第7章管殼式換熱器的機(jī)械設(shè)計(jì)ppt課件

1、第第7 7章章 管殼式換熱器的機(jī)械設(shè)計(jì)管殼式換熱器的機(jī)械設(shè)計(jì)第一節(jié)、換熱器概論第一節(jié)、換熱器概論第二節(jié)、換熱管、管板與折流板第二節(jié)、換熱管、管板與折流板第三節(jié)、溫差應(yīng)力第三節(jié)、溫差應(yīng)力第一節(jié)、換熱器概論第一節(jié)、換熱器概論v 在化工廠建設(shè)投資中，換熱器占著很重要的份額，10%40%；v 換熱器可以是熱交換器、加熱器、蒸發(fā)器、冷凝器等；v 衡量一種換熱器好壞的標(biāo)準(zhǔn)是傳熱效率高，流體阻力小，強(qiáng)度足夠，結(jié)構(gòu)可靠，節(jié)省材料；成本低；制造安裝檢修方便。1. 1. 換熱器結(jié)構(gòu)換熱器結(jié)構(gòu)管箱的作用：把管道中來的流體均勻地分布到各個(gè)換熱管中去，并把換熱管內(nèi)的流體匯集到一起并送出換熱器，在多管程換熱器中，管箱還起

2、著改變管程流體流向的作用；a：平蓋管箱；b：封頭管箱；c：用于可拆管束與管板制成一體的管箱；d：特殊高壓管箱。1.1 管箱管箱e：單程殼體 f：具有縱向隔板的雙程殼體；g：分流 h：雙分流1.2 殼體型式殼體型式1.3 換熱器的標(biāo)記方式換熱器的標(biāo)記方式b：前端管箱為封頭式管箱；e：單程殼體（殼程為1）；b：后端管箱為封頭式管箱；700：殼體公稱直徑（mm）；2.5：殼程設(shè)計(jì)壓力（mpa）；1.6：管程的設(shè)計(jì)壓力（mpa）；200：公稱換熱面積（m2）；9：換熱管長度（m）；25：換熱管外徑（mm）；4：四管程結(jié)構(gòu)；i：i級(jí)固定管板換熱器ibeb42592006 . 15 . 2700例如：例如

3、：其中：其中： 兩管板由換熱管相互支撐，兩管板由換熱管相互支撐，管板最??；管板最?。?結(jié)構(gòu)簡單，造價(jià)較低；結(jié)構(gòu)簡單，造價(jià)較低； 管外清洗困難；管外清洗困難； 管殼間存在溫差應(yīng)力，當(dāng)管殼間存在溫差應(yīng)力，當(dāng)介質(zhì)溫差較大時(shí)，必須設(shè)介質(zhì)溫差較大時(shí)，必須設(shè)置膨脹節(jié)；置膨脹節(jié)； 適合于殼程介質(zhì)清潔、不適合于殼程介質(zhì)清潔、不易結(jié)垢，管程需清洗以及易結(jié)垢，管程需清洗以及溫差不大或溫差雖大但管溫差不大或溫差雖大但管程壓力不高的場(chǎng)合。程壓力不高的場(chǎng)合。2. 2. 換熱器的分類換熱器的分類2.1 固定管板式換熱器固定管板式換熱器一端管板固定，另一端管板可在殼體內(nèi)移動(dòng)，因此不存在溫差應(yīng)力；管束可以取出，便于清洗；結(jié)構(gòu)

4、較為復(fù)雜，金屬消耗量大；適用于管殼溫差較大、以及介質(zhì)易結(jié)垢的場(chǎng)合。2.2 浮頭式換熱器浮頭式換熱器v 管束一端可以自由膨脹，檢修、清洗方便；v 實(shí)際上是另一種形式的浮頭式換熱器，只不過把原置于殼體內(nèi)的浮頭移至殼體之外，并用填料函來密封殼程介質(zhì)，以防泄漏；v 殼程內(nèi)介質(zhì)有外漏的可能，但殼程中不宜處理易揮發(fā)、易燃、易爆、有毒的介質(zhì)。2.3 填函式換熱器填函式換熱器 只有一個(gè)管板，管程至少為兩程，管束可以抽出清洗，管子可以自由膨脹； 管內(nèi)不便清洗，管外介質(zhì)易短路，影響傳熱效果，內(nèi)層管子損壞后不易更換； 因?yàn)椴淮嬖跍夭顟?yīng)力，適用于管、殼壁溫差較大的場(chǎng)合，尤其是管內(nèi)介質(zhì)清潔不易結(jié)垢的高溫、高壓、腐蝕性較

