第三篇 典型化工设备的机械设计

1. 第三篇　典型化工设备的机械设计 换热器 塔设备 搅拌设备

6. 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

7. 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？

8. 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

9. 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）

10. 热流体 冷流体 热流体 冷流体 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 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　

11. 冷流体 热流体 热流体 冷流体 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　

12. 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

13. 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

14. 管壳式换热器

15. 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

16. 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

17. （一）固定管板式换热器 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。

18. 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。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

19. （二）浮头式换热器 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。

20. 图7-7　浮头结构 沟圈与浮头管板连接

21. U形管式换热器

22. U形管式换热器

23. 动画

24. （三）U形管式换热器 图7-8U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。

25. （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。 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。

26. 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。

27. 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

28. 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 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 小管径 大管径 粘性大或污浊的流体

29. （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。

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

31. 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

32. 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

33. 图7-12 径向翅片管 图7-13 螺纹管

34. （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 非金属材料 陶瓷 铜 铜镍合金 聚四氟乙烯等 铝合金 钛等

35. 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

36. 液压 胀管器

37. 液压胀接

38. 机械胀接

39. 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。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)。

40. 图7-15 胀管连接结构及尺寸

41. （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

42. (a) (c) (b) (d) 图7-17 焊接接头的结构 c

43. （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。

44. 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。

46. （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7-19 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。

47. （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

48. 二、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7-5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。

49. 表7-1 常用换热管中心距/mm 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]。

50. 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。