化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)-第3篇 典型化工設(shè)備的機(jī)械設(shè)計(jì)(第七章 管殼式換熱器的機(jī)械設(shè)計(jì))課件

第三篇典型化工設(shè)備的機(jī)械設(shè)計(jì)換熱器攪拌設(shè)備塔設(shè)備1第三篇典型化工設(shè)備的機(jī)械設(shè)計(jì)換熱器攪拌設(shè)備塔設(shè)備122334455教學(xué)重點(diǎn)（1）固定管板式換熱器的基本結(jié)構(gòu)（2）典型管殼式換熱器的選型教學(xué)難點(diǎn)：管、殼程的分程及隔板第七章管殼式換熱器的機(jī)械設(shè)計(jì)6教學(xué)重點(diǎn)第七章管殼式換熱器的機(jī)械設(shè)計(jì)6第一節(jié)換熱器概述一、定義

換熱器是用來完成各種不同傳熱過程的設(shè)備。

1、如：開水鍋爐、水杯、冰箱、空調(diào)等。2、是許多工業(yè)部門廣泛應(yīng)用的通用工藝設(shè)備。通常，在化工廠的建設(shè)中，換熱器約占總投資的11％～40％。那么衡量一臺換熱器好壞的標(biāo)準(zhǔn)是什么呢？7第一節(jié)換熱器概述一、定義換熱器是用來完成3.可靠性滿足操作條件，強(qiáng)度足夠，保證使用壽命二、衡量標(biāo)準(zhǔn)2.合理性1.先進(jìn)性可制造加工，成本可接受傳熱效率高，流體阻力小，材料省

83.可靠性滿足操作條件，強(qiáng)度足夠，保證使用壽命二、衡量標(biāo)準(zhǔn)三、不同目的的換熱器

冷卻器（cooler）冷凝器（condenser）蒸發(fā)器（發(fā)生相變）（evaporator）加熱器（一般不發(fā)生相變）（heater）再沸器（reboiler）廢熱鍋爐（wasteheatboiler）9三、不同目的的換熱器冷卻器（cooler）冷凝器（cond四、換熱器的基本類型按傳熱方式或工作原理分類1、直接接觸式傳熱效果好，但不能用于發(fā)生反應(yīng)或有影響的流體之間圖7-1直接接觸式換熱器熱流體冷流體熱流體冷流體10四、換熱器的基本類型按傳熱方式或工作原理分類1、直接接觸式傳2、蓄熱式溫度較高的場合，但有交叉污染，溫度波動大圖7-2蓄熱式換熱器冷流體冷流體熱流體熱流體112、蓄熱式溫度較高的場合，但有交叉污染，溫度波動大圖7-2蓄3、間壁式重點(diǎn)——又稱表面式換熱器利用間壁（固體壁面）進(jìn)行熱交換。冷熱兩種流體隔開，互不接觸，熱量由熱流體通過間壁傳遞給冷流體。應(yīng)用最為廣泛，形式多種多樣，如管殼式換熱器、板式換熱器等123、間壁式重點(diǎn)——又稱表面式換熱器應(yīng)用最為廣泛，形式多種多樣對于間壁式換熱器，按間壁形狀進(jìn)一步分為(3)管殼式(1)管式(2)緊湊式螺旋板式、板式、板翅、傘板等排管、蛇管、套管重點(diǎn)下面我們來看一看管殼式換熱器的基本結(jié)構(gòu)13對于間壁式換熱器，按間壁形狀進(jìn)一步分為(3)管殼式(1)管式管殼式換熱器

14管殼式換熱器14圖7-3換熱器構(gòu)件名稱1-管箱(A,B,C,D型);2-接管法蘭;3-設(shè)備法蘭;4-管板;5-殼程接管;6-拉桿;7-膨脹節(jié);8-殼體;9-換熱管;10-排氣管;11-吊耳;12-封頭;13-頂絲;14-雙頭螺柱;15-螺母;16-墊片;17-防沖板;18-折流板或支承板;19-定距管;20-拉桿螺母;21-支座;22-排液管;23-管箱殼體;24-管程接管;25-分程隔板;26-管箱蓋根據(jù)我們前面學(xué)習(xí)的內(nèi)容，請同學(xué)們說說序號2、3、8、12、21各代表什么零件？15圖7-3換熱器構(gòu)件名稱1-管箱(A,B,C,D型);2-接固定管板式換熱器

浮頭式換熱器U形管式換熱器填料函式換熱器五、管殼式換熱器的分類

基本類型16固定管板式換熱器浮頭式換熱器U形管式換熱器填料函式換熱器五（一）固定管板式換熱器優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、能承受較高的壓力，造價(jià)低，管程清洗方便，管子損壞時(shí)易于堵管或更換。缺點(diǎn)：不易清洗殼程，殼體和管束中可能產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力。圖7-4固定管板式換熱器結(jié)構(gòu)三維圖17（一）固定管板式換熱器優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、能承受較高的壓力為減少熱應(yīng)力，通常在固定管板式換熱器中設(shè)置柔性元件（如膨脹節(jié)、撓性管板等），來吸收熱膨脹差。圖7-5帶膨脹節(jié)的固定管板式換熱器適用場合：適用于殼程介質(zhì)清潔，不易結(jié)垢，管程需清洗以及溫差不大或溫差雖大但是殼程壓力不大的場合。18為減少熱應(yīng)力，通常在固定管板式換熱器中設(shè)置柔性元件（如膨脹節(jié)（二）浮頭式換熱器優(yōu)點(diǎn)：管內(nèi)和管間清洗方便，不會產(chǎn)生熱應(yīng)力。缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)備笨重，造價(jià)高，浮頭端小蓋在操作中無法檢查。適用場合：殼體和管束之間壁溫相差較大，或介質(zhì)易結(jié)垢的場合。圖7-6浮頭式換熱器fts1.rmfts2.rm19（二）浮頭式換熱器優(yōu)點(diǎn)：管內(nèi)和管間清洗方便，不會產(chǎn)生圖7-7浮頭結(jié)構(gòu)溝圈與浮頭管板連接20圖7-7浮頭結(jié)構(gòu)溝圈與浮頭管板連接20U形管式換熱器21U形管式換熱器21U形管式換熱器22U形管式換熱器22動畫23動畫23（三）U形管式換熱器圖7-8

