典型化工设备设计_换热器结构

U形管式换热器
U形管式换热器
动画
（四）U形管式换热器
U型管式换热器的二维图
1.只有一个管板，结构简单； 2.管子可以抽出，管间易清洗； 3.管子可以自由膨胀； 4.管内不便清洗，不易更换； 5.结构不紧凑。
图7-6 U形管式换热器 图 7-7 U型管式换热器
优点：结构简单，价格便宜，承受能力强，不会产生热应力。 缺点：布板少，管板利用率低，管子坏时不易更换。 适用场合：特别适用于管内走清洁而不易结垢的高温、高压、腐蚀
教学难点： 管、壳程的分程及隔板
第一节 一、定义
换热器概述
换热器是用来完成各种不同传热过程的设备。 1、如：开水锅炉、水杯、冰箱、空调等。 2、是许多工业部门广泛应用的通用工艺设 备。通常，在化工厂的建设中，换热器约 占总投资的11％～ 40％ 。
那么衡量一台换热器好坏的标准是什么呢？
二、衡量标准
（二）规格
（外径×壁厚），长度按规定决定
φ19×2、φ25×2.5和φ38×2.5mm无缝钢管
换热管尺寸
φ25×2和φ38×2.5mm不锈钢管
标准管长1.5、2.0、3.0、4.5、6.0、9.0m等
换热器的换热管长度与公称直径之比，一般在 4～25
之间，常用的为6～10。立式换热器，其比值多为4～6。
换热管型式
多用光管，因为结构简单，制造容易，
为强化传热，也采用强化传热管。
常用管子形式：
图7-9 几种异形管
（a）扁平管 （b）椭圆管 （c）凹槽扁平管（d）波纹管
图7-10 纵向翅片管
（a）焊接外翅片管
（c）镶嵌式外翅片管
（b）整体式外翅片管
（d）整体式内外翅片管
图7-11 径向翅片管
图7-12 螺纹管
管板 换热管
d0
间隙
d0
图7-15 焊接间隙示意图
(a)
(c)
图7-14 焊接接头的结构
图7-14
焊接接头的结构
(b)
图7-14 焊接接头的结构 (d)
图7-16 焊接接头的结构
（三）胀焊并用
克服了单纯的焊接及胀接的缺点， 主要优点是： • 连接紧密，提高抗疲劳能力； • 消除间隙腐蚀和应力腐蚀； • 提高使用寿命。
表7-4 常用换热管中心距/mm
换热管外径do
12
14
19
25
32
38
45
57
换热管中心距
16
19
25
32
40
48
57
72
最外层换热管中心至壳体内表面的距离不应小于 [(换热管外径的一半)＋10mm]。
六、管箱与管束的分程 （一）分程原因 当换热器所需的换热面积较大，而管子做得太长时， 就得增大壳体直径，排列较多的管子。此时，为了增 加管程流速，提高传热效果，须将管束分程，使流体 依次流过各程管子。 管箱 固定管板式换热器利用管箱来实现管束分程。管箱位 于换热器两端，便于拆装。隔板安装在管箱内。
三角形排列紧凑，传热效果好，同一板上管子比正方形多 排10%左右，同一体积传热面积更大。适用于壳程介质污 垢少，且不需要进行机械清洗的场合。
（二）正方形和转角正方形排列
流 体 流 动 方 向 流 体 流 动 方 向
正方形排列
转角正方形排列
图7-18 正方形排列的管子
管间小桥形成一条直线通道，便于机械清洗。要经常 清洗管子外表面上的污垢时，多用正方形排列。
图7-14 胀管连接结构及尺寸
（二）焊接 优点： 在高温高压条件下， 焊接连接能保持连接的紧密 性，管板加工要求可降低， 节省孔的加工工时，工艺较 胀接简单，压力较低时可使 用较薄的管板。 缺点：在焊接接头处产生的 热应力可能造成应力腐蚀开 裂和疲劳破裂，同时管子、 管板间存在间隙，易出现间 隙腐蚀。
（三）组合排列法
在多程换热器中多采 用组合排列方法。即 每一程中都采用三角 形排列法，而在各程 之间，为了便于安装 隔板，则采用正方形 排列法，如图7－19。
图7-19 组合排列法
五、管间距 （一）定义
管间距指两相邻换热管中心的距离。
（二）要求
管间距≥1.25d0，符合表7-4规定，便于管子 与管板间的连接，因为对于胀接或焊接来 讲，管子间距离太近，那么都会影响连接 质量。最外层管壁与壳壁之间的距离不应 小于1/2换热管外径加10mm，主要是为折 流板易于加工，不易损坏。
管箱结构：
（二）分程原则
①各程换热管数应大致相等； ②相邻程间平均壁温差一般不应超过28℃；
③各程间的密封长度应最短；
④分程隔板的形状应简单。 （三）分程隔板
封头 隔板 管板 管板 隔板
图7-22 双层隔板与管板的密封
图7-21 单层隔板与管板的密封
（四）分程方式 表7－5 管程布置表
管程数 流动顺序 管箱隔板 介质返回 侧隔板 图序 a b c d e f g 1 2
二、管子与管板的连接
（一）胀接
