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1、管殼式換熱器第六章第六章 管殼式換熱器的機(jī)械設(shè)計(jì)管殼式換熱器的機(jī)械設(shè)計(jì)（Mechanical Design of Shell and Tube Heat Exchanger）6.1 概述概述換熱器是工業(yè)部門廣泛應(yīng)用的通用工藝設(shè)備。根據(jù)不同的目的，換熱器可以是熱交換換熱器是工業(yè)部門廣泛應(yīng)用的通用工藝設(shè)備。根據(jù)不同的目的，換熱器可以是熱交換器器（Heat exchanger）、加熱器（）、加熱器（Heater）、冷卻器（）、冷卻器（Cooler）、蒸發(fā)器）、蒸發(fā)器（Evaporator）、冷凝器（）、冷凝器（Condenser）等，結(jié)構(gòu)型式也多種多樣，常用的換熱器有板）等，結(jié)構(gòu)型式也多種多樣，常用

2、的換熱器有板式換熱器式換熱器（Plate heat exchanger）、管殼式換熱器（）、管殼式換熱器（Shell and tube heat exchanger）。）。管殼式換熱器又稱列管式換熱器。管殼式換熱器具有處理能力大適應(yīng)性強(qiáng)，可靠性高，管殼式換熱器又稱列管式換熱器。管殼式換熱器具有處理能力大適應(yīng)性強(qiáng)，可靠性高，設(shè)計(jì)和制造工藝成熟，生產(chǎn)成本低，清洗較為方便等優(yōu)點(diǎn)，是目前生產(chǎn)中最為廣泛使設(shè)計(jì)和制造工藝成熟，生產(chǎn)成本低，清洗較為方便等優(yōu)點(diǎn)，是目前生產(chǎn)中最為廣泛使用的一種換熱設(shè)備。用的一種換熱設(shè)備。管殼式換熱器的設(shè)計(jì)和選用除了滿足規(guī)定的化工工藝條件外，還需滿足下列各項(xiàng)基本管殼式換熱器的設(shè)計(jì)

3、和選用除了滿足規(guī)定的化工工藝條件外，還需滿足下列各項(xiàng)基本要求：要求：（1）換熱效率高；）換熱效率高；（2）流體流動(dòng)阻力小，即壓力降??；）流體流動(dòng)阻力小，即壓力降??；（3）結(jié)構(gòu)可靠，制造成本低；）結(jié)構(gòu)可靠，制造成本低；（4）便于安裝、檢修。）便于安裝、檢修。管殼式換熱器6.1.1 管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)及主要零部件管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)及主要零部件換熱器構(gòu)件名稱換熱器構(gòu)件名稱管殼式換熱器6.1.2 管殼式換熱器的分類（管殼式換熱器的分類（Classification of Shell and Tube Heat Exchanger）管殼式換熱器種類很多，根據(jù)換熱器所受溫差應(yīng)力以及是否采用溫差補(bǔ)償裝置，分

4、為剛性結(jié)構(gòu)和管殼式換熱器種類很多，根據(jù)換熱器所受溫差應(yīng)力以及是否采用溫差補(bǔ)償裝置，分為剛性結(jié)構(gòu)和具有溫差補(bǔ)償?shù)膬深悺３Ｓ玫墓軞な綋Q熱器有固定管板式，浮頭式，填函式和具有溫差補(bǔ)償?shù)膬深?。常用的管殼式換熱器有固定管板式，浮頭式，填函式和U型管式。型管式。1、固定管板式換熱器（、固定管板式換熱器（Fixed tube heat exchanger）固定管板式換熱器分為剛性結(jié)構(gòu)的固定管板式和帶膨脹節(jié)的固定管板式兩種。換熱器殼體和管束固定管板式換熱器分為剛性結(jié)構(gòu)的固定管板式和帶膨脹節(jié)的固定管板式兩種。換熱器殼體和管束通過兩端的管板剛性地連在一起。通過兩端的管板剛性地連在一起。固定管板式換熱器固定管板式換

5、熱器帶膨脹節(jié)的固定管板式換熱器帶膨脹節(jié)的固定管板式換熱器優(yōu)點(diǎn)：換熱器結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)低，每根管子都能單獨(dú)更換，管內(nèi)便于清洗優(yōu)點(diǎn)：換熱器結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)低，每根管子都能單獨(dú)更換，管內(nèi)便于清洗缺點(diǎn)：管外清洗困難，管殼間有溫差應(yīng)力存在。當(dāng)兩種介質(zhì)溫差較大時(shí)，必須設(shè)置膨脹節(jié)。缺點(diǎn)：管外清洗困難，管殼間有溫差應(yīng)力存在。當(dāng)兩種介質(zhì)溫差較大時(shí)，必須設(shè)置膨脹節(jié)。固定管板式換熱器適用于殼程介質(zhì)清潔、不易結(jié)垢、溫差不大和殼程壓力不高的場(chǎng)合。固定管板式換熱器適用于殼程介質(zhì)清潔、不易結(jié)垢、溫差不大和殼程壓力不高的場(chǎng)合。管殼式換熱器2、浮頭式換熱器（、浮頭式換熱器（Floating head heat exchanger）

6、浮頭式換熱器中只有一塊管板與殼體剛性固定在一起，另一端的管板可在殼體內(nèi)自由移動(dòng)。管束浮頭式換熱器中只有一塊管板與殼體剛性固定在一起，另一端的管板可在殼體內(nèi)自由移動(dòng)。管束和殼體在不同溫度下膨脹自由，互不牽連。和殼體在不同溫度下膨脹自由，互不牽連。優(yōu)點(diǎn)：這種換熱器消除了溫差應(yīng)力的影響，可用于溫差較大的兩種介質(zhì)的換熱。管程和殼程均能優(yōu)點(diǎn)：這種換熱器消除了溫差應(yīng)力的影響，可用于溫差較大的兩種介質(zhì)的換熱。管程和殼程均能承受較高的介質(zhì)壓力。管束可從殼程一端抽出，殼程與管程的清洗均很方便。承受較高的介質(zhì)壓力。管束可從殼程一端抽出，殼程與管程的清洗均很方便。缺點(diǎn)：由于換熱器管束與殼程之間存在較大的環(huán)隙，設(shè)備的