U型管式換熱器優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格便宜，承受能力強(qiáng)，不會產(chǎn)生熱應(yīng)力。缺點(diǎn)：布板少，管板利用率低，管子壞時(shí)不易更換。適用場合：特別適用于管內(nèi)走清潔而不易結(jié)垢的高溫、高壓、腐蝕性大的物料。24（三）U形管式換熱器圖7-8U型管式換熱器優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，（四）填料函式換熱器優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，加工制造方便，造價(jià)低，管內(nèi)和管間清洗方便。

缺點(diǎn)：填料處易泄漏。適用場合：4MPa以下，且不適用于易揮發(fā)、易燃、易爆、有毒及貴重介質(zhì)，使用溫度受填料的物性限制。填料函式密封圖7-9填料函式換熱器25（四）填料函式換熱器優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，加工制造方便，造價(jià)低，管（一）工藝計(jì)算

六、管殼式換熱器設(shè)計(jì)內(nèi)容

選型；確定管、殼程；通過化工工藝計(jì)算，確定換熱器的傳熱面積，同時(shí)選擇管徑、管長，決定管數(shù)、管程數(shù)和殼程數(shù)

。（二）機(jī)械設(shè)計(jì)

1）殼體直徑的決定和殼體厚度的計(jì)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(jì)算；5）管子拉脫力的計(jì)算；6）溫差應(yīng)力計(jì)算。26（一）工藝計(jì)算六、管殼式換熱器設(shè)計(jì)內(nèi)容選型；確定管、殼程課堂提問說出換熱器類型固定管板式換熱器浮頭式換熱器U形管式換熱器填料函式換熱器27課堂提問說出換熱器類型固定管板式換熱器浮頭式換熱器U形管式換第二節(jié)管子的選用及其與管板的連接一、管子的選用

（一）直徑

粘性大或污濁的流體大管徑單位體積傳熱面積增大、結(jié)構(gòu)緊湊、金屬耗量減少、傳熱系數(shù)提高阻力大，不便清洗，易結(jié)垢堵塞用于較清潔的流體小管徑28第二節(jié)管子的選用及其與管板的連接一、管子的選用（一）直徑（二）規(guī)格

（外徑×壁厚），長度按規(guī)定決定

換熱管尺寸φ19×2、φ25×2.5和φ38×2.5mm無縫鋼管φ25×2和φ38×2.5mm不銹鋼管標(biāo)準(zhǔn)管長1.5、2.0、3.0、4.5、6.0、9.0m等換熱器的換熱管長度與公稱直徑之比，一般在4～25之間，常用的為6～10。立式換熱器，其比值多為4～6。29（二）規(guī)格（外徑×壁厚），長度按規(guī)定決定換熱管尺寸φ19（三）結(jié)構(gòu)型式

換熱管型式光管強(qiáng)化傳熱管螺旋槽管螺紋管翅片管（在給熱系數(shù)低側(cè)）

多用光管，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)簡單，制造容易，為強(qiáng)化傳熱，也采用強(qiáng)化傳熱管。30（三）結(jié)構(gòu)型式換熱管型式光管強(qiáng)化傳熱管螺旋槽管螺紋管翅片圖7-10幾種異形管（a）扁平管（b）橢圓管（c）凹槽扁平管（d）波紋管31圖7-10幾種異形管31圖7-11縱向翅片管（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32圖7-11縱向翅片管32圖7-12徑向翅片管圖7-13螺紋管33圖7-12徑向翅片管圖7-13螺紋管33（四）材料由壓力、溫度、介質(zhì)的腐蝕性能決定。主要有碳素鋼、合金鋼、銅、鈦、塑料、石墨等。金屬材料碳素鋼低合金鋼不銹鋼銅銅鎳合金鋁合金鈦等非金屬材料石墨陶瓷聚四氟乙烯等34（四）材料由壓力、溫度、介質(zhì)的腐蝕性能決定。主要有碳素鋼、合二、管子與管板的連接

（一）脹接

利用脹管器擠壓伸入管板孔中的管子端部，使管端發(fā)生塑性變形，管板孔同時(shí)產(chǎn)生彈性變形，取去脹管器后，管板與管子產(chǎn)生一定的擠壓力，貼在一起達(dá)到密封緊固連接的目的。

圖7-14脹管前后示意圖（a）脹管前（b）脹管后35二、管子與管板的連接（一）脹接利用脹管器擠壓伸入管板孔中液壓脹管器36液壓36液壓脹接

37液壓脹接37機(jī)械脹接

38機(jī)械脹接38適用范圍：換熱管為碳素鋼，管板為碳素鋼或低合金鋼，設(shè)計(jì)壓力≤4MPa，設(shè)計(jì)溫度≤300℃，且無特殊要求的場合。原因：溫度升高，殘余應(yīng)力減小，使管子與管板間的脹接密封性能、緊固性能都下降，故設(shè)計(jì)溫度≤300℃。要求管板硬度大于管子硬度，否則將管端退火后再脹接。脹接時(shí)管板上的孔可以是光孔，也可開槽(開槽可以增加連接強(qiáng)度和緊密性)。39適用范圍：換熱管為碳素鋼，管板為碳素鋼或低合金鋼，設(shè)計(jì)壓力≤圖7-15脹管連接結(jié)構(gòu)及尺寸40圖7-15脹管連接結(jié)構(gòu)及尺寸40（二）焊接

