典型化工设备设计_换热器结构

结垢的场合。
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
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
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
流
体
体
流
流
动
动
方
方
向
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
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。
贵重介质，使用温度受填料的物性限制。
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。
图图77--76 U型U管形式管换热式器换热器
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
胀接工具：
液压 胀管器
液压胀接
机械胀接
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。
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。
（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。
金属材料
碳素钢 低合金钢 不锈钢 铜 铜镍合金 铝合金 钛等
非金属材料
石墨 陶瓷 聚四氟乙烯等
（四）结构型式 换热管型式
光管 强化传热管
图7-19 组合排列法
五、管间距 （一）定义
（二）要求
管间距指两相邻换热管中心的距离。
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。
表7-4 常用换热管中心距/mm
换热管外径do 换热管中心距
12
14
19
25
32
38
45
57
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。
应用最为广泛，形式多种多样， 如管壳式换热器、板式换热器等
对于间壁式换热器，按间壁形状进一步分为
(1)管式 (2)紧凑式
排管、蛇管、套管 螺旋板式、板式、板翅、伞板等
(3)管壳式
重点 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？
性大的物料。
六、管壳式换热器设计内容
（一）工艺计算
选型；确定管、壳程；通过化工工艺计算，确定换热器的传热面积，同时选择管径、管长，决定管 数、管程数和壳程数 。
（二）机械设计
1）壳体直径的决定和壳体厚度的计算； 2）换热器封头选择，压力容器法兰选择； 3）管板尺寸确定； 4）折流板的选择与计算； 5）管子拉脱力的计算； 6）温差应力计算。
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 1.先进性
2.合理性
传热效率高，流体阻力小，材料省
可制造加工，成本可接受
3.可靠性 满足操作条件 ,强度足够,保证使用寿命
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。
翅片管（在给热系数低侧） 螺旋槽管 螺纹管
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 （b）整体式外翅片管 （c）镶嵌式外翅片管 （d）整体式内外翅片管
图7-11 径向翅片管 图7-12 螺纹管
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
胀焊并用连接主要有： 强度焊＋贴胀………………先焊后胀 强度胀＋密封焊………………先胀后焊 概念解释：密封焊—不保证强度，只防漏；
强度焊—既防漏，又保证抗拉脱强度； 贴胀—只消除间隙，不承担拉脱力； 强度胀—既消除间隙，又满足胀接强度。 目前，先焊后胀与先胀后焊两派学说仍处于争议之中。
一、管板
第三节 管板与管板连接结构
（二）规格 （外径×壁厚），长度按规定决定
换热管尺寸
φ19×2、φ25×2.5和φ38×2.5mm无缝钢管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。
三、不同目的的换热器 冷却器（cooler） 冷凝器（condenser） 加热器（一般不发生相变）（heater） 蒸发器（发生相变）（evaporator） 再沸器（reboiler） 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 1、直接接触式
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 1
2
流动顺序
1
1 2
2
3 4
管箱隔板
介质返回 侧隔板
图序
a
b
c
4
12 43
1 23
4
6
1 23 54
6
21 34 65
d
e
f
g
七、管程接管与挡板和导流筒 （一）管程接管
为减缓壳程入口高速流体对管子的冲刷，将接管做成喇叭形，结构为圆形时常称为导流筒。
3 拦液板 作用：在立式冷凝器中，用来减薄管壁上的液膜以提高传热膜系数。
九、管板与壳体的连接结构 （一）不可拆的焊接式 固定管板式换热器管板与壳体的连接
图7-34 兼作法兰时管板与壳体的连接结构
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。
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
隔板 管板
图7-22 双层隔板与管板的密封
第三篇 典型化工设备的机械设计
换热器
塔设备
搅拌设备
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 教学难点：
管、壳程的分程及隔板
一、定义
第一节 换热器概述
换热器是用来完成各种不同传热过程的设备。
传热效果好，但不能用于发生反应或有影 响的流体之间
热流体
冷流体
热流体
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
重点
——又称表面式换热器
利用间壁（固体壁面）进行热交换。 冷热两种流体隔开，互不接触，热量 由热流体通过间壁传递给冷流体。