過程設(shè)備設(shè)計(jì)總結(jié)課-換熱器.pptVIP

復(fù)習(xí)：（思考題） 1. 什么叫換熱器？其設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)遵循哪些原則？ 2. 列管式換熱器的主要優(yōu)點(diǎn)是什么？主要缺點(diǎn)是什 么？ 3. 強(qiáng)化管子傳熱有哪些結(jié)構(gòu)上的措施？其強(qiáng)化傳熱 的原理是什么？ 4. 固定管板式換熱器為什么會產(chǎn)生溫差應(yīng)力？從結(jié) 構(gòu)上考慮怎么改進(jìn)？ 5. 浮頭式、U形管式換熱器各自有什么優(yōu)缺點(diǎn)？ 6. 能夠進(jìn)行管程機(jī)械清洗的列管式換熱器有哪些？ 殼程清洗有哪些？管程、殼程均能清洗有哪些？ 7. 列管換熱器殼程中折流板、支持板、防沖擋板、 旁路擋板的作用？ 8. 橢圓形管板有何優(yōu)缺點(diǎn)？ 復(fù)習(xí)：（思考題） 9. 管子與管板連接有哪些型式？在管孔中開槽、管端 翻邊起什么作用？管子與管板采用脹焊并用連接有 何優(yōu)點(diǎn)？ 10.膨脹節(jié)有哪些型式？其作用是什么？ 11.GB151-98計(jì)算固定管板式換熱器厚度時(shí)需要哪些基 本考慮？其力學(xué)模型是什么？ 12.制造換熱器常用的四種金屬材料為：碳鋼、18-8不 銹鋼、黃銅、鋁合金。其中耐高溫性能最好的是？ 低溫性能最好的是？導(dǎo)熱系數(shù)最高的是？最廉價(jià)的 是？ 13.流體引起管束誘導(dǎo)振動的主要原因有哪些？ 14.防止換熱器管束振動有哪些措施？ 換熱設(shè)備的發(fā)展方向 強(qiáng)化傳熱 高效緊湊 降低流體阻力 提高換熱效率 防止流體 誘導(dǎo)振動 換熱設(shè)備的設(shè)計(jì)內(nèi)容 工藝尺寸的 設(shè)計(jì)計(jì)算 整體結(jié)構(gòu)及 零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 換熱設(shè)備應(yīng)滿足的基本要求： （1）滿足化工工藝要求（工藝過程所要求 的溫度、壓力、流量、傳熱量等）。 （2） 流體流動阻力小，壓力降小，傳熱 效率高。 （3）便于安裝、操作和維修。 （4）安全可靠，經(jīng)濟(jì)合理。 直接接觸式換熱器 蓄熱（回?zé)幔┦綋Q熱器 間壁式換熱器 （表面式換熱器） 中間載熱體式換熱器 換 熱 設(shè) 備 的 類 型 換熱器的選型 流體的性質(zhì) 物理性質(zhì)：種類、熱導(dǎo)率、粘度 化學(xué)性質(zhì)：腐蝕性、熱敏性 溫度、壓力、允許的壓力降 制造成本、動力消耗 清洗、維修 管殼式換熱器選型時(shí)應(yīng)考慮的因素： 流程的 選擇 流動方式 的選擇 折流板的 安裝 換熱管的規(guī) 格和排列 管殼式換熱器 剛性 結(jié)構(gòu) 具有溫差補(bǔ)償 的結(jié)構(gòu) 固定管板式換熱器 膨脹節(jié)結(jié)構(gòu) 固定管板式換熱器 缺點(diǎn)： （1）殼程不能用機(jī)械方法清洗， 應(yīng)走清潔流體。 （2）不設(shè)膨脹節(jié)時(shí)，管、殼程 可能產(chǎn)生較大的溫差應(yīng)力。 優(yōu)點(diǎn)： （1）結(jié)構(gòu)簡單緊湊，制造成本低。 （2）與其它類型換熱器相比，在 相同殼體直徑下，排管數(shù)目最多。 （3）管內(nèi)便于清洗。 復(fù)習(xí)：（思考題） 4.固定管板式換熱器為什么會產(chǎn)生溫差應(yīng)力？從結(jié) 構(gòu)上考慮怎么改進(jìn)？ 答：固定管板式換熱器產(chǎn)生溫差應(yīng)力的原因： 管程和殼程之間的溫差較大； 管程和殼程所用材料的熱膨脹系數(shù)相差較大 以上原因均可引起或共同作用引起固定管板式換熱器產(chǎn) 生較大的溫差應(yīng)力。 為了減小溫差應(yīng)力的影響，從結(jié)構(gòu)上考慮如下的改進(jìn) 方法：殼體上增加膨脹節(jié)；如管板應(yīng)力超過許用應(yīng)力 ，則適當(dāng)加厚管板的厚度；如管子拉脫力不滿足要求， 則可改變管子與管板的連接方法。 如以上方法均不能達(dá)到效果，則應(yīng)改變換熱器的型式， 采用能消除熱應(yīng)力的U型管式、浮頭式、填料函式換熱器。 管殼式換熱器 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 換熱管的規(guī)格 換 熱 管 規(guī) 格 管程結(jié)構(gòu) 管子d 減小， 傳熱面積A增大 耐壓降低 換熱管的排列方式 排列最多 管間距應(yīng)考慮使管橋具有一定的 強(qiáng)度和穩(wěn)定性，同時(shí)便于清洗。 要求： 中心距 P1.25d0 （1）我國管殼式換熱器標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定采用無縫鋼管作為換熱管 ，主要規(guī)格有（外徑壁厚）：192.0；252.5；382.5 ；573.5等； （2）換熱管長度可根據(jù)工藝計(jì)算確定，但應(yīng)考慮管材的合 理使用。我國軋制鋼管長度系列一般為：1.5m、2.0m、 3.0m、 4.5m、 6.0m、9.0m等。 （3）換熱管排列方式考慮原則：使換熱管在換熱器橫截面 上均勻而緊湊地分布，同時(shí)應(yīng)考慮流體的性質(zhì)及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 等方面的問題，如管束是否分程、是否有縱向隔板等。 （4）管子在管板上要保證一定的管間距 要求 換熱管中心距 P1.25d0 換熱管的選用： 薄管板結(jié)構(gòu)及應(yīng)用 選材： 力學(xué)性能 耐腐蝕性 滿足強(qiáng)度條件下，盡量減少管板厚度 減少熱應(yīng)力 考慮管程、殼程介質(zhì)腐蝕性的影響 受力好，可以做的很薄，適用高壓、大直徑換熱器 避免兩種液體 混合 管箱 結(jié)構(gòu)形式：清洗？分程？ 管箱、管板、殼體的連接 管束分程 （1）管程數(shù)目不能太多，否則會使管箱結(jié)構(gòu)復(fù) 雜，給制造帶來困難，同時(shí)流體阻力也會增大。 （2）管程數(shù)目一般為偶數(shù)程（單程除外），這 樣可以使管程的進(jìn)出口設(shè)置在同一端管箱上，便 于制造、操作和維修。 （3）盡可能使各程換熱管數(shù)目大致相等，以減 小流體阻力。 （4）相鄰管程流體間溫度差不宜過大（不超過 20），以避免產(chǎn)生過大熱應(yīng)力。 管束分程 的原則： 換熱管與管板的連接 強(qiáng)度脹 強(qiáng)度焊 脹焊并用 強(qiáng)度脹+密封焊 強(qiáng)度焊+貼脹 強(qiáng)度焊+強(qiáng)度脹 非均勻脹接 均勻脹接 液壓脹接 液袋脹接 橡膠脹接 爆炸脹接 復(fù)習(xí)：（思考題） 9. 