第7章__管殼式換熱器的機(jī)械設(shè)計(jì)

1、第7章 管殼式換熱器的機(jī)械設(shè)計(jì),第一節(jié)、換熱器概論,第二節(jié)、換熱管、管板與折流板,第三節(jié)、溫差應(yīng)力,第一節(jié)、換熱器概論,在化工廠建設(shè)投資中，換熱器占著很重要的份額，10%~40%；換熱器可以是熱交換器、加熱器、蒸發(fā)器、冷凝器等；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. 換熱器結(jié)構(gòu),管箱的作用：把管道中來(lái)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

2、起并送出換熱器，在多管程換熱器中，管箱還起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,E：?jiǎn)纬虤んw 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,1.3 換熱器的標(biāo)記方式,B：前端管箱為封頭式管箱；E：?jiǎn)纬虤んw（殼程為1）；B：后端管箱

3、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(zhǎng)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,例如：,其中：,兩管板由換熱管相互支撐，管板最?。唤Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)較低；管外清洗困難；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)置膨脹節(jié)；適合于殼程介質(zhì)清潔、不易結(jié)垢，管程需清洗以及溫差不

4、大或溫差雖大但管程壓力不高的場(chǎng)合。,2. 換熱器的分類,2.1 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)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,管束一端可以自由膨脹，檢修、清洗方便；實(shí)際上是另一種形式的浮頭式換熱器，只不過(guò)把原置于殼體內(nèi)的浮頭移至殼體之外，并用填料函來(lái)密封殼程介質(zhì)，以防泄漏；殼程內(nèi)介質(zhì)有外

5、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,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、腐蝕性較強(qiáng)的場(chǎng)合。,2.4 U型管式換熱器,殼體直徑的確定和殼體壁厚的計(jì)算；換熱器封頭選擇，壓力容器法蘭選擇；管板尺寸

6、的確定；管子拉脫力的計(jì)算；折流板的選擇與計(jì)算；溫差應(yīng)力的計(jì)算；接管的選擇；接管法蘭的選擇；開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)；換熱器支座；附件。,3. 管殼式換熱器機(jī)械設(shè)計(jì)的內(nèi)容,換熱管的長(zhǎng)度、直徑壁厚都有一定的標(biāo)準(zhǔn)；換熱管長(zhǎng)：1500，2000，2500，3000，4500，5000，6000，7500，9000，12000等等；長(zhǎng)徑比一般在4~25之間，常用為6~10；換熱管規(guī)格：,第二節(jié)、換熱管、管板與折流板,1. 換熱管的選用,脹接

7、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(zhǎng)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.

8、換熱管與管板的連接,2.1 脹接,管板上的孔，有孔壁開(kāi)槽的與孔壁不開(kāi)槽的兩種，孔壁開(kāi)槽可以增加連接強(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。,,,,,,,,,,,,,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(jiǎn)單；在壓力不太高的情況下可使用較薄的管板；,2.2 焊接,優(yōu)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

9、的熱應(yīng)力可能造成應(yīng)力腐蝕，也有可能造成破裂。,2.3 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. 管板結(jié)構(gòu),3.1 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；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,,優(yōu)點(diǎn)：便于清洗；但在相同管板面積上排列管數(shù)目最少；一般用于管束可抽出清

10、洗管間的場(chǎng)合。,3.1.2 正方形和轉(zhuǎn)角正方形排列,3.1.3 組合排列法,,3.1.4 正三角形排列時(shí)管子的根數(shù),N=3a(a+1)+1,N=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,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：

11、 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,3.4 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(guò)28℃ ；各程間的密封長(zhǎng)度應(yīng)最短；分程隔板的形狀應(yīng)盡量簡(jiǎn)單、便于加工；,管程排列的要求：,為了提高殼

12、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(wú)裝折流板的要求，而管子比較細(xì)長(zhǎng)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(guò)大；折流板的形狀：弓形、圓盤(pán)—圓環(huán)形、帶扇形切口等幾種。,4. 折流板、支承板、旁路擋板,4.1 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的10~40%，一般取20~30%，過(guò)高或過(guò)低都不利于傳熱（參考《化工原理》

13、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(kāi)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(kāi)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)，折流板缺口應(yīng)垂直左右放置，并在折流板最低處開(kāi)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)旁路擋板以防止流體短路。,4.2 旁路擋

14、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)，常常裝設(shè)攔液板以起到攔液膜的作用。,4.3 攔液板,,,4.4 折流桿,近年來(lái)開(kāi)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)圓形截面的桿，形成一個(gè)柵圈；若把四個(gè)折流圈疊起來(lái)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(zhǎng)量應(yīng)該相等，就出現(xiàn)了殼

15、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,自由伸長(zhǎng)量：,1. 溫差應(yīng)力產(chǎn)生的原因,其中：,換熱器在使用過(guò)程中，承受流體壓力和溫差應(yīng)力的聯(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，使管子與管板有脫離的傾向；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Pa；產(chǎn)生

16、的地方：換熱管與管板的連接處；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；,2. 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(zhǎng)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qp,三角形排列時(shí)：,正方形排列時(shí)：,2.

17、2 由溫差應(yīng)力所引起的拉脫力qt,其中：σt——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(zhǎng)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

18、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F為正值，二者同向；若管子被拉伸、殼體被壓縮，即F為負(fù)值，二者異向。,2.3 總拉脫力q,例題：有一臺(tái)冷凝器，管束由109根Φ25*2的1Cr18Ni9Ti的不銹鋼鋼管制成，殼體內(nèi)徑為400mm，由20R鋼板卷焊制成，殼體厚度為6mm，兩管板間距為1500mm。該冷凝器的操作條件是：被冷凝的蒸汽走管內(nèi)，壓力為720mmHg，冷凝溫度為118℃，管間是冷

19、卻水，壓力為0.2MPa，冷卻水入口溫度為28℃，出口為35℃，若殼體壁溫取30 ℃，試計(jì)算溫差應(yīng)力。,解：已知條件： ts=30 ℃ tt=100 ℃ to=20 ℃,℃,℃,查表殼體材料20R的許用應(yīng)力為133MPa，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？,可能的方法：增加殼體壁厚,比較結(jié)果，殼體溫差應(yīng)力從160MPa降到143.4MPa，減少了10.4

20、%； 管束溫差應(yīng)力從77.5MPa增到93.1MPa，增大了20%；,因此，用增加殼體厚度的方法來(lái)減少溫差應(yīng)力的思路是不對(duì)的！因?yàn)樗鼜母旧线`背了處理溫差應(yīng)力問(wèn)題的原則。減少溫差應(yīng)力的原則是：減少對(duì)熱變形的限制。而增大殼體厚度只能增大對(duì)管束熱變形的限制。,正確的作法：在換熱器殼體上安裝膨脹節(jié)。,減少殼體與管束間的溫度差；裝設(shè)撓性構(gòu)件；使殼體和管束自由熱膨脹；雙套管溫度補(bǔ)償。,3. 溫差