各種換熱器設(shè)計(jì)詳細(xì)說明書-原稿

1、化 工 設(shè) 計(jì)說 明 書設(shè)計(jì)題目： 煤油冷卻器的設(shè)計(jì) 設(shè) 計(jì) 人： 專業(yè)班級： 學(xué) 號： 指導(dǎo)老師： 二 九 年 六 月 八 日前言化工原理課程設(shè)計(jì)是化工原理教學(xué)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，是綜合應(yīng)用本門課程和有關(guān)先修課程所學(xué)知識，完成以單元操作為主的一次設(shè)計(jì)實(shí)踐。通過課程設(shè)計(jì)使學(xué)生掌握化工設(shè)計(jì)的基本程序和方法，并在查閱技術(shù)資料、選用公式和數(shù)據(jù)、用簡潔文字和圖表表達(dá)設(shè)計(jì)結(jié)果、制圖以及計(jì)算機(jī)輔助計(jì)算等能力方面得到一次基本訓(xùn)練，在設(shè)計(jì)過程中能夠培養(yǎng)學(xué)生樹立正確的設(shè)計(jì)思想和實(shí)事求是、嚴(yán)肅負(fù)責(zé)的工作作風(fēng)。化工原理課程設(shè)計(jì)是化工原理課程教學(xué)的一個(gè)實(shí)踐環(huán)節(jié)，是使學(xué)生得到化工設(shè)計(jì)的初步訓(xùn)練，為畢業(yè)設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。圍繞以某

2、一典型單元設(shè)備(如板式塔、填料塔、干燥器、蒸發(fā)器、冷卻器等)的設(shè)計(jì)為中心，訓(xùn)練學(xué)生非定型設(shè)備的設(shè)計(jì)和定型設(shè)備的選型能力。設(shè)計(jì)時(shí)數(shù)為3周，其基本內(nèi)容為：(1)設(shè)計(jì)方案簡介：對給定或選定的工藝流程、主要設(shè)備的型式進(jìn)行簡要的論述。(2)主要設(shè)備的工藝設(shè)計(jì)計(jì)算(含計(jì)算機(jī)輔助計(jì)算)：物料衡算，能量衡量，工藝參數(shù)的選定，設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝尺寸的設(shè)計(jì)計(jì)算。(3)輔助設(shè)備的選型：典型輔助設(shè)備主要工藝尺寸的計(jì)算，設(shè)備的規(guī)格、型號的選定。(4)工藝流程圖：以單線圖的形式繪制，標(biāo)出主體設(shè)備與輔助設(shè)備的物料方向，物流量、能流量，主要測量點(diǎn)。(5)主要設(shè)備的工藝條件圖：圖面應(yīng)包括設(shè)備的主要工藝尺寸，技術(shù)特性表和接管表

3、。(6)設(shè)計(jì)說明書的編寫。設(shè)計(jì)說明書的內(nèi)容應(yīng)包括：設(shè)計(jì)任務(wù)書，目錄，設(shè)計(jì)方案簡介，工藝計(jì)算及主要設(shè)備設(shè)計(jì)，輔助設(shè)備的計(jì)算和選型，設(shè)計(jì)結(jié)果匯總，設(shè)計(jì)評述，參考文獻(xiàn)。整個(gè)設(shè)計(jì)由論述，計(jì)算和圖表三個(gè)部分組成，論述應(yīng)該條理清晰，觀點(diǎn)明確；計(jì)算要求方法正確，誤差小于設(shè)計(jì)要求，計(jì)算公式和所有數(shù)據(jù)必需注明出處；圖表應(yīng)能簡要表達(dá)計(jì)算的結(jié)果。在化工、石油、動力、制冷、食品等行業(yè)中廣泛使用各種換熱器，且是上述這些行業(yè)的通用設(shè)備，占有十分重要的地位。隨著我國工業(yè)的不斷發(fā)展，對能源利用、開發(fā)和節(jié)約的要求不斷提高，因而對換熱器的要求也日益加強(qiáng)。換熱器的設(shè)計(jì)制造結(jié)構(gòu)改進(jìn)以及傳熱機(jī)理的研究十分活躍，一些新型高效換熱器相繼問

