第七章管壳式换热器的机械设计-PPT.pptx

第七章管壳式换热器的机械设计(1 1)换热器就是许多工业部门广泛应用得通用工艺设备。在化工厂得建设中,换热器约占总投资得11 40。(2 2)根据不同得目得根据不同得目得,换热器可以就是热交换器热交换器热交换器热交换器、加热器加热器加热器加热器、冷却器冷却器冷却器冷却器、蒸发器蒸发器蒸发器蒸发器、冷凝器冷凝器冷凝器冷凝器等。(3 3)衡量一台换热器好坏得标准衡量一台换热器好坏得标准:传热效率高传热效率高传热效率高传热效率高,流体流体阻力小阻力小阻力小阻力小,强度足够强度足够强度足够强度足够,结构可靠结构可靠结构可靠结构可靠,节省材料节省材料节省材料节省材料,成本低成本低成本低成本低,制造制造制造制造、安装安装安装安装、检修检修检修检修方便方便方便方便。(4 4)任何一种换热器不可能十全十美。第一节第一节 概论概论 概述概述:板式换热器板式换热器板式换热器板式换热器传热效率高、金属消耗量低,但流体阻力大、强度与刚度差,制造、维修困难。列管式换热器列管式换热器列管式换热器列管式换热器虽在传热效率、紧凑性、金属消耗量等方面均不如板式换热器,但其结构坚固、可靠程度高、适应性强、材料范围广。因而目前仍就是石油、化工生产中,尤其就是高温、高压与大型换热器得主要结构型式。概述概述:第一节第一节 概论概论 管壳式换热器就是把换热管束与管板连接后,再用筒体与管箱包起来,形成两个独立得空间:管内通道及与其相贯通得管箱,称为管程管程空间;换热管外得通道及与其贯通得部分,称为壳程壳程空间。一、管壳式换热器得结构及主要零部件一、管壳式换热器得结构及主要零部件1分程隔板 2管程接管 3管箱壳体 4管箱法兰 5壳程接管(出口)6膨胀节 7折流板或支承板8换热管 9管板 10双头螺柱 11螺母 12管箱排气口 13管箱封头 14管箱排净口 15防冲板 16壳程接管(进口)17壳程筒体 18膨胀节排净口 19拉杆 20鞍式支座21壳程排净口 22管箱垫片 23管程接管1 1 列管式换热器得主要结构列管式换热器得主要结构:1 1 列管式换热器得主要结构列管式换热器得主要结构:2 2 列管式换热器得工作原理列管式换热器得工作原理:列管式换热器列管式换热器一、管壳式换热器得分类一、管壳式换热器得分类从结构上分从结构上分固定管板式换热器固定管板式换热器浮头式换热器浮头式换热器U U形管式换热器形管式换热器填料函式换热器填料函式换热器大家学习辛苦了，还是要坚持继续保持安静继续保持安静 1 1、固定管板式换热器、固定管板式换热器1 1)、结构特点、结构特点:两块管板均与壳体相焊接两块管板均与壳体相焊接(加入了热补偿加入了热补偿原件原件膨胀节膨胀节)。2 2)、适用场合、适用场合:适用于壳程介质清洁适用于壳程介质清洁,不易结垢不易结垢,管程需清洗以管程需清洗以及温差不大或温差虽大但就是壳程压力不大得场合。及温差不大或温差虽大但就是壳程压力不大得场合。3)3)、优点、优点:结构比较简单结构比较简单,造价较低。造价较低。4 4)、缺点、缺点:管外清洗困难管外清洗困难,管、壳间有温差应力。管、壳间有温差应力。一、管壳式换热器得分类一、管壳式换热器得分类(一一)固定管板式换热器固定管板式换热器优点优点:结构简单、紧凑、能承受较高得压力结构简单、紧凑、能承受较高得压力,造价低造价低,管程清管程清洗方便洗方便,管子损坏时易于堵管或更换。管子损坏时易于堵管或更换。缺点缺点:不易清洗壳程不易清洗壳程,壳体与管束中可能产生较大得热应壳体与管束中可能产生较大得热应力。力。图图7-4固定管板式换热器固定管板式换热器一、管壳式换热器得分类一、管壳式换热器得分类为减少热应力为减少热应力,通常在固定管板式换热器中设置柔性元件通常在固定管板式换热器中设置柔性元件(如膨胀节、挠性管板等如膨胀节、挠性管板等),来吸收热膨胀差。来吸收热膨胀差。图图7-5带膨胀节得固定管板式换热器带膨胀节得固定管板式换热器适适用用场场合合:适适用用于于壳壳程程介介质质清清洁洁,不不易易结结垢垢,管管程程需需清清洗洗以以及温差不大或温差虽大但就是壳程压力不大得场合。及温差不大或温差虽大但就是壳程压力不大得场合。补偿圈补偿补偿圈补偿:在外壳上焊上一个补偿圈。当外壳与管子热在外壳上焊上一个补偿圈。当外壳与管子热胀冷缩时胀冷缩时,补偿圈发生弹性形变补偿圈发生弹性形变,达到补偿得目得。达到补偿得目得。