7、緊湊性差，傳熱效率較低。結(jié)構(gòu)復(fù)雜，缺點(diǎn)：由于換熱器管束與殼程之間存在較大的環(huán)隙，設(shè)備的緊湊性差，傳熱效率較低。結(jié)構(gòu)復(fù)雜，浮頭部分由活動(dòng)管板、浮頭蓋和勾圈組成，浮頭處發(fā)生內(nèi)漏不便檢查。金屬消耗量大，造價(jià)也較浮頭部分由活動(dòng)管板、浮頭蓋和勾圈組成，浮頭處發(fā)生內(nèi)漏不便檢查。金屬消耗量大，造價(jià)也較高。高。浮頭式換熱器浮頭式換熱器管殼式換熱器3、填函式換熱器（、填函式換熱器（Fill function heat exchanger）填函式換熱器的浮頭與殼體間采用填料函進(jìn)行密封和熱補(bǔ)償。填函式換熱器的浮頭與殼體間采用填料函進(jìn)行密封和熱補(bǔ)償。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，造價(jià)較浮頭式低。檢修、清洗容易，填函處的泄漏能及時(shí)發(fā)

8、現(xiàn)。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，造價(jià)較浮頭式低。檢修、清洗容易，填函處的泄漏能及時(shí)發(fā)現(xiàn)。缺點(diǎn)：殼程受到填料密封的限制，不能承受過高的壓力和溫度。且殼程內(nèi)介質(zhì)有外漏的可能，殼缺點(diǎn)：殼程受到填料密封的限制，不能承受過高的壓力和溫度。且殼程內(nèi)介質(zhì)有外漏的可能，殼程內(nèi)不宜處理易揮發(fā)、易燃、易爆、有毒的介質(zhì)。程內(nèi)不宜處理易揮發(fā)、易燃、易爆、有毒的介質(zhì)。為減少管束與殼體之間的環(huán)隙，可采用滑動(dòng)式管板結(jié)構(gòu)。為減少管束與殼體之間的環(huán)隙，可采用滑動(dòng)式管板結(jié)構(gòu)。填函式換熱器填函式換熱器管殼式換熱器4、U型管式換熱器（型管式換熱器（U-tube heat exchanger）換熱器的管束彎成換熱器的管束彎成U型，型，U型管兩端固

9、定在同一塊管板上，在管箱中加有一塊隔板。型管兩端固定在同一塊管板上，在管箱中加有一塊隔板。U型管式換熱器型管式換熱器優(yōu)點(diǎn)：換熱器只有一塊管板，結(jié)構(gòu)簡單，造價(jià)便宜。管束可以抽出清洗，管子可以自由膨脹。優(yōu)點(diǎn)：換熱器只有一塊管板，結(jié)構(gòu)簡單，造價(jià)便宜。管束可以抽出清洗，管子可以自由膨脹。缺點(diǎn)：管內(nèi)不便清洗，管板上布管少，結(jié)構(gòu)不緊湊。管外介質(zhì)易短路，影響傳熱效果。內(nèi)層管子缺點(diǎn)：管內(nèi)不便清洗，管板上布管少，結(jié)構(gòu)不緊湊。管外介質(zhì)易短路，影響傳熱效果。內(nèi)層管子損壞后不易更換。損壞后不易更換。U型管式換熱器主要用于管內(nèi)清潔而不結(jié)垢的高溫、高壓介質(zhì)。殼層介質(zhì)適應(yīng)性強(qiáng)，常用于高壓、型管式換熱器主要用于管內(nèi)清潔而不結(jié)

10、垢的高溫、高壓介質(zhì)。殼層介質(zhì)適應(yīng)性強(qiáng)，常用于高壓、高溫、粘度較大的場(chǎng)合。高溫、粘度較大的場(chǎng)合。管殼式換熱器6.1.3 管殼式換熱器機(jī)械設(shè)計(jì)內(nèi)容管殼式換熱器機(jī)械設(shè)計(jì)內(nèi)容管殼式換熱器的設(shè)計(jì)，首先根據(jù)化工生產(chǎn)工藝條件的要求，通過化工工藝計(jì)算，確定換熱器的傳管殼式換熱器的設(shè)計(jì)，首先根據(jù)化工生產(chǎn)工藝條件的要求，通過化工工藝計(jì)算，確定換熱器的傳熱面積，同時(shí)選擇管徑。管長，確定管數(shù)、管層數(shù)和殼層數(shù)，然后進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)。機(jī)械設(shè)計(jì)包括：熱面積，同時(shí)選擇管徑。管長，確定管數(shù)、管層數(shù)和殼層數(shù)，然后進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)。機(jī)械設(shè)計(jì)包括：（1）殼體直徑的決定和殼體厚度的計(jì)算；）殼體直徑的決定和殼體厚度的計(jì)算；（2）換熱器封頭選擇，

11、壓力容器法蘭選擇；）換熱器封頭選擇，壓力容器法蘭選擇；（3）管板尺寸確定；）管板尺寸確定；（4）折流板的選擇與計(jì)算；）折流板的選擇與計(jì)算；（5）管子拉脫力的計(jì)算；）管子拉脫力的計(jì)算；（6）溫差應(yīng)力計(jì)算。）溫差應(yīng)力計(jì)算。管殼式換熱器6.2 管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（Shell and Tube Heat Exchanger Design）6.2.1 管子的選用（管子的選用（Selection of pipe）1、管子直徑的選擇（、管子直徑的選擇（Choice of pipe diameter）換熱管直徑的確定要考慮管內(nèi)介質(zhì)的物性和管內(nèi)流速、流量。為了提高傳熱效率，通常要求管

