管壳式换热器.ppt

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1、第六章 管壳式换热器的机械设计（Mechanical Design of Shell and Tube Heat Exchanger）6.1 概述,换热器是工业部门广泛应用的通用工艺设备。根据不同的目的，换热器可以是热交换器（Heat exchanger）、加热器（Heater）、冷却器（Cooler）、蒸发器（Evaporator）、冷凝器（Condenser）等，结构型式也多种多样，常用的换热器有板式换热器（Plate heat exchanger）、管壳式换热器（Shell and tube heat exchanger）。管壳式换热器又称列管式换热器。管壳式换热器具有处理能力大适应性强

2、，可靠性高，设计和制造工艺成熟，生产成本低，清洗较为方便等优点，是目前生产中最为广泛使用的一种换热设备。管壳式换热器的设计和选用除了满足规定的化工工艺条件外，还需满足下列各项基本要求：（1）换热效率高；（2）流体流动阻力小，即压力降小；（3）结构可靠，制造成本低；（4）便于安装、检修。,6.1.1 管壳式换热器的结构及主要零部件,换热器构件名称,6.1.2 管壳式换热器的分类（Classification of Shell and Tube Heat Exchanger）,管壳式换热器种类很多，根据换热器所受温差应力以及是否采用温差补偿装置，分为刚性结构和具有温差补偿的两类。常用的管壳式换热器

3、有固定管板式，浮头式，填函式和U型管式。1、固定管板式换热器（Fixed tube heat exchanger）固定管板式换热器分为刚性结构的固定管板式和带膨胀节的固定管板式两种。换热器壳体和管束通过两端的管板刚性地连在一起。,固定管板式换热器,带膨胀节的固定管板式换热器,优点：换热器结构简单、造价低，每根管子都能单独更换，管内便于清洗缺点：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。固定管板式换热器适用于壳程介质清洁、不易结垢、温差不大和壳程压力不高的场合。,6.2 管壳式换热器的结构设计（Shell and Tube Heat Exchanger Desig

4、n）,6.2.1 管子的选用（Selection of pipe）1、管子直径的选择（Choice of pipe diameter）换热管直径的确定要考虑管内介质的物性和管内流速、流量。为了提高传热效率，通常要求管内流体呈湍流，故一般要求管径较小；而且采用小直径的管子，换热器单位体积的换热面积大些，设备较紧凑。但制造较麻烦，容易结垢，不易清洗，适用于较清洁的流体。粘度大或污浊的流体，宜选用大直径的管子。常用的碳钢和低合金钢无缝钢管的规格有192、252.5、323、383、不锈钢常采用252、382.5。,2、管子材料的选择（Choice of pipe material）管子材料应根据设计

5、压力、温度、介质的腐蚀等条件来选择，在满足以上条件的前提下，尽量选择导热性能好的材料，对于一般介质，可选用普通碳素钢，特别是10、20号无缝钢管。,3、管子长度的选择（Choice of pipe length）管子长度主要根据工艺计算和整个换热器的几何尺寸的布局来确定，管子越长，换热器单位材料消耗越低。但管子不能太长，否则对流体产生较大阻力，维修、清洗、运输、安装都不方便，管子本身受力也不好。常用管长规格为1.5、2、2.5、3、4.5、5、6、7.5、9、12m等。,3、胀焊并用（Expansion and Welding）由于单独采用胀接或单独采用焊接均有一定的局限性，为此出现了胀接加焊

6、接的型式。根据加工次序可分为：先胀后焊和先焊后胀两种形式。采用这种连接结构可以消除间隙，增加抗热疲劳的性能，适用于高温、高压的换热设备。,6.2.3 管板结构（Tube Plate Structure）1、管子在管板上的排列（Arrangement of tube）管壳式换热器的管子在管板上的布置不单只考虑设备的紧凑性，还要考虑流体的性质、结构设计以及加工制造方面的情况。常用正三角形排列、转角三角债排列、正方形排列、转角正方形排列。,正三角形排列的管子,3、管板受力及其设计方法列管式换热器的管板一般采用平管板，在圆平板上开孔装设管束，管板又与壳体相连。管板所受的载荷除管程与壳程压力之外，还承受

