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）固定管板式换热器的基本结构 （2）典型管壳式换热器的选型 教学难点： 管、壳程的分程及隔板

换热器是用来完成各种不同传热过程的设备。 第一节 换热器概述 一、定义 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 1.先进性 传热效率高，流体阻力小，材料省 2.合理性 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

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）

传热效果好，但不能用于发生反应或有影响的流体之间 四、换热器的基本类型 热流体 冷流体 按传热方式或工作原理分类 1、直接接触式 传热效果好，但不能用于发生反应或有影响的流体之间 图7-1 直接接触式换热器　

温度较高的场合，但有交叉污染，温度波动大 冷流体 热流体 2、蓄热式 温度较高的场合，但有交叉污染，温度波动大 图7-2蓄热式换热器　

重点 3、间壁式 ——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。 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

排管、蛇管、套管 螺旋板式、板式、板翅、伞板等 重点 对于间壁式换热器，按间壁形状进一步分为 排管、蛇管、套管 (1)管式 螺旋板式、板式、板翅、伞板等 (2)紧凑式 重点 (3)管壳式 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7-3　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

五、管壳式换热器的分类 基本类型 固定管板式换热器 浮头式换热器 U形管式换热器 填料函式换热器

（一）固定管板式换热器 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。 图7-4　固定管板式换热器 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。 图7-5　带膨胀节的固定管板式换热器

（二）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。 图7-6　浮头式换热器 fts2.rm fts1.rm 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。 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7-7　浮头结构 沟圈与浮头管板连接

U形管式换热器

U形管式换热器

动画

（三）U形管式换热器 图7-8 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 性大的物料。

（四）填料函式换热器 填料函式密封 图7-9 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。 图7-9　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。

六、管壳式换热器设计内容 （一）工艺计算 （二）机械设计 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。

课堂提问 说出换热器类型 固定管板式换热器 U形管式换热器 填料函式换热器 浮头式换热器

第二节 管子的选用及其与管板的连接 一、管子的选用 （一）直径 单位体积传热面积增大、结构紧凑、 金属耗量减少、传热系数提高 阻力大，不便清洗，易结垢堵塞 用于较清洁的流体 小管径 大管径 粘性大或污浊的流体

（外径×壁厚），长度按规定决定 （二）规格 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 换热管尺寸 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。

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。 （三）结构型式 光管 翅片管（在给热系数低侧） 换热管型式 螺旋槽管 螺纹管 翅片管（在给热系数低侧） 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。

（a）扁平管 （b）椭圆管 （c）凹槽扁平管（d）波纹管 图7-10 几种异形管 （a）扁平管 （b）椭圆管 （c）凹槽扁平管（d）波纹管

（c）镶嵌式外翅片管 （d）整体式内外翅片管 图7-11 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7-12 径向翅片管 图7-13 螺纹管

由压力、温度、介质的腐蚀性能决定。主要有碳素钢、合金钢、铜、钛、塑料、石墨等。 （四）材料 由压力、温度、介质的腐蚀性能决定。主要有碳素钢、合金钢、铜、钛、塑料、石墨等。 碳素钢 低合金钢 石墨 不锈钢 金属材料 铜 非金属材料 陶瓷 铜镍合金 聚四氟乙烯等 铝合金 钛等

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，管板孔同时产生弹性变形，取去胀管器后，管板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7-14 胀管前后示意图

液压 胀管器

液压胀接

机械胀接

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≤4MPa，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℃ 。 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)。

图7-15 胀管连接结构及尺寸

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。 （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。 换热管 管板 间隙 图7-16 焊接间隙示意图

(a) (c) (b) (d) 图7-17 焊接接头的结构 c

（三）胀焊并用 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。

第三节 管板结构 一、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7-18 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。

（二）正方形和转角正方形排列 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。 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7-19 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。

（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7－20。 图7-20 组合排列法

二、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7-5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为10mm，主要是为折流板易于加工，不易损坏。

表7-1 常用换热管中心距/mm 12 14 19 25 32 38 45 57 16 40 48 72 换热管外径do 换热管中心距

三、管程的分程及管板与隔板的连接 （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。

（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。 管板 （三）分程隔板 隔板 管板 封头 图7-21 双层隔板与管板的密封 图7-22 单层隔板与管板的密封

（四）分程方式 表7－2　管程布置表

五、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 兼做法兰 不兼做法兰

图7-23 -01 兼作法兰时管板与壳体的连接结构

图7-23 -02 兼作法兰时管板与壳体的连接结构

图7-23 -03 兼作法兰时管板与壳体的连接结构

图7-24 不兼作法兰时管板与壳体的连接结构

浮头式、U型管式及填料函式换热器固定端管板与壳体的连接 （二）可拆式 浮头式、U型管式及填料函式换热器固定端管板与壳体的连接 图7-25 管板与壳体可拆连接

第四节 折流板、支承板、 旁路挡板及拦液板的作用和结构 一、折流板及支承板 1、作用 ①提高壳程内流体的流速 ②加强湍流强度 ③提高传热效率 ④支撑换热管。 当工艺上无折流板要求而管子较细长时，应考虑有一定数量的支承板，以便安装和防止管子变形；支撑板的尺寸、形状可与折流板相同。