優(yōu)點(diǎn)：在高溫高壓條件下，焊接連接能保持連接的緊密性，管板加工要求可降低，節(jié)省孔的加工工時(shí)，工藝較脹接簡單，壓力較低時(shí)可使用較薄的管板。缺點(diǎn)：在焊接接頭處產(chǎn)生的熱應(yīng)力可能造成應(yīng)力腐蝕開裂和疲勞破裂，同時(shí)管子、管板間存在間隙，易出現(xiàn)間隙腐蝕。圖7-16焊接間隙示意圖管板間隙換熱管41（二）焊接優(yōu)點(diǎn)：在高溫高壓條件下，焊接連接能保持連接的緊密圖7-17焊接接頭的結(jié)構(gòu)(a)c(c)(b)(d)42圖7-17焊接接頭的結(jié)構(gòu)(a)c(c)(b)(（三）脹焊并用脹焊并用連接主要有：強(qiáng)度焊＋貼脹………………先焊后脹強(qiáng)度脹＋密封焊………………先脹后焊概念解釋：密封焊—不保證強(qiáng)度，只防漏；強(qiáng)度焊—既防漏，又保證抗拉脫強(qiáng)度；貼脹—只消除間隙，不承擔(dān)拉脫力；強(qiáng)度脹—既消除間隙，又滿足脹接強(qiáng)度。目前，先焊后脹與先脹后焊兩派學(xué)說仍處于爭議之中。

43（三）脹焊并用脹焊并用連接主要有：43第三節(jié)管板結(jié)構(gòu)一、換熱管排列方式

三角形排列緊湊，傳熱效果好，同一板上管子比正方形多排10%左右，同一體積傳熱面積更大。適用于殼程介質(zhì)污垢少，且不需要進(jìn)行機(jī)械清洗的場合。（一）正三角形和轉(zhuǎn)角正三角形排列

圖7-18正三角形排列的管子流體流動方向流體流動方向正三角形排列轉(zhuǎn)角正三角形排列44第三節(jié)管板結(jié)構(gòu)一、換熱管排列方式三角形排列緊湊，傳熱效果4545（二）正方形和轉(zhuǎn)角正方形排列

管間小橋形成一條直線通道，便于機(jī)械清洗。要經(jīng)常清洗管子外表面上的污垢時(shí)，多用正方形排列。圖7-19正方形排列的管子流體流動方向流體流動方向轉(zhuǎn)角正方形排列正方形排列46（二）正方形和轉(zhuǎn)角正方形排列管間小橋形成一條直線通道，便于（三）組合排列法

在多程換熱器中多采用組合排列方法。即每一程中都采用三角形排列法，而在各程之間，為了便于安裝隔板，則采用正方形排列法，如圖7－20。圖7-20組合排列法47（三）組合排列法在多程換熱器中多采用組合排列方法。即每一程二、管間距

（一）定義（二）要求管間距指兩相鄰換熱管中心的距離。管間距≥1.25d0，符合表7-5規(guī)定，便于管子與管板間的連接，因?yàn)閷τ诿浗踊蚝附觼碇v，管子間距離太近，那么都會影響連接質(zhì)量。最外層管壁與殼壁之間的距離為10mm，主要是為折流板易于加工，不易損壞。48二、管間距（一）定義（二）要求管間距指兩相鄰換熱管中心的表7-1常用換熱管中心距/mm換熱管外徑do1214192532384557換熱管中心距1619253240485772

最外層換熱管中心至殼體內(nèi)表面的距離不應(yīng)小于[(換熱管外徑的一半)＋10mm]。49表7-1常用換熱管中心距/mm換熱管外徑do121419三、管程的分程及管板與隔板的連接

當(dāng)換熱器所需的換熱面積較大，而管子做得太長時(shí)，就得增大殼體直徑，排列較多的管子。此時(shí)，為了增加管程流速，提高傳熱效果，須將管束分程，使流體依次流過各程管子。（一）分程原因

50三、管程的分程及管板與隔板的連接當(dāng)換熱器所需的換熱面積較大（二）分程原則

（三）分程隔板

圖7-21雙層隔板與管板的密封①各程換熱管數(shù)應(yīng)大致相等；②相鄰程間平均壁溫差一般不應(yīng)超過28℃；③各程間的密封長度應(yīng)最短；④分程隔板的形狀應(yīng)簡單。圖7-22單層隔板與管板的密封隔板管板封頭隔板管板51（二）分程原則（三）分程隔板圖7-21雙層隔板與（四）分程方式

表7－2管程布置表52（四）分程方式表7－2管程布置表52五、管板與殼體的連接結(jié)構(gòu)（一）不可拆的焊接式

固定管板式換熱器管板與殼體的連接兼做法蘭不兼做法蘭53五、管板與殼體的連接結(jié)構(gòu)（一）不可拆的焊接式圖7-23-01兼作法蘭時(shí)管板與殼體的連接結(jié)構(gòu)54圖7-23-01兼作法蘭時(shí)管板與殼體的連接結(jié)構(gòu)54圖7-23-02兼作法蘭時(shí)管板與殼體的連接結(jié)構(gòu)55圖7-23-02兼作法蘭時(shí)管板與殼體的連接結(jié)構(gòu)55圖7-23-03兼作法蘭時(shí)管板與殼體的連接結(jié)構(gòu)56圖7-23-03兼作法蘭時(shí)管板與殼體的連接結(jié)構(gòu)56圖7-24不兼作法蘭時(shí)管板與殼體的連接結(jié)構(gòu)57圖7-24不兼作法蘭時(shí)管板與殼體的連接結(jié)構(gòu)57（二）可拆式

