管壳式换热器教案

第二章 换热设备【课时安排】1、概述 70分钟2、管壳式换热器基本类型 15分钟3、管壳式换热器基本结构 250分钟4、其它 115分钟 总计 450分钟【掌握内容】1、管壳式换热器的分类。2、管壳式换热器基本结构。3、固定管板式换热器的管板载荷及受力分析。4、固定管板的应力校核。5、管束的振动与防止。【熟悉内容】1、换热器的分类。【了解内容】1、各种换热器的特点及应用。【教学难点】1、管板的应力分析。2、管板的应力校核。【教学目标】1、掌握管壳式换热器相关基本概念和结构。2、能对重要结构进行辨析。3、能按规范设计换热设备。 2.1 概述【教学内容】一. 换热器的应用二. 换热器的分类及特点三. 换热器的选型【授课时间】70分钟【教学重点】基本概念的建立【教学难点】各种换热器的区别【教学目标】了解换热器的特点及应用【教学手段】课堂讲授，辅以设备挂图。1 / 4225【教学过程】2.1.1 换热设备的应用换热设备：使热量从热流体传递到冷流体的设备。化工厂：换热设备的投资约占总投资的10%20%；炼油厂：换热设备的投资约占总投资的35%40%。2.1.2换热器的分类及特点2.1.2.1按作用原理或传热方式分类一.直接接触式换热器（混合式换热器）利用冷、热流体直接接触与混合的作用进行热量的交换。如：冷却塔等。二.蓄热式换热器（回热式换热器）借助于固体构成的蓄热体与热流体和冷流体交替接触， 把热量从热流体传递给冷流体的换热器。两种流体有少量混合。如：回转式空气预热器等。三.间壁式换热器（表面式换热器）利用间壁（固体表面）将进行热交换的冷、热两种流体隔开互不接触。热量由热流体通过间壁传递给冷流体的换热器。如：管壳式换热器等。四.中间载热体式换热器把两个间壁式换热器由在其中循环的载热体连接起来的换热器。载热体在高温流体和低温流体之间循环。如：热管式换热器等。2.1.2.2间壁式换热器分类一.分类二.特点1.管式换热器通过管子壁面进行传热的换热器。优点：结构坚固、可靠性高、适应性广、易于制造，能承受较高的温度和压力。缺点：传热效率、结构紧凑性及金属的消耗量等均不如高效紧凑式换热器。2.板面式换热器通过板面进行传热的换热器。优点：传热性比管式换热器优越，流体在较低流速下即可达到湍流，强化了传热。制造成本低，结构紧凑、使用灵活、清洗和维修方便、能精确控制换热温度等。缺点：a. 密封周边太长，不易密封，渗漏的可能性大；26b. 承压能力低,耐压性差；c.使用温度受密封垫片材料耐温性能的限制不宜过高； 沉浸式蛇管蛇管式换热器 喷淋式蛇管 套管式换热器 管式换热器 管壳式换热器 缠绕管式换热器 螺旋板式换热器 板式换热器间壁式换热器 板面式换热器 板翅式换热器 板壳式换热器 伞板式换热器 石墨换热器其它型式换热器 聚四氟乙烯换热器 热管换热器3. 其它型式换热器为满足工艺特殊要求，具有特殊结构的换热器。2.1.3换热器选型需要考虑的因素：1. 流体的性质；272. 压力、温度、允许的压力降；3. 清洗、维修的要求；4. 材料、价格；5. 使用寿命等。2.2管壳式换热器【教学内容】一.管壳式换热器的基本类型二.管壳式换热器结构三.管板设计四.膨胀节设计五.管束振动和防止【授课时间】330分钟【教学重点】管壳式换热器结构的建立【教学难点】管板的应力分析【教学目标】熟悉管壳式换热器的结构及应用【教学手段】课堂讲授，辅以设备挂图。【教学过程】2.2.1基本类型可分为固定管板式、浮头式、U形管式、填料函式和釜式重沸器五类，如图2.1所示。一. 固定管板式固定管板式换热器的典型结构如图2.1（a）所示。结构特点：管束连接在管板上，管板与壳体焊接。优点：结构简单、紧凑、能承受较高的压力，造价低，管程清洗方便，管子损坏时易于堵管或更换；缺点：是当管束与壳体的壁温或材料的线膨胀系数相差较大时，壳体和管束中将产生较大的热 应力。