12、內(nèi)換熱管直徑的確定要考慮管內(nèi)介質(zhì)的物性和管內(nèi)流速、流量。為了提高傳熱效率，通常要求管內(nèi)流體呈湍流，故一般要求管徑較小；而且采用小直徑的管子，換熱器單位體積的換熱面積大些，流體呈湍流，故一般要求管徑較?。欢也捎眯≈睆降墓茏?，換熱器單位體積的換熱面積大些，設(shè)備較緊湊。但制造較麻煩，容易結(jié)垢，不易清洗，適用于較清潔的流體。粘度大或污濁的流體，設(shè)備較緊湊。但制造較麻煩，容易結(jié)垢，不易清洗，適用于較清潔的流體。粘度大或污濁的流體，宜選用大直徑的管子。宜選用大直徑的管子。常用的碳鋼和低合金鋼無縫鋼管的規(guī)格有常用的碳鋼和低合金鋼無縫鋼管的規(guī)格有19192、 252.5、 323、 383、不銹鋼常采用、不

13、銹鋼常采用252、 382.5。 管殼式換熱器2、管子材料的選擇（、管子材料的選擇（Choice of pipe material）管子材料應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)壓力、溫度、介質(zhì)的腐蝕等條件來選擇，在滿足以上條件的前提下，盡量選管子材料應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)壓力、溫度、介質(zhì)的腐蝕等條件來選擇，在滿足以上條件的前提下，盡量選擇導(dǎo)熱性能好的材料，對(duì)于一般介質(zhì)，可選用普通碳素鋼，特別是擇導(dǎo)熱性能好的材料，對(duì)于一般介質(zhì)，可選用普通碳素鋼，特別是10、20號(hào)無縫鋼管。號(hào)無縫鋼管。管殼式換熱器3、管子長度的選擇（、管子長度的選擇（Choice of pipe length）管子長度主要根據(jù)工藝計(jì)算和整個(gè)換熱器的幾何尺寸的布局來確

14、定，管子越長，換熱器單位材料管子長度主要根據(jù)工藝計(jì)算和整個(gè)換熱器的幾何尺寸的布局來確定，管子越長，換熱器單位材料消耗越低。但管子不能太長，否則對(duì)流體產(chǎn)生較大阻力，維修、清洗、運(yùn)輸、安裝都不方便，管消耗越低。但管子不能太長，否則對(duì)流體產(chǎn)生較大阻力，維修、清洗、運(yùn)輸、安裝都不方便，管子本身受力也不好。常用管長規(guī)格為子本身受力也不好。常用管長規(guī)格為1.5、2、2.5、3、4.5、5、6、7.5、9、12m等。等。管殼式換熱器4、管子型式的選擇（、管子型式的選擇（Choose the type of pipe）管子一般都用光管，因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)簡單、制造方便，但它強(qiáng)化傳熱的性能不足。為了強(qiáng)化傳熱，可管子一般

15、都用光管，因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)簡單、制造方便，但它強(qiáng)化傳熱的性能不足。為了強(qiáng)化傳熱，可選用特殊型式的管子：選用特殊型式的管子：a）扁平管）扁平管b）橢圓管）橢圓管c）凹槽扁平管）凹槽扁平管d）波紋管）波紋管幾種異形管幾種異形管a）焊接外翅片管）焊接外翅片管b）整體式外翅片管）整體式外翅片管c）鑲嵌式外翅片管）鑲嵌式外翅片管d）整體式內(nèi)外翅片管）整體式內(nèi)外翅片管縱向翅片管縱向翅片管管殼式換熱器徑向翅片管徑向翅片管螺紋管螺紋管管殼式換熱器6.2.2 管子與管板的連接（管子與管板的連接（Connection of Tube and Tube Plate）管子與管板間的連接是管殼式換熱器設(shè)計(jì)和制造中的主要問題之

16、一。要求連接處有足夠的結(jié)合力，管子與管板間的連接是管殼式換熱器設(shè)計(jì)和制造中的主要問題之一。要求連接處有足夠的結(jié)合力，工作時(shí)氣密性要好。常用的連接方法有脹接、焊接和脹焊結(jié)合。工作時(shí)氣密性要好。常用的連接方法有脹接、焊接和脹焊結(jié)合。1、脹接（、脹接（Expansion）脹接是利用脹管器擠壓伸入管板孔中的管子端部，使管子發(fā)生塑性變形，管板孔同時(shí)產(chǎn)生彈性變脹接是利用脹管器擠壓伸入管板孔中的管子端部，使管子發(fā)生塑性變形，管板孔同時(shí)產(chǎn)生彈性變形。當(dāng)取掉脹管器后，管板孔彈性收縮，管板與管子間就產(chǎn)生一定的擠緊壓力而緊密地貼在一起，形。當(dāng)取掉脹管器后，管板孔彈性收縮，管板與管子間就產(chǎn)生一定的擠緊壓力而緊密地貼在

17、一起，達(dá)到密封、緊固、連接的目的。達(dá)到密封、緊固、連接的目的。缺點(diǎn)：脹接結(jié)構(gòu)隨溫度的升高，管子或管板材料會(huì)產(chǎn)生高溫蠕變，使接頭處應(yīng)力松弛或逐漸消失，缺點(diǎn)：脹接結(jié)構(gòu)隨溫度的升高，管子或管板材料會(huì)產(chǎn)生高溫蠕變，使接頭處應(yīng)力松弛或逐漸消失，使連接處發(fā)生泄漏，造成連接失效。因此脹接結(jié)構(gòu)只適用于溫度不超過使連接處發(fā)生泄漏，造成連接失效。因此脹接結(jié)構(gòu)只適用于溫度不超過300、壓力不超過、壓力不超過4MPa的場(chǎng)合。的場(chǎng)合。采用脹接型式，管板的硬度必須高于管端硬度。通常對(duì)管端作退火處理，以降低其硬度后進(jìn)行脹采用脹接型式，管板的硬度必須高于管端硬度。通常對(duì)管端作退火處理，以降低其硬度后進(jìn)行脹接。同時(shí)為提高管子與