浮頭式、U型管式及填料函式換熱器固定端管板與殼體的連接圖7-25管板與殼體可拆連接58（二）可拆式浮頭式、U型管式及填料函式換熱器固定端管板第四節(jié)折流板、支承板、旁路擋板及攔液板的作用和結(jié)構(gòu)一、折流板及支承板

1、作用①提高殼程內(nèi)流體的流速②加強(qiáng)湍流強(qiáng)度③提高傳熱效率④支撐換熱管。當(dāng)工藝上無折流板要求而管子較細(xì)長時(shí)，應(yīng)考慮有一定數(shù)量的支承板，以便安裝和防止管子變形；支撐板的尺寸、形狀可與折流板相同。59第四節(jié)折流板、支承板、一、折流板及支承板1、作用①提高殼2、結(jié)構(gòu)弓形、圓盤－圓環(huán)形和帶扇形切口。圖7-26弓形折流板602、結(jié)構(gòu)弓形、圓盤－圓環(huán)形和帶扇形切口。圖7-26弓形折圖7-27圓盤-圓環(huán)形折流板圖7-28帶扇形切口折流板61圖7-27圓盤-圓環(huán)形折流板圖7-28帶扇形切口折流板6折流板缺口垂直左右布置62折流板缺口垂直左右布置62折流板的加工63折流板的加工633、尺寸厚度與殼體直徑和折流板間距有關(guān)折流板最小厚度按下表選取表7-3折流板的厚度643、尺寸厚度與殼體直徑和折流板間距有關(guān)折流板最小厚度按下弓形折流板間距

最小間距≥maxDi，50mm最大間距：不超過下表規(guī)定，且≤Di表7-4折流板和支承板最大間距厚度65弓形折流板間距最小間距≥maxDi，50mm最間隙折流板外徑與殼體之間的間隙要適當(dāng)，因?yàn)檫^小給安裝帶來困難，過大又影響傳效率。詳見表7-5表7-5折流板和支承板的外徑66間隙折流板外徑與殼體之間的間隙要適當(dāng)，因?yàn)檫^小給安裝帶來

折流板的固定折流板和支承板的固定是通過拉桿和定距管來實(shí)現(xiàn)的圖7-29折流板的組裝67折流板的固定折流板和支承板的固定是通過拉桿和定距管來實(shí)二、旁路擋板1、作用阻止流體短路，迫使殼體流體通過管束進(jìn)行熱交換。加工成規(guī)則的長條狀，長度等于折流板或支承板的板間距，兩端焊在折流板或支承板上。2、結(jié)構(gòu)及安裝

圖7-30旁路擋板的結(jié)構(gòu)68二、旁路擋板1、作用阻止流體短路，迫使殼體流體通過管束進(jìn)行旁路擋板折流板圖7-31旁路擋板的結(jié)構(gòu)69旁路擋板折流板圖7-31旁路擋板的結(jié)構(gòu)69三、攔液板

立式冷凝器中起到截?cái)r液膜作用。在立式冷凝器中為減薄管壁上的液膜而提高傳熱膜系數(shù)。圖7-32攔液板70三、攔液板立式冷凝器中起到截?cái)r液膜作用。在立式冷凝器中為減第五節(jié)溫差應(yīng)力一、管壁與殼壁溫度差引起的溫差應(yīng)力1、溫差應(yīng)力產(chǎn)生的原因

如圖所示,固定管板式換熱器的殼體與管子,在安裝溫度下,它們的長度均為L(圖a);圖7-33殼體與管子的膨脹與壓縮71第五節(jié)溫差應(yīng)力一、管壁與殼壁溫度差引起的溫差應(yīng)力1、溫差1、溫差應(yīng)力產(chǎn)生的原因（續(xù)）當(dāng)操作時(shí)(圖b),殼體和管子的溫度都升高,若管壁溫度高于殼壁溫度,則管子自由伸長量和殼體自由伸長量分別為圖7-33殼體與管子的膨脹與壓縮721、溫差應(yīng)力產(chǎn)生的原因（續(xù)）當(dāng)操作時(shí)(圖b),殼體和管子的溫由于管子與殼體是剛性連接，所以管子和殼體的實(shí)際伸長量必須相等，見圖c，因此就出現(xiàn)殼體被拉伸，產(chǎn)生拉應(yīng)力；管子被壓縮，產(chǎn)生壓應(yīng)力。此拉、壓應(yīng)力就是溫差應(yīng)力。圖7-33殼體與管子的膨脹與壓縮1、溫差應(yīng)力產(chǎn)生的原因（續(xù)）

73由于管子與殼體是剛性連接，所以管子和殼體的實(shí)際伸長量必須相等2、溫差應(yīng)力的計(jì)算

溫差軸向力F

由于溫差而使殼體被拉長的總拉伸力應(yīng)等于所有管子被壓縮的總壓縮力，總拉伸力（或總壓縮力）就是溫差軸向力。符號規(guī)定F為+，表殼體被拉，管子被壓，反之則反之。根據(jù)虎克定律：

圖7-33殼體與管子的膨脹與壓縮742、溫差應(yīng)力的計(jì)算溫差軸向力F由于溫差而使殼體將，代入上式并整理得式中

——分別為管子和殼體材料的線膨脹系數(shù)，1/℃；——分別為操作狀態(tài)下管壁溫度和殼壁溫度，℃；——分別為管子和殼體材料的彈性模量，MPa；——換熱管總截面面積，mm2；——安裝時(shí)的溫度，℃；——?dú)け跈M截面面積，mm2