当流体为高温换热时当流体为高温换热时,由于壳体与管束因温差相差太大由于壳体与管束因温差相差太大,引引起不同得热膨胀率起不同得热膨胀率,补偿器就就是为了消除这种热应力。补偿器就就是为了消除这种热应力。当壳体与管子之间得温差较大当壳体与管子之间得温差较大(60(6070)70)且壳体承且壳体承受压力不太高时受压力不太高时,可采用补偿圈可采用补偿圈(膨胀节膨胀节)。补偿圈补偿补偿圈补偿补偿圈补偿补偿圈补偿-固定管板式换热器固定管板式换热器固定管板式换热器固定管板式换热器特特点点2 2、浮头式换热器浮头式换热器1)结构复杂结构复杂,制造成本高制造成本高;2)在壳体直径相同时在壳体直径相同时,排管数量少排管数量少,换热面积小换热面积小;3)浮头处发生内漏不易发现浮头处发生内漏不易发现;4)换热管束与壳体之间得环隙大换热管束与壳体之间得环隙大,传热效率低传热效率低;5)管束可以抽出管束可以抽出,便于清洗便于清洗;6)管壳间不产生温差应力管壳间不产生温差应力,可适用于高温差、粘度大介质换热场可适用于高温差、粘度大介质换热场合。合。优点优点:管内与管间清洗方便管内与管间清洗方便,不会产生热应力。不会产生热应力。缺点缺点:结构复杂结构复杂,设备笨重设备笨重,造价高造价高,浮头端小盖在浮头端小盖在 操作中无法检查。操作中无法检查。适用场合适用场合:壳体与管束之间壁温相差较大壳体与管束之间壁温相差较大,或介质易或介质易 结垢得场合。结垢得场合。图图7-6浮头式换热器浮头式换热器瞧二维图浮浮头头补补偿偿:换换热热器器两两端端管管板板之之一一不不固固定定在在外外壳壳上上(此此端端称称为为浮浮头头),当当管管子子受受热热或或受受冷冷时时,连连同同浮浮头头一一起起自自由由伸伸缩缩,而而与与外外壳得膨胀无关。壳得膨胀无关。3 3、U U形管式换热器形管式换热器结构特点结构特点结构特点结构特点1 1、只有一个管板、只有一个管板,结构简单结构简单;2 2、管子可以抽出、管子可以抽出,管间易清洗管间易清洗;3 3、管子可以自由膨胀、管子可以自由膨胀;4 4、管内不便清洗、管内不便清洗,不易更换不易更换;5 5、结构不紧凑。、结构不紧凑。U U型管式换热器结构图型管式换热器结构图2)2)适用场合适用场合:特别适用于管内走清洁而不易结垢得高温、高压、特别适用于管内走清洁而不易结垢得高温、高压、腐蚀性大得物料。腐蚀性大得物料。U U型管式换热管箱器型管式换热管箱器 结构图结构图U U型换热管结构图型换热管结构图 3 3、U U形管式换热器形管式换热器U U形形管管补补偿偿:将将管管子子两两端端都都固固定定在在同同一一管管板板上上,每每根根管管子子可可以以自由伸缩自由伸缩,与其她管子与外壳无关。与其她管子与外壳无关。4 4、填料函式换热器、填料函式换热器1 1)、结构特点、结构特点:该换热器得结构与浮头式换热器得结构相似该换热器得结构与浮头式换热器得结构相似,只就是浮头伸到了壳体外只就是浮头伸到了壳体外,浮头与壳体之间采取填料函密封。浮头与壳体之间采取填料函密封。填料函式密封填料函式密封填料函式换热器填料函式换热器一、管壳式换热器得分类优点优点:结构简单结构简单,加工制造方便加工制造方便,造价低造价低,管内与管间清洗方管内与管间清洗方便。便。缺点缺点:填料处易泄漏。填料处易泄漏。适适用用场场合合:4MPa 4MPa 以以下下,且且不不适适用用于于易易挥挥发发、易易燃燃、易易爆爆、有毒及贵重介质有毒及贵重介质,使用温度受填料得物性限制。使用温度受填料得物性限制。填料函式密封填料函式密封图图7-9填料函式换热器填料函式换热器列管式换热器种类优 点缺 点固定管板式结构较简单,造价较低,相对其它列管式换热器其管板最薄。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。壳程内介质有外漏得可能;壳程中不宜处理易挥发、易燃、易爆、有毒得介质。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。此外还应考虑接管、接管法兰选择及开孔补强等。二、管壳式换热器机械设计内容二、管壳式换热器机械设计内容(一一)工艺计算工艺计算 选型选型;确定管、壳程确定管、壳程;通过化工工艺计算通过化工工艺计算,确定换热器得传热面积确定换热器得传热面积,同时同时选择管径、管长选择管径、管长,决定管数、管程数与壳程数决定管数、管程数与壳程数 。