18、管板的連接質(zhì)量，也可在管板孔內(nèi)開一個(gè)或二個(gè)環(huán)形槽。接。同時(shí)為提高管子與管板的連接質(zhì)量，也可在管板孔內(nèi)開一個(gè)或二個(gè)環(huán)形槽。脹接長度?。浗娱L度?。?）兩倍換熱管外徑；（）兩倍換熱管外徑；（2）50mm；（；（3）管板厚度減）管板厚度減3mm三者中的最小值。三者中的最小值。脹管前后的示意圖脹管前后的示意圖管板孔內(nèi)開環(huán)形槽管板孔內(nèi)開環(huán)形槽管殼式換熱器2、焊接（、焊接（Welding）管子與管板間采用焊接連接管子與管板間采用焊接連接優(yōu)點(diǎn)：連接結(jié)構(gòu)簡單、適用范圍廣；管板的加工優(yōu)點(diǎn)：連接結(jié)構(gòu)簡單、適用范圍廣；管板的加工要求低、生產(chǎn)過程簡單、生產(chǎn)效率高；管子與管要求低、生產(chǎn)過程簡單、生產(chǎn)效率高；管子與管板選

19、材要求簡化、管端不須退火；在壓力不高的板選材要求簡化、管端不須退火；在壓力不高的場(chǎng)合可使用較薄的管板。場(chǎng)合可使用較薄的管板。缺點(diǎn)：焊接接頭處產(chǎn)生的熱應(yīng)力可能造成應(yīng)力腐缺點(diǎn)：焊接接頭處產(chǎn)生的熱應(yīng)力可能造成應(yīng)力腐蝕和破裂；管子與管板間存在著間隙，這些間隙蝕和破裂；管子與管板間存在著間隙，這些間隙中的介質(zhì)會(huì)形成死區(qū)，造成間隙腐蝕。中的介質(zhì)會(huì)形成死區(qū)，造成間隙腐蝕。焊接間隙焊接間隙管板孔上不開坡口管板孔上不開坡口管板孔上開管板孔上開60坡口坡口管子頭部不突出管管子頭部不突出管板板孔的四周開溝槽孔的四周開溝槽管殼式換熱器3、脹焊并用（、脹焊并用（Expansion and Welding）由于單獨(dú)采用脹

20、接或單獨(dú)采用焊接均有一定的局限性，為此出現(xiàn)了脹接加焊接的型式。由于單獨(dú)采用脹接或單獨(dú)采用焊接均有一定的局限性，為此出現(xiàn)了脹接加焊接的型式。根據(jù)加工次序可分為：先脹后焊和先焊后脹兩種形式。采用這種連接結(jié)構(gòu)可以消除間隙，增加抗根據(jù)加工次序可分為：先脹后焊和先焊后脹兩種形式。采用這種連接結(jié)構(gòu)可以消除間隙，增加抗熱疲勞的性能，適用于高溫、高壓的換熱設(shè)備。熱疲勞的性能，適用于高溫、高壓的換熱設(shè)備。管殼式換熱器6.2.3 管板結(jié)構(gòu)（管板結(jié)構(gòu)（Tube Plate Structure）1、 管子在管板上的排列（管子在管板上的排列（Arrangement of tube）管殼式換熱器的管子在管板上的布置不單只

21、考慮設(shè)備的緊湊性，還要考慮流體的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)管殼式換熱器的管子在管板上的布置不單只考慮設(shè)備的緊湊性，還要考慮流體的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及加工制造方面的情況。常用正三角形排列、轉(zhuǎn)角三角債排列、正方形排列、轉(zhuǎn)角正方形排列。以及加工制造方面的情況。常用正三角形排列、轉(zhuǎn)角三角債排列、正方形排列、轉(zhuǎn)角正方形排列。正三角形排列的管子正三角形排列的管子管殼式換熱器當(dāng)殼程為清潔、不結(jié)垢的流體時(shí)，宜選用正三角形排列。當(dāng)殼程為清潔、不結(jié)垢的流體時(shí)，宜選用正三角形排列。殼程流體粘度較大或易結(jié)垢需定期清洗殼程時(shí)，一般采用正方形排列。殼程流體粘度較大或易結(jié)垢需定期清洗殼程時(shí)，一般采用正方形排列。多程換熱器，常采用正三角形

22、和正方形組合排列方法，以便安排隔板位置。對(duì)于直徑較大、管子多程換熱器，常采用正三角形和正方形組合排列方法，以便安排隔板位置。對(duì)于直徑較大、管子較多，按正三角形排列管子總數(shù)超過較多，按正三角形排列管子總數(shù)超過127根時(shí)必須在管束周圍的弓形空間盡量再配置附加換熱管。根時(shí)必須在管束周圍的弓形空間盡量再配置附加換熱管。正方形排列的管子正方形排列的管子組合排列法組合排列法管殼式換熱器2、 管間距（管間距（Tube spacing）管板上兩換熱管中心的距離稱為管間距。確定管間距既要考慮結(jié)構(gòu)緊湊性、傳熱效率，又要考慮管板上兩換熱管中心的距離稱為管間距。確定管間距既要考慮結(jié)構(gòu)緊湊性、傳熱效率，又要考慮管板強(qiáng)度

23、和清洗空間以及管子在管板上固定的影響。對(duì)于正三角形排列，管間距應(yīng)大于等于管子管板強(qiáng)度和清洗空間以及管子在管板上固定的影響。對(duì)于正三角形排列，管間距應(yīng)大于等于管子直徑的直徑的1.25倍，且不小于倍，且不小于d0+6 mm。最外層換熱管的管壁與殼體內(nèi)壁間的距離不得小于最外層換熱管的管壁與殼體內(nèi)壁間的距離不得小于10 mm。換熱管中心距換熱管中心距 (mm)管殼式換熱器3、 管板受力及其設(shè)計(jì)方法管板受力及其設(shè)計(jì)方法列管式換熱器的管板一般采用平管板，在圓平板上開孔裝設(shè)管束，管板又與殼體相連。管板所受列管式換熱器的管板一般采用平管板，在圓平板上開孔裝設(shè)管束，管板又與殼體相連。管板所受的載荷除管程與殼程壓

