管壳式换热器的机械设计

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2020/3/6,上一内容,下一内容,回主目录,返回,2024/11/24,第七章 管壳式换热器的机械设计,7.1,概述,7.2,管子的选用及其与管板的联接,7.3,管板结构,7.5,温差应力,7.6,管箱与壳程接管,7.4,折流板、支撑板、旁路挡板及拦,液板的作用与结构,7.7,管壳式换热器的机械设计举例,2024/11/24,第七章 管壳式换热器的机械设计,本章重点,：,固定管板式换热器的基本结构及其机,械设计,本章难点,：,管、壳的分程及隔板,计划学时,：,8,学时,2024/11/24,7.1,概 述,换热器,是用来完成各种不同传热过程的设备。,换热器质量好坏的衡量标准：,1,）先进性,传热效率高，流体阻力小，材料省；,2,）合理性,可制造加工，成本可接受；,3,）可靠性,强度满足工艺条件。,根据不同的目的，换热器可以分为：,1,、冷却器（,cooler,）,1,）用空气作介质,空冷器（,aircooler,）,2,）用氨、盐水、氟里昂等冷却到,0,20,保冷器（,deepcooler,）,2024/11/24,7.1,概 述,2,、冷凝器（,condenser,）,1,）分离器,2,）全凝器,3,、加热器（一般不发生相变）（,heater,）,1,）预热器（,preheater,）,粘度大的液体，喷雾,状不好，预热使其粘度下降；,2,）过热器（,superheater,）,加热至饱和温度以,上。,4,蒸发器,(etaporater,),发生相变,5,再沸器（,reboiler,）,6,废热锅炉（,waste heat boiler,）,2024/11/24,7.1,概 述,7.1.1,管壳式换热器的结构及其主要零部件,2024/11/24,7.1,概 述,7.1.2,管壳式换热器的分类,1,、固定管板式换热器,优点：,结构简单、紧凑、布管多，管内便于清洗，更换、造价低，应用广泛。管坏时易堵漏。,缺点：,不易清洗壳程，一般管壳壁温差大于,50,，设置膨胀节。,2024/11/24,7.1,概 述,适用场合：,适用于壳程介质清洁，不易结垢，管程需清洗以及温差不大或温差虽大但是壳程压力不大的场合。,2024/11/24,7.1,概 述,2,、浮头式换热器,优点：,管束可以抽出，便于清洗；,缺点：,换热器结构较复杂，金属耗量较大。,适用场合：,适用于介质易结垢的场合。,2024/11/24,7.1,概 述,3,、填料函式换热器,优点：,造价比浮头式低，检修、清洗容易，填料函处泄漏能及时发现；,缺点：,壳程内介质由外漏的可能，壳程中不宜处理易挥发、易燃、易爆、有毒的介质。,适用场合,：适用于低压小直径场合。,2024/11/24,7.1,概 述,4,、,U,型管式换热器,优点：,结构简单，造价低，壳程可清洗，一个管,板，管子可自由伸缩，无温差应力；,缺点：,管程不能清洗，管板上布管少，结构不紧,凑，管子坏时不易修补。,适用场合：,适用于管、壳壁温差较大的场合，尤,其是管内介质清洁不易结垢的高温、高压、腐蚀性较强的场合。,2024/11/24,7.1,概 述,7.1.3,管壳式换热器机械设计内容,管壳式换热器的设计：,1,、根据化工生产工艺条件的要求，通过化工工艺计算，确定换热器的传热面积，同时选择管径、管长，决定管数、管程数和壳程数；,2,、进行机械设计。内容有：,1,）壳体直径的决定和壳体厚度的计算；,2,）换热器封头选择，压力容器法兰选择；,3,）管板尺寸确定；,4,）折流板的选择与计算；,5,）管子拉脱力的计算；,6,）温差应力计算。,2024/11/24,7.2,管子的选用及其与管板的连接,7.2.1,管子的选用,1,、直径,小直径管子单位传热面积的金属消耗量小，传热系数稍高，但容易结垢，不易清洗，用于较清洁的流体；大直径管子用于粘性大或污浊的流体。