(二二)机械设计机械设计 1)1)壳体直径得决定与壳体厚度得计算壳体直径得决定与壳体厚度得计算;2)2)换热器封头选择换热器封头选择,压力容器法兰选择压力容器法兰选择;3)3)管板尺寸确定管板尺寸确定;4)4)折流板得选择与计算折流板得选择与计算;5)5)管子拉脱力得计算管子拉脱力得计算;6)6)温差应力计算。温差应力计算。一、换热管得尺寸、规格及材料一、换热管得尺寸、规格及材料第二节第二节 管子得选用及其与管扳得连接管子得选用及其与管扳得连接换热管换热管就是管壳式换热器得传热元件,主要通过管壁得内外面进行传热,所以换热管得形状、尺寸与材料,对传热有很大得影响。小管径小管径且管壁较薄得管子管壁较薄得管子在相同得壳径内可以排列较多得管子,使换热器单位体积得传热面积增大、结构紧凑,单位传热面积金属耗量少,传热效率也稍高一些,但制造麻烦,且易结垢,不易清洗。第二节第二节 管子得选用及其与管扳得连接管子得选用及其与管扳得连接 一般对清洁流体用小直径管子一般对清洁流体用小直径管子,粘性较大得或污染得流体粘性较大得或污染得流体采用大直径管子。采用大直径管子。我国管壳式换热器常用换热管为我国管壳式换热器常用换热管为:长度规格长度规格:1 1、1 1、5 5、2 2、0 0、2 2、5 5、3 3、0 0、4 4、5 5、6 6、0 0、7 7、5 5、9 9、0 0、1212、0m0m,在炼油厂所用得换热器中最常用得就是6m管长。换热管一般都用光管,为了强化传热,也可用螺纹管、带钉管及翅片管。换热器得长度与公称直径之比,一般为425,常用得为610,立式换热器多为46。第二节第二节 管子得选用及其与管扳得连接管子得选用及其与管扳得连接2 2、管子与管板得连接、管子与管板得连接管子与管板得连接方法有管子与管板得连接方法有:胀接胀接胀接胀接、焊接焊接焊接焊接、胀焊接结合胀焊接结合胀焊接结合胀焊接结合等。等。1 1、胀接、胀接 利用胀管器挤压伸入管板孔中得管子端部利用胀管器挤压伸入管板孔中得管子端部,使管端发生塑性使管端发生塑性变形变形,管板孔同时产生弹性变形管板孔同时产生弹性变形,取去胀管器后取去胀管器后,管板与管子管板与管子产生一定得挤压力产生一定得挤压力,贴在一起达到密封紧固连接得目得。贴在一起达到密封紧固连接得目得。(a a)胀管前胀管前(b b)胀管后胀管后胀管前后示意图胀管前后示意图胀管结束后胀管结束后:管板孔边缘弹性回复管板孔边缘弹性回复,挤压管端并贴紧。挤压管端并贴紧。胀管过程发生胀管过程发生:管子端部管子端部塑性变形塑性变形;管板孔边缘管板孔边缘弹性变形弹性变形。适用范围适用范围:换热管为碳素钢,管板为碳素钢或低合金钢,设计压力4MPa4MPa,设计温度300300,管外径14mm14mm且无特殊要求得场合。要求要求:管板硬度管子硬度,否则将管端退火后再胀接。液压胀管器液压胀管器2 2、管子与管板得连接、管子与管板得连接1 1、胀接、胀接二、管子与管板得连接二、管子与管板得连接1 1、胀接、胀接 管板厚度较大时,为提高管子抗拉脱能力及增加密封性能,需要在管孔中开环形槽。二、管子与管板得连接二、管子与管板得连接1 1、胀接、胀接优点优点:工艺简单方便工艺简单方便;消除间隙消除间隙避免间隙腐蚀避免间隙腐蚀。缺点缺点:温度升高时温度升高时,管端会发生松弛管端会发生松弛 泄漏泄漏。适用条件适用条件:p4、0MPa,t300。注意注意:管端硬度管板硬度。管端硬度管板硬度。为什麽？为什麽？如何实现？如何实现？2 2、焊接、焊接将换热管得端部与管板焊在一起。将换热管得端部与管板焊在一起。优点优点:在高温高压条件下在高温高压条件下,焊接能保焊接能保持连接得紧密性持连接得紧密性,管板加工要求可管板加工要求可降低降低,节省孔得加工工时节省孔得加工工时,工艺较胀工艺较胀接简单接简单,压力较低时可使用较薄得压力较低时可使用较薄得管板。管板。缺点缺点:在焊接接头处产生得热应力在焊接接头处产生得热应力可能造成应力腐蚀开裂与疲劳破裂可能造成应力腐蚀开裂与疲劳破裂,同时管子、管板间存在间隙同时管子、管板间存在间隙,易出易出现现“缝隙腐蚀缝隙腐蚀”。