。75將，代入上式并整理得式中——分別為管子和殼體材料的線膨脹系溫差應(yīng)力

——分別為管子和殼體中的溫差應(yīng)力，MPa76溫差應(yīng)力——分別為管子和殼體中的溫差應(yīng)763、溫差應(yīng)力的補(bǔ)償

減少殼體與管束間的溫度差

裝設(shè)撓性構(gòu)件

將傳熱膜系數(shù)大的流體通入管間空間用得最多的是在固定管板式換熱器的殼體上裝設(shè)波形膨脹節(jié)773、溫差應(yīng)力的補(bǔ)償減少殼體與管束間的溫度差裝設(shè)撓性構(gòu)件使殼體和管束自由熱膨脹

換熱器的管束有一端能自由伸縮，這樣殼體和管束的熱脹冷縮便互不牽制，可自由地進(jìn)行。所以這種結(jié)構(gòu)完全消除了熱應(yīng)力。請同學(xué)們說說有哪些結(jié)構(gòu)的換熱器可以消除熱應(yīng)力。78使殼體和管束自由熱膨脹換熱器的管束有一端能自由伸縮，這樣殼雙套管溫度補(bǔ)償

在高溫高壓換熱器中，也有采用插入式的雙套管溫度補(bǔ)償結(jié)構(gòu)。如圖7—34所示。圖7-34插入式雙套管補(bǔ)償結(jié)構(gòu)79雙套管溫度補(bǔ)償在高溫高壓換熱器中，也有采用插入式的雙套管二、管子拉脫力的計(jì)算1、產(chǎn)生原因

介質(zhì)壓力溫差應(yīng)力管子和管板接頭處有分離趨勢拉脫力實(shí)驗(yàn)表明：焊接接頭，拉脫力不足以引起接頭破壞；脹接接頭，要進(jìn)行拉脫力校核，以保證管端與管板連接的牢固性和密封性。拉脫力管子每單位面積脹接周邊上所受到的力80二、管子拉脫力的計(jì)算1、產(chǎn)生原因介質(zhì)壓力溫差應(yīng)力管子和管2、計(jì)算操作壓力引起

操作壓力下，每平方米脹接周邊所受到的力

812、計(jì)算操作壓力引起操作壓力下，每平方米脹接周邊所受到的2、計(jì)算

溫差應(yīng)力引起管子每平方米脹接周邊所產(chǎn)生的力

822、計(jì)算溫差應(yīng)力引起管子每平方米脹接周邊所產(chǎn)生的力822、計(jì)算管子拉脫力校核832、計(jì)算管子拉脫力校核83848485858686作業(yè)一、課堂思考P233，第二大題二、課外作業(yè)P233一、5、10、12、1387作業(yè)一、課堂思考87第三篇典型化工設(shè)備的機(jī)械設(shè)計(jì)換熱器攪拌設(shè)備塔設(shè)備88第三篇典型化工設(shè)備的機(jī)械設(shè)計(jì)換熱器攪拌設(shè)備塔設(shè)備1892903914925教學(xué)重點(diǎn)（1）固定管板式換熱器的基本結(jié)構(gòu)（2）典型管殼式換熱器的選型教學(xué)難點(diǎn)：管、殼程的分程及隔板第七章管殼式換熱器的機(jī)械設(shè)計(jì)93教學(xué)重點(diǎn)第七章管殼式換熱器的機(jī)械設(shè)計(jì)6第一節(jié)換熱器概述一、定義

換熱器是用來完成各種不同傳熱過程的設(shè)備。

1、如：開水鍋爐、水杯、冰箱、空調(diào)等。2、是許多工業(yè)部門廣泛應(yīng)用的通用工藝設(shè)備。通常，在化工廠的建設(shè)中，換熱器約占總投資的11％～40％。那么衡量一臺換熱器好壞的標(biāo)準(zhǔn)是什么呢？94第一節(jié)換熱器概述一、定義換熱器是用來完成3.可靠性滿足操作條件，強(qiáng)度足夠，保證使用壽命二、衡量標(biāo)準(zhǔn)2.合理性1.先進(jìn)性可制造加工，成本可接受傳熱效率高，流體阻力小，材料省

953.可靠性滿足操作條件，強(qiáng)度足夠，保證使用壽命二、衡量標(biāo)準(zhǔn)三、不同目的的換熱器

冷卻器（cooler）冷凝器（condenser）蒸發(fā)器（發(fā)生相變）（evaporator）加熱器（一般不發(fā)生相變）（heater）再沸器（reboiler）廢熱鍋爐（wasteheatboiler）96三、不同目的的換熱器冷卻器（cooler）冷凝器（cond四、換熱器的基本類型按傳熱方式或工作原理分類1、直接接觸式傳熱效果好，但不能用于發(fā)生反應(yīng)或有影響的流體之間圖7-1直接接觸式換熱器熱流體冷流體熱流體冷流體97四、換熱器的基本類型按傳熱方式或工作原理分類1、直接接觸式傳2、蓄熱式溫度較高的場合，但有交叉污染，溫度波動大圖7-2蓄熱式換熱器冷流體冷流體熱流體熱流體982、蓄熱式溫度較高的場合，但有交叉污染，溫度波動大圖7-2蓄3、間壁式重點(diǎn)——又稱表面式換熱器利用間壁（固體壁面）進(jìn)行熱交換。冷熱兩種流體隔開，互不接觸，熱量由熱流體通過間壁傳遞給冷流體。應(yīng)用最為廣泛，形式多種多樣，如管殼式換熱器、板式換熱器等993、間壁式重點(diǎn)——又稱表面式換熱器應(yīng)用最為廣泛，形式多種多樣對于間壁式換熱器，按間壁形狀進(jìn)一步分為(3)管殼式(1)管式(2)緊湊式螺旋板式、板式、板翅、傘板等排管、蛇管、套管重點(diǎn)下面我們來看一看管殼式換熱器的基本結(jié)構(gòu)100對于間壁式換熱器，按間壁形狀進(jìn)一步分為(3)管殼式(1)管式管殼式換熱器

