第二章换热设备过程设备设计教案6换热设备课程名称：过 程设备设计专 业：过程装备与控制工程任课教师：第6章换热设备 6-1概述三要教学内容授课方式授课时 数1、换热设备的应用2、换热设备的基本要求 和分类3、间壁式换热器讲授 自学2教学目的和 要求1、了解换热设备的基本要求2、了解换热设备的分类方法3、了解换热设备的主要类型及结 构教学重点和 难点间壁式换热器的主要类型及结构课外作业思考题一、换热设备应满足的基本要求1、换热设备的设计内容(1) 工艺尺寸的设计和计算(2) 零部件结构的设计和计算2、换热设备应满足的基本要求（1）满足化工工艺要求（工艺过程所要求的 温度、压力、流量、传热量等）（2）流体流动阻力小，压力降小，传热效率 高（3）安全可靠（4）便于安装、操作和维修（5）经济合理二、换热设备的分类及特点（1）混合式换热器（2）蓄热式换热器（3） 间壁式换热器*（4）中间载热体式换热器间壁式换热器蛇管式套管式管式换热器套管式管冗式缠绕管式板面式换热器其它型式换热器板式螺旋板式板翅式板壳式伞板式石墨换热器聚四氟乙烯换热器热管换热器 6-2管壳式换热器三要教【学内容授课方式授课时 数1、管壳式换热器的种类2、管壳式换热器的结构 设计（管束分程；壳体分程；换 热管的排列；管板的结构； 换热管与管板的连接；管板 与壳体的连接；折流板与折 流杆等）讲授 自学5教学目的和 要求1、了解管壳式换热器的种类2、掌握管壳式换热器的结构设计 方法教学重点和 难点管壳式换热器的结构设计课外作业思考题；课外综合练习题；、管壳式换热器的类型管壳式换热器由壳体、管束、管箱等结构 组成，根据其结构特点的不同可分为两大类： 一类时刚性结构，如不带膨胀节的固定管板式 换热器；另一类是具有温差补偿结构的管壳式 换热器，如带膨胀节的固定管板式换热器、 浮 头式、U型管式换热器等。1、固定管板式换热器优点：（1）结构简单紧凑，制造成本低（2）与其它类型换热器相比，在相同壳 体直径下，排管数目最多（3）管内便于清洗缺点：（1）壳程不能用机械方法清洗，应走 清洁流体（2）不设膨胀节时，管、壳程可能产生较大的温差应力2、浮头式换热器优点：（1）壳体和管束热变形自由，不产生 热应力（2）管束可从壳体中抽出，便于壳程的 检修和清洗缺点：（1）结构复杂，造价高。（2）为使一端管板浮动，需增加一个浮 头盖及相关连接件以保证壳程密封，操作时，如果浮头盖连接处泄漏将无法发现，所以应严 格保证其密封性能（3）为使浮头管板和管束检修时能够一 起抽出，在管束外缘与壳壁之间形成宽度为 1622m m的环隙，这样不仅减少了排管数目， 而且增加了旁路流路，降低了换热器的热效 率。3、填料函式换热器优点：（1）结构比浮头式换热器简单，壳体 和管束热变形自由，不产生热应力（2）管束可从壳体中抽出，壳程的检修 和清洗方便缺点：填料函处形成动密封，壳程介质易泄 漏，要求壳程介质温度和压力不能过高， 且无 毒、非易燃和易爆4、U形管式换热器优点：（1）结构简单，省去一块管板和一个 管箱，造价低（2）管束和壳体分离，热膨胀时互不约束，消除热应力（3）管束可以从壳体中抽出，管外清洗 方便缺点：（1）弯管必须保持一定曲率半径，管 束中央会存在较大的空隙，流体易走短路，对 传热不利（2）管内不能用机械方法清洗，易走清 洁流体（3）管子泄漏损坏时，只有最外层管子 可以更换，其他管子只能堵死，会减小换热面 积二、结构设计1、管束分程管束分程的作用：提高管程流速；改善传热效 果；增大传热效率管束分程的方法：在一端或两端的管箱中设置 一定数目的分程隔板，使流体依次流过各个管 程。注意：（1）管程数目不能太多，否则会使管箱结构 复杂，给制造带来困难，同时流体阻力也会增 大。（2）管程数目一般为偶数程（单程除外）， 这样可以使管程的进出口设置在同一端管箱 上，便于制造、操作和维修。（3）尽可能使各程换热管数目大致相等，以 减小流体阻力。（4）相邻管程流体间温度差不宜过大（不超 过28C），以避免产生过大热应力。分程隔板布置方式2、壳程分程壳程分程的形式：E型、F型、G型、H型3、换热管的排列方式（1）我国管壳式换热器标准规定采用无缝钢 管作为换热管，主要规格有（外径x壁厚）： 19X 2.0; 25 X 2.5; 38X 3.0; 57X 3.5;（2）换热管长度可根据工艺计算确定，当应 考虑管材的合理使用。