管板管板换热管换热管间隙间隙换热管焊接示意图换热管焊接示意图二、管子与管板得连接二、管子与管板得连接 图图7-17 焊接接头得结构焊接接头得结构(a)c(c)(b)(d)3 3、胀焊并用、胀焊并用胀焊并用连接主要有胀焊并用连接主要有:强度焊贴胀强度焊贴胀先焊后胀先焊后胀强度胀密封焊强度胀密封焊先胀后焊先胀后焊概念解释概念解释:密封焊密封焊不保证强度不保证强度,只防漏只防漏;强度焊强度焊既防漏既防漏,又保证抗拉脱强度又保证抗拉脱强度;贴胀贴胀只消除间隙只消除间隙,不承担拉脱力不承担拉脱力;强度胀强度胀既消除间隙既消除间隙,又满足胀接强度。又满足胀接强度。主要优点主要优点:连接紧密连接紧密,提高抗疲劳能力提高抗疲劳能力;消除间隙腐蚀与应力腐蚀消除间隙腐蚀与应力腐蚀;提高使用寿命。提高使用寿命。目前目前,先焊后胀与先胀后焊两派学说仍处于争议之中。先焊后胀与先胀后焊两派学说仍处于争议之中。先先焊焊后后胀胀 胀胀接接使使用用得得润润滑滑油油,在在焊焊接接时时形形成成气气体体,恶恶化化焊焊缝质量缝质量 控制胀管过程控制胀管过程先先胀胀后后焊焊 胀胀接接使使管管壁壁紧紧贴贴管管板板孔孔壁壁,可可防防止止产产生生裂裂纹纹 不使用润滑油不使用润滑油一、换热管排列形式一、换热管排列形式 有正三角形、转角正三角形、正方形与转角正方形、同有正三角形、转角正三角形、正方形与转角正方形、同心圆等。心圆等。流流体体流流动动方方向向流流体体流流动动方方向向正三角形正三角形正三角形正三角形转角正三角形转角正三角形转角正三角形转角正三角形1 1 1 1、三角形排列、三角形排列、三角形排列、三角形排列第三节第三节 管板结构管板结构 正三角形最普遍正三角形最普遍,在相同得管板面积上排管最多在相同得管板面积上排管最多,结构紧凑结构紧凑,但管外但管外清洗不方便清洗不方便清洗不方便清洗不方便;管板管板焊接管口焊接管口流流体体流流动动方方向向流流体体流流动动方方向向正方形正方形转角正方形转角正方形 正方形排管少正方形排管少,结构不够紧凑结构不够紧凑,但管外清洗较方便。一般在但管外清洗较方便。一般在固定管板式换热器中多用三角形排列固定管板式换热器中多用三角形排列,浮头式换热器、填料函浮头式换热器、填料函浮头式换热器、填料函浮头式换热器、填料函式换热器中多用正方形排列。式换热器中多用正方形排列。式换热器中多用正方形排列。式换热器中多用正方形排列。2 2 2 2、正方形排列、正方形排列、正方形排列、正方形排列一、换热管排列形式一、换热管排列形式 正三角形与转角正方形排列时正三角形与转角正方形排列时,流体在垂直流向拆流板缺流体在垂直流向拆流板缺口时口时,正对换热管正对换热管,冲刷换热管外表面冲刷换热管外表面,可提高换热效果。同时可提高换热效果。同时,此二种排列方式较转角正三角形与正方形排列得流体通道截面此二种排列方式较转角正三角形与正方形排列得流体通道截面小小,有利于提高流速有利于提高流速,提高换热效率。提高换热效率。流流体体流流动动方方向向转角正方形转角正方形流流体体流流动动方方向向正三角形正三角形隆重排荐隆重排荐隆重排荐隆重排荐一、换热管排列形式一、换热管排列形式二二、管间距管间距管间距管间距:管板上两换热管中心得距离管板上两换热管中心得距离。管间距用s s表示,多程换热器分程隔板两侧管间距应加大,用s sn n表示。管间距影响管板强度与壳程阻力、换热器外形尺寸等。三、管板受力及其设计方法简介三、管板受力及其设计方法简介 1 1、影响管板应力大小得因素、影响管板应力大小得因素:管板自身得直径、厚度、材料强度、使用温度等管板自身得直径、厚度、材料强度、使用温度等;管束对管板得支承作用。把管板瞧成就是放在弹性基础上管束对管板得支承作用。把管板瞧成就是放在弹性基础上得平板得平板,列管就起着弹性基础得作用列管就起着弹性基础得作用;管孔得存在、削弱了管板得强度与刚度管孔得存在、削弱了管板得强度与刚度,使管孔边缘产生峰使管孔边缘产生峰值应力。但管板孔内得管子能增加管板得强度与刚度值应力。但管板孔内得管子能增加管板得强度与刚度,抵消了一部抵消了一部分峰值应力。分峰值应力。管板外边缘得固定形式有夹持、简支、半夹持等。管板边管板外边缘得固定形式有夹持、简支、半夹持等。管板边界条件不同、管板应力状态不同。界条件不同、管板应力状态不同。由于管壁与壳壁温度得差异等由于管壁与壳壁温度得差异等,在管板内产生温差应力。在管板内产生温差应力。其她其她:如管板兼做法兰时如管板兼做法兰时,拧紧法兰螺拴拧紧法兰螺拴,在管板上产生附加在管板上产生附加弯矩。折流板间距、最大压力作用位置等对管板应力产生影响。弯矩。折流板间距、最大压力作用位置等对管板应力产生影响。