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1、第 六 章 管 殼 式 換 熱 器 的 機(jī) 械 設(shè) 計(jì)（ Mechanical Design of Shell and Tube H eat Exchanger）6.1 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 換器 （ H eat exchanger） 、 加 熱 器 （ H eater） 、 冷 卻 器 （ Cooler） 、 蒸 發(fā) 器（ Evaporator） 、 冷 凝 器 （ Condenser） 等 ， 結(jié) 構(gòu) 型 式 也 多 種 多 樣 ， 常 用 的 換 熱 器 有 板

2、式 換 熱 器 （ Plate heat 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(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

3、 需 滿 足 下 列 各 項(xiàng) 基 本要 求 ： （ 1） 換 熱 效 率 高 ；（ 2） 流 體 流 動(dòng) 阻 力 小 ， 即 壓 力 降 小 ；（ 3） 結(jié) 構(gòu) 可 靠 ， 制 造 成 本 低 ；（ 4） 便 于 安 裝 、 檢 修 。 6.1.1 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 6.1.2 管 殼 式 換 熱 器 的 分 類 （ Classification of Shell and Tube H eat 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

4、溫 差 補(bǔ) 償 裝 置 ， 分 為 剛 性 結(jié) 構(gòu) 和具 有 溫 差 補(bǔ) 償 的 兩 類 。 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 。1、 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

5、 熱 器優(yōu) 點(diǎn) ： 換 熱 器 結(jié) 構(gòu) 簡(jiǎn) 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) 。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 。 2、 浮 頭 式 換 熱 器 （ Floating head heat exchanger）浮 頭 式 換 熱 器 中 只 有 一 塊 管 板 與 殼 體

6、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 。 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 。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 ，

7、 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 較高 。 浮 頭 式 換 熱 器 3、 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 。 優(yōu) 點(diǎn) ： 結(jié) 構(gòu) 簡(jiǎn) 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) ：

8、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) 。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 4、 U型 管 式 換 熱 器 （ U-tube heat exchanger）換 熱 器 的 管 束 彎 成 U型 ， U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

9、換 熱 器優(yōu) 點(diǎn) ： 換 熱 器 只 有 一 塊 管 板 ， 結(jié) 構(gòu) 簡(jiǎn) 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 、高 溫 、 粘 度 較 大 的 場(chǎng) 合 。 6.1.3 管 殼

10、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 傳熱 面 積 ， 同 時(shí) 選 擇 管 徑 。 管 長(zhǎng) ， 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 ；（ 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)

11、算 ；（ 5） 管 子 拉 脫 力 的 計(jì) 算 ；（ 6） 溫 差 應(yīng) 力 計(jì) 算 。 6.2 管 殼 式 換 熱 器 的 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計(jì) （ Shell and Tube H eat 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

12、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(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 。常 用 的 碳 鋼 和 低 合 金 鋼 無(wú) 縫 鋼 管 的 規(guī) 格 有 19 2、 25 2.5、 32 3、 38 3、 不 銹 鋼 常 采 用25 2、 38 2.5。 2、 管 子 材 料 的 選 擇 （ Choice of pipe material）管 子 材 料 應(yīng) 根

13、 據(jù) 設(shè) 計(jì) 壓 力 、 溫 度 、 介 質(zhì) 的 腐 蝕 等 條 件 來(lái) 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 10、 20號(hào) 無(wú) 縫 鋼 管 。 3、 管 子 長(zhǎng) 度 的 選 擇 （ Choice of pipe length）管 子 長(zhǎng) 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(lái) 確 定 ， 管 子 越 長(zhǎng) ， 換 熱 器 單 位 材 料消 耗 越 低 。 但 管 子 不 能 太 長(zhǎng) ， 否