我国轧制管材长度一般 为6m,为避免材料浪费，国内推荐换热管长 度系列为：1.5m、2.0m、3.0m、6.0m。（3）换热管排列方式考虑原则：使换热管在 换热器横截面上均匀而紧凑地分布，同时应考 虑流体的性质及结构设计等方面的问题，如管 束是否分程、是否有纵向隔板等。（4）管子在管板上要保证一定的管间距管子和管板焊接时：P=1.25d0管子和管板胀接时：P 1.25d04、管板的结构高温高压换热器中的薄管板薄管板的结构型式椭圆形管板双管板结构5、管子和管板的连接要求：换热管和管板连接处不被拉脱换热管和管板连接处不发生介质泄漏(1) 胀接优点：操作方便缺点：胀接依靠管孔收缩昌盛的残余应力， 这 一应力会随着温度上升而减小，所以胀接温度 和压力受到一定的限制(PW4Mpa ,t e ss e= s t- s s= a t (e t- e o) - a s (e s- e o) l 由于管子和壳体刚性连接在一起，管子和壳体 的实际伸长量相等，所以，管子和壳体间会产 生变形协调，管子中会产生压应力，壳体中会 产生拉应力，显然，管子和壳体所受到的轴向 力大小相同，称为温差轴向力(Fi) 设壳体的拉伸及管子的压缩变形均在弹性范 围内，则：FiLAtEtFiLAS EStFie At Et AsEsL(AEt AsEs)FiL(1AtEt其中：8 e= 8 t- 8 s= a t (0 t- 0 0) - a s (0 s- 0 0) L介质压力产生的轴向力： 由介质压力引起的总的轴向力：Q R n (do 2St)2 Ps (Dj2 nd；)44壳体所受的轴向力为F2,管子所受的轴向力为F3由静力平衡条件得：F2+ F3=Q并且：It Is 其中：lt旦EtAtlSF2LES AS得:FEs AsEs as EtAtF3应力评定：(1) 管子和壳体的轴向应力校核管壁应力:FiF3At2 t壳壁应力:FiF2AS2 S（2）管子和管板连接处的拉脱力校核要求：q上| q管子和管板连接处 dl的拉脱力其中：a-单根换热管的横截面积l-管子与管板的胀接深度（3）管子轴向稳定性校核要求：b t （T cr管子和壳体的轴向应力、管子和管板连 接处的拉、管子轴向稳定性均应满足强度要 求，其中只要有一项条件不能满足要求，就 必须设置膨胀节。9、U形膨胀节的设计计算（补充）（1）膨胀节的轴向刚度-在保证膨胀节处 于完全弹性条件下，膨胀节产生单位轴向位 移（即膨胀节的单位补偿量）所需要的轴向 力。K=F ex/ 8 ex由美国膨胀节制造商协会（EJMA ）的经验公式:31.7DmESph3Cf其中：Cf形状尺寸系数（图2-59）Sp成型减薄后的膨胀节壁 厚Sp S D ex / D m膨胀节承压较大的时候，可采用多层膨胀 节，多层膨胀节的层数一般为 24层，每层 厚度为 0.51.5mm。多层膨胀节的轴向刚度:31 _ DmESpmh3Cf其中：Sp 每层膨胀节的壁厚 m 膨胀节的层数（2）膨胀节的补偿量为保证膨胀节在完全弹性条件下安全工作，膨胀节的补偿量是有一定限度的，可以从手册上查到不同材料制作的、具有标准尺寸的单波捧场节的允许补偿量 I换热器工作时需要的膨胀节的热补偿量为: lc= a t (0 t- 0 0)- a s (6 s- 6 o) L如果 lc I，则需要两个或更多的单 波膨胀节(3) 膨胀节的应力计算及校核a、内压引起的周向薄膜应力u iPDm12h2SP(0.571 而)b、内压引起的经向薄膜应力Ph2 2SPc、内压引起的经向弯曲应力u3暫Cp2Spd、轴向力引起的经向薄膜应力uES2p ex432h3Cf5ES p ex523h Cde、轴向力引起的经向弯曲应力u(4) 应力评定：薄膜应力：/ 1 （T(T 2 a t弯曲应力：/ 2+ a 3 1.5 a st经向计算应力：a r= (0.7 a p+ a d)其中：a p= a 2+ a 3a d= a 4+ a 5三、管板设计要求：了解管板的基本假设和受力分析；了解 固定管板式换热器管板的计算方法和计算步骤；1、基本考虑（1）管束对管板的支承作用（2）管孔对管板的削弱作用（3）管板外缘的固定型式 2、管板强度的计算原则（1）把管板当作周边支承、承受均布载荷作 用的实心圆平板，应用平板理论得到园平板最 大弯曲应力，加入修正系数考虑管孔的削弱作 这种设计方法对管板作了很大程度的简化，是 一种半径验公式，应用较少。（2）把管板当作承受管束支承的