适用范围：1.适用于壳侧介质清洁且不易结垢并能进行清洗；2.管、壳程两侧温差不大或温差较大但壳侧压力不高的场合。二.浮头式换热器 浮头式换热器的典型结构见图2.1（b）。结构特点：两端管板中只有一端与壳体固定，另一端可相对壳体自由移动，称为浮头。28浮头的组成：浮头由浮头管板、钩圈和浮头端盖组成。优点：管间和管内清洗方便，不会产生热应力。缺点：结构复杂，造价比固定管板式换热器高，设备笨重，材料消耗量大，且浮头端盖在操作中无法检查，制造时对密封要求较高。适用范围：适用于壳体和管束之间壁温差较大或壳程介质易结垢的场合。三. U形管式换热器U形管式换热器的典型结构如图2.1（c）所示。结构特点：只有一块管板，管束由多根U形管组成，管的两端固定在同一块管板上，管子可自由伸缩。优点：结构比较简单、价格便宜，承压能力强，不会产生热应力。缺点：由于受弯管曲率半径的限制，其换热管排布较少，管束最内层管间距较大，管板的利用率较低，壳程流体易形成短路，对传热不利。当管子泄漏损坏时，内层换热管坏了不能更换，只能堵死。适用范围：适用于管、壳壁温差较大或壳程介质易结垢需要清洗，又不适宜采用浮头式和固定管板式的场合。特别适用于管内走清洁而不易结垢的高温、高压、腐蚀性大的物料。四. 填料函式换热器填料函式换热器结构如图2.1（d）、（e）所示。结构特点：与浮头式换热器相类似，浮头部分露在壳体以外，在浮头与壳体的滑动接触面处采用填料函式密封结构。优点：比浮头式换热器简单，加工制造方便，节省材料，造价较低廉，管束可抽出，清洗，维修方便。缺点：填料处易产生泄漏，不适用于易挥发、易燃、易爆、有毒及贵重介质，使用温度也受填料的限制。适用范围：适用于4MPa以下的工作条件。五.釜式重沸器釜式重沸器的结构如图2.1（f）所示。结构特点：其管束可以为浮头式、U形管式和固定管板式结构，它具有浮头式、U形管式换热器的特性。在结构上与其他换热器不同之处在于壳体上部设置一个蒸发空间，蒸发空间的大小由产气量和所要求的蒸气品质所决定。此种换热器和浮头式、U形管式换热器一样，清洗维修方便，可处理不清洁、易结垢的介质，并能承受高温、高压。2.2.2、管壳式换热器的结构管程：流体流经换热管内的通道及与其相贯通部分。壳程：流体流经换热管外的通道及与其相贯通部分。29 (a)固定管板式换热器；(b)浮头式换热器；(c)U形管式换热器；(d)填料函双壳层换热器；(e)填料函分流式换热器；(f)釜式重沸器图2.1 管壳式换热器的主要型式302.2.2.1管程结构一.换热管1. 换热管型式光管、翅片管、螺旋槽管、螺纹管等。当管内外两侧给热系数相差较大时，翅片管的翅片应布置在给热系数低的一侧。2. 换热管尺寸（常用）无缝钢管：192 252.5 382.5 不锈钢管： 252 382.5标准管长为：10、 1.5、 2.0、 2.5、 3.0、 4.5、 6.0、 7.5、 9.0、 12.0m等。外径范围： 10 573. 换热管材料黑金属：碳素钢、低合金钢、不锈钢等。有色金属：铜、铜镍合金、铝合金、钛合金等。非金属：石墨、陶瓷、聚四氟乙烯等。4. 换热管排列形式及中心距换热管在管板上的排列形式：正三角形、正方形、转角正三角形、转角正方形。如图2.2所示，在同样的管板面积上正三角形排列的管数最多，故用得最为普遍，但管外不易清洗。为便于管外清洗，可以采用正方形或转角正方形排列的管束。图2.2 换热管排列型式换热管中心距一般不小于1.25倍的换热管外径。常用的换热管中心距见表2-1。表2-1 常用换热管中心距 mm换热管外径do1214192532384557换热管中心距161925324048577231二. 管板作用：a. 用来排布换热管 b. 分隔管程和壳程的流体，避免冷、热流体混合。