管子與管板連接有哪些型式？在管孔中開槽、 管端 翻邊起什么作用？管子與管板采用脹焊 并用連接有何優(yōu)點(diǎn)？ 脹接管孔結(jié)構(gòu) 強(qiáng)度脹適用范圍： P4.0MPa t 300oC 優(yōu)點(diǎn)： （1）強(qiáng)度高，抗拉脫力強(qiáng)。 （2）修理、更換方便。 缺點(diǎn)： （1）焊接殘余應(yīng)力可能導(dǎo)致應(yīng)力 腐蝕和疲勞破壞。 （2）間隙腐蝕問題。 殼程結(jié)構(gòu) 殼體 防沖擋板：作用？連接方式？ 導(dǎo)流筒：作用？ 導(dǎo)流筒 折流板 折流板：作用？方式？ 三種折流板布 置方式的適用 場合？ 各種折流板的 適用場合？ 折流板的布置原則 1、折流板一般應(yīng)等距布置，盡量靠近殼程進(jìn)出口接 管。 2、折流板最小間距應(yīng)不小于殼體內(nèi)直徑的1/5，且不 小于50mm，最大間距應(yīng)不大于殼體內(nèi)直徑。 3、折流板管孔與換熱管間隙、折流板與殼體內(nèi)壁間 隙不能太大或太小。 4、弓形折流板缺口弦高h(yuǎn)一般取 h（0.200.45）Di，通常取0.25Di。 5、支持板形狀與尺寸 按折流板設(shè)計(jì)。 折流板的安裝 d14mm時(shí) 殼 程 流 路 F 折流桿 新型防振折流桿結(jié)構(gòu) 螺旋防振折流板換熱器結(jié)構(gòu) 防短路結(jié)構(gòu) DN500mm時(shí)，設(shè)一對旁路擋板。 DN=500mm1000時(shí)，設(shè)兩對旁路擋板。 DN1000mm時(shí)，設(shè)三對旁路擋板。 每隔34排換熱管設(shè)置一根擋管， 折流板缺口處不設(shè)擋管。 管 中間擋板一般與折流板點(diǎn)焊固定， 其數(shù)量不宜多于4塊。 殼程分程 對分流雙分流 管板設(shè)計(jì)GB151 管殼式換熱器 復(fù)習(xí)：（思考題） GB151-98計(jì)算固定管板式換熱器厚度時(shí)需要哪些基 本考慮？其力學(xué)模型是什么？ 影響管板強(qiáng)度 計(jì)算的因素 1、管束對管板 的約束作用 2、管孔對管板的 削弱作用 3、管板周邊不布管區(qū)對 管板應(yīng)力的影響 4、管板邊緣的支 承形式和連接結(jié)構(gòu) 5、法蘭力距對管 板應(yīng)力的影響 1、把管板當(dāng)作周邊支承、承受均布載荷作 用的實(shí)心圓平板，應(yīng)用平板理論得到園平板 最大彎曲應(yīng)力，加入修正系數(shù)考慮管孔的削 弱作用。 這種設(shè)計(jì)方法對管板作了很大程度的簡化， 是一種半徑驗(yàn)公式，應(yīng)用較少。 管板強(qiáng)度計(jì)算的基本假設(shè) 2、把管板當(dāng)作承受管束支承的固定圓平板 ，管板厚度取決于無管子支承區(qū)域的管板面 積。 這種方法適用于各種薄管板的強(qiáng)度校核及厚 度計(jì)算。 3、把管板視為放置在彈性基礎(chǔ)上、承受均布 載荷作用的多孔圓平板，根據(jù)載荷大小、管束 剛度和周邊支承情況來確定管板的彎曲應(yīng)力。 目前我國換熱器計(jì)算采用第三種方法。 同時(shí)考慮管束的支撐和管孔的削弱作用。 