shù)、管層數(shù)和殼層數(shù)，然后進行機械設(shè)計。機械設(shè)計包括：（1）殼體直徑的決定和殼體厚度的計算；（2）換熱器封頭選擇，壓力容器法蘭選擇；（3）管板尺寸確定；（4）折流板的選擇與計算；（5）管子拉脫力的計算；（6）溫差應(yīng)力計算。6.2管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計（ShellandTubeHeatExchangerDesign）6.2.1管子的選用（Selectionofpipe）1、管子直徑的選擇（Choiceofpipediameter）換熱管直徑的確定要考慮管內(nèi)介質(zhì)的物性和管內(nèi)流速、流量。為了提高傳熱效率，通常要求管內(nèi)流體呈湍流，故一般要求管徑較??；而且采用小直徑的管子，換熱器單位體積的換熱面積大些，設(shè)備較緊湊。但制造較麻煩，容易結(jié)垢，不易清洗，適用于較清潔的流體。粘度大或污濁的流體，宜選用大直徑的管子。常用的碳鋼和低合金鋼無縫鋼管的規(guī)格有?19×2、?25×2.5、

?32×3、

?38×3、不銹鋼常采用?25×2、?38×2.5。

2、管子材料的選擇（Choiceofpipematerial）管子材料應(yīng)根據(jù)設(shè)計壓力、溫度、介質(zhì)的腐蝕等條件來選擇，在滿足以上條件的前提下，盡量選擇導(dǎo)熱性能好的材料，對于一般介質(zhì)，可選用普通碳素鋼，特別是10、20號無縫鋼管。3、管子長度的選擇（Choiceofpipelength）管子長度主要根據(jù)工藝計算和整個換熱器的幾何尺寸的布局來確定，管子越長，換熱器單位材料消耗越低。但管子不能太長，否則對流體產(chǎn)生較大阻力，維修、清洗、運輸、安裝都不方便，管子本身受力也不好。常用管長規(guī)格為1.5、2、2.5、3、4.5、5、6、7.5、9、12m等。4、管子型式的選擇（Choosethetypeofpipe）管子一般都用光管，因為其結(jié)構(gòu)簡單、制造方便，但它強化傳熱的性能不足。為了強化傳熱，可選用特殊型式的管子：a）扁平管b）橢圓管c）凹槽扁平管d）波紋管幾種異形管a）焊接外翅片管b）整體式外翅片管c）鑲嵌式外翅片管d）整體式內(nèi)外翅片管縱向翅片管徑向翅片管螺紋管6.2.2管子與管板的連接（ConnectionofTubeandTubePlate）管子與管板間的連接是管殼式換熱器設(shè)計和制造中的主要問題之一。要求連接處有足夠的結(jié)合力，工作時氣密性要好。常用的連接方法有脹接、焊接和脹焊結(jié)合。1、脹接（Expansion）脹接是利用脹管器擠壓伸入管板孔中的管子端部，使管子發(fā)生塑性變形，管板孔同時產(chǎn)生彈性變形。當取掉脹管器后，管板孔彈性收縮，管板與管子間就產(chǎn)生一定的擠緊壓力而緊密地貼在一起，達到密封、緊固、連接的目的。缺點：脹接結(jié)構(gòu)隨溫度的升高，管子或管板材料會產(chǎn)生高溫蠕變，使接頭處應(yīng)力松弛或逐漸消失，使連接處發(fā)生泄漏，造成連接失效。因此脹接結(jié)構(gòu)只適用于溫度不超過300℃、壓力不超過4MPa的場合。采用脹接型式，管板的硬度必須高于管端硬度。通常對管端作退火處理，以降低其硬度后進行脹接。同時為提高管子與管板的連接質(zhì)量，也可在管板孔內(nèi)開一個或二個環(huán)形槽。脹接長度?。?）兩倍換熱管外徑；（2）50mm；（3）管板厚度減3mm三者中的最小值。