管殼式換熱器的機(jī)械設(shè)計(jì)

1、第七章管殼式換熱器的機(jī)械設(shè)計(jì)本章重點(diǎn)： 固定管板式換熱器的基本結(jié)構(gòu)本章難點(diǎn)： 管、殼的分程及隔板建議學(xué)時(shí)： 4 學(xué)時(shí)第一節(jié)概述一、定義：換熱器是用來完成各種不同傳熱過程的設(shè)備。二、衡量標(biāo)準(zhǔn)：1.先進(jìn)性傳熱效率高，流體阻力小，材料?。?.合理性可制造加工，成本可接受；3.可靠性強(qiáng)度滿足工藝條件。三、舉例1 冷卻器（ cooler）1)用空氣作介質(zhì)空冷器aircooler2) 用氨、鹽水、氟里昂等冷卻到 0-20 保冷器 deepcooler 2 冷凝器 condenser1) 分離器2) 全凝器3 加熱器（一般不發(fā)生相變）heater1) 預(yù)熱器（ preheater） 粘度大的液體，噴霧狀不好

2、，預(yù)熱使其粘度下降；2) 過熱器（ superheater）加熱至飽和溫度以上。4蒸發(fā)器 (etaporater),發(fā)生相變5再沸器（ reboiler ）6廢熱鍋爐（wasteheatboiler ）看下圖說明其結(jié)構(gòu)及名稱四、管殼式換熱器的分類1、 固定管板式換熱器：優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、布管多，管內(nèi)便于清洗，更換、造價(jià)低，應(yīng)用廣泛。管壞時(shí)易堵漏。缺點(diǎn)：不易清洗殼程，一般管殼壁溫差大于50，設(shè)置膨脹節(jié)。適用于殼程介質(zhì)清潔，不易結(jié)垢， 管程需清洗以及溫差不大或溫差雖大但是殼程壓力不大的場合。2、浮頭式換熱器：管束可以抽出，便于清洗；但這類換熱器結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，金屬耗量較大。適用于介質(zhì)易結(jié)垢的場合。

3、3、填料函式換熱器：造價(jià)比浮頭式低檢修、清洗容易，填料函處泄漏能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，但殼程內(nèi)介質(zhì)由外漏的可能，殼程中不宜處理易揮發(fā)、易燃、易爆、有毒的介質(zhì)。適用于低壓小直徑場合。4、 U 型管式換熱器：結(jié)構(gòu)簡單，造價(jià)低，殼程可清洗，但管程不能清洗，一個(gè)管板，管子可自由伸縮，無溫差應(yīng)力，管板上布管少，結(jié)構(gòu)不緊湊，管子壞時(shí)不易修補(bǔ)。適用于管、殼壁溫差較大的場合，尤其是管內(nèi)介質(zhì)清潔不易結(jié)垢的高溫、高壓、腐蝕性較強(qiáng)的場合。五、管殼式換熱器機(jī)械設(shè)計(jì)內(nèi)容管殼式換熱器的設(shè)計(jì)：1、 根據(jù)化工生產(chǎn)工藝條件的要求，通過化工工藝計(jì)算，確定換熱器的傳熱面積，同時(shí)選擇管徑、管長，決定管數(shù)、管程數(shù)和殼程數(shù)；2、 然后進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)。

4、內(nèi)容有：1） 殼體直徑的決定和殼體厚度的計(jì)算；2） 換熱器封頭選擇，壓力容器法蘭選擇；3） 管板尺寸確定；4） 折流板的選擇與計(jì)算；5） 管子拉脫力的計(jì)算；6） 溫差應(yīng)力計(jì)算。第二節(jié)管子的選用及其與管板的連接一、管子的選用1、直徑：小直徑管子單位傳熱面積的金屬消耗量小，傳熱系數(shù)稍高，但容易結(jié)垢，不易清洗，用于較清潔的流體；大直徑管子用于粘性大或污濁的流體。2、規(guī)格：（外徑×壁厚） ，長度按規(guī)定決定。3、結(jié)構(gòu)型式： 多用光管， 因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)簡單，制造容易；為強(qiáng)化傳熱，也采用異型管、翅片管、螺紋管等 。4、 材料：根據(jù)壓力、溫度、介質(zhì)的腐蝕性能決定。主要有碳素鋼、合金鋼、銅、鈦、塑料、石墨等

