過程設(shè)備設(shè)計(jì)總結(jié)課換熱器PPT課件

1、復(fù)習(xí)：（思考題）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(dòng)的主要原因有哪些？14.防止換熱器管束振動(dòng)有哪些措施？第1頁/共115頁換熱設(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(dòng)第2頁/共115頁換熱設(shè)

2、備的設(shè)計(jì)內(nèi)容換熱設(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)第3頁/共115頁換熱設(shè)備應(yīng)滿足的基本要求：（1 1）滿足化工工藝要求（工藝過程所要求）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）。的溫度、壓力、流量、傳熱量等）。（2 2） 流體流動(dòng)阻力小，壓力降小，傳熱流體流動(dòng)阻力小，壓力降小，傳熱 效率高。效率高。（3 3）便于安裝、操作和維修。）便于安裝、操作和維修。（4 4）安全可靠，經(jīng)濟(jì)合理。）安全可靠，經(jīng)濟(jì)合理。第4頁/共115頁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)備的類型第5頁/共115頁換熱器的選型

3、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(dòng)力消耗 清洗、維修第6頁/共115頁管殼式換熱器選型時(shí)應(yīng)考慮的因素：流程的選擇流動(dòng)方式的選擇折流板的安裝換熱管的規(guī)格和排列第7頁/共115頁管殼式換熱器剛性結(jié)構(gòu)具有溫差補(bǔ)償?shù)慕Y(jié)構(gòu)第8頁/共115頁固定管板式換熱器第9頁/共115頁膨脹節(jié)結(jié)構(gòu)第10頁/共115頁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

4、內(nèi)便于清洗。第11頁/共115頁復(fù)習(xí)：（思考題）復(fù)習(xí)：（思考題）4.固定管板式換熱器為什么會(huì)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。第12頁/共115頁管

5、殼式換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)第13頁/共115頁換熱管的規(guī)格換熱管規(guī)格管程結(jié)構(gòu)管子管子d d 減小，減小，傳熱面積傳熱面積A A增大增大耐壓降低耐壓降低第14頁/共115頁換熱管的排列方式排列最多第15頁/共115頁管間距應(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第16頁/共115頁（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

6、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：第17頁/共115頁薄管板結(jié)構(gòu)及應(yīng)用選材：選材：力學(xué)性能力學(xué)性能耐腐蝕性耐腐蝕性第18頁/共115頁滿足強(qiáng)度條件下，盡量減少管板厚度滿足強(qiáng)度條件下，盡量減少管板厚度 減少熱應(yīng)力減少熱應(yīng)力考慮管程、殼程介質(zhì)腐蝕性的影響考慮管程、殼程介質(zhì)腐蝕性的影響第19頁/共115頁受力好，可以做的很薄，適用高壓、大直徑換熱器受力好，可以做的很薄，適用高壓、大直徑換熱器第20頁/共11

7、5頁避免兩種液體避免兩種液體混合混合第21頁/共115頁管箱結(jié)構(gòu)形式：清洗？分程？結(jié)構(gòu)形式：清洗？分程？第22頁/共115頁管箱、管板、殼體的連接第23頁/共115頁管束分程第24頁/共115頁 （1）管程數(shù)目不能太多，否則會(huì)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(huì)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：第25頁/共115頁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

8、+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第26頁/共115頁復(fù)習(xí)：（思考題）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)？第27頁/共115頁脹接管孔結(jié)構(gòu)強(qiáng)度脹適用范圍：P4.0MPa t 300oC第28頁/共115頁第29頁/共115頁第30頁/共115頁優(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。第31頁/共115頁第32頁/共115頁殼程結(jié)構(gòu)第33頁/共115頁殼體防沖擋板：作用？連接方

9、式？防沖擋板：作用？連接方式？導(dǎo)流筒：作用？導(dǎo)流筒：作用？第34頁/共115頁導(dǎo)流筒第35頁/共115頁折流板vd41Q2折流板：作用？方式？折流板：作用？方式？第36頁/共115頁第37頁/共115頁三種折流板布三種折流板布置方式的適用置方式的適用場合？場合？第38頁/共115頁各種折流板的各種折流板的適用場合？適用場合？第39頁/共115頁第40頁/共115頁折流板的布置原則1 1、折流板一般應(yīng)等距布置，盡量靠近殼程進(jìn)出口接、折流板一般應(yīng)等距布置，盡量靠近殼程進(jìn)出口接管。管。2 2、折流板最小間距應(yīng)不小于殼體內(nèi)直徑的、折流板最小間距應(yīng)不小于殼體內(nèi)直徑的1/51/5，且不，且不小于小于505

10、0mmmm，最大間距應(yīng)不大于殼體內(nèi)直徑。最大間距應(yīng)不大于殼體內(nèi)直徑。3 3、折流板管孔與換熱管間隙、折流板與殼體內(nèi)壁間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。隙不能太大或太小。4 4、弓形折流板缺口弦高、弓形折流板缺口弦高h(yuǎn) h一般取一般取 h h（0.200.200.450.45）D Di i，通常取通常取0.250.25D Di i。5 5、支持板形狀與尺寸、支持板形狀與尺寸 按折流板設(shè)計(jì)。按折流板設(shè)計(jì)。第41頁/共115頁折流板的安裝d14mm時(shí)第42頁/共115頁第43頁/共115頁殼程流路F第44頁/共115頁第45頁/共115頁折流桿第46頁/共115頁第47頁

