青岛科技大学机电工程学院装控系 化工设备机械基础讲稿 第17章
在管壁和壳壁上的轴向应力分别为：
?t2?FF2 ?s2?3 AtAs? 在温差和流体压力共同作用下的应力评定
换热器在操作过程中受到流体压力和温差应力的联合作用，在管壁和壳壁上产生轴向应力，同时在管子与管板的连接处产生一拉脱力，使管子与管板有脱离的倾向。管壁和壳壁的轴向应力?t和?s应满足下列条件：
?t??t1??t2??s??s1??s2??F1?F2t?2???tAtF1?F3t?2????sAs 具有二次应力特性
管子与管板的拉脱力q：q??ta??d?l??q?
2式中： a——单根换热管横截面积 mm； l——管子与管板胀接长度 mm
为避免管子失稳，当?t?0时，??t?????cr
对于胀接结构：管端不翻边，管孔不开槽时， ?q??2.0MPa 管端翻边或管孔开槽时， ?q??4.0MPa 对于焊接结构， q?0.5???t
t（2）壳体壁厚的确定
壳体的壁厚是由环向薄膜应力决定的，按薄膜理论的应力计算公式即可求得。对于固定管板换热器由于有热应力的存在，所以按环向薄膜应力确定壁厚以后还应视情况校核其轴向应力。壳体的壁厚应不小于换热器壳体所规定的最小壁厚。
2、管箱
管箱是由封头、管箱短节、法兰连接、分程隔板等组成。增加短节的目的是保证管箱有必要的深度安放接管和改善流体分布。分程隔板厚度的计算及其与管板间的垫片密封结构应符合GB151的规定。
3、管束（tube bundle）
（1）换热管的尺寸规格
换热管是用于传热的主要元件，管子尺寸的大小对传热有很大影响，采用小直径管子时，单位体积的换热面积会大一些，管内传热系数得到提高，但制造麻烦、费用高，而且流体阻
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力大容易堵塞。
选取管子尺寸应符合国家的公称尺寸标准，U形管弯管段的弯曲半径应不小于两倍换热管外径。长度越长，单位传热面积材料消耗量越低，制造成本也就越低，同时因流通截面减少而提 高流速，K值增大。但其长度受到管程清洗、运输、拆装、管程压降及支座等因素的影响。一般长度限制在6m以下，以2.5m~4m最为常见。（针对各条讲述管长过大的弊端，尤其是对可拆结构需有足够大的空间） （2）换热管的排列方式（tube layout patterns）
有正三角形排列和正方形排列两种。在管间距和布管区均相同的条件下，三角形排列的布管数较多，而正方形排列的管束在相邻的两排管子之间具有一条直线通道，便于用机械方法清洗管间，三角形排列不具有这种直线通道，因而只适用于清洁的壳程介质。
不同的排列方式将会影响到对流传热系数的大小，采用正三角形排列会获得较高的对流传热系数，而正方形排列的对流传热系数最低。
图6 管子的四种排列方式
（3）管间距（Tube pitch）
管间距指的是相邻两根管子的中心距，减小管间距可提高对流传热系数，但受到管板强度和管子与管板连接工艺要求的限制，其管间距不得小于GB151-1999所规定的距离。
4、最大布管限定圆直径DL（the outer tube limit）
最大布管圆直径应在GB151所规定的限定圆直径范围内。
5、换热管与管板的连接
其连接形式有胀接、焊接、胀焊并用三种。
⑴ 胀接：管子与管板的连接靠的是管板孔收缩产生的残余应力而箍紧管子，因此它会随着温度的升高而降低，所以胀接连接的使用温度不大于300℃，设计压力不超过4MPa。当管板与换热管采用胀接时，管板的硬度应大于换热管的硬度以保证管子发生塑性变形时管板仅发生弹性变形，同时还需要考虑管板与换热管两种材料的线膨胀系数的差异大小。胀接时管孔应开胀接槽。
常用方法为机械滚胀法，此外还有爆破胀接发、液压胀管法、液袋胀管法等。（讲解机械滚胀法。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
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生胀接裂纹；内壁面产生加工硬化。
