典型化工設(shè)備設(shè)計-換熱器結(jié)構(gòu)

壓力容器的常規(guī)設(shè)計方法內(nèi)壓、外壓（中、低壓）幾類常用化工設(shè)備換熱設(shè)備、塔設(shè)備、攪拌設(shè)備第三篇典型化工設(shè)備的機械設(shè)計換熱器攪拌設(shè)備塔設(shè)備教學(xué)重點（1）典型管殼式換熱器的選型（2）固定管板式換熱器的基本結(jié)構(gòu)（3）管子的選用及管板的連接（4）溫差應(yīng)力產(chǎn)生的原因及補償措施教學(xué)難點：管、殼程的分程及隔板第七章管殼式換熱器的機械設(shè)計

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準是什么呢？3.可靠性滿足操作條件,強度足夠,保證使用壽命二、衡量標準2.合理性1.先進性可制造加工，成本可接受傳熱效率高，流體阻力小，材料省

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）四、、換換熱熱器器的的基基本本類類型型按傳傳熱熱方方式式或或工工作作原原理理分分類類1、直直接接接接觸觸式式傳熱熱效效果果好好，，但但不不能能用用于于發(fā)發(fā)生生反反應(yīng)應(yīng)或或有有影影響響的的流流體體之之間間直接接接接觸觸式式換換熱熱器器熱流體冷流體熱流體冷流體2、蓄蓄熱熱式式溫度度較較高高的的場場合合，，但但有有交交叉叉污污染染，，溫溫度度波波動動大大蓄熱熱式式換換熱熱器器冷流體冷流體熱流體熱流體3、間壁式重點———又稱稱表表面面式式換換熱熱器器利用用間間壁壁（（固固體體壁壁面面））進進行行熱熱交交換換。。冷熱熱兩兩種種流流體體隔隔開開，，互互不不接接觸觸，，熱熱量量由熱熱流流體體通通過過間間壁壁傳傳遞遞給給冷冷流流體體。。應(yīng)用用最最為為廣廣泛泛，，形形式式多多種種多多樣樣，，如管管殼殼式式換換熱熱器器、、板板式式換換熱熱器器等等對于于間間壁壁式式換換熱熱器器，，按按間間壁壁形形狀狀進進一一步步分分為為(3)管殼殼式式(1)管式式(2)緊湊湊式式螺旋旋板板式式、、板板式式、、板板翅翅、、傘傘板板等等排管管、、蛇蛇管管、、套套管管重點點下面面我我們們來來看看一一看看管管殼殼式式換換熱熱器器的的基基本本結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)管殼殼式式換換熱熱器器圖7-1換熱熱器器構(gòu)構(gòu)件件名名稱稱1-管箱箱(A,B,C,D型);2-接管管法法蘭蘭;3-設(shè)備備法法蘭蘭;4-管板板;5-殼程程接接管管;6-拉桿桿;7-膨脹脹節(jié)節(jié);8-殼體體;9-換熱熱管管;10-排氣氣管管;11-吊耳耳;12-封頭頭;13-頂絲絲;14-雙頭頭螺螺柱柱;15-螺母母;16-墊片;17-防沖板板;18-折流板板或支支承板板;19-定距管管;20-拉桿螺螺母;21-支座;22-排液管管;23-管箱殼殼體;24-管程接接管;25-分程隔隔板;26-管箱蓋蓋根據(jù)我我們前前面學(xué)學(xué)習的的內(nèi)容容，請請同學(xué)學(xué)們說說說序序號2、3、8、12、21各代表表什么么零件件？管殼式式換熱熱器的的結(jié)構(gòu)構(gòu)：固定管管板式式換熱熱器浮頭式式換熱熱器U形管式式換熱熱器填料函函式換換熱器器五、管管殼式式換熱熱器的的分類類基本類類型無補償償器帶補償償器（一）固定管管板式式換熱熱器固定管管板換換熱器器——分為帶補償償器和不帶補補償器器兩種。。優(yōu)點：：結(jié)構(gòu)簡簡單、、緊湊湊、能能承受受較高高的壓壓力，，造價價低，，管程程清洗洗方便便，管管子損損壞時時易于于堵管管或更更換。。缺點：：不易清清洗殼殼程，，殼體體和管管束中中可能能產(chǎn)生生較大大的熱熱應(yīng)力力。