7、管壁与壳壁的温差引起的变形不协调而产生的温差应力。影响管板应力大小有以下因素：（1）管板自身的直径、厚度、材料强度、使用温度等对管板应力有显著的影响。（2）管束对管板的支撑作用。（3）管孔对管板强度和刚度削弱的影响。（4）管板周边支承形式的影响。（5）温度对管板的影响。我国管壳式换热器（GB151-1999）采用以下的设计方法进行管板厚度计算：将管束当作弹性支承，而管板则作为放置于该弹性基础上的圆平板，然后根据载荷大小、管束的刚度及周边的支撑情况来确定管板的弯曲应力并进行强度计算。通常可以根据管板的公称压力从钢制列管式固定管板换热器结构设计手册中直接查取管板的尺寸。,6.2.4 管板与壳体的连

8、接结构（Connecting of tube plate and shell）管壳式换热器管板与壳体的连接结构分为可拆式和不可拆式两大类。固定管板式换热器的管板和壳体间采用不可拆的焊接连接，而浮头式、U型管式和填函式换热器的管板与壳体间需采用可拆结构。,不兼作法兰时管板与壳体的连接结构,6.3 管壳式换热器的强度计算（Strength desing of shell and tube heat exchanger）,换热器除了满足工艺要求外，还要满足强度要求。换热器作为受压容器，它既具有与一般容器相同的结构，又有一般容器所没有的结构，如管板、管子、膨胀节等。因此，管壳式换热器的强度计算包括两部

9、分内容：第一部分是壳体、法兰、开孔及支座等，与一般容器相同；第二部分为换热器特有的强度计算，包括管板的强度设计、管子拉脱力的计算、膨胀节的设计等。,在温差应力作用下，管子每平方米胀接周边所产生的力：式中：管子中的温差应力，MPa；at 每根管子管壁横截面积，mm2；di 管子的内径，mm。,根据温差和压力产生的管子周边力方向的不同进行组合得到管子的拉脱力，要求其小于许用拉脱力。,许用拉脱力（MPa）,2、必须设置膨胀节的条件 钢制管壳式换热器设计规定中要求：若满足以下条件之一者，必须设置膨胀节（1）；（2）；（3）且；（4）管子拉脱力壳体和管子中的应力按下式计算：式中，F1为由壳体和管子之间的

10、温差所产生的轴向力，N；F2由于壳程和管程压力作用于壳体上的轴向力，N；其中，F3由于壳程和管程压力作用于管子上的轴向力，N；,6.4 管壳式换热器设计与型号选择（Design and Model Selection of Shell and Tube Heat Exchanger）,6.4.1 固定管板式换热器的计算（Calculation of fixed tube plate heat exchanger）列管式换热器的设计与选择是在工艺计算的基础上进行的，其计算步骤如下：1.根据两种介质的流量、进出口温度、操作压力等算出换热器所需传递的热量。2.根据介质的性质（浓度、粘度、腐蚀性能）选择合适的材料；3.根据流量、压力、温度、介质性质、传递热量大小以及制造、维修方便等因素选择换热器的结构型式；4.确定换热器的流程（一般为112程）和流向（并、逆、错流）及管、壳程分别走何种介质；5.计算出所需换热面积，初步确定管径、管子数、管程数、管长和壳体直径等尺寸，并根据这些尺寸校核流体阻力，最后按标准选用换热器型号或按GB151进行换热器的设计。,6.4.3 固定管板式换热器型号介绍为了方便管壳式换热器的设计和选择，制定了管壳式换热器国标。凡换热面积、温度、介质压力在标准范围内者，以选用标准换热器为宜。换热器型号表示方法为：,HW一、思考题二/1 标出各零部件名称,