,2,、规格,常采用无缝钢管规格（外径,壁厚），长度按规定选用（,1500mm,、,2000mm,、,2500mm,、,3000mm,、,4500mm,、,5000mm,、,6000mm,、,7500mm,、,9000mm,、,12000mm,）。其长度与公称直径之比，一般为,4,25,，常用的为,6,10,，立式换热器多为,4,6,。,2024/11/24,7.2,管子的选用及其与管板的连接,3,、结构型式,多用光管，因为结构简单，制造容易；为强化传热，也采用异型管、翅片管、螺纹管等。,2024/11/24,7.2,管子的选用及其与管板的连接,4,、材料,根据压力、温度、介质的腐蚀性能决定。主要有碳素钢、合金钢、铜、钛、塑料、石墨等。,7.2.2,管子与管板的连接,1,、胀接,1,）过程：,最普通的是利用胀管器挤压伸入管板孔中的管子端部，使管端发生塑性变形，管板孔同时产生弹性变形，取去胀管器后，管板与管子产生一定的挤压力，贴在一起达到密封紧固连接的目的。,2,）适用范围：,换热管为碳素钢，管板为碳素钢或低合金钢，设计压力,4Mpa,，设计温度,300,，且无特殊要求的场合。外径,d,14mm,，不适合胀接。,2024/11/24,7.2,管子的选用及其与管板的连接,2024/11/24,7.2,管子的选用及其与管板的连接,3,）要求管板硬度大于管子硬度，否则将管端退火后再胀接。,胀接时管板上的孔可以是光孔，也可开槽。,2024/11/24,7.2,管子的选用及其与管板的连接,2,、焊接,优点：,在高温高压条件下，焊接连接能保持连接的紧密性，管板加工要求可降低，节省孔的加工工时，工艺较胀接简单，压力较低时可使用较薄的管板。,缺点：,在焊接接头处产生的热应力可能造成应力腐蚀开裂和疲劳破裂，同时管子、管板间存在间隙，易出现间隙腐蚀。,2024/11/24,7.2,管子的选用及其与管板的连接,结构：,主要有,4,种,2024/11/24,7.2,管子的选用及其与管板的连接,3,、胀焊并用,前面我们讲了胀接、焊接后，会发现它们各自有优、缺点，因而目前广泛应用了胀焊并用的方法，这种方法能提高连接处的抗疲劳性能，消除应力腐蚀和间隙腐蚀，提高使用寿命。,胀焊并用连接形式主要有：,1,）先焊后胀：,强度焊贴胀,高温高压换热器中大多用厚壁管，胀接时要使用润滑油，进入接头后缝隙中会在焊接时生成气体，恶化焊缝质量，只要胀接过程控制得当，先焊后胀可避免这一弊病。,2024/11/24,7.2,管子的选用及其与管板的连接,2,）先胀后焊：,强度胀密封焊,适用于管子与管板材料焊接性能较差的材料，胀接时不用润滑油，可防止产生焊接裂纹。,2024/11/24,7.3,管板结构,7.3.1,换热管排列方式,1,正三角形和转角正三角形排列,三角形排列紧凑，传热效果好，同一板上管子比正方形多排,10%,左右，同一体积传热面积更大。适用于壳程介质污垢少，且不需要进行机械清洗的场合。,2024/11/24,7.3,管板结构,正方形和转角正方形排列，管间小桥形成一条直线通道，便于机械清洗。要经常清洗管子外表面上的污垢时，多用正方形排列或转角正方形排列。,2,、正方形和转角正方形排列,2024/11/24,7.3,管板结构,3,组合排列法,多程换热器中。,7.3.2,管间距,：,管间距,指两相邻换热管中心的距离。其值的确定需要考虑以下几个因素：,管板强度；,清洗管子外表面时所需要的空隙；,换热管在管板上的固定方法。,一般,要求管间距,1.25d,0,，还应符合规定：,2024/11/24,7.3,管板结构,最外层管壁与壳壁之间的最小距离为,10mm,，主要是为折流板易于加工，不易损坏。,7.3.3,换热器管板强度计算的理论依据简介,1,、影响固定管板应力大小的因素,管板自身的直径、厚度、材料强度和使用温度等；,管束对管板的支撑作用；,管孔对管板强度和刚度的影响；,管板周边支撑形式的影响；,温度对管板的影响；,其他因素。