第六章 换热设备 基本类型 管壳式换热器结构 管板设计 膨胀节设计

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1 第六章 换热设备 6.2.1 基本类型 6.2.2 管壳式换热器结构 6.2.3 管板设计 6.2.4 膨胀节设计
过程设备设计 第六章 换热设备 6.1 概述 6.2 管壳式换热器 6.2.1 基本类型 6.2.2 管壳式换热器结构 6.3 传热强化技术 6.2.3 管板设计 6.2.4 膨胀节设计 6.2.5 管束振动和防止

2 过程设备设计 本章 重点 6.2 管壳式换热器 教学重点： 管壳式换热器结构。 教学难点： 管板设计、管束振动。

3 管壳式换热器

4 6.2.1 基本类型 过程设备设计 6.2.1 基本类型 一、固定管板式 二、浮头式 三、U形管式 四、填料函式 五、釜式重沸器

5 6.2.1 基本类型 过程设备设计 一、固定管板式换热器 结构

6 双管程固定管板换热器

7 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。
6.2.1 基本类型 过程设备设计 ——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。 优点 ——当管束与壳体的壁温或材料的线膨胀系数相 差较大时，壳体和管束中将产生较大的热应力。 缺点 ——适用于壳侧介质清洁且不易结垢并能进行溶 解清洗，管、壳程两侧温差不大或温差较大但壳 侧压力不高的场合。 应用 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。

8 6.2.1 基本类型 过程设备设计 二、浮头式 结构 浮头端 浮头端可自由伸缩，无热应力

9 浮头式换热器

10 优点——管间和管内清洗方便，不会产生热应力； 缺点——结构复杂，造价比固定管板式换热器高， 设备笨重，材料消耗量大，且浮头端小盖
6.2.1 基本类型 过程设备设计 优点——管间和管内清洗方便，不会产生热应力； 缺点——结构复杂，造价比固定管板式换热器高， 设备笨重，材料消耗量大，且浮头端小盖 在操作中无法检查，制造时对密封要求较 高。 应用——壳体和管束之间壁温差较大或壳程介质易 结垢的场合。

11 6.2.1 基本类型 过程设备设计 三、U形管式换热器 结构 U形管

12 U形管式换热器

13 优点 结构比较简单、价格便宜，承压能力强。 受弯管曲率半径限制，布管少； 管束最内层管间距大，管板利用率低；
6.2.1 基本类型 过程设备设计 优点 结构比较简单、价格便宜，承压能力强。 受弯管曲率半径限制，布管少； 管束最内层管间距大，管板利用率低； 缺点 壳程流体易短路，传热不利。 当管子泄漏损坏时，只有外层U形管可更 换，内层管只能堵死，坏一根U形管相当 于坏两根管，报废率较高。 管、壳壁温差较大或壳程介质易结垢需要 应用 清洗，又不宜采用浮头式和固定管板式的 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。

14 6.2.1 基本类型 过程设备设计 四、填料函式 结构 填料函式密封

15 应用 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。 注：填料函式换热器现在已很少采用。
6.2.1 基本类型 过程设备设计 优点 结构较浮头式简单，加工制造方便； 节省材料，造价比较低廉; 管束从壳体内可抽出; 管内、管间都能进行清洗，维修方便。 缺点 填料处易泄漏。 应用 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。 注：填料函式换热器现在已很少采用。

16 6.2.1 基本类型 过程设备设计 五、釜式重沸器 结构 蒸发空间 管束可以为浮头式、U形管式和固定管板式结构

17 特点 与浮头式、U形管式换热器一样， 清洗维修方便； 可处理不清洁、易结垢介质，能 承受高温、高压（无温差应力）。 6.2.1 基本类型
过程设备设计 特点 与浮头式、U形管式换热器一样， 清洗维修方便； 可处理不清洁、易结垢介质，能 承受高温、高压（无温差应力）。

18 过程设备设计 管壳式换热器结构 管程 壳程 管程

19 过程设备设计 管壳式换热器结构 管程——与管束中流体相通的空间 壳程——换热管外面流体及相通空间 管程 壳程 管程

20 6.2.2.1 管程结构 6.2.2.2 壳程结构 一、换热管 二、管板 三、管箱 四、管束分程 五、换热管与管板连接
管壳式换热器结构 过程设备设计 一、换热管 二、管板 管程结构 三、管箱 四、管束分程 五、换热管与管板连接 壳程结构

21 一、换热管 翅片管（在给热系数低侧） 光管 1.换热管型式 螺旋槽管 强化传热管 螺纹管
管壳式换热器结构 过程设备设计 一、换热管 翅片管（在给热系数低侧） 光管 1.换热管型式 螺旋槽管 强化传热管 螺纹管 φ19×2、φ25×2.5和φ38×2.5mm无缝钢管φ25×2和φ38×2.5mm不锈钢管 2.换热管尺寸 标准管长1.5、2.0、3.0、4.5、6.0、9.0m等

22 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
管壳式换热器结构 过程设备设计 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

23 3.换热管材料 碳素钢 低合金钢 石墨 不锈钢 金属材料 陶瓷 铜 非金属材料 铜镍合金 聚四氟乙烯等 铝合金 钛等
管壳式换热器结构 过程设备设计 3.换热管材料 碳素钢 低合金钢 石墨 不锈钢 金属材料 铜 陶瓷 非金属材料 铜镍合金 聚四氟乙烯等 铝合金 钛等