14、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(zhǎng) 規(guī) 格 為 1.5、 2、 2.5、 3、 4.5、 5、 6、 7.5、 9、 12m等 。 4、 管 子 型 式 的 選 擇 （ Choose the type of pipe）管 子 一 般 都 用 光 管 ， 因 為 其 結(jié) 構(gòu) 簡(jiǎn) 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 ： a） 扁 平 管b） 橢 圓 管c） 凹 槽 扁

15、平 管d） 波 紋 管幾 種 異 形 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 管縱 向 翅 片 管 徑 向 翅 片 管 螺 紋 管 6.2.2 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 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

16、脹 焊 結(jié) 合 。1、 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 ，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

17、 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 300 、 壓 力 不 超 過 4MPa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(zhǎng) 度 取 （ 1） 兩 倍 換 熱 管 外 徑 ； （ 2） 50mm； （ 3） 管 板

18、 厚 度 減 3mm三 者 中 的 最 小 值 。脹 管 前 后 的 示 意 圖 管 板 孔 內(nèi) 開 環(huán) 形 槽 2、 焊 接 （ Welding）管 子 與 管 板 間 采 用 焊 接 連 接優(yōu) 點(diǎn) ： 連 接 結(jié) 構(gòu) 簡(jiǎn) 單 、 適 用 范 圍 廣 ； 管 板 的 加 工要 求 低 、 生 產(chǎn) 過 程 簡(jiǎn) 單 、 生 產(chǎn) 效 率 高 ； 管 子 與 管板 選 材 要 求 簡(jiǎn) 化 、 管 端 不 須 退 火 ； 在 壓 力 不 高 的場(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 腐蝕 和 破 裂 ； 管 子 與 管

19、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 。 焊 接 間 隙 管 板 孔 上 不 開 坡 口 管 板 孔 上 開 60 坡 口 管 子 頭 部 不 突 出 管板 孔 的 四 周 開 溝 槽 3、 脹 焊 并 用 （ Expansion and Welding）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)

20、 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 。 6.2.3 管 板 結(jié) 構(gòu) （ 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 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

21、 正 方 形 排 列 。 正 三 角 形 排 列 的 管 子 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 。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 127根 時(shí) 必 須 在 管 束 周 圍 的 弓 形 空 間 盡 量 再 配 置 附 加

22、 換 熱 管 。正 方 形 排 列 的 管 子 組 合 排 列 法 2、 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 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 1.25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 10

23、 mm。換 熱 管 中 心 距 (mm) 3、 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 ：（ 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

24、 影 響 。（ 2） 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 。（ 4） 管 板 周 邊 支 承 形 式 的 影 響 。（ 5） 溫 度 對(duì) 管 板 的 影 響 。我 國(guó) 管 殼 式 換 熱 器 （ GB151-1999） 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 的剛 度 及 周 邊 的 支 撐 情 況 來(lái) 確 定 管 板 的 彎

25、 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 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 的尺 寸 。 6.2.4 管 板 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 和殼 體 間 采 用 不 可 拆 的 焊 接 連 接 ， 而 浮 頭 式 、 U型 管 式 和

26、填 函 式 換 熱 器 的 管 板 與 殼 體 間 需 采 用 可 拆結(jié) 構(gòu) 。 1、 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) 不 兼 作 法 蘭 時(shí) 管 板 與 殼 體 的 連 接 結(jié) 構(gòu) 2、 浮 頭 式 、 U型 管 式 和 填 函 式 換 熱 器 的 管 板 與 殼 體 的 連 接由 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 成可 拆 連 接 。 管 板 與 殼 體 可 拆 結(jié)構(gòu) 6.2.