脹管前后的示意圖管板孔內(nèi)開環(huán)形槽2、焊接（Welding）管子與管板間采用焊接連接優(yōu)點：連接結(jié)構(gòu)簡單、適用范圍廣；管板的加工要求低、生產(chǎn)過程簡單、生產(chǎn)效率高；管子與管板選材要求簡化、管端不須退火；在壓力不高的場合可使用較薄的管板。缺點：焊接接頭處產(chǎn)生的熱應(yīng)力可能造成應(yīng)力腐蝕和破裂；管子與管板間存在著間隙，這些間隙中的介質(zhì)會形成死區(qū)，造成間隙腐蝕。焊接間隙管板孔上不開坡口管板孔上開60°坡口管子頭部不突出管板孔的四周開溝槽3、脹焊并用（ExpansionandWelding）由于單獨采用脹接或單獨采用焊接均有一定的局限性，為此出現(xiàn)了脹接加焊接的型式。根據(jù)加工次序可分為：先脹后焊和先焊后脹兩種形式。采用這種連接結(jié)構(gòu)可以消除間隙，增加抗熱疲勞的性能，適用于高溫、高壓的換熱設(shè)備。6.2.3管板結(jié)構(gòu)（TubePlateStructure）1、管子在管板上的排列（Arrangementoftube）管殼式換熱器的管子在管板上的布置不單只考慮設(shè)備的緊湊性，還要考慮流體的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計以及加工制造方面的情況。常用正三角形排列、轉(zhuǎn)角三角債排列、正方形排列、轉(zhuǎn)角正方形排列。正三角形排列的管子當殼程為清潔、不結(jié)垢的流體時，宜選用正三角形排列。殼程流體粘度較大或易結(jié)垢需定期清洗殼程時，一般采用正方形排列。多程換熱器，常采用正三角形和正方形組合排列方法，以便安排隔板位置。對于直徑較大、管子較多，按正三角形排列管子總數(shù)超過127根時必須在管束周圍的弓形空間盡量再配置附加換熱管。正方形排列的管子組合排列法2、管間距（Tubespacing）管板上兩換熱管中心的距離稱為管間距。確定管間距既要考慮結(jié)構(gòu)緊湊性、傳熱效率，又要考慮管板強度和清洗空間以及管子在管板上固定的影響。對于正三角形排列，管間距應(yīng)大于等于管子直徑的1.25倍，且不小于d0+6mm。最外層換熱管的管壁與殼體內(nèi)壁間的距離不得小于10mm。換熱管中心距(mm)3、管板受力及其設(shè)計方法列管式換熱器的管板一般采用平管板，在圓平板上開孔裝設(shè)管束，管板又與殼體相連。管板所受的載荷除管程與殼程壓力之外，還承受管壁與殼壁的溫差引起的變形不協(xié)調(diào)而產(chǎn)生的溫差應(yīng)力。影響管板應(yīng)力大小有以下因素：（1）管板自身的直徑、厚度、材料強度、使用溫度等對管板應(yīng)力有顯著的影響。（2）管束對管板的支撐作用。（3）管孔對管板強度和剛度削弱的影響。（4）管板周邊支承形式的影響。（5）溫度對管板的影響。我國《管殼式換熱器》（GB151-1999）采用以下的設(shè)計方法進行管板厚度計算：將管束當作彈性支承，而管板則作為放置于該彈性基礎(chǔ)上的圓平板，然后根據(jù)載荷大小、管束的剛度及周邊的支撐情況來確定管板的彎曲應(yīng)力并進行強度計算。通常可以根據(jù)管板的公稱壓力從《鋼制列管式固定管板換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊》中直接查取管板的尺寸。6.2.4管板與殼體的連接結(jié)構(gòu)（Connectingoftubeplateandshell）管殼式換熱器管板與殼體的連接結(jié)構(gòu)分為可拆式和不可拆式兩大類。