三、管板受力及其设计方法简介三、管板受力及其设计方法简介管板厚度得设计方法管板厚度得设计方法:将管板当作受均布载荷得实心圆板将管板当作受均布载荷得实心圆板,以弹性理论以弹性理论得到得圆平板最大弯曲应力为主要依据得到得圆平板最大弯曲应力为主要依据,加入管板开孔加入管板开孔削弱与管束得实际支承作用得修正系数。削弱与管束得实际支承作用得修正系数。将管束当作弹性支承将管束当作弹性支承,而管板则作为放置于这一而管板则作为放置于这一弹性基础上得圆平板弹性基础上得圆平板,然后根据载荷大小、管束得刚度然后根据载荷大小、管束得刚度及周边支撑情况来确定管板得弯曲应力。特点就是计及周边支撑情况来确定管板得弯曲应力。特点就是计算比较精确。算比较精确。取管板上相邻四根管子之间得菱形面积取管板上相邻四根管子之间得菱形面积,按弹性按弹性理论求此面积在均布压力作用下得最大弯曲应力。仅理论求此面积在均布压力作用下得最大弯曲应力。仅用于粗略计算。用于粗略计算。我国我国管壳式换热器管壳式换热器设计规定中采用第设计规定中采用第2 2种方法。种方法。四、管板及管程得分程四、管板及管程得分程 列管式换热器得管板所受裁荷除管程与壳程压力之外列管式换热器得管板所受裁荷除管程与壳程压力之外,还承受管壁与壳壁得温差引起得变形不协调作用。固定式还承受管壁与壳壁得温差引起得变形不协调作用。固定式管板受力情况较复杂管板受力情况较复杂,影响管板应力大小有如下因素影响管板应力大小有如下因素:管板自身得管板自身得DiDi、材料强度、使用温度等对管板应力、材料强度、使用温度等对管板应力有显著得影响有显著得影响;管束对管板得支承作用。管束对管板得支承作用。管束对管板得支承作用。管束对管板得支承作用。管板与许多换热管刚性地固定管板与许多换热管刚性地固定在一起在一起,因此因此,管束起着支承得作用管束起着支承得作用,阻碍管板得变形。在阻碍管板得变形。在进行受力分析时进行受力分析时,常把管板瞧成就是放在弹性基础上得平常把管板瞧成就是放在弹性基础上得平板板,列管就起着弹性基础得作用。列管就起着弹性基础得作用。1 1、管板受力特点、管板受力特点管孔对管板强度与刚度得影响。管孔对管板强度与刚度得影响。管孔对管板强度与刚度得影响。管孔对管板强度与刚度得影响。管孔得存在管孔得存在,削弱了管板得削弱了管板得强度与刚度强度与刚度,同时管孔边缘产生峰值应力。当管子与管板连接同时管孔边缘产生峰值应力。当管子与管板连接之后之后,管板孔内得管子又能增加管扳得强度与刚度管板孔内得管子又能增加管扳得强度与刚度,而且也抵消而且也抵消了一部分峰值应力。了一部分峰值应力。管板周边支承形式得影响。管板周边支承形式得影响。管板周边支承形式得影响。管板周边支承形式得影响。管板边界条件不同管板边界条件不同,管板应力状管板应力状态也就是不一样得。管板外边缘有不同得固定形式态也就是不一样得。管板外边缘有不同得固定形式,如夹持、如夹持、简支、半夹持等。这些不同得固定形式对管板应力产生不同简支、半夹持等。这些不同得固定形式对管板应力产生不同程度得影响。程度得影响。温度对管板得影响。温度对管板得影响。温度对管板得影响。温度对管板得影响。由于管壁与壳壁温度得差异由于管壁与壳壁温度得差异,各自得各自得变形量也不同变形量也不同,这不仅使管子与壳体得应力有显著增加这不仅使管子与壳体得应力有显著增加,而且而且使管板应力有很大得增加使管板应力有很大得增加,同时同时,由于管板得上下表面接触不由于管板得上下表面接触不同温度得介质同温度得介质,使上下表面温度不同使上下表面温度不同,亦会在管板内产生温差亦会在管板内产生温差应力。应力。当管板兼做法兰当管板兼做法兰当管板兼做法兰当管板兼做法兰时时,拧紧法兰螺栓拧紧法兰螺栓,在管板上又会产生在管板上又会产生附加弯矩附加弯矩,折流板间距、最大压力作用位置等也都对管折流板间距、最大压力作用位置等也都对管板应力有影响。板应力有影响。四、管板及管程得分程四、管板及管程得分程2 2、管板厚度得设计方法、管板厚度得设计方法管板厚度设计方法有如下几种管板厚度设计方法有如下几种:将管板当作受均布载荷得实心圆板将管板当作受均布载荷得实心圆板,以按弹性理论得到得以按弹性理论得到得圆平板最大弯曲应力为主要依据圆平板最大弯曲应力为主要依据,加入适当得修正系数来考加入适当得修正系数来考虑管板开孔削弱与管束得实际支承作用。这种设计方法对虑管板开孔削弱与管束得实际支承作用。这种设计方法对管板作了很大简化管板作了很大简化,因而就是一种半经验公式。