化工设备机械基础（设备部分）教案

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强调管子发生塑性变形而管板发生弹性变形，故不能用于高温，其他方法一带而过，用制造方法回应适用范围）

机械滚胀法优点：耐反复热循环、抗热冲击及轴向力、更换修补容易、无缝有缝均适用、操作简单成本低。

机械滚胀法缺点：不易控制胀度；各管胀度不均匀；管板易变形；可胀性差的管子易产生胀接裂纹；内壁面产生加工硬化。 2．焊接

ⅰ 适用范围（按GB151要求）

范围：不适用于有较大震动及有间隙腐蚀的场合；管间距小无法胀接；热循环剧烈温度高；有特殊要求和腐蚀危险的地方；维修受限制的地方；要求接头严密不漏的地方；管板过薄无法胀接时。 优点：不需开槽加工简便；焊接结构强度高、抗拉能力强；管子管板材料性能要求不高。 ⅱ 焊接方法

焊接节点形式如图4-27、4-28所示。（我国标准推荐4-27） 简单介绍其他焊接方法 3．胀焊并用 ⅰ 适用范围

密封性要求高的场合；承受振动或疲劳载荷的场合；有间隙腐蚀的场合；采用复合管板的场合 ⅱ 连接方法

强度胀+密封焊；贴胀+强度焊；对密封要求较高时可用强度胀+贴胀+密封焊；强度焊+强度胀+贴胀 ⅲ 连接次序

一般先焊后胀（说明原因，先胀后焊将影响焊接质量。要求学生了解原因来记住次序）

第三节 折流板与支持板

一、折流板

在壳程设置折流板目的：为了延长壳程介质的流道长度，增加管间流速，增加湍流程度，达到提高换热器的传热效果的目的。 1． 折流板形式

常见的为弓形和圆盘-圆环形两种，以弓形最为常用，此外还有矩形、螺旋形等。

（1）弓形：分为单弓和多弓，如图4-33所示。多弓用于壳体直径较大，须减少流体阻力，避免形成死区的情形。缺口高度为0.2-0.45倍的圆筒内直径，保证流体通过缺口时与横过管束时的流速相近。（强调折流板结构设计时应开缺口，以保证气体放空、液体放净）

（2）圆盘-圆环形及矩形：用于大直径筒体，减少流体阻力，避免形成死区。如图4-35所示。 （3）螺旋形：用于壳程流体含有固体颗粒的场合，如图4-37所示。壳程流体在折流板间螺旋形流动，固体颗粒不易沉淀，利于传热。 2．折流板尺寸

（1）厚度：其值取决于它所支撑的重量，即与壳体直径和板间距相关。最小厚度由筒体公称直径和换热管无支撑跨距按表4-13选取。一般不做强度计算，折流板过厚造成总重增加，材料浪费。

（2）管孔：其大小对传热性能、机械性能和加工制造都有影响。管孔大则因间隙大而降低传热效果，换热管易震动。

（3）间隙：指折流板外径与壳体内径之间的间隙。间隙小则装配困难，间隙大又影响传热，折流板自身强度降低，但加工方便，穿管方便。故管孔应综合考虑，GB151给出具体尺寸。 缺口高度：0.2-0.45倍的圆筒内直径

（4）间距：折流板间距应根据壳程介质的流量、粘度确定。一般折流板应在换热管的有效长度上

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等间距布置。间距过大或过小均不好，一般最小不得小于Di/5，最大不得大于Di 二、支持板

目的：是支撑（换热管）、防止其产生过大的振动和挠度。

支持板的厚度、管孔、外径等尺寸等要求与折流板一致。但对最大无支撑跨距有要求。支持板与折流板外形一样，支持板也起折流板作用，折流板也起支持板作用只是设置的原始目的不同而已。 三、折流杆