27、5 管 箱 與 管 程 分 程 （ Tube box and tube split）1、 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 各 換 熱 管中 ， 或 將 管 內(nèi) 流 體 匯 集 后 輸 送 出 來(lái) 。 為 了 便 于 清 洗 、 檢 修 管 子 ， 管 箱 應(yīng) 采 用 可 拆 結(jié) 構(gòu) 。 固 定 管 板 換 熱 器 是 利 用 管 箱 來(lái) 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

28、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 雙 層 隔 板 與 管 板 的 密 封 2 、 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 1、 2、 4、 6、8、 10、 12等 。 常 用 管 程 分 程 圖 6.2.6 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

29、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) 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 。 導(dǎo) 流 筒 擋 板 6.2.7 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 ，

30、 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 -圓 環(huán) 形 和 帶 扇 形 切 口 三 種 。 弓 形 折 流 板 圓 盤 -圓 環(huán) 形 折 流 板帶 扇 形 切 口 的 折 流 板 折 流 板 和 支 撐 板 的 固 定 是 通 過 拉 桿 和 定 距 管 來(lái) 實(shí) 現(xiàn) 的 。 拉 桿 是 一 根 兩 端 皆 有 螺 紋 的 長(zhǎng) 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(lái) 保 持 板 間 距 離 ， 最 后 一 塊 折流 板

31、 可 用 螺 母 擰 在 拉 桿 上 予 以 固 定 。 折 流 板 的 組 裝 6.3 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)

32、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(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 。 6.3.1 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 殼體 與 管 子 的 自 由 伸 長(zhǎng) 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(zhǎng) 互 相 制 約 而 產(chǎn) 生 附

33、 加 應(yīng) 力 ，這 種 應(yīng) 力 稱 為 溫 差 應(yīng) 力 ， 又 稱 熱 應(yīng) 力 。管 子 和 殼 體 中 的 溫 差 軸 向 力 為 ： 0 01 1t t s s t t s st t t tF E A E A t tFA s sFA 在 管 子 及 殼 體 中 的 溫 差 應(yīng) 力 為 ： s式 中 ： ， 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 ， ； tt ， ts 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 ，

34、MPa； At ， As 分 別 為 換 熱 管 總 截 面 積 和 殼 壁 橫 截 面 面 積 ， mm 2。 t 殼 體 與 管 子 的 膨 脹 與 壓 縮 6.3.2 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

35、 到 的 力 ，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 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 。在 操 作 壓 力 作 用 下 ， 每 平 方 米 脹 接 周 邊 所 受 到 的 力 ：pq0p pfq d l 2 200.866 4f a d 式 中 ： p 設(shè) 計(jì) 壓 力 ， 取 管 程 壓 力 pt和 殼 程 壓 力 ps而 者 中 的 較 大 值 ， MPa；

36、d0 管 子 外 徑 ， mm； l 管 子 脹 接 長(zhǎng) 度 ， mm； f 每 四 根 管 子 之 間 的 面 積 ， mm2。 管 子 成 三 角 形 排 列 時(shí) ：管 子 成 正 方 形 排 列 時(shí) ： 其 中 a為 管 間 距 ， mm。2 204f a d 管 子 之 間 的 面 積 q tq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 ： 管 子 中 的 溫 差 應(yīng) 力 ， MPa； at 每 根 管 子 管 壁 橫 截 面 積 ， mm2； di 管 子 的 內(nèi) 徑 ， mm。 2 20 04t it d dq d l

37、t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 脫力 。 許 用 拉 脫 力 （ MPa） 6.3.3 膨 脹 節(jié) （ Expansion Joint）1、 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

38、 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 接膨 脹 節(jié) 結(jié) 構(gòu) 簡(jiǎn) 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) 。 平 板 焊 接 膨 脹 節(jié) 波 形 膨 脹 節(jié) 夾 殼 式 膨 脹 節(jié) 1 2s sF FA 2、 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 中 要 求 ： 若 滿 足 以

39、 下 條 件 之 一 者 ， 必 須 設(shè) 置 膨 脹 節(jié)（ 1） ； （ 2） ； （ 3） 且 ； （ 4） 管 子 拉 脫 力殼 體 和 管 子 中 的 應(yīng) 力 按 下 式 計(jì) 算 ：式 中 ， F1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 程 壓 力 作 用 于 管 子 上 的 軸 向 力 ， N； 2 ts s 2 tt t 0s s B q q 3 t ts s t tQ AEF A E AE 2 s ss s