24、力之外，還承受管壁與殼壁的溫差引起的變形不協(xié)調(diào)而產(chǎn)生的溫差應(yīng)力。的載荷除管程與殼程壓力之外，還承受管壁與殼壁的溫差引起的變形不協(xié)調(diào)而產(chǎn)生的溫差應(yīng)力。影響管板應(yīng)力大小有以下因素：影響管板應(yīng)力大小有以下因素：（1）管板自身的直徑、厚度、材料強(qiáng)度、使用溫度等對(duì)管板應(yīng)力有顯著的影響。）管板自身的直徑、厚度、材料強(qiáng)度、使用溫度等對(duì)管板應(yīng)力有顯著的影響。（2）管束對(duì)管板的支撐作用。）管束對(duì)管板的支撐作用。（3）管孔對(duì)管板強(qiáng)度和剛度削弱的影響。）管孔對(duì)管板強(qiáng)度和剛度削弱的影響。（4）管板周邊支承形式的影響。）管板周邊支承形式的影響。（5）溫度對(duì)管板的影響。）溫度對(duì)管板的影響。我國我國管殼式換熱器管殼式換熱器

25、（GB151-1999）采用以下的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行管板厚度計(jì)算：）采用以下的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行管板厚度計(jì)算：將管束當(dāng)作彈性支承，而管板則作為放置于該彈性基礎(chǔ)上的圓平板，然后根據(jù)載荷大小、管束的將管束當(dāng)作彈性支承，而管板則作為放置于該彈性基礎(chǔ)上的圓平板，然后根據(jù)載荷大小、管束的剛度及周邊的支撐情況來確定管板的彎曲應(yīng)力并進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。剛度及周邊的支撐情況來確定管板的彎曲應(yīng)力并進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。通常可以根據(jù)管板的公稱壓力從通?？梢愿鶕?jù)管板的公稱壓力從鋼制列管式固定管板換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)鋼制列管式固定管板換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)中直接查取管板的中直接查取管板的尺寸。尺寸。管殼式換熱器6.2.4 管板與殼體的連接結(jié)構(gòu)（管板

26、與殼體的連接結(jié)構(gòu)（Connecting of tube plate and shell）管殼式換熱器管板與殼體的連接結(jié)構(gòu)分為可拆式和不可拆式兩大類。固定管板式換熱器的管板和管殼式換熱器管板與殼體的連接結(jié)構(gòu)分為可拆式和不可拆式兩大類。固定管板式換熱器的管板和殼體間采用不可拆的焊接連接，而浮頭式、殼體間采用不可拆的焊接連接，而浮頭式、U型管式和填函式換熱器的管板與殼體間需采用可拆型管式和填函式換熱器的管板與殼體間需采用可拆結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)。管殼式換熱器1、 固定管板式換熱器管板與殼體的連接固定管板式換熱器管板與殼體的連接兼作法蘭時(shí)管板與殼體的連接結(jié)構(gòu)兼作法蘭時(shí)管板與殼體的連接結(jié)構(gòu)管殼式換熱器不兼作法蘭時(shí)

27、管板與殼體的連接結(jié)構(gòu)不兼作法蘭時(shí)管板與殼體的連接結(jié)構(gòu)管殼式換熱器2、 浮頭式、浮頭式、U型管式和填函式換熱器的管板與殼體的連接型管式和填函式換熱器的管板與殼體的連接由于浮頭式、由于浮頭式、U型管式和填函式換熱器的管束要從殼體中抽出，以便進(jìn)行清洗，故需將管板做成型管式和填函式換熱器的管束要從殼體中抽出，以便進(jìn)行清洗，故需將管板做成可拆連接?？刹疬B接。管板與殼體可拆結(jié)管板與殼體可拆結(jié)構(gòu)構(gòu)管殼式換熱器6.2.5 管箱與管程分程（管箱與管程分程（Tube box and tube split）1、管箱與分程隔板、管箱與分程隔板換熱器管內(nèi)流體進(jìn)出口的空間稱為管箱。管箱位于換熱器的兩端，將介質(zhì)均勻地分布到

28、各換熱管換熱器管內(nèi)流體進(jìn)出口的空間稱為管箱。管箱位于換熱器的兩端，將介質(zhì)均勻地分布到各換熱管中，或?qū)⒐軆?nèi)流體匯集后輸送出來。為了便于清洗、檢修管子，管箱應(yīng)采用可拆結(jié)構(gòu)。中，或?qū)⒐軆?nèi)流體匯集后輸送出來。為了便于清洗、檢修管子，管箱應(yīng)采用可拆結(jié)構(gòu)。管殼式換熱器固定管板換熱器是利用管箱來實(shí)現(xiàn)管束分程。在換熱器一端或兩端管箱內(nèi)分別安置一定數(shù)量的隔固定管板換熱器是利用管箱來實(shí)現(xiàn)管束分程。在換熱器一端或兩端管箱內(nèi)分別安置一定數(shù)量的隔板，將換熱器做成多管程。分程隔板有單層和雙層兩種。板，將換熱器做成多管程。分程隔板有單層和雙層兩種。單層隔板與管板的密封單層隔板與管板的密封雙層隔板與管板的密封雙層隔板與管板的

29、密封管殼式換熱器2 、管程分程、管程分程管程分層布置，盡量做到各程的流速基本相同，使各程管數(shù)大致相等。常用的管程數(shù)有管程分層布置，盡量做到各程的流速基本相同，使各程管數(shù)大致相等。常用的管程數(shù)有1、2、4、6、8、10、12等。等。常用管程分程圖常用管程分程圖管殼式換熱器6.2.6 擋板與導(dǎo)流筒（擋板與導(dǎo)流筒（Baffle and draft tube）殼程接管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)直接影響換熱器的傳熱效率與使用壽命。當(dāng)介質(zhì)為蒸氣或高速流體進(jìn)入殼程殼程接管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)直接影響換熱器的傳熱效率與使用壽命。當(dāng)介質(zhì)為蒸氣或高速流體進(jìn)入殼程時(shí)，入口處的管子將受到很大沖擊，甚至發(fā)生震動(dòng)。為了保護(hù)管束，通常在入口處設(shè)立導(dǎo)