101管殼式換熱器14圖7-3換熱器構(gòu)件名稱1-管箱(A,B,C,D型);2-接管法蘭;3-設(shè)備法蘭;4-管板;5-殼程接管;6-拉桿;7-膨脹節(jié);8-殼體;9-換熱管;10-排氣管;11-吊耳;12-封頭;13-頂絲;14-雙頭螺柱;15-螺母;16-墊片;17-防沖板;18-折流板或支承板;19-定距管;20-拉桿螺母;21-支座;22-排液管;23-管箱殼體;24-管程接管;25-分程隔板;26-管箱蓋根據(jù)我們前面學(xué)習(xí)的內(nèi)容，請同學(xué)們說說序號2、3、8、12、21各代表什么零件？102圖7-3換熱器構(gòu)件名稱1-管箱(A,B,C,D型);2-接固定管板式換熱器

浮頭式換熱器U形管式換熱器填料函式換熱器五、管殼式換熱器的分類

基本類型103固定管板式換熱器浮頭式換熱器U形管式換熱器填料函式換熱器五（一）固定管板式換熱器優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、能承受較高的壓力，造價(jià)低，管程清洗方便，管子損壞時(shí)易于堵管或更換。缺點(diǎn)：不易清洗殼程，殼體和管束中可能產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力。圖7-4固定管板式換熱器結(jié)構(gòu)三維圖104（一）固定管板式換熱器優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、能承受較高的壓力為減少熱應(yīng)力，通常在固定管板式換熱器中設(shè)置柔性元件（如膨脹節(jié)、撓性管板等），來吸收熱膨脹差。圖7-5帶膨脹節(jié)的固定管板式換熱器適用場合：適用于殼程介質(zhì)清潔，不易結(jié)垢，管程需清洗以及溫差不大或溫差雖大但是殼程壓力不大的場合。105為減少熱應(yīng)力，通常在固定管板式換熱器中設(shè)置柔性元件（如膨脹節(jié)（二）浮頭式換熱器優(yōu)點(diǎn)：管內(nèi)和管間清洗方便，不會產(chǎn)生熱應(yīng)力。缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)備笨重，造價(jià)高，浮頭端小蓋在操作中無法檢查。適用場合：殼體和管束之間壁溫相差較大，或介質(zhì)易結(jié)垢的場合。圖7-6浮頭式換熱器fts1.rmfts2.rm106（二）浮頭式換熱器優(yōu)點(diǎn)：管內(nèi)和管間清洗方便，不會產(chǎn)生圖7-7浮頭結(jié)構(gòu)溝圈與浮頭管板連接107圖7-7浮頭結(jié)構(gòu)溝圈與浮頭管板連接20U形管式換熱器108U形管式換熱器21U形管式換熱器109U形管式換熱器22動畫110動畫23（三）U形管式換熱器圖7-8

U型管式換熱器優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格便宜，承受能力強(qiáng)，不會產(chǎn)生熱應(yīng)力。缺點(diǎn)：布板少，管板利用率低，管子壞時(shí)不易更換。適用場合：特別適用于管內(nèi)走清潔而不易結(jié)垢的高溫、高壓、腐蝕性大的物料。111（三）U形管式換熱器圖7-8U型管式換熱器優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，（四）填料函式換熱器優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，加工制造方便，造價(jià)低，管內(nèi)和管間清洗方便。

缺點(diǎn)：填料處易泄漏。適用場合：4MPa以下，且不適用于易揮發(fā)、易燃、易爆、有毒及貴重介質(zhì)，使用溫度受填料的物性限制。填料函式密封圖7-9填料函式換熱器112（四）填料函式換熱器優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，加工制造方便，造價(jià)低，管（一）工藝計(jì)算

六、管殼式換熱器設(shè)計(jì)內(nèi)容

選型；確定管、殼程；通過化工工藝計(jì)算，確定換熱器的傳熱面積，同時(shí)選擇管徑、管長，決定管數(shù)、管程數(shù)和殼程數(shù)

。（二）機(jī)械設(shè)計(jì)

1）殼體直徑的決定和殼體厚度的計(jì)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(jì)算；5）管子拉脫力的計(jì)算；6）溫差應(yīng)力計(jì)算。113（一）工藝計(jì)算六、管殼式換熱器設(shè)計(jì)內(nèi)容選型；確定管、殼程課堂提問說出換熱器類型固定管板式換熱器浮頭式換熱器U形管式換熱器填料函式換熱器114課堂提問說出換熱器類型固定管板式換熱器浮頭式換熱器U形管式換第二節(jié)管子的選用及其與管板的連接一、管子的選用

（一）直徑

粘性大或污濁的流體大管徑單位體積傳熱面積增大、結(jié)構(gòu)緊湊、金屬耗量減少、傳熱系數(shù)提高阻力大，不便清洗，易結(jié)垢堵塞用于較清潔的流體小管徑115第二節(jié)管子的選用及其與管板的連接一、管子的選用（一）直徑（二）規(guī)格

