換熱器 復(fù)習(xí)題

壓力容器的常規(guī)設(shè)計(jì)方法內(nèi)壓、外壓（中、低壓）幾類(lèi)常用化工設(shè)備換熱設(shè)備、塔設(shè)備、攪拌設(shè)備1第三篇典型化工設(shè)備的機(jī)械設(shè)計(jì)換熱器攪拌設(shè)備塔設(shè)備23456教學(xué)重點(diǎn)（1）典型管殼式換熱器的選型（2）固定管板式換熱器的基本結(jié)構(gòu)（3）管子的選用及管板的連接（4）溫差應(yīng)力產(chǎn)生的原因及補(bǔ)償措施教學(xué)難點(diǎn)：管、殼程的分程及隔板第七章管殼式換熱器的機(jī)械設(shè)計(jì)

7第一節(jié)換熱器概述一、定義

換熱器是用來(lái)完成各種不同傳熱過(guò)程的設(shè)備。

1、如：開(kāi)水鍋爐、水杯、冰箱、空調(diào)等。2、是許多工業(yè)部門(mén)廣泛應(yīng)用的通用工藝設(shè)備。通常，在化工廠的建設(shè)中，換熱器約占總投資的11％～40％。那么衡量一臺(tái)換熱器好壞的標(biāo)準(zhǔn)是什么呢？83.可靠性滿(mǎn)足操作條件,強(qiáng)度足夠,保證使用壽命二、衡量標(biāo)準(zhǔn)2.合理性1.先進(jìn)性可制造加工，成本可接受傳熱效率高，流體阻力小，材料省

9三、不同目的的換熱器

冷卻器（cooler）冷凝器（condenser）蒸發(fā)器（發(fā)生相變）（evaporator）加熱器（一般不發(fā)生相變）（heater）再沸器（reboiler）廢熱鍋爐（wasteheatboiler）10四、換熱器的基本類(lèi)型按傳熱方式或工作原理分類(lèi)1、直接接觸式傳熱效果好，但不能用于發(fā)生反應(yīng)或有影響的流體之間圖7-1直接接觸式換熱器

熱流體冷流體熱流體冷流體112、蓄熱式溫度較高的場(chǎng)合，但有交叉污染，溫度波動(dòng)大圖7-2蓄熱式換熱器

冷流體冷流體熱流體熱流體123、間壁式重點(diǎn)——又稱(chēng)表面式換熱器利用間壁（固體壁面）進(jìn)行熱交換。冷熱兩種流體隔開(kāi)，互不接觸，熱量由熱流體通過(guò)間壁傳遞給冷流體。應(yīng)用最為廣泛，形式多種多樣，如管殼式換熱器、板式換熱器等13對(duì)于間壁式換熱器，按間壁形狀進(jìn)一步分為(3)管殼式(1)管式(2)緊湊式螺旋板式、板式、板翅、傘板等排管、蛇管、套管重點(diǎn)下面我們來(lái)看一看管殼式換熱器的基本結(jié)構(gòu)14管殼式換熱器

15圖7-3

換熱器構(gòu)件名稱(chēng)1-管箱(A,B,C,D型);2-接管法蘭;3-設(shè)備法蘭;4-管板;5-殼程接管;6-拉桿;7-膨脹節(jié);8-殼體;9-換熱管;10-排氣管;11-吊耳;12-封頭;13-頂絲;14-雙頭螺柱;15-螺母;16-墊片;17-防沖板;18-折流板或支承板;19-定距管;20-拉桿螺母;21-支座;22-排液管;23-管箱殼體;24-管程接管;25-分程隔板;26-管箱蓋根據(jù)我們前面學(xué)習(xí)的內(nèi)容，請(qǐng)同學(xué)們說(shuō)說(shuō)序號(hào)2、3、8、12、21各代表什么零件？16固定管板式換熱器

浮頭式換熱器U形管式換熱器填料函式換熱器五、管殼式換熱器的分類(lèi)