管 板 受 力 分 析 管板危險(xiǎn)截面 環(huán)形不 布管區(qū) 外緣 環(huán)形不 布管區(qū) 內(nèi)緣 圓形布管區(qū) 最大徑向彎 矩處 圖2-52 管板徑向應(yīng)力隨半徑變化的曲線 危險(xiǎn)工況組合 Pt 0， PS =0，t=0 max1.5t PS0，Pt=0，t 0 max3t PS0，Pt=0，t=0 max1.5t Pt 0， PS =0，t 0 max3t PS殼程壓力shell Pt管程壓力tube 管板應(yīng)力的調(diào)整 增加管板厚度 降低殼體軸向剛度 過程設(shè)備強(qiáng)度計(jì)算軟件 SW6 膨脹節(jié)設(shè)計(jì) 設(shè)置膨脹節(jié)的作用： （1）膨脹節(jié)是撓性構(gòu)件，其軸向柔度大， 在不大的軸向力作用下，可產(chǎn)生較大的 軸向變形，可以有效地減小殼體和換熱 管由于溫差產(chǎn)生的熱應(yīng)力。 （2）防止管子與管板連接處不被拉脫。 膨脹節(jié)的形式 膨脹節(jié)的計(jì)算 判斷是否需要設(shè)置膨脹節(jié) 膨脹節(jié)的尺寸設(shè)計(jì) 膨脹節(jié)的應(yīng)力計(jì)算和強(qiáng)度校核 GB16749壓力容器波形膨脹節(jié) 判斷是否需要設(shè)置膨脹節(jié) 1、溫差引起的軸向力F1 2、介質(zhì)壓力引起的軸向力F2和F3 3、應(yīng)力評定 殼壁應(yīng)力 管壁應(yīng)力 拉脫力 管子穩(wěn)定性 膨脹節(jié)的尺寸設(shè)計(jì) 膨脹節(jié)的應(yīng)力計(jì)算和強(qiáng)度校核 1、內(nèi)壓引起的軸向薄膜應(yīng)力1 2、內(nèi)壓引起的經(jīng)向薄膜應(yīng)力2 3、內(nèi)壓引起的經(jīng)向彎曲應(yīng)力3 4、軸向力引起的經(jīng)向薄膜應(yīng)力4 5、軸向力引起的經(jīng)向彎曲應(yīng)力5 膨脹節(jié)的軸向剛度 管束的振動和防振 縱向流體 誘導(dǎo)振動 橫向流體 誘導(dǎo)振動 振動產(chǎn)生的不利后果 機(jī)械 失效 噪音 管子與管板連 接處發(fā)生泄漏 管子發(fā)生嚴(yán)重彎曲；交變應(yīng)力導(dǎo)致管子 發(fā)生疲勞破壞；換熱管的摩擦和碰撞； 管子通過折流板處的自踞作用；殼程流 體壓力將增大； 產(chǎn)生強(qiáng)烈的噪 音（通常大于 150分貝） 激振機(jī)理 卡曼渦街 流體彈性激振 流體彈性 激振的特點(diǎn) 自激性 （1）殼程流體的流 速達(dá)到或超過臨界 流速 （2）有其它的 激振機(jī)理存在 流體彈性激振的條件 湍流顫振 湍流顫振主頻率與換熱管自振頻率 相等時(shí)會引起換熱管共振 聲振動 關(guān)于聲振動 應(yīng)注意的幾點(diǎn) （1）由于聲振強(qiáng)度隨 殼程流體流速的增大 而增大，但達(dá)到共振 點(diǎn)以后，會隨殼程流 體流速的增大而減小 ，所以聲振強(qiáng)度不會 無限制地增大。 （2）殼程流體的物理 性質(zhì)決定聲速，殼程 流體為液體時(shí)，由于 聲音在液體中傳播速 度很高，很少會發(fā)生 聲振動。 （3）聲振動在順排管 中比在錯(cuò)排管中更容 易發(fā)生，在轉(zhuǎn)角正方 形排列的管束中最容 易發(fā)生。 