c. 同时受管程、壳程压力和温度的作用。1. 管板材料选择管板材料，除力学性能外，还应考虑管程和壳程流体的腐蚀性，以及管板和换热管之间的电位差对腐蚀的影响。工程上常用材料：a. 碳素钢b. 低合金钢 钢板、锻件c. 不锈钢d. 不锈钢钢e. 钛钢 复合板f. 铜钢g. 堆焊衬里。2. 管板结构在满足强度的前提下，应尽量减少管板厚度。薄管板一般为：820mm。形状主要有：平面形、椭圆形、碟形、球形、挠性薄管板等。最为常用的是平面形薄管板。图2.3 薄管板结构形式 图2.4 椭圆形管板 图2.5 双管板结构32图2.3所示为用于固定管板式换热器中的薄管板四种结构形式。图2.4所示为椭圆形管板。图2.5所示为双管板结构三.管箱管箱位于管壳式换热器的两端。作用：把从管道输送来的流体均匀地分布到各换热管和把管内流体汇集在一起送出换热器。在多管程换热器中，管箱还起改变流体流向的作用。图2.6 管箱结构形式管箱的结构形式主要以换热器是否需要清洗或管束是否需要分程等因素来决定。图2.6为管箱的几种结构形式。图2.6（a）的管箱结构适用于较清洁的介质情况。因为在检查及清洗管子时，必须将连接管道一起拆下，很不方便。图2.6（b）为在管箱上装箱盖，将盖拆除后（不需拆除连接管），就可检查及清洗管子，但其缺点是用材较多。图2.6（c）形式是将管箱与管板焊成一体，从结构上看，可以完全避免在管板密封处的泄漏，但管箱不能单独拆下，检修、清理不方便，所以在实际使用中很少采用。图2.6（d）为一种多程隔板的安置形式。四.管束分程管程：管内流动的流体从管子的一端流到另一端为一个管程。在管壳式换热器中，最简单常用的是单管程的换热器。也可采用多管程结构。从制造、安装、操作等角度考虑，偶数管程有更多的方便之处，最常用的程数为2、4、6。注意：管束分程可采用多种不同的组合方式，对于每一程中的管数应大致相等，且程与程之间温度相差不宜过大，温差以不超过20左右为宜，最大不超过28。否则在管束与管板中将产生很大的热应力表2-2列出了16程的几种管束分程布置形式。33表22 管束分程布置图对于4程的分法，有平行和工字形两种，一般为了接管方便，选用平行分法较合适，同时平行分法亦可使管箱内残液放尽。工字形排列法的优点是比平行法密封线短，且可排列更多的管子。五.换热管与管板的连接 换热管与管板的连接是管壳式换热器的关键部位，是换热器事故率最多的部位。管子与管板的连接方法：胀接、焊接、胀焊并用。胀接保证换热管与管板连接的密封性能及抗拉脱强度的胀接。管孔结构示于图2.7。一般采用光孔，管端伸出23mm。胀接时，管端翻边成圆锥形，能提高管子的抗拉脱能力。当管子承受压应力时，翻边可取消。图2.7 胀接的型式带槽孔的结构用于抗拉脱能力与密封性要求高的场合。管孔中开的环形小槽深为0.40.5mm，管子材料被胀挤进槽内，可防止介质外泄。管板厚度小于30mm时，槽数为1，厚度大于30mm时，槽数为2。方法：机械滚胀法是应用最早的胀接方法。它靠电动或风动等动力使胀管器的锥形心轴旋转并挤入管内，迫使管子扩张并产生塑性变形，而管板只产生弹性变形。取出胀管器的心轴后，管板弹性恢复，使管板与管子间产生一定的挤压力而贴合在一起。除机械滚34胀法外，近年来出现了液压胀接、橡胶胀接和爆炸胀接法。液压胀接法是利用液体压力使换热管产生塑性变形。橡胶胀接是利用机械压力使特种橡胶长度缩短，直径增大，从而带动换热管扩张达到胀接的目的。爆炸胀接是利用炸药在换热管内有效长度内爆炸，使换热管贴紧管板孔而达到胀接目的。这些胀接方法具有生产率高，劳动强度低，密封性能好等特点。适用范围：胀接主要适用于设计压力小于等于4.0MPa；设计温度小于等于300；操作中无剧烈振动、无过大温度波动及无明显应力腐蚀等场合。焊接 保证换热管与管板连接的密封性能及抗拉脱强度的焊接。