基本類(lèi)型17（一）固定管板式換熱器優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、能承受較高的壓力，造價(jià)低，管程清洗方便，管子損壞時(shí)易于堵管或更換。缺點(diǎn)：不易清洗殼程，殼體和管束中可能產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力。圖7-4固定管板式換熱器結(jié)構(gòu)三維圖18為減少熱應(yīng)力，通常在固定管板式換熱器中設(shè)置柔性元件（如膨脹節(jié)、撓性管板等），來(lái)吸收熱膨脹差。圖7-5帶膨脹節(jié)的固定管板式換熱器適用場(chǎng)合：適用于殼程介質(zhì)清潔，不易結(jié)垢，管程需清洗以及溫差不大或溫差雖大但是殼程壓力不大的場(chǎng)合。19（二）浮頭式換熱器優(yōu)點(diǎn)：管內(nèi)和管間清洗方便，不會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力。缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)備笨重，造價(jià)高，浮頭端小蓋在操作中無(wú)法檢查。適用場(chǎng)合：殼體和管束之間壁溫相差較大，或介質(zhì)易結(jié)垢的場(chǎng)合。圖7-6浮頭式換熱器fts1.rmfts2.rm20圖7-7浮頭結(jié)構(gòu)溝圈與浮頭管板連接21U形管式換熱器22U形管式換熱器23動(dòng)畫(huà)24（三）U形管式換熱器圖7-8

U型管式換熱器優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，承受能力強(qiáng)，不會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力。缺點(diǎn)：布板少，管板利用率低，管子壞時(shí)不易更換。適用場(chǎng)合：特別適用于管內(nèi)走清潔而不易結(jié)垢的高溫、高壓、腐蝕性大的物料。25（四）填料函式換熱器優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工制造方便，造價(jià)低，管內(nèi)和管間清洗方便。

缺點(diǎn)：填料處易泄漏。適用場(chǎng)合：4MPa以下，且不適用于易揮發(fā)、易燃、易爆、有毒及貴重介質(zhì)，使用溫度受填料的物性限制。填料函式密封圖7-9填料函式換熱器26（一）工藝計(jì)算

六、管殼式換熱器設(shè)計(jì)內(nèi)容

選型；確定管、殼程；通過(guò)化工工藝計(jì)算，確定換熱器的傳熱面積，同時(shí)選擇管徑、管長(zhǎng)，決定管數(shù)、管程數(shù)和殼程數(shù)

。（二）機(jī)械設(shè)計(jì)

1）殼體直徑的決定和殼體厚度的計(jì)算；2）換熱器封頭選擇，壓力容器法蘭選擇；3）管板尺寸確定；4）折流板的選擇與計(jì)算；5）管子拉脫力的計(jì)算；6）溫差應(yīng)力計(jì)算。27課堂提問(wèn)說(shuō)出換熱器類(lèi)型固定管板式換熱器浮頭式換熱器U形管式換熱器填料函式換熱器28第二節(jié)管子的選用及其與管板的連接一、管子的選用

（一）直徑

粘性大或污濁的流體大管徑單位體積傳熱面積增大、結(jié)構(gòu)緊湊、金屬耗量減少、傳熱系數(shù)提高阻力大，不便清洗，易結(jié)垢堵塞用于較清潔的流體小管徑29（二）規(guī)格

（外徑×壁厚），長(zhǎng)度按規(guī)定決定

換熱管尺寸φ19×2、φ25×2.5和φ38×2.5mm無(wú)縫鋼管φ25×2和φ38×2.5mm不銹鋼管標(biāo)準(zhǔn)管長(zhǎng)1.5、2.0、3.0、4.5、6.0、9.0m等換熱器的換熱管長(zhǎng)度與公稱(chēng)直徑之比，一般在4～25之間，常用的為6～10。立式換熱器，其比值多為4～6。30（三）結(jié)構(gòu)型式

換熱管型式光管強(qiáng)化傳熱管螺旋槽管螺紋管翅片管（在給熱系數(shù)低側(cè)）

多用光管，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，為強(qiáng)化傳熱，也采用強(qiáng)化傳熱管。31圖7-10幾種異形管（a）扁平管（b）橢圓管（c）凹槽扁平管（d）波紋管32圖7-11縱向翅片管（a）焊接外翅片管（b）整體式外翅片管（c）鑲嵌式外翅片管（d）整體式內(nèi)外翅片管33圖7-12徑向翅片管圖7-13螺紋管34（四）材料由壓力、溫度、介質(zhì)的腐蝕性能決定。主要有碳素鋼、合金鋼、銅、鈦、塑料、石墨等。金屬材料碳素鋼低合金鋼不銹鋼銅銅鎳合金鋁合金鈦等非金屬材料石墨陶瓷聚四氟乙烯等35二、管子與管板的連接

（一）脹接

利用脹管器擠壓伸入管板孔中的管子端部，使管端發(fā)生塑性變形，管板孔同時(shí)產(chǎn)生彈性變形，取去脹管器后，管板與管子產(chǎn)生一定的擠壓力，貼在一起達(dá)到密封緊固連接的目的。

