第六章 管殼式換熱器

1、第六章 管殼式換熱器的機械設計（Mechanical Design of Shell and Tube Heat Exchanger）6.1 概述,換熱器是工業(yè)部門廣泛應用的通用工藝設備。根據(jù)不同的目的，換熱器可以是熱交換器（Heat exchanger）、加熱器（Heater）、冷卻器（Cooler）、蒸發(fā)器（Evaporator）、冷凝器（Condenser）等，結構型式也多種多樣，常用的換熱器有板式換熱器（Plate h

2、eat exchanger）、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性強，可靠性高，設計和制造工藝成熟，生產(chǎn)成本低，清洗較為方便等優(yōu)點，是目前生產(chǎn)中最為廣泛使用的一種換熱設備。管殼式換熱器的設計和選用除了滿足規(guī)定的化工工藝條件外，還需滿足下列各項基本要求：（1）換熱效率高；（2）流體流動阻力小，即壓力降小；（3）結構可靠，制造成本

3、低；（4）便于安裝、檢修。,6.1.1 管殼式換熱器的結構及主要零部件,換熱器構件名稱,6.1.2 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)換熱器所受溫差應力以及是否采用溫差補償裝置，分為剛性結構和具有溫差補償?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U型管式。1、固定管板式換熱器（Fixed tube heat

4、 exchanger）固定管板式換熱器分為剛性結構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。,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：換熱器結構簡單、造價低，每根管子都能單獨更換，管內(nèi)便于清洗缺點：管外清洗困難，管殼間有溫差應力存在。當兩種介質(zhì)溫差較大時，必須設置膨脹節(jié)。固定管板式換熱器適用于殼程介質(zhì)清潔、不易結垢、溫差不大和殼程壓力不高的場合。,6.2 管殼式換熱器的結構

5、設計（Shell and Tube Heat Exchanger Design）,6.2.1 管子的選用（Selection of pipe）1、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，設備較緊湊。但制造較麻煩，容易結垢，不易清洗，適用于較清潔

6、的流體。粘度大或污濁的流體，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Ø19×2、 Ø25×2.5、 Ø32×3、 Ø38×3、不銹鋼常采用Ø25×2、 Ø38×2.5。,2、管子材料的選擇（Choice of pipe material）管子材料應根據(jù)設計壓力、溫度、介質(zhì)的腐蝕等條件來選擇，在滿足以

7、上條件的前提下，盡量選擇導熱性能好的材料，對于一般介質(zhì)，可選用普通碳素鋼，特別是10、20號無縫鋼管。,3、管子長度的選擇（Choice of pipe length）管子長度主要根據(jù)工藝計算和整個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，否則對流體產(chǎn)生較大阻力，維修、清洗、運輸、安裝都不方便，管子本身受力也不好。常用管長規(guī)格為1.5、2、2.5、3、4.5、5、6、7.5、9、12m等。,3、脹

8、焊并用（Expansion and Welding）由于單獨采用脹接或單獨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。采用這種連接結構可以消除間隙，增加抗熱疲勞的性能，適用于高溫、高壓的換熱設備。,6.2.3 管板結構（Tube Plate Structure）1、 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考慮

9、設備的緊湊性，還要考慮流體的性質(zhì)、結構設計以及加工制造方面的情況。常用正三角形排列、轉角三角債排列、正方形排列、轉角正方形排列。,正三角形排列的管子,3、 管板受力及其設計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管束，管板又與殼體相連。管板所受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)生的溫差應力。影響管板應力大小有以下因素：（1）管板自身的直徑、厚度、材料強度、使用溫度等對管板應力有顯

10、著的影響。（2）管束對管板的支撐作用。（3）管孔對管板強度和剛度削弱的影響。（4）管板周邊支承形式的影響。（5）溫度對管板的影響。我國《管殼式換熱器》（GB151-1999）采用以下的設計方法進行管板厚度計算：將管束當作彈性支承，而管板則作為放置于該彈性基礎上的圓平板，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力并進行強度計算。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構設計手冊》中直接

11、查取管板的尺寸。,6.2.4 管板與殼體的連接結構（Connecting of tube plate and shell）管殼式換熱器管板與殼體的連接結構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、U型管式和填函式換熱器的管板與殼體間需采用可拆結構。,不兼作法蘭時管板與殼體的連接結構,6.3 管殼式換熱器的強度計算（Strength desing of shell and tube h

12、eat exchanger）,換熱器除了滿足工藝要求外，還要滿足強度要求。換熱器作為受壓容器，它既具有與一般容器相同的結構，又有一般容器所沒有的結構，如管板、管子、膨脹節(jié)等。因此，管殼式換熱器的強度計算包括兩部分內(nèi)容：第一部分是殼體、法蘭、開孔及支座等，與一般容器相同；第二部分為換熱器特有的強度計算，包括管板的強度設計、管子拉脫力的計算、膨脹節(jié)的設計等。,在溫差應力作用下，管子每平方米脹接周邊所產(chǎn)生的力 ：式中 ：

13、 管子中的溫差應力，MPa； at 每根管子管壁橫截面積， mm2； di 管子的內(nèi)徑，mm。,根據(jù)溫差和壓力產(chǎn)生的管子周邊力方向的不同進行組合得到管子的拉脫力，要求其小于許用拉脫力 。,許用拉脫力 （MPa）,2、必須設置膨脹節(jié)的條件 《鋼制管殼式換熱器設計規(guī)定》中要求：若滿足以下條件之一者，必須設

14、置膨脹節(jié)（1） ；（2） ；（3） 且 ；（4）管子拉脫力殼體和管子中的應力按下式計算：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，N； F2由于殼程和管程壓力作用于殼體上的軸向力，N； 其中， F3由于殼程和管

15、程壓力作用于管子上的軸向力，N；,6.4 管殼式換熱器設計與型號選擇（Design and Model Selection of Shell and Tube Heat Exchanger）,6.4.1 固定管板式換熱器的計算（Calculation of fixed tube plate heat exchanger）列管式換熱器的設計與選擇是在工藝計算的基礎上進行的，其計算步驟如下：1. 根據(jù)兩種介質(zhì)的流量、進出口溫度、

16、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；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結構型式；4. 確定換熱器的流程（一般為1～12程）和流向（并、逆、錯流）及管、殼程分別走何種介質(zhì)；5. 計算出所需換熱面積，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)這些尺寸校核流體阻力，最后按標準選用換熱器型號或按GB15