⑵ 焊接：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。优点为：① 管孔不需开槽，其表面粗糙度要求不高，管子端部不需退火和磨光，制造简便。② 强度高，抗拉脱力强，可保证气密性要求。缺点是管子更换困难，一般都堵死；焊接的残余应力和应力集中有可能带来应力腐蚀与疲劳破坏。
⑶ 胀焊并用：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其结构分为两种
① 强度胀加密封焊，对胀接的要求是承受管子拉脱力，同时保证连接处的密封，焊接仅起到辅助防漏的作用。
② 强度焊加贴胀，用焊接保证连接处的强度和密封，贴胀是为了消除换热管与管孔间的环隙，防止间隙腐蚀并增强抗疲劳破坏的能力。
6、管板与壳体及管箱的连接
（1）管板与壳体的连接：（按图7介绍各种结构）。
图7 管板与壳体及管箱的连接方式
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焊接结构：兼作法兰和不兼作法兰两种 不兼作法兰：注意焊接开坡口。
兼作法兰：筒体与管板的端面（凹槽或凸台）焊接。注意焊接开坡口和边缘应力。 法兰连接结构：固定管板式换热器中，兼作法兰的管板与管箱的连接基本采用法兰连接。而U形管式、浮头式、填料函式的管束通常为可拆结构，故管板与壳体、管箱一般采用法兰连接。
（2）管板与管箱的密封连接：浮头式及U形管式换热器采用夹持管板，管束可抽出。
7、波形膨胀节
（1）波形膨胀节的作用
在固定管板换热器中可消除或降低热应力。 （2）波形膨胀节的设置条件
需从管束与壳体轴向强度、稳定性及管板连接处的拉脱力三方面考虑。 （3）波形膨胀节的结构形式
形式较多，主要为U形。U形膨胀节每一个波的补偿能力与使用压力、膨胀节的材料及波高、波长等因素有关。增加波高，补偿能力加大但耐压性能降低。
有单层和多层。多层膨胀节壁薄层多，故弹性大，补偿能力强。
为了减小膨胀节处的流体阻力，可设导流筒，导流筒的一端迎着流体流动的方向焊接，另一端自由伸缩。卧式换热器的膨胀节应设排液口。 ? 膨胀节的轴向弹性刚度K
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K的含义是：在保持膨胀节处于完全弹性变形条件下，单位轴向位移所需要的轴向力。
K?F N
mm?L? 膨胀节的补偿量?ltc
?ltc???t??t??0???s??s??0??L
若?ltc???l?，用一个单波膨胀节补偿 ?ltc???l?，则需两个或更多的膨胀节。
8、 折流板（baffle）和支持板结构
（1）作用与结构形式
① 作用：折流板是为了提高壳程介质流速，强化传热；对于卧式换热器，还有支撑管束的作用。支持板是为了支撑管束，防止产生过大的挠度变形。 ② 结构形式：弓形和圆环形。
（2）外径尺寸 应符合GB151所规定的要求。
（3）间距 折流板间距过大会影响传热效果，支持板间距过大会使换热管产生过大的挠度，
其最大间距不得超过GB151的规定。
（4）固定 折流板和支持板是用拉杆固定的，拉杆应尽量均匀布置在管束的外边缘，拉杆的数量与筒体直径及拉杆直径有关。
9、其它结构
（1）防冲板与导流板
为防止壳程的接管进口处壳程流体对换热管直接冲刷，应设置壳程的防冲板与导流板。 （2）扩大管 壳程介质为蒸汽，可采用扩大管起缓冲作用。
（3）排液口与排气口 换热器壳程与管程的最高点设排气口，最低点应设排液口。 【思考题】
（1） 管壳式换热器根据其结构的不同，可以分为哪几类换热器？ （2） 管程数是指换热管的根数，一般为奇数。（×）
（3） 下列哪一种换热器在温差较大时可能需要设置温差补偿装置？（ ）
(a)填料函式换热器 (b)U形管式换热器 (c)浮头式换热器 （d）固定管板式换热器
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