（外徑×壁厚），長度按規(guī)定決定

換熱管尺寸φ19×2、φ25×2.5和φ38×2.5mm無縫鋼管φ25×2和φ38×2.5mm不銹鋼管標(biāo)準(zhǔn)管長1.5、2.0、3.0、4.5、6.0、9.0m等換熱器的換熱管長度與公稱直徑之比，一般在4～25之間，常用的為6～10。立式換熱器，其比值多為4～6。116（二）規(guī)格（外徑×壁厚），長度按規(guī)定決定換熱管尺寸φ19（三）結(jié)構(gòu)型式

換熱管型式光管強(qiáng)化傳熱管螺旋槽管螺紋管翅片管（在給熱系數(shù)低側(cè)）

多用光管，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)簡單，制造容易，為強(qiáng)化傳熱，也采用強(qiáng)化傳熱管。117（三）結(jié)構(gòu)型式換熱管型式光管強(qiáng)化傳熱管螺旋槽管螺紋管翅片圖7-10幾種異形管（a）扁平管（b）橢圓管（c）凹槽扁平管（d）波紋管118圖7-10幾種異形管31圖7-11縱向翅片管（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119圖7-11縱向翅片管32圖7-12徑向翅片管圖7-13螺紋管120圖7-12徑向翅片管圖7-13螺紋管33（四）材料由壓力、溫度、介質(zhì)的腐蝕性能決定。主要有碳素鋼、合金鋼、銅、鈦、塑料、石墨等。金屬材料碳素鋼低合金鋼不銹鋼銅銅鎳合金鋁合金鈦等非金屬材料石墨陶瓷聚四氟乙烯等121（四）材料由壓力、溫度、介質(zhì)的腐蝕性能決定。主要有碳素鋼、合二、管子與管板的連接

（一）脹接

利用脹管器擠壓伸入管板孔中的管子端部，使管端發(fā)生塑性變形，管板孔同時(shí)產(chǎn)生彈性變形，取去脹管器后，管板與管子產(chǎn)生一定的擠壓力，貼在一起達(dá)到密封緊固連接的目的。

圖7-14脹管前后示意圖（a）脹管前（b）脹管后122二、管子與管板的連接（一）脹接利用脹管器擠壓伸入管板孔中液壓脹管器123液壓36液壓脹接

124液壓脹接37機(jī)械脹接

125機(jī)械脹接38適用范圍：換熱管為碳素鋼，管板為碳素鋼或低合金鋼，設(shè)計(jì)壓力≤4MPa，設(shè)計(jì)溫度≤300℃，且無特殊要求的場合。原因：溫度升高，殘余應(yīng)力減小，使管子與管板間的脹接密封性能、緊固性能都下降，故設(shè)計(jì)溫度≤300℃。要求管板硬度大于管子硬度，否則將管端退火后再脹接。脹接時(shí)管板上的孔可以是光孔，也可開槽(開槽可以增加連接強(qiáng)度和緊密性)。126適用范圍：換熱管為碳素鋼，管板為碳素鋼或低合金鋼，設(shè)計(jì)壓力≤圖7-15脹管連接結(jié)構(gòu)及尺寸127圖7-15脹管連接結(jié)構(gòu)及尺寸40（二）焊接

優(yōu)點(diǎn)：在高溫高壓條件下，焊接連接能保持連接的緊密性，管板加工要求可降低，節(jié)省孔的加工工時(shí)，工藝較脹接簡單，壓力較低時(shí)可使用較薄的管板。缺點(diǎn)：在焊接接頭處產(chǎn)生的熱應(yīng)力可能造成應(yīng)力腐蝕開裂和疲勞破裂，同時(shí)管子、管板間存在間隙，易出現(xiàn)間隙腐蝕。圖7-16焊接間隙示意圖管板間隙換熱管128（二）焊接優(yōu)點(diǎn)：在高溫高壓條件下，焊接連接能保持連接的緊密圖7-17焊接接頭的結(jié)構(gòu)(a)c(c)(b)(d)129圖7-17焊接接頭的結(jié)構(gòu)(a)c(c)(b)(（三）脹焊并用脹焊并用連接主要有：強(qiáng)度焊＋貼脹………………先焊后脹強(qiáng)度脹＋密封焊………………先脹后焊概念解釋：密封焊—不保證強(qiáng)度，只防漏；強(qiáng)度焊—既防漏，又保證抗拉脫強(qiáng)度；貼脹—只消除間隙，不承擔(dān)拉脫力；強(qiáng)度脹—既消除間隙，又滿足脹接強(qiáng)度。目前，先焊后脹與先脹后焊兩派學(xué)說仍處于爭議之中。

130（三）脹焊并用脹焊并用連接主要有：43第三節(jié)管板結(jié)構(gòu)一、換熱管排列方式

三角形排列緊湊，傳熱效果好，同一板上管子比正方形多排10%左右，同一體積傳熱面積更大。適用于殼程介質(zhì)污垢少，且不需要進(jìn)行機(jī)械清洗的場合。（一）正三角形和轉(zhuǎn)角正三角形排列

圖7-18正三角形排列的管子流體流動方向流體流動方向正三角形排列轉(zhuǎn)角正三角形排列131第三節(jié)管板結(jié)構(gòu)一、換熱管排列方式三角形排列緊湊，傳熱效果13245（二）正方形和轉(zhuǎn)角正方形排列

管間小橋形成一條直線通道，便于機(jī)械清洗。要經(jīng)常清洗管子外表面上的污垢時(shí)，多用正方形排列。圖7-19正方形排列的管子流體流動方向流體流動方向轉(zhuǎn)角正方形排列正方形排列133（二）正方形和轉(zhuǎn)角正方形排列管間小橋形成一條直線通道，便于（三）組合排列法