,2024/11/24,7.3,管板结构,2,、管板厚度的设计方法,1,）实心园平板模型,将管板当作受均布载荷的实心园板，以按弹性理论得到的圆平板最大弯曲应力为主要依据，并加以适当的修正系数来考虑管板开孔削弱和管束的实际支承作用，由此得到管板厚度的计算公式，偏于安全。,2,）弹性基础模型,将管束当作弹性支承，而管板则作为放置于这弹性基础上的圆板，然后根据载荷大小、管束的刚度及周边支承情况来确定管板的弯曲应力。由于它较全面地考虑了管束的支承和温差的影响，因而较精确，但计算公式较多，计算过程繁琐，,GB151-1999,采用的就是此法。,2024/11/24,7.3,管板结构,3,）菱形面积法,取管板上相邻四根管子之间的菱形面积，按弹性理论求此面积在均布压力作用下的最大弯曲应力。由于此方法与管板实际受载情况相差较大，所以尽用于粗略估算。,7.3.4,管程的分程及管板与隔板的连接,1,、分程原因,当换热器所需的换热面积较大，而管子做得太长时，就得增大壳体直径，排列较多的管子。此时，为了增加管程流速，提高传热效果，须将管束分程，使流体依次流过各程管子。,2024/11/24,7.3,管板结构,2,、分程原则,各程换热管数应大致相等；,相邻程间平均壁温差一般不应超过,28,；,各程间的密封长度应最短；,分程隔板的形状应简单。,3,、分程隔板,分为单层和双层两种。双层隔板具有隔热空间，可防止热流短路。,2024/11/24,7.3,管板结构,7.3.4,管板与壳体的连接结构,1,、不可拆的焊接式（应用于固定管板式换热器管板与壳体的连接）,（,图,7-21,）兼做法兰,；（图,7-22,）不兼做法兰,2024/11/24,7.3,管板结构,2024/11/24,7.3,管板结构,2,、可拆式,浮头式、,U,型管式及填料函式换热器固定端管板与壳体的连接（图,7-23,）,2024/11/24,7.4,折流板、支撑板、旁路挡板及拦液板的作用于结构,7.4.1,折流板及支承板,1,、作用,提高壳程内流体的流速；,加强湍流强度；,提高传热效率；,支撑换热管。,（当工艺上无折流板要求而管子较细长时，应考虑有一定数量的支承板，以便安装和防止管子变形；支撑板的尺寸、形状可与折流板相同。）,2,、结构,折流板和支撑板的常用形式有,弓形、圆盘圆环形和带扇形切口,三种。,2024/11/24,7.4,折流板、支撑板、旁路挡板及拦液板的作用于结构,3,、尺寸,厚度与壳体直径和折流板间距有关；折流板最小厚度按,表,7,6,选取。,弓形折流板间距：最小间距,max0.2Di,，,50mm,最大间距：按,表,7,7,规定选取，且,Di,。,间隙：折流板外径与壳体之间的间隙要适当，因为过小给安装带来困难，过大又影响传效率，详见,表,7,8,。,2024/11/24,7.4,折流板、支撑板、旁路挡板及拦液板的作用于结构,2024/11/24,7.4,折流板、支撑板、旁路挡板及拦液板的作用于结构,2024/11/24,7.4,折流板、支撑板、旁路挡板及拦液板的作用于结构,2024/11/24,7.4,折流板、支撑板、旁路挡板及拦液板的作用于结构,4,、折流板的固定,1,）拉杆定距管结构（适用于换热管外径,19mm,的管束）折流板和支承板的固定是通过拉杆和定距管来实现的，如图,7,27,。,2024/11/24,7.4,折流板、支撑板、旁路挡板及拦液板的作用于结构,2,）拉杆点焊结构，适用于换热管外径,14mm,的管束。拉杆的数量不少于四根，直径不小于,10mm,。应尽量布置在管束的外边缘，对于大直径换热器，在布管区或靠近折流板缺口处也应布置适当数量的拉杆。,7.4.2,旁路挡板,1,、作用,阻止流体短路，迫使壳体流体通过管束进行热交换,2,、结构及安装,加工成规则的长条状，长度等于折流板或支承板的板间距，两端焊在折流板或支承板上。,2024/11/24,7.4,折流板、支撑板、旁路挡板及拦液板的作用于结构,2024/11/24,7.4,折流板、支撑板