固定管板式換熱器的管板和殼體間采用不可拆的焊接連接，而浮頭式、U型管式和填函式換熱器的管板與殼體間需采用可拆結(jié)構(gòu)。1、固定管板式換熱器管板與殼體的連接兼作法蘭時管板與殼體的連接結(jié)構(gòu)不兼作法蘭時管板與殼體的連接結(jié)構(gòu)2、浮頭式、U型管式和填函式換熱器的管板與殼體的連接由于浮頭式、U型管式和填函式換熱器的管束要從殼體中抽出，以便進行清洗，故需將管板做成可拆連接。管板與殼體可拆結(jié)構(gòu)6.2.5管箱與管程分程（Tubeboxandtubesplit）1、管箱與分程隔板換熱器管內(nèi)流體進出口的空間稱為管箱。管箱位于換熱器的兩端，將介質(zhì)均勻地分布到各換熱管中，或?qū)⒐軆?nèi)流體匯集后輸送出來。為了便于清洗、檢修管子，管箱應(yīng)采用可拆結(jié)構(gòu)。固定管板換熱器是利用管箱來實現(xiàn)管束分程。在換熱器一端或兩端管箱內(nèi)分別安置一定數(shù)量的隔板，將換熱器做成多管程。分程隔板有單層和雙層兩種。單層隔板與管板的密封雙層隔板與管板的密封2、管程分程管程分層布置，盡量做到各程的流速基本相同，使各程管數(shù)大致相等。常用的管程數(shù)有1、2、4、6、8、10、12等。常用管程分程圖6.2.6擋板與導(dǎo)流筒（Baffleanddrafttube）殼程接管的結(jié)構(gòu)設(shè)計直接影響換熱器的傳熱效率與使用壽命。當介質(zhì)為蒸氣或高速流體進入殼程時，入口處的管子將受到很大沖擊，甚至發(fā)生震動。為了保護管束，通常在入口處設(shè)立導(dǎo)流筒或擋板。導(dǎo)流筒還可以使加熱蒸氣或流體從靠近管板處進入管間，充分利用傳熱面積。導(dǎo)流筒擋板6.2.7折流板和支撐板（Baffleandsupportplate）折流板的作用是提高殼程內(nèi)液體速度和加強湍流程度，同時還起支撐換熱管的作用。折流板和支撐板的常用形式有弓形、圓盤-圓環(huán)形和帶扇形切口三種。弓形折流板圓盤-圓環(huán)形折流板帶扇形切口的折流板折流板和支撐板的固定是通過拉桿和定距管來實現(xiàn)的。拉桿是一根兩端皆有螺紋的長桿，一端擰入管板，折流板就穿在拉桿上，各板之間則以套在拉桿上的定距管來保持板間距離，最后一塊折流板可用螺母擰在拉桿上予以固定。折流板的組裝6.3管殼式換熱器的強度計算（Strengthdesingofshellandtubeheatexchanger）換熱器除了滿足工藝要求外，還要滿足強度要求。換熱器作為受壓容器，它既具有與一般容器相同的結(jié)構(gòu)，又有一般容器所沒有的結(jié)構(gòu)，如管板、管子、膨脹節(jié)等。因此，管殼式換熱器的強度計算包括兩部分內(nèi)容：第一部分是殼體、法蘭、開孔及支座等，與一般容器相同；第二部分為換熱器特有的強度計算，包括管板的強度設(shè)計、管子拉脫力的計算、膨脹節(jié)的設(shè)計等。6.3.1溫差應(yīng)力（Thermalstress）由于材料、溫度等的不同，固定管板式換熱器中的殼體與管子的自由伸長量也會不同。但由于是殼體與管子剛性連接的，它們的伸長互相制約而產(chǎn)生附加應(yīng)力，這種應(yīng)力稱為溫差應(yīng)力，又稱熱應(yīng)力。管子和殼體中的溫差軸向力為：在管子及殼體中的溫差應(yīng)力為：式中：，分別為管子和殼體材料的溫度膨脹系數(shù)，1/℃；

