管壳式换热器课件(同名1585)

壳程结构壳程结构1、防冲挡板和导流筒、防冲挡板和导流筒2、折流板、折流板折流板的布置原则折流板的布置原则1、折流板一般应等距布置，尽量靠近壳程进出、折流板一般应等距布置，尽量靠近壳程进出口接管。口接管。2、折流板最小间距应不小于壳体内直径的、折流板最小间距应不小于壳体内直径的1/5，且不小于且不小于50mm，最大间距应不大于壳体内直径。最大间距应不大于壳体内直径。3、折流板管孔与换热管间隙、折流板与壳体内折流板管孔与换热管间隙、折流板与壳体内壁间隙不能太大或太小。壁间隙不能太大或太小。4、弓形折流板缺口弦高一般取（、弓形折流板缺口弦高一般取（0.200.45）Di，通常取通常取0.25Di。5、支持板形状与尺寸、支持板形状与尺寸 按折流板设计。按折流板设计。折流板的安装折流板的安装d14mm时时折流杆折流杆F3、壳壳程程流流路路DN500mm时，设一对旁路挡板。时，设一对旁路挡板。DN=500mm1000时，设两对旁路挡板。时，设两对旁路挡板。DN1000mm时，设三对旁路挡板。时，设三对旁路挡板。4、防短路结构、防短路结构每隔每隔34排换热管设置一根挡管，排换热管设置一根挡管，折流板缺口处不设挡管。折流板缺口处不设挡管。管中间挡板一般与折流板点焊固定，中间挡板一般与折流板点焊固定，其数量不宜多于其数量不宜多于4块。块。DN500mm时，设一块挡板。时，设一块挡板。DN=500mm1000时，设两块挡板。时，设两块挡板。DN1000mm时，设不少于三块挡板。时，设不少于三块挡板。对分流对分流双分流双分流壳程分程壳程分程6.2.3管板设计管板设计GB151管壳式换热器管壳式换热器1、影响管板强度、影响管板强度计算的因素计算的因素（1）管束对管）管束对管板的约束作用板的约束作用（2）管孔对管板）管孔对管板的削弱作用的削弱作用（3）管板周边不布管区）管板周边不布管区对管板应力的影响对管板应力的影响（4）管板边缘的支承）管板边缘的支承形式和连接结构形式和连接结构（5）法兰力距对）法兰力距对管板应力的影响管板应力的影响（1）把把管管板板当当作作周周边边支支承承、承承受受均均布布载载荷荷作作用用的的实实心心圆圆平平板板，应应用用平平板板理理论论得得到到圆圆平平板板最最大大弯弯曲曲应应力力，加加入入修修正正系系数数考考虑虑管管孔孔的的削弱作用。削弱作用。这这种种设设计计方方法法对对管管板板作作了了很很大大程程度度的的简简化化，是一种半径验公式，美国是一种半径验公式，美国TEMA标准。标准。2、管板强度计算的基本假设、管板强度计算的基本假设（2）把管板当作承受管束支承的固定圆平）把管板当作承受管束支承的固定圆平板，管板厚度取决于无管子支承区域的管板板，管板厚度取决于无管子支承区域的管板面积。面积。这种方法适用于各种薄管板的强度校核及厚这种方法适用于各种薄管板的强度校核及厚度计算。度计算。（3）把管板视为在广义弹性基础上承受均布）把管板视为在广义弹性基础上承受均布载荷作用的多孔圆平板，即把实际的管板简化载荷作用的多孔圆平板，即把实际的管板简化为受到规则排列的管孔削弱、同时又被管子加为受到规则排列的管孔削弱、同时又被管子加强的等效弹性基础上的均质等效圆平板。根据强的等效弹性基础上的均质等效圆平板。根据载荷大小、管束刚度和周边支承情况来确定管载荷大小、管束刚度和周边支承情况来确定管板的弯曲应力。板的弯曲应力。目前我国换热器计算采用第三种方法。目前我国换热器计算采用第三种方法。