5、強(qiáng)的場(chǎng)合。2.4 u型管式換熱器型管式換熱器1)殼體直徑的確定和殼體壁厚的計(jì)算；2)換熱器封頭選擇，壓力容器法蘭選擇；3)管板尺寸的確定；4)管子拉脫力的計(jì)算；5)折流板的選擇與計(jì)算；6)溫差應(yīng)力的計(jì)算；7)接管的選擇；8)接管法蘭的選擇；9)開孔補(bǔ)強(qiáng)；10)換熱器支座；11)附件。3. 3. 管殼式換熱器機(jī)械設(shè)計(jì)的內(nèi)容管殼式換熱器機(jī)械設(shè)計(jì)的內(nèi)容換熱管的長度、直徑壁厚都有一定的標(biāo)準(zhǔn)；換熱管長：1500，2000，2500，3000，4500，5000，6000，7500，9000，12000等等；長徑比一般在425之間，常用為610；換熱管規(guī)格：第二節(jié)、換熱管、管板與折流板第二節(jié)、換熱管、管板

6、與折流板1. 1. 換熱管的選用換熱管的選用脹接是利用脹管器擠壓伸入管板孔中的管子端部，使管端發(fā)生塑性變形，管板孔同時(shí)產(chǎn)生彈性變形，當(dāng)取出脹管器后，管板孔彈性收縮，管板與管子就產(chǎn)生一定的擠緊壓力，緊密地貼在一起，達(dá)到密封緊固連接的目的；采用脹接時(shí)，管板硬度應(yīng)高于換熱管管端，以保證脹接質(zhì)量；脹接長度l取下列三者中的較小者： 1). 兩倍換熱管外徑； 2). 50mm； 3). 管板厚度減3mm。2. 2. 換熱管與管板的連接換熱管與管板的連接2.1 脹接脹接管板上的孔，有孔壁開槽的與孔壁不開槽的兩種，孔壁開槽管板上的孔，有孔壁開槽的與孔壁不開槽的兩種，孔壁開槽可以增加連接強(qiáng)度和緊密性，因?yàn)楫?dāng)脹管

7、后管子產(chǎn)生塑性變可以增加連接強(qiáng)度和緊密性，因?yàn)楫?dāng)脹管后管子產(chǎn)生塑性變形，管壁被嵌入小槽中。形，管壁被嵌入小槽中。在高溫高壓下，焊接連接能保持連接的緊密性；管板孔加工要求低，可節(jié)省加工工時(shí)；焊接工藝比脹接工藝簡單；在壓力不太高的情況下可使用較薄的管板；2.2 焊接焊接優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：由于管板與換熱管之間存在間隙，容易造成縫隙腐蝕；由于在焊接接頭處產(chǎn)生的熱應(yīng)力可能造成應(yīng)力腐蝕，也有可能造成破裂。焊接接頭的結(jié)構(gòu)焊接接頭的結(jié)構(gòu)2.3 脹焊結(jié)合脹焊結(jié)合 換熱管的排列應(yīng)在整個(gè)換熱器的截面上均勻地分布，要考慮排列緊湊、流體的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及制造等方面的因素。3. 3. 管板結(jié)構(gòu)管板結(jié)構(gòu)3.1 換熱

8、管排列形式換熱管排列形式優(yōu)點(diǎn)：在相同的管板面積上可排列較多的換熱管；優(yōu)點(diǎn)：在相同的管板面積上可排列較多的換熱管；主要適用于殼程介質(zhì)污垢少，且不需要進(jìn)行機(jī)械清洗的場(chǎng)合。主要適用于殼程介質(zhì)污垢少，且不需要進(jìn)行機(jī)械清洗的場(chǎng)合。3.1.1 正三角形和轉(zhuǎn)角正三角形排列正三角形和轉(zhuǎn)角正三角形排列優(yōu)點(diǎn)：便于清洗優(yōu)點(diǎn)：便于清洗；但在相同管板面積上排列但在相同管板面積上排列管數(shù)目最少；管數(shù)目最少；一般用于管束可抽出清洗一般用于管束可抽出清洗管間的場(chǎng)合。管間的場(chǎng)合。3.1.2 正方形和轉(zhuǎn)角正方形排列正方形和轉(zhuǎn)角正方形排列3.1.3 組合排列法組合排列法3.1.4 正三角形排列時(shí)管子的根數(shù)正三角形排列時(shí)管子的根數(shù)n

9、=3a(a+1)+1六角形的層數(shù)六角形的層數(shù)a對(duì)角線上的管數(shù)對(duì)角線上的管數(shù)b總根數(shù)總根數(shù)n13725193737496151191613127n=3a(a+1)+1 三角形排列管板上兩換熱管中心的距離稱為管間距；管間距的確定，要考慮管板強(qiáng)度和清洗管子外表面時(shí)所需空隙，它與換熱管在管板上的固定方法有關(guān)。3.2 管間距管間距管子外徑14192532384557最小管間距18253240485770固定管板式換熱器的換熱管在管板上的布置是有限制的，最大的布管圓： dl=di-2b3 其中：dl：布管限定圓直徑 di：換熱管殼體內(nèi)直徑 b3：管束最外層換熱管外表面至客體內(nèi)壁的最短距離3.3 布管限定圓