24 P≥1.25d0 p 4.换热管排列形式及中心距 管桥强度 清洗通道 三角形布管多，但不易清洗； 正方形及转角正方形较易清洗
管壳式换热器结构 过程设备设计 4.换热管排列形式及中心距 p 三角形布管多，但不易清洗； 正方形及转角正方形较易清洗 管桥强度 P≥1.25d0 清洗通道

25 表6-1 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
管壳式换热器结构 过程设备设计 表6-1 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 40 48 72

26 管壳式换热器结构 过程设备设计

27 二、管板 作用 用来排布换热管； 将管程和壳程流体分开，避免冷、热流体混合； 承受管程、壳程压力和温度的载荷作用。
管壳式换热器结构 过程设备设计 二、管板 用来排布换热管； 将管程和壳程流体分开，避免冷、热流体混合； 承受管程、壳程压力和温度的载荷作用。 作用

28 1.管板材料 力学性能 介质腐蚀性（及tube-tubesheet间电位差对腐蚀影响） 贵重钢板价格 流体无腐蚀性或有轻微腐蚀性时，
管壳式换热器结构 过程设备设计 1.管板材料 力学性能 介质腐蚀性（及tube-tubesheet间电位差对腐蚀影响） 贵重钢板价格 流体无腐蚀性或有轻微腐蚀性时， 管板采用压力容器用碳素钢或低合金钢板或锻件制造； 腐蚀性较强时，用不锈钢、铜、铝、钛等材料， 为经济考虑，采用复合钢板或堆焊衬里。

29 管壳式换热器结构 过程设备设计 2.管板结构 热应力 厚度—— 满足强度前提下，尽量减少管板厚度

30 厚度 厚度计算标准 GB151《管壳式换热器》 美国管式换热器制造商协会标准TEMA 西德AD标准
管壳式换热器结构 过程设备设计 厚度计算标准 GB151《管壳式换热器》 美国管式换热器制造商协会标准TEMA 西德AD标准 “厚管板”——GB151《管壳式换热器》、 美国管式换热器制造商协会标准TEMA 厚度 “薄管板”——西德AD标准8-20mm

31 管壳式换热器结构 过程设备设计 薄管板 平面形 椭圆形 碟形 目前主要有 球形 挠性薄管板等

32 3 2 4 1 用于严格禁止管程 与壳程介质互相混 合的场合。 方法： 从短节排出 短节圆筒充入高于 管程、壳程压力的 惰性介质
管壳式换热器结构 过程设备设计 1 2 3 4 用于严格禁止管程 与壳程介质互相混 合的场合。 方法： 从短节排出 短节圆筒充入高于 管程、壳程压力的 惰性介质 图6-17 双管板结构 1—空隙 2—壳程管板 3—短节 4—管程管板

33 三、管箱 作用——流体送入换热管和送出换热器， 在多管程结构中，还起到改变流体流向的作用。 结构形式决定因素——清洗？管束分程？ (a)
管壳式换热器结构 过程设备设计 三、管箱 作用——流体送入换热管和送出换热器， 在多管程结构中，还起到改变流体流向的作用。 结构形式决定因素——清洗？管束分程？ (a) (b) (c) (d)

34 管壳式换热器结构 过程设备设计 (a) 特点 清洗时要拆除管线；该结构适用于较清洁的介质。

35 换热器管箱

36 管壳式换热器结构 过程设备设计 (b) 特点 清洗时不要拆除管线； 缺点是用材较多。

37 管壳式换热器结构 过程设备设计 特点 （1） 检查、清洗不方便 很少使用 （2） (c)

38 管壳式换热器结构 过程设备设计 (d) 特点 设置多层隔板的管箱结构

39 管内流动的流体从管子的一端流到另一端，称为一个管程
管壳式换热器结构 过程设备设计 四、管束分程 管内流动的流体从管子的一端流到另一端，称为一个管程 换热面积要变大 管数增加 流速下降 管子加长 传热系数下降 多管程

40 管壳式换热器结构 过程设备设计 管束分程布置图 每程管数大致相同，温差不超过20℃左右为好 流向

41 五、换热管与管板连接 1.强度胀 应用 强度胀 强度焊 胀焊并用 保证换热管与管板连接的密封性能及抗拉脱强度的胀接 设计压力≤4.0MPa；
管壳式换热器结构 强度胀 过程设备设计 五、换热管与管板连接 强度焊 胀焊并用 1.强度胀 保证换热管与管板连接的密封性能及抗拉脱强度的胀接 设计压力≤4.0MPa； 设计温度≤300℃； 操作中无剧烈振动、无过大温度波动， 及无明显应力腐蚀等场合。 应用

42 结构 用于δ≤25mm 的场合 用于δ＞25mm 的场合 用于厚管板及避免晶间腐蚀的场合 图6-18 强度胀接管孔结构
管壳式换热器结构 过程设备设计 结构 300 300 300 1 1 1 8 8 3 1 8 1 1 6 3 3 l 3 6 δ K 3 δ δ K K 3 1 300 贴胀 300 1 3 1 300 用于δ≤25mm 的场合 用于δ＞25mm 的场合 用于厚管板及避免晶间腐蚀的场合 图 强度胀接管孔结构

43 管壳式换热器结构 过程设备设计 胀接机理 非均匀胀接 方法 均匀胀接 管子硬度一般须低于管板硬度， 若达不到，可进行管头退火处理

44 管壳式换热器结构 过程设备设计 液压胀接 接头

45 管壳式换热器结构 过程设备设计 液压胀接

46 管壳式换热器结构 过程设备设计 机械胀接