3、管管板板受受力力分分析析管板危险截面管板危险截面环形不环形不布管区布管区外缘外缘环形不环形不布管区布管区内缘内缘圆形布管区圆形布管区最大径向弯最大径向弯矩处矩处危险工况组合危险工况组合Pt 0，PS=0，t=0max1.5tPS0，Pt=0，t 0Smax3SmPS0，Pt=0，t=0max1.5tPt 0，PS=0，t 0Smax3Sm增加管板厚度增加管板厚度降低壳体轴向刚度降低壳体轴向刚度4、管板应力的调整、管板应力的调整5、薄管板设计、薄管板设计查表查表6-4确定或按确定或按JB/T6917制冷装置制冷装置用压力容器用压力容器6.2.4膨胀节设计膨胀节设计 设置膨胀节的作用：设置膨胀节的作用：（1）膨膨胀胀节节是是挠挠性性构构件件，其其轴轴向向柔柔度度大大，在在不不大大的的轴轴向向力力作作用用下下，可可产产生生较较大大的的轴轴向向变变形形，可可以以有有效效地地减减小小壳壳体体和和换换热热管管由由于于温温差差产产生生的的热热应应力力及及换换热热管管与与壳壳体上的轴向应力。体上的轴向应力。（2）防止管子与管板连接处被拉脱。）防止管子与管板连接处被拉脱。膨胀节的形式膨胀节的形式判断是否需要设置膨胀节判断是否需要设置膨胀节膨胀节的尺寸设计膨胀节的尺寸设计膨胀节的应力计算和强度校核膨胀节的应力计算和强度校核GB16749压力容器波形膨胀节压力容器波形膨胀节膨胀节的计算膨胀节的计算6.2.5管束的振动和防振管束的振动和防振纵向流诱振纵向流诱振横向流诱振横向流诱振振动产生的不利后果振动产生的不利后果机械机械失效失效噪音噪音管子与管板连接管子与管板连接处发生泄漏处发生泄漏管子发生严重弯曲；交变应力导致管子发管子发生严重弯曲；交变应力导致管子发生疲劳破坏；换热管的摩擦和碰撞；管子生疲劳破坏；换热管的摩擦和碰撞；管子通过折流板处的自锯作用；壳程流体压力通过折流板处的自锯作用；壳程流体压力将增大；将增大；产生强烈的噪音产生强烈的噪音（通常大于（通常大于150分贝）分贝）卡曼涡街卡曼涡街流体弹性激振流体弹性激振流体弹性流体弹性激振的特点激振的特点自激性自激性（1）壳壳程程流流体体的的流流速速达达到到或或超超过过临临界界流流速速（2）有有其其它它的的激激振机理存在振机理存在流体弹性激振的条件流体弹性激振的条件湍流颤振湍流颤振湍流颤振主频率与换热管自振频率湍流颤振主频率与换热管自振频率相等时会引起换热管共振相等时会引起换热管共振声振动声振动 关于声振动关于声振动应注意的几点应注意的几点（1）由于声振强度随壳）由于声振强度随壳程流体流速的增大而增程流体流速的增大而增大，但达到共振点以后，大，但达到共振点以后，会随壳程流体流速的增会随壳程流体流速的增大而减小，所以声振强大而减小，所以声振强度不会无限制地增大度不会无限制地增大。（2）壳程流体的物理性）壳程流体的物理性质决定声速，壳程流体质决定声速，壳程流体为液体时，由于声音在为液体时，由于声音在液体中传播速度很高，液体中传播速度很高，很少会发生声振动。很少会发生声振动。（3）声声振振动动在在顺顺排排管管中中比比在在错错排排管管中中更更容容易易发发生生，在在转转角角正正方方形形排排列列的管束中最容易发生的管束中最容易发生。射流转换射流转换节径比节径比1.5横流速度较低时横流速度较低时卡曼涡街卡曼涡街声振动声振动横流速度较高时横流速度较高时流体弹性激振流体弹性激振横流速度很高时横流速度很高时射流转换射流转换（1）改变流速）改变流速（流量（流量，管间距，管间距）。（2）改变管子固有频率。）改变管子固有频率。减小跨距。减小跨距。管子间插入杆状物或板条。管子间插入杆状物或板条。增大管子的强度和刚度（如增大壁厚）。增大管子的强度和刚度（如增大壁厚）。增增大大管管子子支支承承的的强强度度和和刚刚度度（如如增增大大折折流流板板的的厚厚 度、采用折流杆等）。度、采用折流杆等）。（3）增设消声板。）