一种新型结构，尚在研发中。与折流板相比阻力降小，无传热死区，换热管不易振动，固定效果好，加工不易。无成型结构。（按图4-40简单介绍）

第四节 冷凝器结构

冷凝器是换热器的一种，但因在传热过程中发生相变，故传热效果与结构有较大的关系，因此单独介绍一些应注意的地方。

一、冷凝器介质流程的选择（被冷凝介质一般指水蒸汽、也可为其他可冷凝的气体如冷凝液 氨等）

一般要求冷凝蒸汽走壳程，冷凝介质走管程。这样可提高传热系数。（一般壳程传热系数小与管程传热系数，让壳程发生相变可大大提高壳程传热系数）在下列特殊情况下可以让蒸汽走管程： 冷凝蒸汽压力高或腐蚀性很强。

因为管子的承压能力强；腐蚀性介质走管程可避免壳程筒体采用耐腐蚀材料，降低冷凝器的成本。 冷凝介质粘度大或流量小

此时让冷凝介质走壳程可提高滞动程度，增大雷诺数以提高传热系数。 要求冷凝介质压降小

因对相同介质，通常壳程流阻小于管程流阻，故对冷凝介质压降有特殊要求时可让冷凝介质走壳程。 冷凝器形式的确定

立式和卧式放置对一般换热器影响不大，但对冷凝器来讲却不一样。因为如果冷凝液膜在换热管表面积累变厚，将对传热效果有较大的影响，为防止此种情况故一般采用卧式结构。在下列特殊情况可考虑采用立式冷凝器。

1、冷凝液需过冷

对被冷凝成液体的介质需进一步降低温度可采用立式。也保证换热器内存在一定的液位 高度，可达到目的。 2、普朗特准数Pr高的介质

即冷凝负荷大时，在厚液膜上形成滞流，有较高的传热系数。 3、冷凝蒸汽走管程

为使冷凝液膜能快速流走而不堆积需采用立式结构。 二、冷凝器设计中的其他问题 1、保证蒸汽流速

即防止随蒸汽冷凝，蒸汽量的减少而导致流速降低。目的是为了保证较高的雷诺数且 能排除不凝性气体。 2、排除不凝性气体

不凝性气体的存在对传热效果影响很大，故应在上部死角处设置排气口以排除不凝性 气体。

3、减薄冷凝液液膜厚度

减薄冷凝液液膜厚度可改进传热效果。对卧式冷凝器，如前所述可将管束偏转安装。 对立式冷凝器可如图4-41所示设置泄液管罩或当液板。

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4、冷凝液的排出

一般冷凝液的堆积会降低传热效率并可能会形成腐蚀，应尽快排出，在排除过程中要 注意防止带走蒸汽（图4-42 a、b结构）和排净（图4-42 c结构）

第五节 管箱及其它结构

一、管箱

管箱按其结构可分为固定端管箱、滑动管箱、浮头管箱。 1．固定端管箱

主要用于固定管板式换热器及U形管式换热器。（填料函式、浮头式换热器物料进口也为固定端管箱） 组成：容器法兰、圆筒短节、封头、及进出口的接管与法兰组成．有时还设有放空口、放净口、仪表接口、分程隔板等。

安图4-43讲述几种常见固定管箱结构 2．滑动管箱

主要指用于填料函式换热器滑动端的管箱。分为外填料函浮头式、单填料函滑动管板式和 双填料函滑动管板式三种。 （1）外填料函浮头式：如图4-44所示。填料函在管板外，填料箱在壳体法兰内。用于压力小于2.5MPa的换热器。（整个管箱滑动）

（2）单填料函滑动管板式：如图4-45所示。在管板上焊一短节，将填料函设在壳体法兰内，填料填在短节和填料函之间，用管箱法兰兼作填料压盖。（仅管板滑动）

（3）双填料函滑动管板式：如图4-46所示。该结构具有双重填料，内圈填料主要用密封管、壳程的压差密封，外圈填料主要起保险作用，一旦内圈填料有泄漏，外圈填料则能阻止漏出的介质扩散到空间，并能由接管收集漏出的介质，一般用于介质为易燃、易爆、有毒性介质等场合。（仅管板滑动） 3．浮头管箱