5、。二、管子與管板的連接：(一 )脹接：1)過程：最普通的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， 取去脹管器后， 管板與管子產(chǎn)生一定的擠壓力， 貼在一起達(dá)到密封緊固連接的目的。2）適用范圍：換熱管為碳素鋼，管板為碳素鋼或低合金鋼，設(shè)計(jì)壓力4Mpa ，設(shè)計(jì)溫度300，且無特殊要求的場合。外徑d14mm，不適合脹接。3）要求管板硬度大于管子硬度，否則將管端退火后再脹接。脹接時(shí)管板上的孔可以是光孔，也可開槽(二 )焊接：優(yōu)點(diǎn)： 在高溫高壓條件下，焊接連接能保持連接的緊密性，管板加工要求可降低，節(jié)省孔的加工工時(shí)，工藝較脹接簡單，壓力較低時(shí)可使用較薄的管板。缺

6、點(diǎn)： 在焊接接頭處產(chǎn)生的熱應(yīng)力可能造成應(yīng)力腐蝕開裂和疲勞破裂，同時(shí)管子、 管板間存在間隙，易出現(xiàn)間隙腐蝕。結(jié)構(gòu)：主要有4 種（三 )脹焊并用前面我們講了脹接、焊接后，會發(fā)現(xiàn)它們各自有優(yōu)、缺點(diǎn)，因而目前廣泛應(yīng)用了脹焊并用的方法，這種方法能提高連接處的抗疲勞性能，消除應(yīng)力腐蝕和間隙腐蝕，提高使用壽命。脹焊并用連接主要有：強(qiáng)度焊貼脹先焊后脹強(qiáng)度脹密封焊先脹后焊先焊后脹：高溫高壓換熱器中大多用厚壁管， 脹接時(shí)要使用潤滑油， 進(jìn)入接頭后縫隙中會在焊接時(shí)生成氣體，惡化焊縫質(zhì)量，只要脹接過程控制得當(dāng)，先焊后脹可避免這一弊病。先脹后焊：適用于管子與管板材料焊接性能較差的材料，脹接時(shí)不用潤滑油，可防止產(chǎn)生焊接裂

7、紋。第三節(jié)管板結(jié)構(gòu)一、換熱管排列方式：1、正三角形和轉(zhuǎn)角正三角形排列三角形排列緊湊，傳熱效果好，同一板上管子比正方形多排10%左右，同一體積傳熱面積更大。適用于殼程介質(zhì)污垢少，且不需要進(jìn)行機(jī)械清洗的場合。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，管間小橋形成一條直線通道，便于機(jī)械清洗。要經(jīng)常清洗管子外表面上的污垢時(shí)，多用正方形排列或轉(zhuǎn)角正方形排列。3組合排列法：多程換熱器中。二、管間距：管間距指兩相鄰換熱管中心的距離。要求管間距 1.25d0，符合國標(biāo)規(guī)定，便于管子與管板間的連接，因?yàn)閷τ诿浗踊蚝附觼碇v， 管子間距離太近，那么都會影響連接質(zhì)量。最外層管壁與殼壁之間的距離為10mm，主要

8、是為折流板易于加工，不易損壞。三、換熱器管板強(qiáng)度計(jì)算的理論依據(jù)簡介1.實(shí)心園平板模型：將管板當(dāng)作受均布載荷的實(shí)心園板，以按彈性理論得到的園平板最大彎曲應(yīng)力為主要依據(jù)， 并加以適當(dāng)?shù)男拚禂?shù)來考慮管板開孔削弱和管束的實(shí)際支承作用，由此得到管板厚度的計(jì)算公式，偏于安全。2.彈性基礎(chǔ)模型：將管束當(dāng)作彈性支承，而管板則作為放置于這彈性基礎(chǔ)上的圓板，然后根據(jù)載荷大小、 管束的剛度及周邊支承情況來確定管板的彎曲應(yīng)力。 由于它較全面地考慮了管束的支承和溫差的影響，因而較精確，但計(jì)算公式較多，計(jì)算過程繁瑣，GB151-1999 采用的就是此法3.菱形面積法：取管板上相鄰四根管子之間的菱形面積，按彈性理論求此面

9、積在均布壓力作用下的最大彎曲應(yīng)力。由于此方法與管板實(shí)際受載情況相差較大，所以公用于粗略估算。四、管程的分程及管板與隔板的連接1、 分程原因：當(dāng)換熱器所需的換熱面積較大，而管子做得太長時(shí)，就得增大殼體直徑，排列較多的管子。此時(shí)，為了增加管程流速，提高傳熱效果，須將管束分程，使流體依次流過各程管子。2、 分程原則：各程換熱管數(shù)應(yīng)大致相等；相鄰程間平均壁溫差一般不應(yīng)超過28；各程間的密封長度應(yīng)最短；分程隔板的形狀應(yīng)簡單。3、 分程隔板：單層和雙層兩種。如下圖。雙層隔板具有隔熱空間，可防止熱流短路。4、 分程方式：五、管板與殼體的連接結(jié)構(gòu)1、 不可拆的焊接式：固定管板式換熱器管板與殼體的連接（圖 7-