圖7-14脹管前后示意圖（a）脹管前（b）脹管后36液壓脹管器37液壓脹接

38機(jī)械脹接

39適用范圍：換熱管為碳素鋼，管板為碳素鋼或低合金鋼，設(shè)計(jì)壓力≤4MPa，設(shè)計(jì)溫度≤300℃，且無(wú)特殊要求的場(chǎng)合。原因：溫度升高，殘余應(yīng)力減小，使管子與管板間的脹接密封性能、緊固性能都下降，故設(shè)計(jì)溫度≤300℃。要求管板硬度大于管子硬度，否則將管端退火后再脹接。脹接時(shí)管板上的孔可以是光孔，也可開(kāi)槽(開(kāi)槽可以增加連接強(qiáng)度和緊密性)。40圖7-15脹管連接結(jié)構(gòu)及尺寸41（二）焊接

優(yōu)點(diǎn)：在高溫高壓條件下，焊接連接能保持連接的緊密性，管板加工要求可降低，節(jié)省孔的加工工時(shí)，工藝較脹接簡(jiǎn)單，壓力較低時(shí)可使用較薄的管板。缺點(diǎn)：在焊接接頭處產(chǎn)生的熱應(yīng)力可能造成應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂和疲勞破裂，同時(shí)管子、管板間存在間隙，易出現(xiàn)間隙腐蝕。圖7-16焊接間隙示意圖管板間隙換熱管42圖7-17焊接接頭的結(jié)構(gòu)(a)c(c)(b)(d)43（三）脹焊并用脹焊并用連接主要有：強(qiáng)度焊＋貼脹………………先焊后脹強(qiáng)度脹＋密封焊………………先脹后焊概念解釋?zhuān)好芊夂浮槐ＷC強(qiáng)度，只防漏；強(qiáng)度焊—既防漏，又保證抗拉脫強(qiáng)度；貼脹—只消除間隙，不承擔(dān)拉脫力；強(qiáng)度脹—既消除間隙，又滿(mǎn)足脹接強(qiáng)度。目前，先焊后脹與先脹后焊兩派學(xué)說(shuō)仍處于爭(zhēng)議之中。

44第三節(jié)管板結(jié)構(gòu)一、換熱管排列方式

三角形排列緊湊，傳熱效果好，同一板上管子比正方形多排10%左右，同一體積傳熱面積更大。適用于殼程介質(zhì)污垢少，且不需要進(jìn)行機(jī)械清洗的場(chǎng)合。（一）正三角形和轉(zhuǎn)角正三角形排列

圖7-18正三角形排列的管子流體流動(dòng)方向流體流動(dòng)方向正三角形排列轉(zhuǎn)角正三角形排列4546（二）正方形和轉(zhuǎn)角正方形排列

管間小橋形成一條直線通道，便于機(jī)械清洗。要經(jīng)常清洗管子外表面上的污垢時(shí)，多用正方形排列。圖7-19正方形排列的管子流體流動(dòng)方向流體流動(dòng)方向轉(zhuǎn)角正方形排列正方形排列47（三）組合排列法

在多程換熱器中多采用組合排列方法。即每一程中都采用三角形排列法，而在各程之間，為了便于安裝隔板，則采用正方形排列法，如圖7－20。圖7-20組合排列法48二、管間距

（一）定義（二）要求管間距指兩相鄰換熱管中心的距離。管間距≥1.25d0，符合表7-5規(guī)定，便于管子與管板間的連接，因?yàn)閷?duì)于脹接或焊接來(lái)講，管子間距離太近，那么都會(huì)影響連接質(zhì)量。最外層管壁與殼壁之間的距離為10mm，主要是為折流板易于加工，不易損壞。49表7-1常用換熱管中心距/mm換熱管外徑do1214192532384557換熱管中心距1619253240485772

最外層換熱管中心至殼體內(nèi)表面的距離不應(yīng)小于[(換熱管外徑的一半)＋10mm]。50三、管程的分程及管板與隔板的連接

當(dāng)換熱器所需的換熱面積較大，而管子做得太長(zhǎng)時(shí)，就得增大殼體直徑，排列較多的管子。此時(shí)，為了增加管程流速，提高傳熱效果，須將管束分程，使流體依次流過(guò)各程管子。（一）分程原因

51（二）分程原則

（三）分程隔板

圖7-21雙層隔板與管板的密封①各程換熱管數(shù)應(yīng)大致相等；②相鄰程間平均壁溫差一般不應(yīng)超過(guò)28℃；③各程間的密封長(zhǎng)度應(yīng)最短；④分程隔板的形狀應(yīng)簡(jiǎn)單。圖7-22單層隔板與管板的密封隔板管板封頭隔板管板52（四）分程方式

表7－2管程布置表53五、管板與殼體的連