浮头管箱指浮头式换热器浮头端管箱。按图4-47所示介绍管箱结构，如何拆装。 4．高压管箱

对高压换热器，一般高压介质均走管程，高压管箱既要承受高压，又要防止泄露，选择合理的管箱结构对降低制造成本，便于拆装及安全性等均有重大意义。

注意事项：尽量减小管箱内径；尽量用锻件；尽量少用法兰结构；尽量采用简单结构；选择合理的物流流向。（与图4-48对应介绍） 5．分程隔板

设计要求：承受脉动流体或隔板两侧压差很大时，隔板的厚度应适当增厚，或改变隔板结构；大直径换热器隔板设计成双层结构；分程隔板上可设排净孔；厚度大于10mm的分程隔板，密封面处应削边至10mm。（强调：分程隔板端面属于密封面，在与管箱整体焊后进行精加工） 二、其它结构 1. 拉杆与定距管

安装拉杆与定距管的目的是为了固定折流板或支持板，使两板保持一固定的距离。 （1）拉杆形式：

螺纹连接：拉杆与管板采用螺纹连接，折流板靠定距管固定间距，适用于外经大于等于19 mm的管束。 焊接连接：拉杆与管板、折流板均采用焊接，适用于外经小于等于14 mm的管束。 （2）拉杆的直径和数量：（由筒体公称直径和换热管直径确定）

由表4-24、4-25选取。拉杆公称直径不得小于10 mm，数量不得少于4根。 （3）拉杆的布置与尺寸：

拉杆应尽量均匀布置在管束的外边缘，以便于较好地固定折流板。对于大直径的换热器，在布管区

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内或靠近折流板缺口处应布置适量的拉杆，任何折流板应不少于三个支撑点。 2．防冲板和导流筒

（1）设置防冲板的条件：

管程轴向接管或管内流速大于3m/s时，管程设置防冲板；壳程进口管流体的ρν2超过一定值时，在壳程进口管处设置防冲板或导流筒；对有腐蚀或磨蚀的气体、蒸汽及气液混合物应设置防冲板。 （2）防冲板的设置：

防冲板外表面到圆筒内壁的距离，应不小于接管外径的1/4； 防冲板的直径或边长，应大于接管外径50 mm； 防冲板的最小厚度：碳钢4.5 mm，不锈钢3 mm；

防冲板可采用三种固定形式：焊在定距管或拉杆上；焊在圆筒上；螺栓固定。以焊在筒体较为常见，简介其常见形状。 （3）导流筒的设置：

当壳程进出口接管距管板较远，流体停滞区过大时，应设置导流筒，以减少流体停滞区，增加换热管的有效长度。分为内外导流筒两种形式。 3．滑道

滑道的结构有滑板、滚轮、滑条等形式。以滑板最为常见，对于可拆管束结构，必须设计滑道以便管束拆装。简介其结构

4．壳体内径的确定（仅为估算公式，且没考虑分程的影响）

首先根据换热管总数Nt确定换热管束中心管排的管数Nc： 对于正方形排列：

0.5

Nc=1.19Nt 对于正三角形排列：

0.5

Nc=1.10Nt 壳体内径Di:

Di=s(Nc-1)+d0+e Di也可以按下式估算： Di= s(Nc-1)+4d0 式中：

s-换热管中心距，m d0-外径，m

e-壳体内径与管束外径之差，一般在0.025-0.076m。

（简单介绍公式的意义）

第五章 管壳式换热器的强度设计

第一节 压力容器强度设计的基本概念

一、压力P——除注明外，压力均指表压力，单位用Mpa表示。

工作压力Pw——指在正常工作情况下，容器顶部可能达到的最高压力。 设计压力Pd——指设定的容器顶部的最高压力。它与设计温度一起作为设计载荷条件，其值不小于工作压力。一般在装有安全阀时，pd?(1.05~1.1)Pw，当无安全阀时，pd?(1.0~1.05)Pw

计算压力Pc——在相应设计温度下，用以确定元件厚度的压力，包括液柱的静压力。当元件所承受

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