10、21）兼做法蘭；（圖 7-22）不兼做法蘭2、 可拆式：浮頭式、 U型管式及填料函式換熱器固定端管板與殼體的連接（圖7-23）第四節(jié)折流板、支承板、旁路擋板及攔液板的作用和結(jié)構(gòu)一、折流板及支承板1、 作用：提高殼程內(nèi)流體的流速加強(qiáng)湍流強(qiáng)度提高傳熱效率支撐換熱管。（當(dāng)工藝上無折流板要求而管子較細(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；支撐板的尺寸、形狀可與折流板相同。）2、 結(jié)構(gòu)：弓形、圓盤圓環(huán)形和帶扇形切口。3、 尺寸厚度與殼體直徑和折流板間距有關(guān)；折流板最小厚度按國標(biāo)選取。弓形折流板間距：最小間距 max 1 D i， 50mm5最大間距：不超過表7-7 規(guī)定，且 Di間隙：

11、折流板外徑與殼體之間的間隙要適當(dāng)，因?yàn)檫^小給安裝帶來困難，過大又影響傳效率。4、 折流板的固定1）拉桿定距管結(jié)構(gòu)，適用于換熱管外徑19mm 的管束折流板和支承板的固定是通過拉桿和定距管來實(shí)現(xiàn)的，如圖7-272）拉桿點(diǎn)焊結(jié)構(gòu)，適用于換熱管外徑14mm 的管束拉桿的數(shù)量不少于四根，直徑不小于10mm。應(yīng)盡量布置在管束的外邊緣，對于大直徑換熱器，在布管區(qū)或靠近折流板缺口處也應(yīng)布置適當(dāng)數(shù)量的拉桿。二、旁路擋板作用：阻止流體短路，迫使殼體流體通過管束進(jìn)行熱交換。結(jié)構(gòu)及安裝： 加工成規(guī)則的長條狀，長度等于折流板或支承板的板間距，兩端焊在折流板或支承板上。三、攔液板作用：立式冷凝器中起到截?cái)r液膜作用。在立式

12、冷凝器中為減薄管壁上的液膜而提高傳熱膜系數(shù)。第五節(jié)溫差應(yīng)力一、管壁與殼壁溫度差引起的溫差應(yīng)力（一）溫差應(yīng)力產(chǎn)生的原因：如圖所示 ,固定管板式換熱器的殼體與管子,在安裝溫度下,它們的長度均為L( 圖 a);當(dāng)操作時(shí) (圖 b),殼體和管子的溫度都升高,若管壁溫度高于殼壁溫度 ,則管子自由伸長量和殼體自由伸長量分別為= ( t - t )L= ( t - t )L式中,分別為管子和殼體材料的溫度膨脹系數(shù)，1/；t 安裝時(shí)的溫度，t ， t 分別為操作狀態(tài)下管壁溫度和殼壁溫度，由于管子與殼體是剛性連接，所以管子和殼體的實(shí)際伸長量必須相等，見圖c，因此就出現(xiàn)殼體被拉伸，產(chǎn)生拉應(yīng)力；管子被壓縮，產(chǎn)生壓應(yīng)

13、力。此拉、壓應(yīng)力就是溫差應(yīng)力。這就是溫差應(yīng)力產(chǎn)生的原因。（二）溫差應(yīng)力的計(jì)算：1 溫差軸向力F：由于溫差而使殼體被拉長的總拉伸力應(yīng)等于所有管子被壓縮的總壓縮力， 總拉伸力 （或總壓縮力） 就是溫差軸向力。符號規(guī)定F 為 +，表殼體被拉，管子被壓，反之則反之。2 溫差應(yīng)力（三）溫差應(yīng)力的補(bǔ)償1) 減少殼體與管束間的溫度差2) 裝設(shè)撓性構(gòu)件3) 使殼體和管束自由熱膨脹4) 雙套管溫度補(bǔ)償二、管子拉脫力的計(jì)算(一 )產(chǎn)生原因：1原因是：由于介質(zhì)壓力與溫差應(yīng)力的聯(lián)合作用，使管子和管板接頭處有分離趨勢，產(chǎn)生拉脫力。2拉脫力：管子每平方米脹接周邊上所受到的力（單位Mpa ）3實(shí)驗(yàn)表明：焊接接頭，拉脫力不足以引起接頭破壞；脹接接頭，要進(jìn)行拉脫力校核，以保證管端與管板連接的牢固性和密封性。（二