圖7-2固定管管板式式換熱熱器結(jié)構(gòu)三三維圖圖為減少少熱應(yīng)應(yīng)力，，通常常在固固定管管板式式換熱熱器中中設(shè)置置柔性性元件件（如如膨脹脹節(jié)、、撓性性管板板等）），來來吸收收熱膨膨脹差差。圖7-3帶膨脹脹節(jié)的的固定定管板板式換換熱器器適用場場合：：適用于于殼程程介質(zhì)質(zhì)清潔潔，不不易結(jié)結(jié)垢，，管程程需清清洗以以及溫溫差不不大或或溫差差雖大大但是是殼程程壓力力不大大的場場合。。（二））浮頭頭式換換熱器器優(yōu)點：：管內(nèi)和和管間間清洗洗方便便，不不會產(chǎn)產(chǎn)生熱熱應(yīng)力力。缺點：：結(jié)構(gòu)復(fù)復(fù)雜，，設(shè)備備笨重重，造造價高高，浮浮頭端端小蓋蓋在操作中中無法法檢查查，影影響傳傳熱。。適用場場合：：殼體和和管束束之間間壁溫溫相差差較大大，或或介質(zhì)質(zhì)易結(jié)垢的的場合合。圖7-4浮頭式式換熱熱器浮頭結(jié)結(jié)構(gòu)特點：：1.一端可可自由由伸縮縮—不產(chǎn)生生熱應(yīng)應(yīng)力；；2.管束可可以抽抽出，，管內(nèi)內(nèi)外均均易清清洗；；3.填料將將殼程程介質(zhì)質(zhì)與外外界隔隔開，，易外外漏，，介質(zhì)質(zhì)受限限制；；（三））填料料函式式換熱熱器優(yōu)點：：結(jié)構(gòu)簡簡單，，加工工制造造方便便，造造價低低，管管內(nèi)和和管間間清洗洗方便便。缺點：：填料處處易泄泄漏。。適用場場合：：4MPa以下，，且不不適用用于易易揮發(fā)發(fā)、易易燃、、易爆爆、有有毒及及貴重介介質(zhì)，，使用用溫度度受填填料的的物性性限制制。填料函函式密密封填料函函式換換熱器器U形管式式換熱熱器U形管式式換熱熱器動畫U型管式式換熱熱器的的二維維圖特點：：1.只有一一個管管板，，結(jié)構(gòu)構(gòu)簡單單；2.管子可可以抽抽出，，管間間易清清洗；；3.管子可可以自自由膨膨脹；；4.管內(nèi)不不便清清洗，，不易易更換換；5.結(jié)構(gòu)不不緊湊湊。（四））U形管式式換熱熱器圖7-7U型管式式換熱熱器優(yōu)點：：結(jié)構(gòu)簡簡單，，價格格便宜宜，承承受能能力強強，不不會產(chǎn)產(chǎn)生熱熱應(yīng)力力。缺點：：布板少少，管管板利利用率率低，，管子子壞時時不易易更換換。適用場場合：：特別適適用于于管內(nèi)內(nèi)走清清潔而而不易易結(jié)垢垢的高高溫、、高壓壓、腐腐蝕性大的的物料料。（一）工藝計計算六、管管殼式式換熱熱器設(shè)設(shè)計內(nèi)內(nèi)容選型；；確定定管、、殼程程；通通過化化工工工藝計計算，，確定定換熱熱器的的傳熱熱面積積，同同時選選擇管管徑、、管長長，決決定管管數(shù)、、管程程數(shù)和和殼程程數(shù)。（二）機械設(shè)設(shè)計1）殼殼體直直徑的的決定定和殼殼體厚厚度的的計算算；2）換換熱器器封頭頭選擇擇，壓壓力容容器法法蘭選選擇；；3）管管板尺尺寸確確定；；4）折折流板板的選選擇與與計算算；5）管管子拉拉脫力力的計計算；；6）溫溫差應(yīng)應(yīng)力計計算。。課堂提提問說出換換熱器器類型型固定管管板式式換熱熱器浮頭式式換熱熱器U形管式式換熱熱器填料函函式換換熱器器第二節(jié)節(jié)管管板式式換熱熱器換換熱管管的選選用及及其與與管板板的連連接一、換換熱管管的選選用（一）直徑粘性大大或污污濁的的流體體大管徑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徑（二）規(guī)格（外徑徑×壁壁厚）），長長度按按規(guī)定定決定定換熱管管尺寸寸φ19×2、φ25×2.5和φ38×2.5mm無縫鋼鋼管φ25×2和φ38×2.5mm不銹鋼鋼管標準管管長1.5、2.0、3.0、4.5、6.0、9.0m等換熱器器的換換熱管管長度度與公公稱直直徑之之比，，一般般在4～25之間，，常用用的為為6～10。