第6章換熱裝置
§6-1 概述
一、換熱裝置應滿足的基本要求
1、換熱裝置的設計內容
（1）工藝尺寸的設計和計算
（2）零部件結構的設計和計算
2、換熱裝置應滿足的基本要求
（1）滿足化工工藝要求（工藝過程所要求的溫度、壓力、流量、傳熱量等）
（2）流體流動阻力小，壓力降小，傳熱效率高
（3）安全可靠
（4）便於安裝、操作和維修
（5）經濟合理
二、換熱裝置的分類及特點
（1）混合式換熱器
（2）蓄熱式換熱器
（3）間壁式換熱器 *
（4）中間載熱體式換熱器
§6-2 管殼式換熱器
一、管殼式換熱器的型別
管殼式換熱器由殼體、管束、管箱等結構組成，根據其結構特點的不同可分為兩大類：一類時剛性結構，如不帶膨脹節的固定管板式換熱器；另一類是具有溫差補償結構的管殼式換熱器，如帶膨脹節的固定管板式換熱器、浮頭式、u型管式換熱器等。
1、固定管板式換熱器
優點：（1）結構簡單緊湊，製造成本低
（2）與其它型別換熱器相比，在相同殼體直徑下，排管數目最多
（3）管內便於清洗
缺點：（1）殼程不能用機械方法清洗，應走清潔流體
（2）不設膨脹節時，管、殼程可能產生較大的溫差應力
2、浮頭式換熱器
優點：（1）殼體和管束熱變形自由，不產生熱應力
（2）管束可從殼體中抽出，便於殼程的檢修和清洗
缺點：（1）結構複雜，造價高。
（2）為使一端管板浮動，需增加乙個浮頭蓋及相關連線件以保證殼程密封，操作時，如果浮頭蓋連線處洩漏將無法發現，所以應嚴格保證其密封效能
（3）為使浮頭管板和管束檢修時能夠一起抽出，在管束外緣與殼壁之間形成寬度為16~22mm的環隙，這樣不僅減少了排管數目，而且增加了旁路流路，降低了換熱器的熱效率。
3、填料函式換熱器
優點：（1）結構比浮頭式換熱器簡單，殼體和管束熱變形自由，不產生熱應力
（2）管束可從殼體中抽出，殼程的檢修和清洗方便
缺點： 填料函處形成動密封，殼程介質易洩漏，要求殼程介質溫度和壓力不能過高，且無毒、非易燃和易爆
4、u形管式換熱器
優點：（1）結構簡單，省去一塊管板和乙個管箱，造價低
（2）管束和殼體分離，熱膨脹時互不約束，消除熱應力
（3）管束可以從殼體中抽出，管外清洗方便
缺點：（1）彎管必須保持一定曲率半徑，管束**會存在較大的空隙，流體易走短路，對傳熱不利
（2）管內不能用機械方法清洗，易走清潔流體
（3）管子洩漏損壞時，只有最外層管子可以更換，其他管子只能堵死，會減小換熱面積
二、結構設計
1、管束分程
管束分程的作用：提高管程流速；改善傳熱效果；增大傳熱效率
管束分程的方法：在一端或兩端的管箱中設定一定數目的分程隔板，使流體依次流過各個管程。
注意：（1）管程數目不能太多，否則會使管箱結構複雜，給製造帶來困難，同時流體阻力也會增大。
（2）管程數目一般為偶數程（單程除外），這樣可以使管程的進出口設定在同一端管箱上，便於製造、操作和維修。
（3）盡可能使各程換熱管數目大致相等，以減小流體阻力。
（4）相鄰管程流體間溫度差不宜過大（不超過28℃），以避免產生過大熱應力。
分程隔板布置方式
2、殼程分程
殼程分程的形式：e型、f型、g型、h型
3、換熱管的排列方式
（1）我國管殼式換熱器標準規定採用無縫鋼管作為換熱管，主要規格有（外徑×壁厚）：φ19×2.0；φ25×2.5；φ38×3.0；φ57×3.5；
（2）換熱管長度可根據工藝計算確定，當應考慮管材的合理使用。我國軋制管材長度一般為6m，為避免材料浪費，國內推薦換熱管長度系列為：1.
5m、2.0m、3.0m、6.