30、流筒或時(shí)，入口處的管子將受到很大沖擊，甚至發(fā)生震動(dòng)。為了保護(hù)管束，通常在入口處設(shè)立導(dǎo)流筒或擋板。導(dǎo)流筒還可以使加熱蒸氣或流體從靠近管板處進(jìn)入管間，充分利用傳熱面積。擋板。導(dǎo)流筒還可以使加熱蒸氣或流體從靠近管板處進(jìn)入管間，充分利用傳熱面積。導(dǎo)流筒導(dǎo)流筒擋板擋板管殼式換熱器6.2.7 折流板和支撐板（折流板和支撐板（Baffle and support plate）折流板的作用是提高殼程內(nèi)液體速度和加強(qiáng)湍流程度，同時(shí)還起支撐換熱管的作用。折流板和支折流板的作用是提高殼程內(nèi)液體速度和加強(qiáng)湍流程度，同時(shí)還起支撐換熱管的作用。折流板和支撐板的常用形式有弓形、圓盤撐板的常用形式有弓形、圓盤-圓環(huán)形和帶扇形

31、切口三種。圓環(huán)形和帶扇形切口三種。弓形折流板弓形折流板管殼式換熱器圓盤圓盤-圓環(huán)形折流板圓環(huán)形折流板帶扇形切口的折流板帶扇形切口的折流板管殼式換熱器折流板和支撐板的固定是通過拉桿和定距管來實(shí)現(xiàn)的。拉桿是一根兩端皆有螺紋的長桿，一端擰折流板和支撐板的固定是通過拉桿和定距管來實(shí)現(xiàn)的。拉桿是一根兩端皆有螺紋的長桿，一端擰入管板，折流板就穿在拉桿上，各板之間則以套在拉桿上的定距管來保持板間距離，最后一塊折入管板，折流板就穿在拉桿上，各板之間則以套在拉桿上的定距管來保持板間距離，最后一塊折流板可用螺母擰在拉桿上予以固定。流板可用螺母擰在拉桿上予以固定。折流板的組裝折流板的組裝管殼式換熱器6.3 管殼式換

32、熱器的強(qiáng)度計(jì)算（管殼式換熱器的強(qiáng)度計(jì)算（Strength desing of shell and tube heat exchanger）換熱器除了滿足工藝要求外，還要滿足強(qiáng)度要求。換熱器作為受壓容器，它既具有與一般容器相換熱器除了滿足工藝要求外，還要滿足強(qiáng)度要求。換熱器作為受壓容器，它既具有與一般容器相同的結(jié)構(gòu)，又有一般容器所沒有的結(jié)構(gòu)，如管板、管子、膨脹節(jié)等。因此，管殼式換熱器的強(qiáng)度同的結(jié)構(gòu)，又有一般容器所沒有的結(jié)構(gòu)，如管板、管子、膨脹節(jié)等。因此，管殼式換熱器的強(qiáng)度計(jì)算包括兩部分內(nèi)容：計(jì)算包括兩部分內(nèi)容：第一部分是殼體、法蘭、開孔及支座等，與一般容器相同；第一部分是殼體、法蘭、開孔及支座等

33、，與一般容器相同；第二部分為換熱器特有的強(qiáng)度計(jì)算，包括管板的強(qiáng)度設(shè)計(jì)、管子拉脫力的計(jì)算、膨脹節(jié)的設(shè)計(jì)等。第二部分為換熱器特有的強(qiáng)度計(jì)算，包括管板的強(qiáng)度設(shè)計(jì)、管子拉脫力的計(jì)算、膨脹節(jié)的設(shè)計(jì)等。管殼式換熱器6.3.1 溫差應(yīng)力（溫差應(yīng)力（Thermal stress）由于材料、溫度等的不同，固定管板式換熱器中的殼由于材料、溫度等的不同，固定管板式換熱器中的殼體與管子的自由伸長量也會(huì)不同。但由于是殼體與管體與管子的自由伸長量也會(huì)不同。但由于是殼體與管子剛性連接的，它們的伸長互相制約而產(chǎn)生附加應(yīng)力，子剛性連接的，它們的伸長互相制約而產(chǎn)生附加應(yīng)力，這種應(yīng)力稱為溫差應(yīng)力，又稱熱應(yīng)力。這種應(yīng)力稱為溫差應(yīng)力，

34、又稱熱應(yīng)力。管子和殼體中的溫差軸向力為：管子和殼體中的溫差軸向力為：0011ttssttssttttFEAEAttFAssFA在管子及殼體中的溫差應(yīng)力為：在管子及殼體中的溫差應(yīng)力為： s式中式中 ： ， 分別為管子和殼體材料的溫度膨脹系數(shù)，分別為管子和殼體材料的溫度膨脹系數(shù)，1/； t0 安裝時(shí)的溫度，安裝時(shí)的溫度，； tt ，ts 分別為操作狀態(tài)下管壁溫度和殼壁溫度，分別為操作狀態(tài)下管壁溫度和殼壁溫度， ； Et ，Es 分別為管子和殼體材料彈性模量，分別為管子和殼體材料彈性模量，MPa； At ，As 分別為換熱管總截面積和殼壁橫截面面積，分別為換熱管總截面積和殼壁橫截面面積，mm2。 t

35、殼體與管子的膨脹與壓縮殼體與管子的膨脹與壓縮管殼式換熱器6.3.2 管子拉脫力的計(jì)算（管子拉脫力的計(jì)算（Calculation of pipe pull out force）換熱器在操作中，承受流體壓力和管殼壁溫差應(yīng)力的共同作用，在管子與管板的連接接頭處產(chǎn)生換熱器在操作中，承受流體壓力和管殼壁溫差應(yīng)力的共同作用，在管子與管板的連接接頭處產(chǎn)生一個(gè)拉脫力，使管子與管板有脫離的傾向。拉脫力的定義是管子每平方米脹接周邊上所受到的力，一個(gè)拉脫力，使管子與管板有脫離的傾向。拉脫力的定義是管子每平方米脹接周邊上所受到的力，單位為帕（單位為帕（Pa）。對(duì)于管子與管板是脹接的接頭，拉脫力有可能引起接頭處密封性的