结构形式见图2.8。由于管孔不需要开槽，且对管孔的粗糙度要求不高，管子端部不需要退火和磨光，因此制造加工简单。焊接结构强度高，抗拉脱力强。在高温高压下也能保证连接处的密封性能和抗拉脱能力。管子焊接处如有渗漏可以补焊或利用专用工具拆卸后予以更换。图2.8 焊接管孔结构当换热管与管板连接处焊接之后，管板与管子中存在的残余热应力与应力集中，在运行时可能引起应力腐蚀与疲劳。此外，管子与管板孔之间的间隙中存在的不流动的液体与间隙外的液体有着浓度上的差别，还容易产生缝隙腐蚀。适用范围：除有较大振动及有缝隙腐蚀的场合，只要材料可焊性好，焊接可用于其他任何场合。管子与薄管板的连接应采用焊接方法。胀焊并用胀接与焊接方法都有各自的优点与缺点，在有些情况下，例如高温、高压换热器管子与管板的连接处，在操作中受到反复热变形、热冲击、35腐蚀及介质压力的作用，工作环境极其苛刻，很容易发生破坏。无论单独采用焊接或是胀接都难以解决问题。要是采用胀焊并用的方法，不仅能改善连接处的抗疲劳性能，而且还可消除应力腐蚀和缝隙腐蚀，提高使用寿命。因此目前胀焊并用方法已得到比较广泛的应用。胀焊并用的方法: 从加工工艺过程来看，主要有强度胀密封焊、强度焊贴胀、强度焊强度胀等几种形式。“密封焊”:是指保证换热管与管板连接密封性能的焊接，不保证强度；“贴胀”: 是指为消除换热管与管孔之间缝隙并不承担拉脱力的轻度胀接。如强度胀与密封焊相结合，则胀接承受拉脱力，焊接保证紧密性。如强度焊与贴胀相结合，则焊接承受拉脱力，胀接消除管子与管板间的间隙。至于胀、焊的先后顺序，虽无统一规定，但一般认为以先焊后胀为宜。因为当采用胀管器胀管时需用润滑油，胀后难以洗净，在焊接时存在于缝隙中的油污在高温下生成气体从焊面逸出，导致焊缝产生气孔，严重影响焊缝的质量。适用范围：胀焊并用主要用于密封性能要求较高；承受振动和疲劳载荷；有缝隙腐蚀；需采用复合管板等的场合。2.2.2.2、壳程结构壳程主要由壳体、折流板或折流杆、支承板、纵向隔板、拉杆、防冲挡板、防短路结构等元件组成。一、壳体壳体一般是一个圆筒，在壳壁上焊有接管，供壳程流体进入和排出之用。为防止进口流体直接冲击管束而造成管子的侵蚀和振动，在壳程进口接管处常装有防冲挡板，见图2.9。当壳体法兰采用高颈法兰或壳程进出口接管直径较大或采用活动管板时，壳程进出口接管距管板较远，流体停滞区过大；靠近两端管板的传热面积利用率很低。为克服这一缺点，可采用导流筒结构，见图2.10。导流筒除可减小流体停滞区，改善两端流体的分布，增加换热管的有效换热长度，提高传热效率外，还起防冲挡板的作用，保护管束免受冲击。防冲挡板或导流筒的设置条件：1.若进口管流体2值为下列值时设防冲挡板或导流筒非腐蚀、非磨蚀的单相流体22230kg/ms2；其他液体、包括沸点下的液体2740kg/ms2；2.有腐蚀、磨蚀的介质设防冲挡板；3.接管距管板较远设导流筒，减小流体停滞区，增加换热管的有效36换热长度。密度流速导流筒：减小流体停滞区，改善两端流体的分布，增加换热管的有效换热长度，提高换热率，并起防冲挡板的作用。图2.9 防冲挡板图2.10 导流筒结构二、折流板设置折流板的目的：是为了提高壳程流体的流速，增加湍动程度，并使壳程流体垂直冲刷管束，以改善传热，增大壳程流体的传热系数，同时减少结垢。在卧式换热器中，折流板还起支撑管束的作用。常用的折流板形式有弓形和圆盘-圆环形两种。其中弓形折流板有单弓形、双弓形和三弓形三种。各种形式的折流板见图2.11所示。根据需要也可采用其他形式的折流板。弓形折流板缺口高度应使流体通过缺口时与横向流过管束时的流速相近。缺口大小用切去的弓形弦高占壳体内直径的百分比来表示。如单弓形折流板，缺口弦高一般取O.200.45倍的壳体内直径，最常用的是0.25倍壳体内直径。