利用胀管器挤压伸入管板孔中的管子端部，使管端发生塑性 变形，管板孔边缘同时产生弹性变形，取去胀管器后，管板 边缘弹性恢复与管子产生一定的挤压力，贴在一起达到密封 紧固连接的目的。
（a）胀管前
（b）胀管后
图7-13 胀管前后示意图
胀接工具：
液压 胀管器
液压胀接
机械胀接
结构三维图
优点：结构简单、紧凑、能承受较高的压力，造价低，管 程清洗方便，管子损坏时易于堵管或更换。 缺点：不易清洗壳程，壳体和管束中可能产生较大的 热应力。
适用场合： 适用于壳程介质清洁，不易结垢，管程需清
洗以及温差不大或温差虽大但是壳程压力不大的场合。 为减少热应力，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），来吸收热膨胀差。
注意：
要求管板硬度大于管子硬度，否则将管端退火 后再胀接。
胀接时管板上的孔可以是光孔，也可开槽(开槽 可以增加连接强度和紧密性)。
为什麽？ 如何实现？
保证紧密性的方法： •管板孔开槽；
•胀接周边保证清洁；
•管子硬度低于管板孔周边 硬度。
保证管端硬度较低并且低 于管板硬度的方法：
•管端退火处理。 •选材考虑。
图7-3
图7-3 带膨胀节的固定管板式换热器
带补偿器的固定管板式换热器
（二）浮头式换热器
图7-4 浮头式换热器 优点： 管内和管间清洗方便，不会产生热应力。
缺点： 结构复杂，设备笨重，造价高，浮头端小盖在 操作中无法检查，影响传热。 适用场合：壳体和管束之间壁温相差较大，或介质易 结垢的场合。
图7-4 浮头式换热器
废热锅炉（waste heat boiler）
四、换热器的基本类型
按传热方式或工作原理分类
热流体
冷流体
1、直接接触式
热流体
传热效果好，但不能 用于发生反应或有影 响的流体之间
冷流体
直接接触式换热器
2、蓄热式
冷流体
热流体
温度较高的场合， 但有交叉污染， 温度波动大
热流体
冷流体
蓄热式换热器
3、间壁式
浮头结构
（三）填料函式换热器
特点： 1.一端可自由伸缩— 不产生热应力； 2.管束可以抽出，管内外均易清洗； 3.填料将壳程介质与外界隔开，易外 漏，介质受限制；
填料函式密封
填料函式换热器 优点：结构简单，加工制造方便，造价低，管内和管间清洗方便。 缺点：填料处易泄漏。 适用场合： 4MPa 以下，且不适用于易挥发、易燃、易爆、有毒及 贵重介质，使用温度受填料的物性限制。
（三）材料 由压力、温度、介质的腐蚀性能决定。常用管子材 质有：碳素钢（10，20）、合金钢（1Cr18Ni9Ti)、 低合金钢（16Mn,15MnV)、铜、钛、塑料、石墨等。
碳素钢 低合金钢 不锈钢 金属材料 铜 铜镍合金 非金属材料 石墨 陶瓷 聚四氟乙烯等
铝合金
钛等
（四）结构型式
光管 翅片管（在给热系数低侧） 强化传热管 螺旋槽管 螺纹管
优点：工艺简单方便； 消除间隙——避免间隙腐蚀。
缺点：温度升高时，管端会发生松弛
——泄漏。 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 ≤ 4 MPa， 设 计 温 度 ≤300℃，且无特殊要求的场合。
原因：温度升高，残余应力减小，使管子与管板 间的胀接密封性能、紧固性能都下降，故设计温 度≤300℃ 。
管板是管壳式换热器的重要零部件之一。
二、管板材料
管板材料选择既有力学的上考虑，又有耐介质腐蚀的考虑。
三、管板结构
在满足强度要求的前提下，应当尽量减少管板厚度。
四、换热管排列方式 （一）正三角形和转角正三角形排列
流 体 流 动 方 向 流 体 流 动 方 向
正三角形排列
转角正三角形排列
图7-17 正三角形排列的管子
压力容器的常规设计方法
内压、外压（中、低压）
几类常用化工设备
换热设备、塔设备、搅拌设备
第三篇
典型化工设备的机械设计
塔设备 搅拌设备
换热器
第七章 管壳式换热器的机械设计
教学重点 （1）典型管壳式换热器的选型 （2）固定管板式换热器的基本结构 （3）管子的选用及管板的连接 （4）温差应力产生的原因及补偿措施
下面我们来看一看管壳式换热器的基本结构
管壳式换热器
根据我们前面学习的内容，请同学们说说序号 2、3、8、12、21各代表什么零件？
图7-1 换热器构件名称
1-管箱(A,B,C,D型);2-接管法兰;3-设备法兰;4-管板;5-壳程接管;6-拉杆;7膨胀节;8-壳体;9-换热管;10-排气管;11-吊耳;12-封头;13-顶丝;14-双头螺 柱;15-螺母;16-垫片;17-防冲板;18-折流板或支承板;19-定距管;20-拉杆螺 母;21-支座;22-排液管;23-管箱壳体;24-管程接管;25-分程隔板;26-管箱盖