36、破壞或使管）。對(duì)于管子與管板是脹接的接頭，拉脫力有可能引起接頭處密封性的破壞或使管子拉脫。為保證管端與管板牢固地連接和良好的密封性能必須進(jìn)行拉脫力的校核。子拉脫。為保證管端與管板牢固地連接和良好的密封性能必須進(jìn)行拉脫力的校核。在操作壓力作用下，每平方米脹接周邊所受到的力在操作壓力作用下，每平方米脹接周邊所受到的力 ：pq0ppfqd l2200.8664fad式中式中 ： p 設(shè)計(jì)壓力，取管程壓力設(shè)計(jì)壓力，取管程壓力pt和殼程壓力和殼程壓力ps而者中的較大值，而者中的較大值，MPa； d0 管子外徑，管子外徑， mm； l 管子脹接長度，管子脹接長度，mm； f 每四根管子之間的面積，每四根管

37、子之間的面積，mm2。 管子成三角形排列時(shí)：管子成三角形排列時(shí)：管子成正方形排列時(shí)：管子成正方形排列時(shí)： 其中其中a為管間距，為管間距，mm。2204fad管子之間的面積管子之間的面積管殼式換熱器 qtq在溫差應(yīng)力作用下，管子每平方米脹接周邊所產(chǎn)生的力在溫差應(yīng)力作用下，管子每平方米脹接周邊所產(chǎn)生的力 ：式中式中 ： 管子中的溫差應(yīng)力，管子中的溫差應(yīng)力，MPa； at 每根管子管壁橫截面積，每根管子管壁橫截面積， mm2； di 管子的內(nèi)徑，管子的內(nèi)徑，mm。22004titddqd lt根據(jù)溫差和壓力產(chǎn)生的管子周邊力方向的不同進(jìn)行組合得到管子的拉脫力，要求其小于許用拉脫根據(jù)溫差和壓力產(chǎn)生的管子

38、周邊力方向的不同進(jìn)行組合得到管子的拉脫力，要求其小于許用拉脫力力 。許用拉脫力許用拉脫力 （MPa）管殼式換熱器6.3.3 膨脹節(jié)（膨脹節(jié)（Expansion Joint）1、膨脹節(jié)的型式、膨脹節(jié)的型式固定管板式換熱器需溫度補(bǔ)償時(shí)，常在殼壁上裝上一個(gè)或多個(gè)波形膨脹節(jié)的撓性元件對(duì)殼、管的固定管板式換熱器需溫度補(bǔ)償時(shí)，常在殼壁上裝上一個(gè)或多個(gè)波形膨脹節(jié)的撓性元件對(duì)殼、管的變形進(jìn)行補(bǔ)償，以消除或減小不利的溫差應(yīng)力。變形進(jìn)行補(bǔ)償，以消除或減小不利的溫差應(yīng)力。在換熱器中采用的膨脹節(jié)有三種型式：平板焊接膨脹節(jié)、波形膨脹節(jié)和夾殼式膨脹節(jié)。平板焊接在換熱器中采用的膨脹節(jié)有三種型式：平板焊接膨脹節(jié)、波形膨脹節(jié)和

39、夾殼式膨脹節(jié)。平板焊接膨脹節(jié)結(jié)構(gòu)簡單、便于制造，但只適用于常壓和低壓的場(chǎng)合；夾殼式膨脹節(jié)可用于壓力較高的場(chǎng)膨脹節(jié)結(jié)構(gòu)簡單、便于制造，但只適用于常壓和低壓的場(chǎng)合；夾殼式膨脹節(jié)可用于壓力較高的場(chǎng)合；最常用的膨脹節(jié)為波形膨脹節(jié)，也可采用多波膨脹節(jié)。合；最常用的膨脹節(jié)為波形膨脹節(jié)，也可采用多波膨脹節(jié)。平板焊接膨脹節(jié)平板焊接膨脹節(jié)波形膨脹節(jié)波形膨脹節(jié)夾殼式膨脹節(jié)夾殼式膨脹節(jié)管殼式換熱器12ssFFA2、必須設(shè)置膨脹節(jié)的條件、必須設(shè)置膨脹節(jié)的條件 鋼制管殼式換熱器設(shè)計(jì)規(guī)定鋼制管殼式換熱器設(shè)計(jì)規(guī)定中要求：若滿足以下條件之一者，必須設(shè)置膨脹節(jié)中要求：若滿足以下條件之一者，必須設(shè)置膨脹節(jié)（1） ；（；（2） ；

40、（；（3） 且且 ；（；（4）管子拉脫力）管子拉脫力殼體和管子中的應(yīng)力按下式計(jì)算：殼體和管子中的應(yīng)力按下式計(jì)算：式中，式中，F(xiàn)1為由殼體和管子之間的溫差所產(chǎn)生的軸向力，為由殼體和管子之間的溫差所產(chǎn)生的軸向力，N； F2由于殼程和管程壓力作用于殼體上的軸向力，由于殼程和管程壓力作用于殼體上的軸向力，N； 其中，其中， F3由于殼程和管程壓力作用于管子上的軸向力，由于殼程和管程壓力作用于管子上的軸向力，N； 2tss 2ttt0ssB qq3ttssttQ AEFA EAE2ssssttQ A EFA EAE2220024isttQDndpn dSp00111ttssttssttttFEAEA13

41、ttFFA管殼式換熱器6.4 管殼式換熱器設(shè)計(jì)與型號(hào)選擇管殼式換熱器設(shè)計(jì)與型號(hào)選擇（Design and Model Selection of Shell and Tube Heat Exchanger）6.4.1 固定管板式換熱器的計(jì)算（固定管板式換熱器的計(jì)算（Calculation of fixed tube plate heat exchanger）列管式換熱器的設(shè)計(jì)與選擇是在工藝計(jì)算的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，其計(jì)算步驟如下：列管式換熱器的設(shè)計(jì)與選擇是在工藝計(jì)算的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，其計(jì)算步驟如下：1. 根據(jù)兩種介質(zhì)的流量、進(jìn)出口溫度、操作壓力等算出換熱器所需傳遞的熱量。根據(jù)兩種介質(zhì)的流量、進(jìn)出口溫度、