10、布管限定圓3.4 管程的分程管程的分程各管程換熱管根數(shù)應(yīng)基本相等；相鄰程間平均壁溫一般不應(yīng)該超過28 ；各程間的密封長度應(yīng)最短；分程隔板的形狀應(yīng)盡量簡單、便于加工；管程排列的要求：管程排列的要求： 為了提高殼程內(nèi)流體的流速和加強(qiáng)湍流程度，以提高傳熱效率，在殼程內(nèi)裝設(shè)折流板，它還起著支承換熱管的作用； 當(dāng)工藝上無裝折流板的要求，而管子比較細(xì)長時(shí)，應(yīng)考慮有一定數(shù)量的支承板，以便安裝和防止管子變形過大； 折流板的形狀：弓形、圓盤圓環(huán)形、帶扇形切口等幾種。4. 4. 折流板、支承板、旁路擋板折流板、支承板、旁路擋板4.1 折流板與支承板折流板與支承板關(guān)于弓形折流板 弓形折流板切除的弓形高度約為外殼直徑

11、的1040%，一般取2030%，過高或過低都不利于傳熱（參考化工原理傳熱相關(guān)章節(jié)）； 折流板的放置方式：臥式換熱器的殼程介質(zhì)為單相清潔流體時(shí)，折流板缺口應(yīng)水平上下臥式換熱器的殼程介質(zhì)為單相清潔流體時(shí)，折流板缺口應(yīng)水平上下放置，若氣體中含少量液體時(shí)，則應(yīng)在缺口朝上的折流板的最低處放置，若氣體中含少量液體時(shí)，則應(yīng)在缺口朝上的折流板的最低處開通液口；開通液口；若液體中含有少量氣體時(shí)，則應(yīng)在缺口朝下的折流板最高處開通氣孔若液體中含有少量氣體時(shí)，則應(yīng)在缺口朝下的折流板最高處開通氣孔臥式換熱器的殼程介質(zhì)為氣、液共存或液體中含有固相物料時(shí)，折流臥式換熱器的殼程介質(zhì)為氣、液共存或液體中含有固相物料時(shí)，折流板缺

12、口應(yīng)垂直左右放置，并在折流板最低處開通液口。板缺口應(yīng)垂直左右放置，并在折流板最低處開通液口。當(dāng)殼體與管束之間存在較大間隙時(shí)，可在管束上增設(shè)旁路擋板以當(dāng)殼體與管束之間存在較大間隙時(shí)，可在管束上增設(shè)旁路擋板以防止流體短路。防止流體短路。4.2 旁路擋板旁路擋板在立式冷凝器中，為減薄管壁上的液膜而提高傳熱系數(shù)，常常裝在立式冷凝器中，為減薄管壁上的液膜而提高傳熱系數(shù)，常常裝設(shè)攔液板以起到攔液膜的作用。設(shè)攔液板以起到攔液膜的作用。4.3 攔液板攔液板4.4 折流桿折流桿近年來開發(fā)了一種折流桿代替常用的折流板，這種新型結(jié)構(gòu)，近年來開發(fā)了一種折流桿代替常用的折流板，這種新型結(jié)構(gòu)，是在折流圈上焊有若干個(gè)圓形截

13、面的桿，形成一個(gè)柵圈；是在折流圈上焊有若干個(gè)圓形截面的桿，形成一個(gè)柵圈；若把四個(gè)折流圈疊起來看，各圈上的折流桿就組成了一個(gè)個(gè)若把四個(gè)折流圈疊起來看，各圈上的折流桿就組成了一個(gè)個(gè)方形小格，換熱管就在各個(gè)小方格之中，其上下左右均有折方形小格，換熱管就在各個(gè)小方格之中，其上下左右均有折流桿固定，可較好地防止換熱管的振動(dòng)。流桿固定，可較好地防止換熱管的振動(dòng)。但由于殼體與管子是剛性連接，實(shí)際伸長量應(yīng)該相等，就出現(xiàn)了殼體被拉伸、產(chǎn)生拉應(yīng)力；管子被壓縮，產(chǎn)生壓應(yīng)力。此拉、壓應(yīng)力就是溫差應(yīng)力，也稱為熱應(yīng)力；總拉伸力稱為溫差軸向力，用f表示；規(guī)定：f為正值表示殼體被拉伸、管子被壓縮，反之f為負(fù)。第三節(jié)、溫差應(yīng)力