但由于公式因而就是一种半经验公式。但由于公式计算简便计算简便,同时又有长期使用经验同时又有长期使用经验,结果比较安全结果比较安全,因而不少因而不少国家得管板厚度设计公式仍以此作为基础。国家得管板厚度设计公式仍以此作为基础。四、管板及管程得分程四、管板及管程得分程将管束当作弹性支承将管束当作弹性支承,而管板则作为放置于这一弹性基而管板则作为放置于这一弹性基础上得圆平板础上得圆平板,然后根据载荷大小、管束得刚度及周边支然后根据载荷大小、管束得刚度及周边支承情况来确定管板得弯曲应力。承情况来确定管板得弯曲应力。由于它比较全面地考虑了管束得支承与温差得影响,因而计算比较准确,但计算公式较多,计算过程也较繁杂。在计算机普遍应用得今天,就是一种有效得设计方法。取管板上相邻四根管子之间得菱形面积取管板上相邻四根管子之间得菱形面积,按弹性理论按弹性理论求此面积在均布压力作用下得最大弯曲应力。求此面积在均布压力作用下得最大弯曲应力。由于此法与管板实际受载情况相差甚大,所以仅用于粗略计算。我国我国我国我国钢制管壳式换热器设计规定钢制管壳式换热器设计规定钢制管壳式换热器设计规定钢制管壳式换热器设计规定中采用得就是上中采用得就是上中采用得就是上中采用得就是上述第述第述第述第2 2 2 2种方法。种方法。种方法。种方法。3 3、管程得分程、管程得分程 当换热器所需得换热面积较大当换热器所需得换热面积较大,可增加管子长度或增可增加管子长度或增加管子得数目。加管子得数目。增加管长就是有限度得增加管长就是有限度得,一般不超过一般不超过6m6m。增加管子数增加管子数量则要保证管内流体有一定得流速量则要保证管内流体有一定得流速,流速太低流速太低,传热效果则传热效果则较差。较差。此时为了增加管程流速此时为了增加管程流速,提高传热效率提高传热效率,须将管束分须将管束分程程,使流体依次流过各程管子。使流体依次流过各程管子。为什么要分程？为什么要分程？(1 1)各程换热管数应大致相同各程换热管数应大致相同各程换热管数应大致相同各程换热管数应大致相同;(2 2)相邻程间平均壁温差一般不应超过相邻程间平均壁温差一般不应超过相邻程间平均壁温差一般不应超过相邻程间平均壁温差一般不应超过2828;(3 3)各程间得密封长度应最短各程间得密封长度应最短各程间得密封长度应最短各程间得密封长度应最短;(4 4)分程隔板得形状应简单。分程隔板得形状应简单。分程隔板得形状应简单。分程隔板得形状应简单。为了把换热器做成多管程为了把换热器做成多管程,可在流道室可在流道室(管箱管箱)中安装与中安装与管子中心线相平行得分程隔板管子中心线相平行得分程隔板,管程数一般有管程数一般有1 1,2 2,4 4,6 6,8 8,1010,1212等七种等七种,对于各种程数得分程方法对于各种程数得分程方法,可采可采用不同组合形式用不同组合形式,但必须满足以下几条但必须满足以下几条:3 3、管程得分程、管程得分程3 3、管程得分程、管程得分程分程隔板与管板及封头得连接分程隔板与管板及封头得连接分程隔板与管板及封头得连接分程隔板与管板及封头得连接 分程隔板有单层与双分程隔板有单层与双层两种。单层隔板与管板层两种。单层隔板与管板得密封结构图所示。隔板得密封结构图所示。隔板得密封面宽度应为隔板厚得密封面宽度应为隔板厚度加度加2mm2mm。隔板材料应与隔板材料应与封头材料相同。封头材料相同。双层隔板得结构双层隔板得结构如如图图。双层隔板有隔热空。双层隔板有隔热空间间,可防止热流短路可防止热流短路(即即不使已冷或已加热得流不使已冷或已加热得流体被刚进入得热或冷流体被刚进入得热或冷流体经隔板而再被加热或体经隔板而再被加热或冷却冷却)。4 4、管板与壳体得连接、管板与壳体得连接 列管式换热器管板与壳体得连接结构分为可拆列管式换热器管板与壳体得连接结构分为可拆式与不可拆式两类。式与不可拆式两类。固定管板式换热器得管板与壳体间采用不可拆固定管板式换热器得管板与壳体间采用不可拆得焊接连接得焊接连接,而浮头式、而浮头式、U U形管式与填料函式换热器形管式与填料函式换热器得管板采用可拆式连接。得管板采用可拆式连接。