对于卧式换热器，壳程为单相清洁液体时，折流板缺口应水平上下37布置。若气体中含有少量液体时，则在缺口朝上的折流板最低处开设通液口，见图2.12（a）；若液体中含有少量气体，则应在缺口朝下的折流 图2.11 折流板形式图2.12 折流板缺口布置板最高处开通气口，如图2.12（b）。卧式换热器的壳程介质为气液相共存或液体中含有固体颗粒时，折流板缺口应垂直左右布置，并在折流板最低处开通液口，如图2.12（c）。折流板一般应按等间距布置，管束两端的折流板应尽量靠近壳程进、出口接管。折流板的最小间距应不小于壳体内直径的15，且不小于50mm；最大间距应不大于壳体内直径。折流板上管孔与换热管之间的间隙以及折流板与壳体内壁之间的间隙应合乎要求，间隙过大，泄漏严重，对传热不利，还易引起振动；间隙过小，安装困难。从传热角度考虑，有些换热器（如冷凝器）是不需要设置折流板的。但是为了增加换热管的刚度，防止产生过大的挠度或引起管子振动，当38换热器无支撑跨距超过了标准中的规定值时，必须设置一定数量的支持板，其形状与尺寸均按折流板规定来处理。图2.13 拉杆结构折流板与支持板一般用拉杆和定距管连接在一起，如图2.13（a）所示。拉杆数不少于4根，每个折流板不少于3个支点。当换热管外径小于或等于14mm时，采用折流板与拉杆点焊在一起而不用定距管，如图2.13（b）所示。在大直径的换热器中，如折流板的间距较大，流体绕到折流板背后接近壳体处，会有一部分流体停滞起来，形成了对传热不利的“死区”。为了消除这个弊病，宜采用多弓形折流板。如双弓形折流板，因流体分为两股流动，在折流板之间的流速相同时，其间距只有单弓形的一半。不仅减少了传热死区，而且提高了传热效率。三、折流杆图2.14 折流杆结构39目的：装有折流板的管壳式换热器存在着影响传热的死区，流体阻力大，且易发生换热管振动与破坏。为了解决传统折流板换热器中换热管与折流板的切割破坏和流体诱导振动，并且强化传热提高传热效率，近年来开发了一种新型的管束支撑结构折流杆支撑结构。结构：由折流圈和焊在折流圈上的支撑杆（杆可以水平、垂直或其他角度）所组成。折流圈可由棒材或板材加工而成，支撑杆可由圆钢或扁钢制成。一般4块折流圈为一组，如图2.14所示，也可采用2块折流圈为一组。支撑杆的直径等于或小于管子之间的间隙。因而能牢固地将换热管支撑住，提高管束的刚性。四、防短路结构为了防止壳程流体在某些区域发生短路，降低传热效率，需要采用防短路结构。常用的防短路结构主要有旁路挡板、挡管（或称假管）和中间挡板。 旁路挡板为了防止壳程边缘介质短路而降低传热效率，需增设旁路挡板，以迫使壳程流体通过管束与管程流体进行换热。旁路挡板可用钢板或扁钢制成，其厚度一般与折流板相同。旁路挡板嵌入折流板槽内，并与折流板焊接，如图2.15所示。图2.15 旁路挡板结构 通常当壳体公称直径DN500mm时，增设一对旁路挡板；DN=500mm时，增设二对旁路挡板；DN1000mm时，增设三对旁路挡板。挡管当换热器采用多管程时，为了安排管箱分程隔板，在管中心（或在每程隔板中心的管间）不排列换热管，导致管间短路，影响传热效率。为此，在换热器分程隔板槽背面两管板之间设置两端堵死的管子，即挡管，如图2.16所示。挡管一般与换热管的规格相同，可与折流板点焊固定，也可用拉杆40（带定距管或不带定距管）代替。挡管应每隔34排换热管设置一根，但不应设置在折流板缺口处。图2.16 挡管结构 中间挡板在U形管式换热器中，U形管束中心部分存在较大间隙，流体易走短路而影响传热效率。为此在U形管束的中间通道处设置中间挡板。中间挡板一般与折流板点焊固定，如图2.17所示。图2.17 中间挡板通常当壳体公称直径DN500mm时，增设一块挡板；DN=500mm时，增设二块挡板；DN1000mm时，增设三块挡板。中间挡板的数量不宜多于4块。