t0

安裝時的溫度，℃；

tt

，ts

分別為操作狀態(tài)下管壁溫度和殼壁溫度，℃；

Et，Es

分別為管子和殼體材料彈性模量，MPa；

At，As

分別為換熱管總截面積和殼壁橫截面面積，mm2。殼體與管子的膨脹與壓縮6.3.2管子拉脫力的計算（Calculationofpipepulloutforce）換熱器在操作中，承受流體壓力和管殼壁溫差應(yīng)力的共同作用，在管子與管板的連接接頭處產(chǎn)生一個拉脫力，使管子與管板有脫離的傾向。拉脫力的定義是管子每平方米脹接周邊上所受到的力，單位為帕（Pa）。對于管子與管板是脹接的接頭，拉脫力有可能引起接頭處密封性的破壞或使管子拉脫。為保證管端與管板牢固地連接和良好的密封性能必須進行拉脫力的校核。在操作壓力作用下，每平方米脹接周邊所受到的力：式中：

p

設(shè)計壓力，取管程壓力pt和殼程壓力ps而者中的較大值，MPa；

d0

管子外徑，mm；

l

管子脹接長度，mm；

f

每四根管子之間的面積，mm2。管子成三角形排列時：管子成正方形排列時：其中a為管間距，mm。管子之間的面積在溫差應(yīng)力作用下，管子每平方米脹接周邊所產(chǎn)生的力：式中：

管子中的溫差應(yīng)力，MPa；

at

每根管子管壁橫截面積，mm2；

di

管子的內(nèi)徑，mm。根據(jù)溫差和壓力產(chǎn)生的管子周邊力方向的不同進行組合得到管子的拉脫力，要求其小于許用拉脫力。許用拉脫力（MPa）6.3.3膨脹節(jié)（ExpansionJoint）1、膨脹節(jié)的型式固定管板式換熱器需溫度補償時，常在殼壁上裝上一個或多個波形膨脹節(jié)的撓性元件對殼、管的變形進行補償，以消除或減小不利的溫差應(yīng)力。在換熱器中采用的膨脹節(jié)有三種型式：平板焊接膨脹節(jié)、波形膨脹節(jié)和夾殼式膨脹節(jié)。平板焊接膨脹節(jié)結(jié)構(gòu)簡單、便于制造，但只適用于常壓和低壓的場合；夾殼式膨脹節(jié)可用于壓力較高的場合；最常用的膨脹節(jié)為波形膨脹節(jié)，也可采用多波膨脹節(jié)。平板焊接膨脹節(jié)波形膨脹節(jié)夾殼式膨脹節(jié)2、必須設(shè)置膨脹節(jié)的條件

《鋼制管殼式換熱器設(shè)計規(guī)定》中要求：若滿足以下條件之一者，必須設(shè)置膨脹節(jié)（1）；（2）；（3）且；（4）管子拉脫力殼體和管子中的應(yīng)力按下式計算：式中，F(xiàn)1為由殼體和管子之間的溫差所產(chǎn)生的軸向力，N；

F2由于殼程和管程壓力作用于殼體上的軸向力，N；其中，

F3由于殼程和管程壓力作用于管子上的軸向力，N；6.4管殼式換熱器設(shè)計與型號選擇（DesignandModelSelectionofShellandTubeHeatExchanger）6.4.1固定管板式換熱器的計算（Calculation

of

fixedtubeplateheatexchanger）列管式換熱器的設(shè)計與選擇是在工藝計算的基礎(chǔ)上進行的，其計算步驟如下：1.根據(jù)兩種介質(zhì)的流量、進出口溫度、操作壓力等算出換熱器所需傳遞的熱量。2.根據(jù)介質(zhì)的性質(zhì)（濃度、粘度、腐蝕性能）選擇合適的材料；3.根據(jù)流量、壓力、溫度、介質(zhì)性質(zhì)、傳遞熱量大小以及制造、維修方便等因素選擇換熱器的結(jié)構(gòu)型式；4.確定換熱器的流程（一般為1～12程）和流向（并、逆、錯流）及管、殼程分別走何種介質(zhì)；5.計算出所需換熱面積，初步確定管徑、管子數(shù)、管程數(shù)、管長和殼體直徑等尺寸，并根據(jù)這些尺寸校核流體阻力，最后按標準選用換熱器型號或按GB151進行換熱器的設(shè)計。6.4.2固定管板式換熱器的選擇換熱面積的計算殼體公稱直徑：DN為159、273、325的殼體采用無縫鋼管；DN400、500、600、800、1000、1200、1400、1600、1800等采用鋼板卷焊而成。殼體厚度按