立式式換熱熱器，，其比比值多多為4～6。（三）材料由壓力力、溫溫度、、介質(zhì)質(zhì)的腐腐蝕性性能決決定。。常用用管子子材質(zhì)質(zhì)有：：碳素素鋼（（10，20）、合金鋼鋼（1Cr18Ni9Ti)、低合金金鋼（（16Mn,15MnV)、銅、、鈦、、塑料料、石石墨等等。金屬材材料碳素鋼鋼低合金金鋼不銹鋼鋼銅銅鎳合合金鋁合金金鈦等非金屬屬材料料石墨陶瓷聚四氟氟乙烯烯等（四）結(jié)構(gòu)型型式換熱管型式光管強化傳熱管螺旋槽管螺紋管翅片管（在給熱系數(shù)低側(cè)）多用光光管，，因為為結(jié)構(gòu)構(gòu)簡單單，制制造容容易，，為強化化傳熱熱，也也采用用強化化傳熱熱管。。常用管管子形形式：：圖7-9幾種異異形管管（a）扁平平管（（b）橢圓圓管（（c）凹槽槽扁平平管（（d）波紋紋管圖7-10縱向翅翅片管管（a）焊接接外翅翅片管管（（b）整體體式外外翅片片管（c）鑲嵌嵌式外外翅片片管（（d）整體體式內(nèi)內(nèi)外翅翅片管管圖7-11徑向翅翅片管管圖7-12螺紋管管二、管管子與與管板板的連連接（一）脹接利用脹脹管器器擠壓壓伸入入管板板孔中中的管子端端部，使管管端發(fā)發(fā)生塑性變變形，管板孔孔邊緣緣同時產(chǎn)產(chǎn)生彈性變變形，取去去脹管管器后后，管管板邊邊緣彈彈性恢恢復(fù)與與管子子產(chǎn)生生一定定的擠擠壓力力，貼貼在一一起達達到密密封緊緊固連連接的的目的的。圖7-13脹管前前后示示意圖圖（a）脹管管前（b）脹管管后脹接工工具：：脹管器器液壓脹管器器液壓脹脹接機械脹脹接優(yōu)點：：工藝藝簡單單方便便；消除間間隙——避免間間隙腐腐蝕。缺點：：溫度度升高高時，，管端端會發(fā)發(fā)生松松弛——泄漏。適用范范圍：：換熱管管為碳碳素鋼鋼，管管板為為碳素素鋼或或低合合金鋼鋼，設(shè)設(shè)計壓壓力≤≤4MPa，設(shè)計溫溫度≤≤300℃℃，且且無特特殊要要求的的場合合。原因：：溫度升升高，，殘余余應(yīng)力力減小小，使使管子子與管管板間間的脹脹接密密封性性能、、緊固固性能能都下下降，，故設(shè)設(shè)計溫溫度≤≤300℃℃。要求管管板硬硬度大大于管管子硬硬度，，否則則將管管端退退火后后再脹脹接。。脹接時時管板板上的的孔可可以是是光孔孔，也也可開開槽(開槽槽可以以增加加連接接強度度和緊緊密性性)。。為什麼麼？如如何何實現(xiàn)現(xiàn)？注意：：保證緊緊密性性的方方法：管板孔孔開槽槽；脹接周周邊保保證清清潔；；管子硬硬度低低于管管板孔孔周邊邊硬度度。保證管管端硬硬度較較低并并且低低于管管板硬硬度的的方法法：管端退退火處處理。。選材考考慮。圖7-14脹管連連接結(jié)結(jié)構(gòu)及及尺寸寸（二）焊接優(yōu)點：：在高溫溫高壓壓條件件下，，焊接接連接接能保保持連連接的的緊密密性，，管板板加工工要求求可降降低，，節(jié)省省孔的的加工工工時時，工工藝較較脹接接簡單單，壓壓力較較低時時可使使用較較薄的的管板板。缺點：在焊接接接頭處產(chǎn)產(chǎn)生的熱熱應(yīng)力可可能造成成應(yīng)力腐蝕蝕開裂和疲疲勞破裂裂，同時時管子、、管板間間存在間間隙，易易出現(xiàn)間隙腐蝕蝕。圖7-15焊接間隙隙示意圖圖管板間隙換熱管圖7-16焊接接頭頭的結(jié)構(gòu)構(gòu)(a)c(c)(b)(d)克服了單單純的焊焊接及脹脹接的缺缺點，主要優(yōu)點點是：連接緊密密，提高高抗疲勞勞能力；；消除間隙隙腐蝕和和應(yīng)力腐腐蝕；提高使用用壽命。。