五、壳程分程根据工艺设计要求，或为增大壳程流体传热系数，可将壳程分程。在图2.18中列出了几种代号的壳程型式。图2.18（a）为E型，是最普通的一种，壳程是单程的，管程可为单程，也可为多程。为了增大平均温度差提高传热效率，对于二管程的换热器，可采用图2.18（b）所示的F型，在壳体中装入了一块平行于管子轴线方向的纵向隔板，成为二壳程的换热器，流体按逆流方式进行热交换。图2.18（c）为G型，也属二壳程的换热器，纵向隔板从管板的一端移开使壳程流体得以分流。壳体上的进、出口接管对称地分置于壳体的两侧且放在中央部位。壳程中流体的压力降与E型的相同，但在传热41面积与流量相同的情况下，具有更高的热效率。G型壳体也称为分流壳体。壳程中可通入单相流体，也可通入有相变的流体。如用作水平的热虹吸式再沸器，壳程中的纵向隔板起着防止轻组分的闪蒸与增强混合的作用。图2.18（d）为H型。与G型相似，同属二壳程的换热器，但进口接管、出口接管与纵向隔板均多一倍，故又称双分流壳体。G型与H型两种壳体都可用于以压力降作为控制因素的换热器中，且有利于降低壳程流体的压力降。尽管在工业中已成功地制造出六壳程的管壳式换热器，但考虑到制造方面的困难，一般的设计，壳程数很少超过2。如有必要，可通过增加串联台数的办法来解决。应该指出，在管外空间设置了垂直于管子轴线的折流板后，不能把换热器看成是多壳程的，实际上它仍属单壳程的范围。图2.18 换热器的壳程型式2.2.3管板设计管板是管壳式换热器的主要部件之一，往往成为整台设备生产的决定性因素。它和换热管、壳体、管箱、法兰等连接构成一个复杂的弹性体系，故设计时进行了各种假设：1.将管板看成周边支承条件下承受均布载荷的圆平板，应用平板理论得出计算公式，考虑管孔的削弱，再引入经验性的修正系数。2.将管子当作管板的固定支撑，而管板是受管子支撑的平板。管板的厚度取决于管板上不布管区的范围。3.将管板视为在广义弹性基础上承受均布载荷的多孔圆平板，既把实际的管板简化为受到规则排列的管孔削弱，同时又被管子加强的等效弹性基础上的均质等效圆平板。一、管板设计的基本考虑把实际的管板简化为承受均布载荷，放置在弹性基础上且受管孔均匀削弱的当量圆平板，在此基础上还考虑了以下几方面因素。1.管束对管板挠度的约束作用，但忽略管束对管板转角的约束作用。2.管板周边不布管区对管板应力的影响。将管板划分为两区，即靠近42中央部分的布管区和靠近周边处较窄的不布管区。不布管区可简化为一个圆环形实心板，由于它的存在，管板的边缘应力下降。3.不同结构形式换热器，管板边缘的连接结构不同。根据具体情况考虑对管板边缘转角的约束作用。4.管板兼作法兰时，法兰力矩的作用对管板应力的影响。二、管板设计思路1 管板弹性分析把管板简化为弹性基础上的等效均质圆平板。综合考虑壳程压力Ps，管程压力Pt，温差引起的热膨胀差以及预紧条件下的发兰力矩等载荷的作用。对于固定管板换热器，力学模型详见P285图2.19。内力共有14个。封头与法兰（管箱）连接处：边缘弯矩Mh横向剪力Hh轴向力Vh壳体与壳体法兰连接处：边缘弯矩Ms横向剪力Hs轴向力Vs环形不布管区与壳体法兰之间 即半径为R处：弯矩Mr 径向力Hr 轴向剪力Vr布管区与边缘环板连接处： 边缘弯矩Mt 径向力Ht 轴向剪力Vt作用在垫板上的轴向力VG作用在螺栓圆上的螺栓力Vb建立每个独立元件的位移（或转角）与作用在该元件上的内力关系式，列出变形协调条件，得到以内力为未知数的变形协调方程组，求出内力再计算危险截面上的应力，并进行强度校核。2.危险工况 不能保证管程与壳程压力在任何情况下都同时作用，则不允许以壳程和管程压力差进行管板设计。