在多程換熱器中多采用組合排列方法。即每一程中都采用三角形排列法，而在各程之間，為了便于安裝隔板，則采用正方形排列法，如圖7－20。圖7-20組合排列法134（三）組合排列法在多程換熱器中多采用組合排列方法。即每一程二、管間距

（一）定義（二）要求管間距指兩相鄰換熱管中心的距離。管間距≥1.25d0，符合表7-5規(guī)定，便于管子與管板間的連接，因?yàn)閷τ诿浗踊蚝附觼碇v，管子間距離太近，那么都會影響連接質(zhì)量。最外層管壁與殼壁之間的距離為10mm，主要是為折流板易于加工，不易損壞。135二、管間距（一）定義（二）要求管間距指兩相鄰換熱管中心的表7-1常用換熱管中心距/mm換熱管外徑do1214192532384557換熱管中心距1619253240485772

最外層換熱管中心至殼體內(nèi)表面的距離不應(yīng)小于[(換熱管外徑的一半)＋10mm]。136表7-1常用換熱管中心距/mm換熱管外徑do121419三、管程的分程及管板與隔板的連接

當(dāng)換熱器所需的換熱面積較大，而管子做得太長時(shí)，就得增大殼體直徑，排列較多的管子。此時(shí)，為了增加管程流速，提高傳熱效果，須將管束分程，使流體依次流過各程管子。（一）分程原因

137三、管程的分程及管板與隔板的連接當(dāng)換熱器所需的換熱面積較大（二）分程原則

（三）分程隔板

圖7-21雙層隔板與管板的密封①各程換熱管數(shù)應(yīng)大致相等；②相鄰程間平均壁溫差一般不應(yīng)超過28℃；③各程間的密封長度應(yīng)最短；④分程隔板的形狀應(yīng)簡單。圖7-22單層隔板與管板的密封隔板管板封頭隔板管板138（二）分程原則（三）分程隔板圖7-21雙層隔板與（四）分程方式

表7－2管程布置表139（四）分程方式表7－2管程布置表52五、管板與殼體的連接結(jié)構(gòu)（一）不可拆的焊接式

固定管板式換熱器管板與殼體的連接兼做法蘭不兼做法蘭140五、管板與殼體的連接結(jié)構(gòu)（一）不可拆的焊接式圖7-23-01兼作法蘭時(shí)管板與殼體的連接結(jié)構(gòu)141圖7-23-01兼作法蘭時(shí)管板與殼體的連接結(jié)構(gòu)54圖7-23-02兼作法蘭時(shí)管板與殼體的連接結(jié)構(gòu)142圖7-23-02兼作法蘭時(shí)管板與殼體的連接結(jié)構(gòu)55圖7-23-03兼作法蘭時(shí)管板與殼體的連接結(jié)構(gòu)143圖7-23-03兼作法蘭時(shí)管板與殼體的連接結(jié)構(gòu)56圖7-24不兼作法蘭時(shí)管板與殼體的連接結(jié)構(gòu)144圖7-24不兼作法蘭時(shí)管板與殼體的連接結(jié)構(gòu)57（二）可拆式

浮頭式、U型管式及填料函式換熱器固定端管板與殼體的連接圖7-25管板與殼體可拆連接145（二）可拆式浮頭式、U型管式及填料函式換熱器固定端管板第四節(jié)折流板、支承板、旁路擋板及攔液板的作用和結(jié)構(gòu)一、折流板及支承板

1、作用①提高殼程內(nèi)流體的流速②加強(qiáng)湍流強(qiáng)度③提高傳熱效率④支撐換熱管。當(dāng)工藝上無折流板要求而管子較細(xì)長時(shí)，應(yīng)考慮有一定數(shù)量的支承板，以便安裝和防止管子變形；支撐板的尺寸、形狀可與折流板相同。146第四節(jié)折流板、支承板、一、折流板及支承板1、作用①提高殼2、結(jié)構(gòu)弓形、圓盤－圓環(huán)形和帶扇形切口。圖7-26弓形折流板1472、結(jié)構(gòu)弓形、圓盤－圓環(huán)形和帶扇形切口。圖7-26弓形折圖7-27圓盤-圓環(huán)形折流板圖7-28帶扇形切口折流板148圖7-27圓盤-圓環(huán)形折流板圖7-28帶扇形切口折流板6折流板缺口垂直左右布置149折流板缺口垂直左右布置62折流板的加工150折流板的加工633、尺寸厚度與殼體直徑和折流板間距有關(guān)折流板最小厚度按下表選取表7-3折流板的厚度1513、尺寸厚度與殼體直徑和折流板間距有關(guān)折流板最小厚度按下弓形折流板間距

最小間距≥maxDi，50mm最大間距：不超過下表規(guī)定，且≤Di表7-4折流板和支承板最大間距厚度152弓形折流板間距最小間距≥maxDi，50mm最間隙折流板外徑與殼體之間的間隙要適當(dāng)，因?yàn)檫^小給安裝帶來困難，過大又影響傳效率。詳見表7-5表7-5折流板和支承板的外徑153間隙折流板外徑與殼體之間的間隙要適當(dāng)，因?yàn)檫^小給安裝帶來

折流板的固定折流板和支承板的固定是通過拉桿和定距管來實(shí)現(xiàn)的圖7-29折流板的組裝154折流板的固定折流板和支承板的固定是通過拉桿和定距管來實(shí)二、旁路擋板1、作用阻止流體短路，迫使殼體流體通過管束進(jìn)行熱交換。加工成規(guī)則的長條狀，長度等于折流板或支承板的板間距，兩端焊在折流板或支承板上。2、結(jié)構(gòu)及安裝

圖7-30旁路擋板的結(jié)構(gòu)155二、旁路擋板1、作用阻止流體