14、第三節(jié)、溫差應(yīng)力lttlttsssttt00自由伸長量：自由伸長量：1. 1. 溫差應(yīng)力產(chǎn)生的原因溫差應(yīng)力產(chǎn)生的原因tttaeflsssaeflssstttaeflaeflsstttsttaeaettttf11)()(00ttafssaf其中：其中：224iotddnasdas中v 換熱器在使用過程中，承受換熱器在使用過程中，承受流體壓力和溫差應(yīng)力流體壓力和溫差應(yīng)力的聯(lián)合作用，這兩的聯(lián)合作用，這兩個(gè)力在管子與管板的連接處產(chǎn)生了一個(gè)拉脫力，使管子與管板有脫個(gè)力在管子與管板的連接處產(chǎn)生了一個(gè)拉脫力，使管子與管板有脫離的傾向；離的傾向；v 拉脫力的定義：管子每平方米脹接周邊上所受到的力，單位為拉脫力

15、的定義：管子每平方米脹接周邊上所受到的力，單位為pa；v 產(chǎn)生的地方：換熱管與管板的連接處；產(chǎn)生的地方：換熱管與管板的連接處；v 試驗(yàn)表明：焊接可以不用考慮拉脫力，而試驗(yàn)表明：焊接可以不用考慮拉脫力，而脹接卻要考慮拉脫力脹接卻要考慮拉脫力；2. 2. 管子拉脫力管子拉脫力 其中：p設(shè)計(jì)壓力，取管程壓力和殼程壓力的較大者，mpa； do換熱管外徑，mm； l脹接長度，mm； f每四根管子之間的面積，mm2。2.1 由操作壓力所引起的拉脫力由操作壓力所引起的拉脫力qpldpfqopv 三角形排列時(shí)：224866. 0odafv 正方形排列時(shí)：224odaf2.2 由溫差應(yīng)力所引起的拉脫力由溫差應(yīng)力

16、所引起的拉脫力qtldddldaqoiotottt4)(22 其中：t管子的溫差應(yīng)力，mpa ； at每根管子管壁橫截面積，mm2； do換熱管外徑，mm； di換熱管內(nèi)徑，mm； l脹接長度，mm。 由操作壓力和溫差應(yīng)力所引起的拉脫力可能是同一方向，也有可能是反方向的；若兩者同向：q=qp+qt若二者異向：q=qp-qt，方向取數(shù)值較大者的方向；若管子被壓縮、殼體被拉伸，即若管子被壓縮、殼體被拉伸，即f為正值，二者同向；為正值，二者同向；若管子被拉伸、殼體被壓縮，即若管子被拉伸、殼體被壓縮，即f為負(fù)值，二者異向。為負(fù)值，二者異向。2.3 總拉脫力總拉脫力q例題：有一臺(tái)冷凝器，管束由例題：有一

17、臺(tái)冷凝器，管束由109根根25*2的的1cr18ni9ti的不銹鋼鋼的不銹鋼鋼管制成，殼體內(nèi)徑為管制成，殼體內(nèi)徑為400mm，由，由20r鋼板卷焊制成，殼體厚度為鋼板卷焊制成，殼體厚度為6mm，兩管板間距為，兩管板間距為1500mm。該冷凝器的操作條件是：被冷凝的。該冷凝器的操作條件是：被冷凝的蒸汽走管內(nèi)，壓力為蒸汽走管內(nèi)，壓力為720mmhg，冷凝溫度為，冷凝溫度為118，管間是冷卻水，管間是冷卻水，壓力為壓力為0.2mpa，冷卻水入口溫度為，冷卻水入口溫度為28，出口為，出口為35，若殼體壁溫，若殼體壁溫取取30 ，試計(jì)算溫差應(yīng)力。，試計(jì)算溫差應(yīng)力。 解：已知條件： ts=30 tt=10

18、0 to=20 /110*136s/110*1 .166tmpaes510*1 . 2mpaet510*96. 1276506406mmdsas2222215800212541094mmddnaiotnaeaettttfsstttstt12249007650101 . 21158001096. 11)2030(1013)20100(101 .1611)()(556600mpaafss16076501224900mpaaftt5 .77158001224900查表殼體材料查表殼體材料20r的許用應(yīng)力為的許用應(yīng)力為133mpa，而現(xiàn)在殼體溫差應(yīng)力為，而現(xiàn)在殼體溫差應(yīng)力為160mpa，因此必須減少殼體的溫差應(yīng)力，那應(yīng)該怎樣降低溫差應(yīng)力呢？，因此必須減少殼體的溫差應(yīng)力，那應(yīng)該怎樣降低溫差應(yīng)力呢？可能的方法：增加