固定管板式换热器为例，管板分析时应考虑四种工况：只有壳程压力Ps，而管程压力Pt=0，不计热膨胀差；只有壳程压力Ps，而管程压力Pt=0，考虑热膨胀差；43只有管程压力Ps，而壳程压力Pt=0，不计热膨胀差； 只有管程压力Ps，而壳程压力Pt=0，考虑热膨胀差；3.管板应力校核在不同危险工况下，应计算下列应力。管板布管区的应力。环板的应力。壳体法兰应力。换热管轴向应力。管板与换热管拉脱力。危险工况下的应力校核。压力引起的管板应力为一次弯曲应力，控制指标1.5t。温差应力属于二次应力，二次应力不会在初应力加载情况下发生破坏，但在反复作用下会引起疲劳破坏。为此以结构安定的要求加以控制，即一次应力+二次应力3t。法兰预紧力引起的管板应力为二次应力，法兰操作力矩引起的管板应力是一次应力（现行标准），这种方法偏于安全，且1.5t。4.管板应力的调整当管板应力超过许用应力，可采用两种方法进行调整。增加管板厚度（常用方法）该方法可提高管板的抗弯截面模量，有效降低管板应力。降低壳体轴向刚度当管程与壳程的温差较大时，在换热管和壳体上产生较大的轴向热应力，从而使管板产生较大的变形，使管板应力增高。为有效降低热应力，采用降低壳体轴向刚度的方法，如设置膨胀节。5.管板设计计算软件SW6等。三薄管板设计薄管板主要载荷由管壁与壳壁的温差决定。流体压力引起的应力与挠度相对来说不大。温差控制在50以下时，管板厚度可查表2.3得出，它与直径有关，也可计算得到。 表2.3薄管板的厚度 mm公称直径300-400500-600700-800900-12001400-1800管板厚度810121416薄管板本身的刚度小，载荷主要由管子承担，故要验算管子的稳定性。如稳定性差，可减小折流板或支持板的间距。2.2.4膨胀节44膨胀节是一种能自由伸缩的弹性补偿元件，能有效的起到补偿轴向变形的作用。一.膨胀节的作用壳体上设置膨胀节。 可降低由膨胀差引起的管板应力。 换热管与壳体的轴向应力。 管板与换热管间的拉脱力。结构形式： 波形（U型）膨胀节。 形膨胀节。 平板膨胀节。二.是否设置膨胀节的判断根据设计条件，各元件的实际应力状况，判断是否设置膨胀节。由膨胀差引起的应力过高，先考虑调整材料或元件尺寸，或改变连接方式（胀接改焊接），或采用管束和壳体可自由膨胀的换热器。但是结构不合理或不经济，则考虑设置膨胀节。注意：膨胀差与温差是不同的概念。2.2.5管壳式换热器的振动与防止一、流体诱导振动换热器管束受壳程流体流动的激发而产生的振动。流体诱导振动分两大类：纵向流诱导振动（纵向流诱振）和横向流诱导振动（横向流诱振）纵向流诱振：平行于管子轴线流动的流体诱导振动横向流诱振：垂直于管子轴线流动的流体诱导振动只有当流速远高于正常流速时，考虑纵向流诱振。而横向流诱振在正常流速时也会产生很大的振幅，容易产生破坏。表现形式为：1.管子与相邻管子或折流板孔内壁撞击，使管子受到磨损、开裂或切断；2.管子的疲劳破坏；管子与管板连接处发生漏泄；3.壳程空间发生强烈的噪声；4.增加壳程的压力降。研究表明，横向流诱发振动的原因主要如下。（1）卡曼旋涡在亚音速横向流中，与流体横向流过单个圆柱形物体一样，当其流过管束时，管子背后也有卡曼旋涡产生。当旋涡从换热器管子的两侧周期性交替脱落时，便在管子上产生周期性的升力和阻力。这种流线谱的45变化将引起压力分布的变化，从而导致作用在换热器管子上的流体压力的大小和方向发生变化，最后引起管子振动。当卡曼旋涡脱落频率等于管子的固有频率时，管子便发生剧烈的振动。旋涡脱落在液体横流、节径比较大的管束中才会发生，而且在进口处比较严重。在大多数密集的管束中，旋涡脱落并不是导致管子破坏的主要原因，但可激发起声振动。（2）流体弹性扰动流体弹性扰动又称为流体弹性不稳定性。这是一种复杂的管子结构在流动流体中的自激振动现象。一根管子在某一排中偏离了原来的或静止的位置产生了位移，就会改变流场并破坏邻近管子上力的平衡，使这些管子受到波动压力的作用发生位移而处于振动状态。