2、结构 弓形、圆盘－圆环形和带扇形切口。 图7-26 弓形折流板

图7-27 圆盘-圆环形折流板 图7-28 带扇形切口折流板

折流板缺口垂直左右布置

折流板的加工

3、尺寸 厚度 与壳体直径和折流板间距有关 折流板最小厚度按下表选取 表7-3 折流板的厚度

弓形折流板间距 最小间距≥ max Di，50mm 最大间距：不超过下表规定，且≤Di 表7-4 折流板和支承板最大间距厚度

折流板外径与壳体之间的间隙要适当，因为过小给安装带来困难，过大又影响传效率。详见表7-5 表7-5 折流板和支承板的外径

折流板和支承板的固定是通过拉杆和定距管来实现的 折流板的固定 折流板和支承板的固定是通过拉杆和定距管来实现的 图7-29 折流板的组装

阻止流体短路，迫使壳体流体通过管束进行热交换。 1、作用 二、旁路挡板 阻止流体短路，迫使壳体流体通过管束进行热交换。 1、作用 2、结构及安装 加工成规则的长条状，长度等于折流板或支承板的板间距，两端焊在折流板或支承板上。 图7-30 旁路挡板的结构

旁路挡板 折流板 图7-31 旁路挡板的结构

立式冷凝器中起到截拦液膜作用。在立式冷凝器中为减薄管壁上的液膜而提高传热膜系数。 三、拦液板 立式冷凝器中起到截拦液膜作用。在立式冷凝器中为减薄管壁上的液膜而提高传热膜系数。 图7-32 拦液板

如图所示,固定管板式换热器的壳体与管子,在安装温度下,它们的长度均为L(图a); 第五节 温差应力 一、管壁与壳壁温度差引起的温差应力 1、温差应力产生的原因 如图所示,固定管板式换热器的壳体与管子,在安装温度下,它们的长度均为L(图a); 图7-33 壳体与管子的膨胀与压缩

当操作时(图b),壳体和管子的温度都升高,若管壁温度高于壳壁温度,则管子自由伸长量和壳体自由伸长量分别为 1、温差应力产生的原因（续） 当操作时(图b),壳体和管子的温度都升高,若管壁温度高于壳壁温度,则管子自由伸长量和壳体自由伸长量分别为 图7-33 壳体与管子的膨胀与压缩

1、温差应力产生的原因（续） 由于管子与壳体是刚性连接，所以管子和壳体的实际伸长量必须相等，见图c，因此就出现壳体被拉伸，产生拉应力；管子被压缩，产生压应力。此拉、压应力就是温差应力。 图7-33 壳体与管子的膨胀与压缩

2、温差应力的计算 温差轴向力F 由于温差而使壳体被拉长的总拉伸力应等于所有管子被压缩的总压缩力，总拉伸力（或总压缩力）就是温差轴向力。符号规定F为+，表壳体被拉，管子被压，反之则反之。 根据虎克定律： 图7-33 壳体与管子的膨胀与压缩

将 ， 代入上式并整理得 式中 ——分别为管子和壳体材料的线膨胀系数， 1/ ℃； ——安装时的温度，℃； ——分别为操作状态下管壁温度和壳壁温度，℃； ——分别为管子和壳体材料的弹性模量，MPa； ——换热管总截面面积，mm2； ——壳壁横截面面积，mm2 。

温差应力 ——分别为管子和壳体中的温差应 力，MPa

用得最多的是在固定管板式换热器的壳体上装设波形膨胀节 3、温差应力的补偿 减少壳体与管束间的温度差 将传热膜系数大的流体通入管间空间 装设挠性构件 用得最多的是在固定管板式换热器的壳体上装设波形膨胀节

使壳体和管束自由热膨胀 换热器的管束有一端能自由伸缩，这样壳体和管束的热胀冷缩便互不牵制，可自由地进行。所以这种结构完全消除了热应力。请同学们说说有哪些结构的换热器可以消除热应力。

在高温高压换热器中，也有采用插入式的双套管温度补偿结构。如图7—34所示。 图7-34 插入式双套管补偿结构

二、管子拉脱力的计算 1、产生原因 拉脱力 管子每单位面积胀接周边上所受到的力 介质压力 温差应力 管子和管板接头处有分离趋势 拉脱力 实验表明： 焊接接头，拉脱力不足以引起接头破坏； 胀接接头，要进行拉脱力校核，以保证管端与管板连接的牢固性和密封性。

2、计算 操作压力引起 操作压力下，每平方米胀接周边所受到的力

2、计算 温差应力引起 管子每平方米胀接周边所产生的力

2、计算 管子拉脱力 校核

作 业 一、课堂思考 P233，第二大题 二、课外作业 P233一、5、10、12、13