增设消声板。（4）抑制周期性旋涡。）抑制周期性旋涡。（5）设置防冲板或导流筒。）设置防冲板或导流筒。防振措施防振措施2.2.管子固有频率管子固有频率 3.防振措施防振措施6.2.6 6.2.6 6.2.6 6.2.6 设计方法和工艺计算设计方法和工艺计算设计方法和工艺计算设计方法和工艺计算 换热器设计的换热器设计的主要任务主要任务是参数选择和结构设计、传热计算是参数选择和结构设计、传热计算及压降计算等。及压降计算等。设计主要包括壳体型式、管程数、换热管类型、管长、管设计主要包括壳体型式、管程数、换热管类型、管长、管子排列、管子支承结构（如折流板结构等）、冷热流体的流动子排列、管子支承结构（如折流板结构等）、冷热流体的流动通道、工艺设计和封头、壳体、管板等零部件的结构、强度设通道、工艺设计和封头、壳体、管板等零部件的结构、强度设计计算。计计算。换热器的工器的工艺设计计算依据算依据设计任任务的不同可分的不同可分为设计计算算和校核和校核计算算两种，包括两种，包括计算算换热面面积和和选型两个方面。型两个方面。管壳式换热器管壳式换热器工艺设计计算步骤工艺设计计算步骤图图6-30传热方程式传热方程式Q=KAtm6-3 传热强化技术传热强化技术1、增大传热面积、增大传热面积新型换热器新型换热器小直径管小直径管翅片结构翅片结构强化传热的途径强化传热的途径2、加大平均温差、加大平均温差逆流换热逆流换热3、提高传热系数、提高传热系数选用导热系选用导热系数大的材料数大的材料扩展表面扩展表面管程分程管程分程防止结垢并防止结垢并及时除垢及时除垢主动强化主动强化（有源强化）（有源强化）被动强化被动强化（无源强化）（无源强化）螺旋螺旋槽管槽管槽管槽管传热强化举例传热强化举例螺旋翅螺旋翅片管片管翅片结构不适用于：翅片结构不适用于：l高表面张力的液体冷凝高表面张力的液体冷凝l含有大量固体颗粒的流体含有大量固体颗粒的流体l易结垢的流体易结垢的流体其它形状换热管其它形状换热管采用折流杆代替采用折流杆代替折流板折流板采用新型折采用新型折流板结构流板结构改变管子外形或改变管子外形或在管子外加翅片在管子外加翅片壳程分程壳程分程壳程强化传热壳程强化传热余热锅炉余热锅炉余热锅炉余热锅炉余热锅炉是利用工业生产中的余热来生产蒸余热锅炉是利用工业生产中的余热来生产蒸余热锅炉是利用工业生产中的余热来生产蒸余热锅炉是利用工业生产中的余热来生产蒸汽的一种换热设备。汽的一种换热设备。汽的一种换热设备。汽的一种换热设备。广泛应用于化工、石油、冶金等工业部门。广泛应用于化工、石油、冶金等工业部门。广泛应用于化工、石油、冶金等工业部门。广泛应用于化工、石油、冶金等工业部门。余热锅炉的作用余热锅炉的作用余热锅炉的作用余热锅炉的作用1.1.满足工艺生产的需要满足工艺生产的需要满足工艺生产的需要满足工艺生产的需要2.2.提高热能总利用率，节约一次能源消耗提高热能总利用率，节约一次能源消耗提高热能总利用率，节约一次能源消耗提高热能总利用率，节约一次能源消耗3.3.消除环境污染，减少公害消除环境污染，减少公害消除环境污染，减少公害消除环境污染，减少公害作用：作用：补充补充1：余热锅炉：余热锅炉什么是什么是什么是什么是锅炉锅炉锅炉锅炉？燃煤锅炉燃煤锅炉燃煤锅炉燃煤锅炉燃燃燃燃油锅炉油锅炉油锅炉油锅炉燃气锅炉燃气锅炉燃气锅炉燃气锅炉6.3.2 6.3.2 6.3.2 6.3.2 余热锅炉的基本特点余热锅炉的基本特点余热锅炉的基本特点余热锅炉的基本特点 与锅炉基本相似，通常与锅炉基本相似，通常由省热器、蒸发器和过热器等由省热器、蒸发器和过热器等部件组成。无燃烧装置。部件组成。无燃烧装置。1.结构形式多种多样结构形式多种多样2.