当流体流动速度达到某一数值时，由流体弹性力对管子系统所做的功就大于管子系统阻尼作用所消耗的功，管子的振幅将迅速增大，即使流速有一很小的增量，也会导致管子振幅的突然增大，使管子与其相邻的管子发生碰撞而破坏。（3）湍流颤振被湍流引起的振动是最常见的振动形式，因为在管束中总存在着偶然的流动干扰。经过管束的流体在某一速度下湍流能谱有一主频，当此湍流脉动的主频与管子的固有频率合拍时，则会发生共振，导致大振幅的管子振动。（4）声振动当低密度气体稳定地横向流过管束时，在与流动方向及管子轴线都垂直的方向上形成声学驻波。这种声学驻波在壳体内壁（即空腔）之间穿过管束来回反射，能量不能往外界传播，而流动场的旋涡脱落或冲击的能量却不断地输入。当声学驻波的频率与空腔的固有频率或旋涡脱落频率一致时，便激发起声学驻波的振动，从而产生强烈的噪声，同时，气体在壳程的压力降也会有很大的增加。如果流入壳程的是液体，因液体中的声速很高，故不会发生振动。因此，一般声学驻波激发的振动在壳程流体为液体的换热器中并不重要。（5）射流转换当流体横向流过紧密排列（节径比1.5）的管束时，在同排管上的两根管子之间的窄道处形成如同一个射流的流动方式。在尾流中可观察到射流对的出现。如果单排管有充分的时间交替地向上游，或下游移动时，射流方向也随之改变。当形成扩散射流时，管子受力（等于流体46阻力）较小，当形成收缩射流时受力较大。如果射流对的方向变化与管子运动的方向同步，管子从流体吸收的能量比管子因阻尼而消耗的能量大得多，管子的振动便会加剧。注意：1.在横流速度较低时，容易产生周期性的卡曼旋涡，这时在换热器中既可能产生管子的振动，也可能产生声振动。2.当横流速度较高时，管子的振动一般情况下是由流体弹性不稳定性激发振动，但不会产生声振动。3.当横流速度很高，才会出现射流转换而引起管子的振动。二、管子固有频率 为避免出现共振，使激振频率远离管子固有频率须正确计算管束或管子的固有频率。假设：1.管子是线弹性体，且材料均匀、连续和各向同性。 2.管子的变形和位移是微小的，且满足连续性条件。 3.管子和管板连接处作为固定支承，折流板处作为简支承。三、防振措施对于可能发生振动的换热器，在设计时应采取适当的防振措施，以防止发生危害性的振动。下面介绍一些已被实践证明是有效的防振措施。1.改变流速 通过减少壳程流量或降低横流速度来改变卡曼旋涡频率来消除振动，但会降低传热效率。如果壳程流体的流量不能改变，可用增大管间距的办法来降低流速，特别是当设计是以压力降为限制条件时，更是如此。但此法最终将导致增大壳体直径。在特定条件下，也可考虑拆除部分管子以降低横流速度。改变管束的排列角，也可降低流速和激振频率。2.改变管子固有频率 由于管子的固有频率与管子跨距的平方成反比，因此，增大管子的固有频率最有效的方法是减小跨距。其次，可在管子之间插入杆状物或板条来限制管子的运动，也可增大管子的固有频率，这个方法多用于换热器U形弯管区的防振。采用在折流板缺口区不布管的弓形或盘环型折流板，或采用管束支撑杆代替折流板，或提供附加的管子支撑，也可改变管子固有频率。3.增设消声板 在壳程插人平行于管子轴线的纵向隔板或多孔板，可有效地降低噪声，消除振动。隔板的位置，应离开驻波的节点靠近波腹。4.抑制周期性旋涡 在管子的外表面沿周向缠绕金属丝或沿轴向安装金属条，可以抑制47周期性旋涡的形成,减少作用在管子上的交变力。5.设置防冲挡板或导流筒 当壳程进口或出口速度是主要问题时，可增大进出口接管尺寸，以降低进出口流速，或者设置防冲挡板，以避免流体过大的激振力冲蚀进口处管子，严重时可设置导流筒，防止流体冲刷管束以降低流体进入壳程时的流速。48 友情提示：方案范本是经验性极强的领域，本范文无法思考和涵盖全面，供参考!最好找专业人士起草或审核后使用。