射流轉(zhuǎn)換 節(jié)徑比1.5 橫流速度較低時(shí) 卡曼渦街聲振動 橫流速度較高時(shí) 流體彈性激振 橫流速度很高時(shí) 射流轉(zhuǎn)換 換熱管振動破壞的形式 換 熱 管 的 固 有 頻 率 單跨管的自振頻率 多跨管的自振頻率 U形管的自振頻率 振動判據(jù) 振動可能 振動可能 振動可能 振動可能 其中：fv-漩渦脫落頻率 ft-湍流顫振主頻率 fa-聲學(xué)駐波頻率 f1-換熱管基頻 v -流體橫流速度 vc -流體彈性激振臨界速度 （1）適當(dāng)降低流速（流量，管間距）。 （2）改變管束系統(tǒng)的自振頻率。 減小跨距。 管子間插入桿狀物或板條。 增大管子的強(qiáng)度和剛度（如增大壁厚）。 增大管子支承的強(qiáng)度和剛度（如增大折流板的厚 度、采用折流桿等）。 （3）設(shè)置消聲隔板。 （4）破壞卡曼渦街的形成。 （5）設(shè)置防沖板或?qū)Я魍病?防振措施 防振措施 防振措施 防振措施 防振措施 傳熱強(qiáng)化技術(shù) 傳熱方程式 Q=KFT 1、增大傳熱面積 強(qiáng)化傳熱的途徑 新型換熱器 小直徑管 翅片結(jié)構(gòu) 2、加大平均溫差 逆流換熱 3、提高傳熱系數(shù) 選用導(dǎo)熱系 數(shù)大的材料 擴(kuò)展表面 管程分程 防止結(jié)垢并 及時(shí)除垢 有功傳熱強(qiáng)化 無功傳熱強(qiáng)化 螺旋 槽管 槽管 傳熱強(qiáng)化舉例 螺旋槽管 翅片 螺旋翅 片管 翅片結(jié)構(gòu)不適用于： l高表面張力的液體冷凝 l含有大量固體顆粒的流體 l易結(jié)垢的流體 殼程強(qiáng)化傳熱 采用折流桿代替 折流板 采用新型折 流板結(jié)構(gòu) 改變管子外形或 在管子外加翅片 殼程分程 （1）殼體和管箱的壁厚計(jì)算 （2）換熱管與管板連接處的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) （3）殼體與管板連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) （4）管板厚度計(jì)算 （5）折流板、支持板等零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) （6 換熱管與殼體在介質(zhì)壓力和溫差聯(lián)合作用下的應(yīng)力計(jì)算 （7）管子拉脫力和穩(wěn)定性校核 （8）判斷是否需要設(shè)置膨脹節(jié)，如果需要，則選擇膨脹節(jié)的結(jié)構(gòu)形式及基本尺 寸； （9） 膨脹節(jié)的應(yīng)力計(jì)算及校核 （10）接管、法蘭、支座等的選擇；開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)及計(jì)算等； （11）換熱器的振動與防振 如果選用換熱器，則應(yīng)進(jìn)行壓力降、傳熱面積及溫差應(yīng)力校核等方面的計(jì)算 。 補(bǔ)充：管殼式換熱器的機(jī)械設(shè)計(jì)計(jì)算步驟 思考題 1、換熱管與管板有哪幾種連接方式？各有什么特點(diǎn)？ 2、換熱管拉脫力產(chǎn)生的原因是什么？ 3、用增加殼體壁厚的方法來承受殼體中較大的溫差應(yīng)力 可行嗎？為什么？ 4、折流桿和折流板相比有哪些優(yōu)點(diǎn)？ 5、管程數(shù)不能太多，且為偶數(shù)程，為什么？ 6、現(xiàn)行管板設(shè)計(jì)基