五、管板与壳体得连接结构1 1、固定管板式换热器管板与壳体得连接、固定管板式换热器管板与壳体得连接五、管板与壳体得连接结构1 1、固定管板式换热器管板与壳体得连接、固定管板式换热器管板与壳体得连接壳程介质有间隙腐蚀时采用壳程介质有间隙腐蚀时采用五、管板与壳体得连接结构1 1、固定管板式换热器管板与壳体得连接、固定管板式换热器管板与壳体得连接壳程介质无间隙腐蚀时采用壳程介质无间隙腐蚀时采用壳程介质有间隙腐蚀时采用壳程介质有间隙腐蚀时采用兼做法兰时管板与壳体得连接结构兼做法兰时管板与壳体得连接结构五、管板与壳体得连接结构1 1、固定管板式换热器管板与壳体得连接、固定管板式换热器管板与壳体得连接管板不作法兰时连接结构如图。由于法兰力矩不管板不作法兰时连接结构如图。由于法兰力矩不作用在管板上作用在管板上,改善了管板受力情况。改善了管板受力情况。五、管板与壳体得连接结构1 1、固定管板式换热器管板与壳体得连接、固定管板式换热器管板与壳体得连接五、管板与壳体得连接结构1 1、固定管板式换热器管板与壳体得连接、固定管板式换热器管板与壳体得连接2 2、浮头式、浮头式、U U形管式及填料函式换热器固定端管形管式及填料函式换热器固定端管板与壳体得连接板与壳体得连接由于管束要从壳体中由于管束要从壳体中抽出抽出,进行清洗进行清洗,故将管板故将管板做成可拆连接。做成可拆连接。管板夹于壳体法兰与管板夹于壳体法兰与顶盖法兰之间顶盖法兰之间,卸下顶盖可卸下顶盖可把管板同管束从壳体中一把管板同管束从壳体中一起抽出来。起抽出来。五、管板与壳体得连接结构2 2、浮头式、浮头式、U U形管式及填料函式换热器固定端管形管式及填料函式换热器固定端管板与壳体得连接板与壳体得连接五、管板与壳体得连接结构3 3 3 3、管板上得拉杆孔、管板上得拉杆孔、管板上得拉杆孔、管板上得拉杆孔在对流传热得换热器中在对流传热得换热器中,为提高壳程内流体得流速为提高壳程内流体得流速与加强湍流程度与加强湍流程度提高传热效率提高传热效率,在壳程内装置折流在壳程内装置折流板。折流板还起支撑换热管得作用。当工艺上无装折流板。折流板还起支撑换热管得作用。当工艺上无装折流板得要求板得要求,管子比较细长时管子比较细长时,应该考虑有一定数量得支承应该考虑有一定数量得支承板板便于安装与防止管子变形过大。便于安装与防止管子变形过大。折流板与支承板可分为横向与纵向两种。前者使折流板与支承板可分为横向与纵向两种。前者使流体横过管束流动流体横过管束流动;后者使管间得流体平行流过管束。后者使管间得流体平行流过管束。第四节第四节 折流板、支承扳、旁路挡板及拦液扳得作用与结折流板、支承扳、旁路挡板及拦液扳得作用与结构构 一、折流板及支承板一、折流板及支承板一、折流板及支承板一、折流板及支承板折流板与支承板可分为横向与纵向两种。前者使折流板与支承板可分为横向与纵向两种。前者使流体横过管束流动流体横过管束流动;后者使管间得流体平行流过管束。后者使管间得流体平行流过管束。折流板作用折流板作用折流板作用折流板作用:提高壳程内流体得流速提高壳程内流体得流速;加强湍流强度加强湍流强度;提高传热效率提高传热效率;支撑换热管。支撑换热管。(当工艺上无折流板要求而管子较细长时当工艺上无折流板要求而管子较细长时,应考虑有一定数量应考虑有一定数量得支承板得支承板,以便安装与防止管子变形以便安装与防止管子变形;支撑板得尺寸、形状可支撑板得尺寸、形状可与折流板相同。与折流板相同。)设置在壳体内与管束垂直得弓形或圆盘圆环形平板设置在壳体内与管束垂直得弓形或圆盘圆环形平板,安装折流板使安装折流板使壳程流体按照规定得路径多次横向穿过管束壳程流体按照规定得路径多次横向穿过管束,既提高了流速又增加了湍流既提高了流速又增加了湍流速度速度,改善了传热效果。卧式换热器中折流板还可起到支撑管束得作用。改善了传热效果。卧式换热器中折流板还可起到支撑管束得作用。常用得折流挡板常用得折流挡板:单弓形、双弓形、三弓形与盘单弓形、双弓形、三弓形与盘圆环形。圆环形。单弓形折流挡板对介质流向得影响单弓形折流挡板对介质流向得影响:1 1 1 1、横向折流板、横向折流板、横向折流板、横向折流板一、折流板及支承板一、折流板及支承板一、折流板及支承板一、折流板及支承板盘盘环形折流挡板对介质流向得影响环形折流挡板对介质流向得影响一、折流板及支承板一、折流板及支承板一、折流板及支承板一、折流板及支承板1 1 1 1、横向折流板、横向折流板、横向折流板、横向折流板1 1 1 1、横向折流板、横向折流板、横向折流板、横向折流板一、折流板及支承板一、折流板及支承板一、折流板及支承板一、折流板及支承板1 1 1 1、横向折流板、横向折流板、横向折流板、横向折流板 弓形折流板用得较普遍弓形折流板用得较普遍,它使流体只经折流板切它使流体只经折流板切去得圆缺部分而垂直流过管束去得圆缺部分而垂直流过管束,流动中死区较少。