（三）脹焊并用用脹焊并用用連接主主要有：：強度焊＋＋貼脹……………………先先焊后脹脹強度脹＋＋密封焊焊……………………先脹后后焊概念解釋釋：密封封焊—不不保證強強度，只只防漏；；強度焊——既防漏漏，又保保證抗拉拉脫強度度；貼脹—只只消除間間隙，不不承擔拉拉脫力；；強度脹——既消除除間隙，，又滿足足脹接強強度。目前，先先焊后脹脹與先脹脹后焊兩兩派學(xué)說說仍處于于爭議之之中。第三節(jié)管管板與與管板連連接結(jié)構(gòu)構(gòu)一、管板板管板材料料選擇既既有力學(xué)學(xué)的上考考慮，又又有耐介介質(zhì)腐蝕蝕的考慮慮。二、管板板材料管板是管管殼式換換熱器的的重要零零部件之之一。三、管板板結(jié)構(gòu)在滿足強強度要求求的前提提下，應(yīng)應(yīng)當盡量量減少管管板厚度度。四、換熱熱管排列列方式三角形排排列緊湊湊，傳熱熱效果好好，同一一板上管管子比正正方形多多排10%左右右，同一一體積傳傳熱面積積更大。。適用于于殼程介介質(zhì)污垢垢少，且且不需要要進行機機械清洗洗的場合合。（一）正三角形形和轉(zhuǎn)角角正三角角形排列列圖7-17正三角形形排列的的管子流體流動動方向流體流動動方向正三角形形排列轉(zhuǎn)角正三三角形排排列（二）正方形和和轉(zhuǎn)角正正方形排排列管間小橋橋形成一一條直線線通道，，便于機機械清洗洗。要經(jīng)經(jīng)常清洗洗管子外外表面上上的污垢垢時，多多用正方方形排列列。圖7-18正方形排排列的管管子流體流動動方向流體流動動方向轉(zhuǎn)角正方方形排列列正方形排排列（三）組合排列列法在多程換換熱器中中多采用用組合排排列方法法。即每每一程中中都采用用三角形形排列法法，而在在各程之之間，為為了便于于安裝隔隔板，則則采用正正方形排排列法，，如圖7－19。圖7-19組合排列列法五、管間間距（一）定義（二）要求管間距指指兩相鄰鄰換熱管管中心的的距離。。管間距≥≥1.25d0，符合表7-4規(guī)定，便便于管子子與管板板間的連連接，因因為對于于脹接或或焊接來來講，管管子間距距離太近近，那么么都會影影響連接接質(zhì)量。。最外層層管壁與與殼壁之之間的距距離不應(yīng)應(yīng)小于1/2換熱管外外徑加10mm，主要是為為折流板板易于加加工，不不易損壞壞。表7-4常用換熱熱管中心心距/mm換熱管外徑do1214192532384557換熱管中心距1619253240485772最外層換換熱管中中心至殼殼體內(nèi)表表面的距距離不應(yīng)應(yīng)小于[(換熱管外外徑的一一半)＋10mm]。六、管箱箱與管束束的分程程當換熱器器所需的的換熱面面積較大大，而管管子做得得太長時時，就得得增大殼殼體直徑徑，排列列較多的的管子。。此時，，為了增增加管程程流速，，提高傳傳熱效果果，須將將管束分分程，使使流體依依次流過過各程管管子。（一）分程原因因固定管板板式換熱熱器利用用管箱來來實現(xiàn)管管束分程程。管箱箱位于換換熱器兩兩端，便便于拆裝裝。隔板板安裝在在管箱內(nèi)內(nèi)。管箱管箱結(jié)構(gòu)構(gòu)：（二）分程原則則（三）分程隔板板圖7-22雙層隔板板與管板板的密封封①各程換換熱管數(shù)數(shù)應(yīng)大致致相等；；②相鄰程程間平均均壁溫差差一般不不應(yīng)超過過28℃℃；③各程間間的密封封長度應(yīng)應(yīng)最短；；④分程隔隔板的形形狀應(yīng)簡簡單。圖7-21單層隔板板與管板板的密封封隔板管板封頭隔板管板（四）分程方式式表7－5管程布置置表七、管程程接管與與擋板和和導(dǎo)流筒筒為減緩殼殼程入口口高速流流體對管管子的沖沖刷，將將接管做做成喇叭叭形，結(jié)結(jié)構(gòu)為圓圓形時常常稱為導(dǎo)