11、/共115頁第48頁/共115頁新型防振折流桿結(jié)構(gòu)螺旋防振折流板換熱器結(jié)構(gòu)第49頁/共115頁第50頁/共115頁防短路結(jié)構(gòu)DN500mm時(shí)，設(shè)一對(duì)旁路擋板。DN=500mm1000時(shí)，設(shè)兩對(duì)旁路擋板。DN1000mm時(shí)，設(shè)三對(duì)旁路擋板。第51頁/共115頁每隔34排換熱管設(shè)置一根擋管，折流板缺口處不設(shè)擋管。管第52頁/共115頁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。第53頁/共115頁殼程分程對(duì)分流雙分流第54頁/共115頁管板設(shè)計(jì)GB151管殼式換熱器第55頁/共115頁復(fù)習(xí)：（思考題）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

12、？第56頁/共115頁影響管板強(qiáng)度計(jì)算的因素1、管束對(duì)管板的約束作用2、管孔對(duì)管板的削弱作用3、管板周邊不布管區(qū)對(duì)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(duì)管板應(yīng)力的影響第57頁/共115頁第58頁/共115頁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(duì)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)第59頁/共115頁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。第60頁/共11

13、5頁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。 第61頁/共115頁管板受力分析第62頁/共115頁管板危險(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)最大徑向彎矩處第63頁/共115頁圖2-52 管板徑向應(yīng)力隨半徑變化的曲線第64頁/共115頁危險(xiǎn)工況組合Pt 0， PS =0，t=0max1.5tPS0，Pt=0，t 0max3tPS0，Pt=0，t=0max1.5tPt 0， PS =0，t 0max3tPS殼程壓力shellPt管程壓力

14、tube第65頁/共115頁管板應(yīng)力的調(diào)整增加管板厚度降低殼體軸向剛度第66頁/共115頁過程設(shè)備強(qiáng)度計(jì)算軟件SW6第67頁/共115頁膨脹節(jié)設(shè)計(jì)第68頁/共115頁 設(shè)置膨脹節(jié)的作用設(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，）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。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。）防止管子與管板連接處不被拉脫。第69頁/共115頁膨脹節(jié)的形式第70頁/共115頁膨脹節(jié)的計(jì)算判斷是否需

15、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)第71頁/共115頁判斷是否需要設(shè)置膨脹節(jié)1、溫差引起的軸向力F1第72頁/共115頁2、介質(zhì)壓力引起的軸向力F2和F3第73頁/共115頁3、應(yīng)力評(píng)定tSSSAFF221殼壁應(yīng)力管壁應(yīng)力ttttAFF231拉脫力0qldaqt管子穩(wěn)定性crt第74頁/共115頁膨脹節(jié)的尺寸設(shè)計(jì)第75頁/共115頁膨脹節(jié)的應(yīng)力計(jì)算和強(qiáng)度校核1 1、內(nèi)壓引起的軸向薄膜應(yīng)力1 12 2、內(nèi)壓引起的經(jīng)向薄膜應(yīng)力2 23 3、內(nèi)壓引起的經(jīng)向彎曲應(yīng)力3 34 4、軸向力引起的經(jīng)向薄膜應(yīng)力4 45 5、軸向力引起的經(jīng)向彎曲應(yīng)力5 5第7

16、6頁/共115頁膨脹節(jié)的軸向剛度exexFKfpmchEsDKEJMA337 . 1公式：fpmchsEmDK337 . 1多層膨脹節(jié)：第77頁/共115頁管束的振動(dòng)和防振縱向流體誘導(dǎo)振動(dòng)橫向流體誘導(dǎo)振動(dòng)第78頁/共115頁振動(dòng)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）第79頁/共115頁激振機(jī)理卡曼渦街第80頁/共115頁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

17、條件第81頁/共115頁湍流顫振湍流顫振主頻率與換熱管自振頻率相等時(shí)會(huì)引起換熱管共振第82頁/共115頁聲振動(dòng)第83頁/共115頁第84頁/共115頁 關(guān)于聲振動(dòng)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(huì)隨殼程流體流速的增大而減小，所以聲振強(qiáng)度不會(huì)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(huì)發(fā)生聲振動(dòng)。（3）聲振動(dòng)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。第85頁/共115頁射流轉(zhuǎn)換節(jié)徑比1.5第86頁/共115頁橫流速度較低時(shí)卡曼渦街聲振動(dòng)橫流速度較高時(shí)流體彈性激振橫流速

18、度很高時(shí)射流轉(zhuǎn)換第87頁/共115頁換熱管振動(dòng)破壞的形式第88頁/共115頁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形管的自振頻率第89頁/共115頁振動(dòng)判據(jù)5 . 01ffv振動(dòng)可能振動(dòng)可能5 . 01fft振動(dòng)可能2 . 18 . 0avff2 . 18 . 0atff振動(dòng)可能cvv 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 第90頁/共115頁（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）。

19、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７勒翊胧┑?1頁/共115頁防振措施第92頁/共115頁防振措施第93頁/共115頁防振措施第94頁/共115頁防振措施第95頁/共115頁傳熱強(qiáng)化技術(shù)傳熱方程式Q=KFT第96頁/共115頁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)第97頁/共115頁2、加大平均溫差逆流換熱第98頁/共115頁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)化第99頁/共115頁螺旋槽管槽管傳熱強(qiáng)化舉例第100頁/共115頁螺旋槽管螺旋槽管第101頁/共115頁翅片第102頁/共115頁第103頁/共115頁螺旋翅片管第104頁/共115頁第105頁/共115頁第106頁/共115頁第107頁/共115頁第108頁/共115頁翅片結(jié)構(gòu)不適用于：高表面張力的液體冷凝含有大量固體顆粒的流體易結(jié)垢的流體第109頁/共115頁殼程強(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第110頁/共115頁（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