40、t tQ A EF A E AE 22 20 0 24 i s t tQ D nd p n d S p 0 01 1 1t t s st t s st t t tF E A E A 1 3t tF FA 6.4 管 殼 式 換 熱 器 設(shè) 計(jì) 與 型 號(hào) 選 擇（ Design and Model Selection of Shell and Tube H eat Exchanger）6.4.1 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

41、 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 。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(jié) 構(gòu) 型 式 ；4. 確 定 換 熱 器 的 流 程 （ 一 般 為 1 12程 ） 和 流 向 （ 并

42、、 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(zhǎng) 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 GB151進(jìn) 行 換 熱 器 的 設(shè) 計(jì) 。 6.4.2 固 定 管 板 式 換 熱 器 的 選 擇換 熱 面 積 的 計(jì) 算 殼 體 公 稱 直 徑 ： DN為 159、 273、 325的 殼 體 采 用 無(wú) 縫 鋼 管 ； DN400、 500、 600、

43、800、 1000、 1200、1400、 1600、 1800等 采 用 鋼 板 卷 焊 而 成 。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 。公 稱 壓 力 ： 當(dāng) 操 作 溫 度 不 大 于 200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 規(guī) 格 ： 碳 鋼 和 低 合 金 鋼 常 采 用 19 2、 25 2.5、 32 3、 38 3、 57 3.5、 不 銹 鋼常 采 用 25 2、

44、 38 2.5。 換 熱 管 長(zhǎng) 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 1.25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 0.25倍 。 固 定 管 板 式 換 熱 器 按 等 邊 三 角 形 排 列 。 0 0.1F d L n 式 中 ： d0 換 熱 管 外 徑 ， mm； L 換 熱 管 長(zhǎng) 度 ， mm； n 換 熱 管 數(shù) /2 tc i cS p D p C 6.4.3 固 定 管 板 式 換 熱 器 型 號(hào) 介 紹為

45、 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(guó) 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 。換 熱 器 型 號(hào) 表 示 方 法 為 ： 2.5 9700 200 41.6 25BEM 4.0 6500 75 21.6 19BIU 換 熱 器 型 號(hào) 示 例 ：1、 固 定 管 板 式 換 熱 器封 頭 管 箱 ， 公 稱 直 徑 700mm， 管 程 設(shè) 計(jì) 壓 力 2.5MPa， 殼 程 設(shè) 計(jì) 壓 力 1.6MPa， 公 稱 換 熱 面 積 20

46、0m2，換 熱 管 外 徑 25mm， 管 長(zhǎng) 9m， 4管 程 ， 單 殼 程 固 定 管 板 式 換 熱 器 ， 其 型 號(hào) 為2、 U型 管 換 熱 器封 頭 管 箱 ， 公 稱 直 徑 500mm， 管 程 設(shè) 計(jì) 壓 力 4MPa， 殼 程 設(shè) 計(jì) 壓 力 1.6MPa， 公 稱 換 熱 面 積 75m2，換 熱 管 外 徑 19mm， 管 長(zhǎng) 6m， 2管 程 ， 單 殼 程 的 U型 管 換 熱 器 ， 其 型 號(hào) 為3、 浮 頭 式 冷 凝 器封 頭 管 箱 ， 公 稱 直 徑 1200mm， 管 程 設(shè) 計(jì) 壓 力 2.5MPa， 殼 程 設(shè) 計(jì) 壓 力 1.0MPa， 公 稱 換 熱 面 積610m 2， 換 熱 管 外 徑 25mm， 管 長(zhǎng) 9m， 4管 程 ， 單 殼 程 的 浮 頭 式 冷 凝 器 ， 其 型 號(hào) 為2.5 91200 610 41.0 25BJS H W一 、 思 考 題二 /1 標(biāo) 出 各 零 部 件 名 稱