42、操作壓力等算出換熱器所需傳遞的熱量。2. 根據(jù)介質(zhì)的性質(zhì)（濃度、粘度、腐蝕性能）選擇合適的材料；根據(jù)介質(zhì)的性質(zhì)（濃度、粘度、腐蝕性能）選擇合適的材料；3. 根據(jù)流量、壓力、溫度、介質(zhì)性質(zhì)、傳遞熱量大小以及制造、維修方便等因素選擇換熱器的根據(jù)流量、壓力、溫度、介質(zhì)性質(zhì)、傳遞熱量大小以及制造、維修方便等因素選擇換熱器的結(jié)構(gòu)型式；結(jié)構(gòu)型式；4. 確定換熱器的流程（一般為確定換熱器的流程（一般為112程）和流向（并、逆、錯(cuò)流）及管、殼程分別走何種介質(zhì)；程）和流向（并、逆、錯(cuò)流）及管、殼程分別走何種介質(zhì)；5. 計(jì)算出所需換熱面積，初步確定管徑、管子數(shù)、管程數(shù)、管長和殼體直徑等尺寸，并根據(jù)這計(jì)算出所需換熱

43、面積，初步確定管徑、管子數(shù)、管程數(shù)、管長和殼體直徑等尺寸，并根據(jù)這些尺寸校核流體阻力，最后按標(biāo)準(zhǔn)選用換熱器型號(hào)或按些尺寸校核流體阻力，最后按標(biāo)準(zhǔn)選用換熱器型號(hào)或按GB151進(jìn)行換熱器的設(shè)計(jì)。進(jìn)行換熱器的設(shè)計(jì)。管殼式換熱器6.4.2 固定管板式換熱器的選擇固定管板式換熱器的選擇換熱面積的計(jì)算換熱面積的計(jì)算 殼體公稱直徑：殼體公稱直徑：DN為為159、273、325的殼體采用無縫鋼管；的殼體采用無縫鋼管；DN400、500、600、800、1000、1200、1400、1600、1800等采用鋼板卷焊而成。等采用鋼板卷焊而成。殼體厚度按殼體厚度按 確定。為了保證足夠的剛度，應(yīng)考慮最小厚度要求。確定

44、。為了保證足夠的剛度，應(yīng)考慮最小厚度要求。公稱壓力：當(dāng)操作溫度不大于公稱壓力：當(dāng)操作溫度不大于200時(shí)，公稱壓力分為時(shí)，公稱壓力分為0.6、1.0、1.6、2.5MPa。換熱管材料：常用碳素結(jié)構(gòu)鋼、低合金鋼、不銹鋼。換熱管材料：常用碳素結(jié)構(gòu)鋼、低合金鋼、不銹鋼。換熱管規(guī)格：碳鋼和低合金鋼常采用換熱管規(guī)格：碳鋼和低合金鋼常采用192、 252.5、 323、 383、 573.5、不銹鋼、不銹鋼常采用常采用252、 382.5。 換熱管長度：換熱管長度：1500、2000、3000、6000。管子的間距和排列：管子間距一般為管子外徑的管子的間距和排列：管子間距一般為管子外徑的1.25倍。外層管子

45、外表面與殼體內(nèi)表面的距離應(yīng)不倍。外層管子外表面與殼體內(nèi)表面的距離應(yīng)不小于管子外徑的小于管子外徑的0.25倍。固定管板式換熱器按等邊三角形排列。倍。固定管板式換熱器按等邊三角形排列。00.1FdLn式中式中 ：d0 換熱換熱管外徑，管外徑，mm；L 換熱管長度，換熱管長度，mm；n 換熱管數(shù)換熱管數(shù) /2tcicSp DpC管殼式換熱器6.4.3 固定管板式換熱器型號(hào)介紹固定管板式換熱器型號(hào)介紹為了方便管殼式換熱器的設(shè)計(jì)和選擇，制定了管殼式換熱器國標(biāo)。凡換熱面積、溫度、介質(zhì)壓力為了方便管殼式換熱器的設(shè)計(jì)和選擇，制定了管殼式換熱器國標(biāo)。凡換熱面積、溫度、介質(zhì)壓力在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)者，以選用標(biāo)準(zhǔn)換熱器為宜

46、。在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)者，以選用標(biāo)準(zhǔn)換熱器為宜。換熱器型號(hào)表示方法為：換熱器型號(hào)表示方法為：管殼式換熱器2.5970020041.625BEM 4.065007521.619BIU 換熱器型號(hào)示例：換熱器型號(hào)示例：1、固定管板式換熱器、固定管板式換熱器封頭管箱，公稱直徑封頭管箱，公稱直徑700mm，管程設(shè)計(jì)壓力，管程設(shè)計(jì)壓力2.5MPa，殼程設(shè)計(jì)壓力，殼程設(shè)計(jì)壓力1.6MPa，公稱換熱面積，公稱換熱面積200m2，換熱管外徑換熱管外徑25mm，管長，管長9m，4管程，單殼程固定管板式換熱器，其型號(hào)為管程，單殼程固定管板式換熱器，其型號(hào)為2、U型管換熱器型管換熱器封頭管箱，公稱直徑封頭管箱，公稱直徑50

47、0mm，管程設(shè)計(jì)壓力，管程設(shè)計(jì)壓力4MPa，殼程設(shè)計(jì)壓力，殼程設(shè)計(jì)壓力1.6MPa，公稱換熱面積，公稱換熱面積75m2，換熱管外徑換熱管外徑19mm，管長，管長6m，2管程，單殼程的管程，單殼程的U型管換熱器，其型號(hào)為型管換熱器，其型號(hào)為3、浮頭式冷凝器、浮頭式冷凝器封頭管箱，公稱直徑封頭管箱，公稱直徑1200mm，管程設(shè)計(jì)壓力，管程設(shè)計(jì)壓力2.5MPa，殼程設(shè)計(jì)壓力，殼程設(shè)計(jì)壓力1.0MPa，公稱換熱面積，公稱換熱面積610m2，換熱管外徑，換熱管外徑25mm，管長，管長9m，4管程，單殼程的浮頭式冷凝器，其型號(hào)為管程，單殼程的浮頭式冷凝器，其型號(hào)為2.59120061041.025BJS 管殼式換熱器HW一、思考題一、思考題二二/1 標(biāo)出各零部件名稱標(biāo)出各零部件名稱