0m。（3）換熱管排列方式考慮原則：使換熱管在換熱器橫截面上均勻而緊湊地分布，同時應考慮流體的性質及結構設計等方面的問題，如管束是否分程、是否有縱向隔板等。
（4）管子在管板上要保證一定的管間距
管子和管板焊接時：p=1.25d0
管子和管板脹接時：p≥1.25d0
4、管板的結構
高溫高壓換熱器中的薄管板
薄管板的結構型式
橢圓形管板
雙管板結構
5、管子和管板的連線
要求：換熱管和管板連線處不被拉脫
換熱管和管板連線處不發生介質洩漏
（1）脹接
優點：操作方便
缺點：脹接依靠管孔收縮昌盛的殘餘應力，這一應力會隨著溫度上公升而減小，所以脹接溫度和壓力受到一定的限制（p≤4mpa，t≤350℃）
（2）焊接
優點：脹連線強度和抗拉強度好
缺點：①管子和管板焊接後存在殘餘應力，執行中可能產生應力腐蝕或疲勞破壞。
②管子和管板間的間隙會產生間隙腐蝕
（3）脹焊並用
①強度脹加密封焊：脹接承受拉脫力，焊接保證密封效能
②強度焊加貼脹：焊接承受拉脫力，貼脹消除管子與管孔間的縫隙
操作順序：先焊後脹
注意：先焊後脹可能在脹接時出現焊縫開裂，所以脹接時要仔細控制操；距離焊縫15mm內通常不脹，以免損壞焊縫
6、管板與殼體的連線
1 兼作法蘭的管板
2 不兼作法蘭的管板
3 管板的可拆式連線結構
7、折流板和折流杆
1 折流板結構
2 折流板連線結構
3 殼程流體分布圖
4 折流杆結構示意圖
8、膨脹節的設計（補充）
設定膨脹節的作用：
（1）膨脹節是撓性構件，其軸向柔度大，在不大的軸向力作用下，可產生較大的軸向變形，可以有效地減小殼體和管子由於溫差產生的熱應力。
（2）防止管子與管板連線處不被拉脫
溫差產生的軸向力：
設殼體和管子安裝溫度為θ0，殼體和管子操作溫度分別為θs和θt，則管子和殼體的自由伸長量為：
δt=αt（θt-θ0）l
δs=αs（θs-θ0）l
設θt>θs
δe=δt-δs=[αt（θt-θ0）-αs（θs-θ0）] l
由於管子和殼體剛性連線在一起，管子和殼體的實際伸長量相等，所以，管子和殼體間會產生變形協調，管子中會產生壓應力，殼體中會產生拉應力，顯然，管子和殼體所受到的軸向力大小相同，稱為溫差軸向力（f1）
設殼體的拉伸及管子的壓縮變形均在彈性範圍內，則：
其中：δe=δt-δs=[αt（θt-θ0）-αs（θs-θ0）] l
介質壓力產生的軸向力：
由介質壓力引起的總的軸向力：
殼體所受的軸向力為f2，管子所受的軸向力為f3
由靜力平衡條件得：f2+ f3=q
應力評定：
（1）管子和殼體的軸向應力校核
（2）管子和管板連線處的拉脫力校核
管子和管板連線處的拉脫力
其中：a----單根換熱管的橫截面積
l----管子與管板的脹接深度
（3）管子軸向穩定性校核
要求：σt<[σ]cr
管子和殼體的軸向應力、管子和管板連線處的拉、管子軸向穩定性均應滿足強度要求，其中只要有一項條件不能滿足要求，就必須設定膨脹節。
9、u形膨脹節的設計計算（補充）
（1）膨脹節的軸向剛度----在保證膨脹節處於完全彈性條件下，膨脹節產生單位軸向位移（即膨脹節的單位補償量）所需要的軸向力。
k=fex/δex
由美國膨脹節製造商協會（ejma）的經驗公式：
膨脹節承壓較大的時候，可採用多層膨脹節，多層膨脹節的層數一般為2~4層，每層厚度為0.5~1.5mm。
多層膨脹節的軸向剛度：
（2）膨脹節的補償量
為保證膨脹節在完全彈性條件下安全工作，膨脹節的補償量是有一定限度的，可以從手冊上查到不同材料製作的、具有標準尺寸的單波捧場節的允許補償量[△l]
換熱器工作時需要的膨脹節的熱補償量為：
△lc= [αt（θt-θ0）-αs（θs-θ0）] l
如果△lc〈[△l]，則需要乙個單波膨脹節
如果△lc〉[△l]，則需要兩個或更多的單波膨脹節
（3） 膨脹節的應力計算及校核
a、內壓引起的周向薄膜應力σ1
b、內壓引起的經向薄膜應力σ2
c、內壓引起的經向彎曲應力σ3
d、軸向力引起的經向薄膜應力σ4
e、軸向力引起的經向彎曲應力σ5
（4）應力評定：
薄膜應力：σ1≤[σ]t
2≤[σ]t
彎曲應力：σ2+σ3≤1.5σst
經向計算應力：σr=（0.7σp+σd）
其中：σp=σ2+σ3
d=σ4+σ5
三、 管板設計
要求：了解管板的基本假設和受力分析；了解固定管板式換熱器管板的計算方法和計算步驟；
1、基本考慮
（1）管束對管板的支承作用
（2）管孔對管板的削弱作用
（3）管板外緣的固定型式
2、管板強度的計算原則
（1）把管板當作周邊支承、承受均布載荷作用的實心圓平板，應用平板理論得到園平板最大彎曲應力，加入修正係數考慮管孔的削弱作用。
這種設計方法對管板作了很大程度的簡化，是一種半徑驗公式，應用較少。
（2）把管板當作承受管束支承的固定圓平板，管板厚度取決於無管子支承區域的管板面積。
這種方法適用於各種薄管板的強度校核及厚度計算。
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