热源广，介质多种多样，热源广，介质多种多样，3.有些主体设备与辅助设备分散安装在工艺流程的不同有些主体设备与辅助设备分散安装在工艺流程的不同位置。位置。4.操作不稳定受到余热源热负荷波动的影响。操作不稳定受到余热源热负荷波动的影响。5.有些水侧、气侧均处于高温、高压条件下。有些水侧、气侧均处于高温、高压条件下。6.3 余热锅炉余热锅炉 1.管壳式余热锅炉管壳式余热锅炉：由锅筒、管子及金属壳体组成。结：由锅筒、管子及金属壳体组成。结构紧凑、单位换热面积的金属消耗较少，适应的介质和构紧凑、单位换热面积的金属消耗较少，适应的介质和操作条件较广泛。操作条件较广泛。2.烟道式余热锅炉烟道式余热锅炉：与燃烧炉类似。在硫酸工业应用较：与燃烧炉类似。在硫酸工业应用较广。烟气的含尘量高，受热面磨损严重，腐蚀严重。广。烟气的含尘量高，受热面磨损严重，腐蚀严重。6.3.3 6.3.3 6.3.3 6.3.3 余热锅炉的余热锅炉的余热锅炉的余热锅炉的基本结构基本结构基本结构基本结构6.3 余热锅炉余热锅炉（1）壳体和管箱的壁厚计算）壳体和管箱的壁厚计算（2）换热管与管板连接处的结构设计）换热管与管板连接处的结构设计（3）壳体与管板连接结构设计）壳体与管板连接结构设计（4）管板厚度计算）管板厚度计算（5）折流板、支持板等零部件的结构设计）折流板、支持板等零部件的结构设计（6 换热管与壳体在介质压力和温差联合作用下的应力计算换热管与壳体在介质压力和温差联合作用下的应力计算（7）管子拉脱力和稳定性校核）管子拉脱力和稳定性校核（8）判判断断是是否否需需要要设设置置膨膨胀胀节节，如如果果需需要要，则则选选择择膨膨胀胀节节的的结结构构形形式式及及基基本本尺尺寸；寸；（9）膨胀节的应力计算及校核膨胀节的应力计算及校核（10）接管、法兰、支座等的选择；开孔补强设及计算等；）接管、法兰、支座等的选择；开孔补强设及计算等；（11）换热器的振动与防振）换热器的振动与防振 如果选用换热器，则应进行压力降、传热面积及温差应力校核等方面的计算。如果选用换热器，则应进行压力降、传热面积及温差应力校核等方面的计算。补充补充2：管壳式换热器的机械设计计算步骤：管壳式换热器的机械设计计算步骤 一一单单程程固固定定管管板板式式换换热热器器，设设计计压压力力为为0.9 MPa，壳壳体体直直径径Di=1000mm。操操作作时时管管壁壁温温度度为为300，壳壳壁壁温温度度为为250，250=110 MPa，300=101 MPa。换换热热管管采采用用252.5mm无无缝缝钢钢管管，长长度度L=3000mm，腐腐蚀蚀裕裕量量C2=3mm，要求换热面积为要求换热面积为151.5m2。（1）计算所需换热管根数计算所需换热管根数 （2）计算换热器壳体壁厚）计算换热器壳体壁厚 作业作业1、换热管与管板有哪几种连接方式？各有什么特点？、换热管与管板有哪几种连接方式？各有什么特点？2、换热管拉脱力产生的原因是什么？、换热管拉脱力产生的原因是什么？3、用增加壳体壁厚的方法来承受壳体中较大的温差应力可、用增加壳体壁厚的方法来承受壳体中较大的温差应力可行吗？为什么？行吗？为什么？4、折流杆和折流板相比有哪些优点？、折流杆和折流板相比有哪些优点？5、管程数不能太多，且为偶数程，为什么？、管程数不能太多，且为偶数程，为什么？6、现行管板设计基本假设主要有哪几种？我国换热器设计、现行管板设计基本假设主要有哪几种？我国换热器设计标准采用哪一种？标准采用哪一种？7、膨胀节壁厚增大，其轴向补偿能力也增大吗？为什么？、膨胀节壁厚增大，其轴向补偿能力也增大吗？为什么？8、简述流体弹性激振机理及条件。、简述流体弹性激振机理及条件。思考题思考题