流动中死区较少。弓形折流板缺口高度应使流体通过缺口时与横弓形折流板缺口高度应使流体通过缺口时与横过管束时得流速相近。缺口高度过管束时得流速相近。缺口高度h=h=(0 0、2 20 0、4545)D Di i一、折流板及支承板一、折流板及支承板一、折流板及支承板一、折流板及支承板横向折流板与支承板得厚度与壳体直径与折流板间距横向折流板与支承板得厚度与壳体直径与折流板间距有关有关,对换热器得振动也有影响。其最小厚度按标准选取。对换热器得振动也有影响。其最小厚度按标准选取。当壳程流体有脉动或用作浮头式换热器浮头端得支承板时当壳程流体有脉动或用作浮头式换热器浮头端得支承板时,则厚度必须予以特别考虑。则厚度必须予以特别考虑。横向折流板的尺寸横向折流板的尺寸横向折流板的尺寸横向折流板的尺寸-厚度厚度厚度厚度 折流板按等间距布置,管束两端得折流板尽可能靠近壳程进、出口接管。卧式换热器得壳程为单相清洁流体时,折流板缺口应水平上下布置,若气体中含有少量液体时,则应在缺口朝上得折流板得最低处开通液口最低处开通液口;若液体中含有少量气体时,则应在缺口朝下得折流板最高处开通气最高处开通气口口。卧式换热器、冷凝器与再沸器得壳程介质为气、液相共存或液体中含有固体物料时,折流板缺口应垂垂直左右布置直左右布置,并在折流板最低处开通液口最低处开通液口。横向折流板的间距横向折流板的间距横向折流板的间距横向折流板的间距折流板缺口布置折流板缺口布置折流板缺口布置折流板缺口布置卧式热交换器得壳程为单相清洁流体时,折流板缺口宜水平上下布置;气体中含有少量液体 时,应在缺口朝上得折流板最低处开通液口,如图a所示;液体中含有少量气体时,应在缺口朝下得折流板最高处开通气口,如图b所示。卧式热交换器、冷凝器与重沸器得壳程介质为气、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;气、液相共存时,应在折流板最低处与最高处开通液口与通气口,如图c 所示;液体中含有固体颗粒时,应在折流板最低处开通液口,如图d所示。折流板最小间距一般不小于圆筒内直径得1/5,且不小于50mm及相邻两块折流板间距不得大于壳体内直径。特殊情况下也可取较小得间距。最大无支撑跨距:横向折流板的间距横向折流板的间距横向折流板的间距横向折流板的间距 安装折流挡板得目得就是为提高管外表面传热系数,为取得良好得效果,挡板得形状与间距必须适当。对圆缺形挡板而言,弓形缺口得大小对壳程流体得流动情况有重要影响。a、切除过少切除过少b、切除适当切除适当 c、切除过多切除过多我国系列标准中采用得挡板间距:固定管板式固定管板式固定管板式固定管板式有100,150,200,300,450,600,700mm七种浮头式浮头式浮头式浮头式有100,150,200,250,300,350,450(或480),600mm八种。1 1 1 1、横向折流板、横向折流板、横向折流板、横向折流板折流板与壳体之间得间隙越小折流板与壳体之间得间隙越小,壳程流体由此泄漏得量壳程流体由此泄漏得量越少越少,传热效率越高。但间隙过小传热效率越高。但间隙过小,给制造与安装带来困难。给制造与安装带来困难。间隙得确定可参考间隙得确定可参考下表下表。横向折流板与壳体间隙横向折流板与壳体间隙横向折流板与壳体间隙横向折流板与壳体间隙1 1 1 1、横向折流板、横向折流板、横向折流板、横向折流板折流板与支持板的固定折流板与支持板的固定折流板与支持板的固定折流板与支持板的固定折折流流板板与与支支承承板板得得固固定定就就是是通通过过拉拉杆杆与与定定距距管管完完成成得。得。d14mm时时2 2 2 2、支持板、支持板、支持板、支持板 当换热器不需设折流板,但换热管无支撑跨距超过相关规定时,则应设支持板,用来支撑换热管,以防止换热管产生过大得挠度。浮头式换热器浮头端宜设置加厚环板得支持板。浮头式换热器浮头端宜设置加厚环板得支持板。浮头式换热器浮头端宜设置加厚环板得支持板。浮头式换热器浮头端宜设置加厚环板得支持板。3 3 3 3、纵向折流板、纵向折流板、纵向折流板、纵向折流板-壳程分程壳程分程壳程分程壳程分程对分流对分流对分流对分流双分流双分流双分流双分流纵向隔板得密封4 4 4 4、防短路结构、防短路结构、防短路结构、