4、世。完善的換熱器在設(shè)計(jì)或選型時(shí)應(yīng)滿足以下基本要求：（1） 合理地實(shí)現(xiàn)所規(guī)定的工藝條件；（2） 結(jié)構(gòu)安全可靠；（3） 便于制造、安裝、操作和維修；（4） 經(jīng)濟(jì)上合理。 隨著換熱器在工業(yè)生產(chǎn)中的地位和作用不同，換熱器的類型也多種多樣，不同類型的換熱器各有優(yōu)缺點(diǎn)，性能各異。在換熱器設(shè)計(jì)中，首先應(yīng)根據(jù)工藝要求選擇適用的類型，然后計(jì)算換熱所需傳熱面積，并確定換熱器的結(jié)構(gòu)尺寸。目錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc232825670 設(shè)計(jì)任務(wù)書 各程中最小（或最大）管數(shù)。總管數(shù)：222管程數(shù)：4平均每程管數(shù)：Ncp=55各程管數(shù)：=51（3程），=60（1程）中心一行的管數(shù)

5、Nr=587.5/32=18采用正三角形排列，層數(shù)為8層管程分布：第三節(jié) 進(jìn)出口設(shè)計(jì)在換熱器的殼體和管箱上一般均裝有接管或接口以及進(jìn)出口管。在殼體和大多數(shù)管箱的底部裝有排液管，上部設(shè)有排氣管，殼側(cè)也常設(shè)有安全閥接口以及其他諸如溫度計(jì)、壓力表、液位計(jì)和取樣管接口。對于立式管殼式換熱器，必要時(shí)還應(yīng)設(shè)置溢流管。由）于在殼體、管箱殼體上開孔，必然會對殼體局部位置的強(qiáng)度造成削弱。因此，殼體、管箱殼體上的接管設(shè)置，除考慮其對傳熱和壓降的影響外，還應(yīng)考慮殼體的強(qiáng)度以及安裝、外觀等因素。1、接管外伸長度接管外伸長度也叫接管伸出長度，是指接管法蘭面到殼體（管箱殼體）外壁的長度?？砂聪率接?jì)算： 式中l(wèi)接管外伸長度

6、，mm； h接管法蘭厚度，mm； hl接管法蘭的螺母厚度，mm； 保溫層厚度，mm。除按上式計(jì)算外，接管外伸長度也可由表4-3-1的數(shù)據(jù)選取表4-3-1 PN4.0MPa的接管外伸長度 DN05051757610010112512615015117517620080150150200200250250300150200200200200250250300由于是冷卻器，不需要設(shè)置保溫層故=0mm。因此殼程接管外伸長度為150mm，管程接管外伸長度為200mm。2、接管與筒體、管箱殼體的連接1）結(jié)構(gòu)型式接管與殼體、管箱殼體（包括封頭）連接的結(jié)構(gòu)型式，采用插入式焊接結(jié)構(gòu)。一般接管不得凸出于殼體的內(nèi)表

7、面。 2）開孔補(bǔ)強(qiáng)（1）補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)原則等面積補(bǔ)強(qiáng)法的設(shè)計(jì)原則 局部補(bǔ)強(qiáng)的金屬截面積必須大于或等于開孔所減去的殼體截面積，其含義在于補(bǔ)強(qiáng)殼壁的平均強(qiáng)度，用與開孔等截面的外加金屬來補(bǔ)償被削弱的殼壁強(qiáng)度。但是這種補(bǔ)強(qiáng)方法并不能完全解決應(yīng)力集中問題。當(dāng)補(bǔ)強(qiáng)金屬集中于開孔接管的根部時(shí)，補(bǔ)強(qiáng)效果良好；當(dāng)補(bǔ)強(qiáng)金屬比較分散時(shí)，即使100%等面積補(bǔ)強(qiáng)，仍不能有效地解決應(yīng)力集中系數(shù)。塑性失效補(bǔ)強(qiáng)原則 開孔容積在接管處達(dá)到全域塑性時(shí)的極限壓力等于無孔殼體的屈服壓力；同時(shí)，按彈性計(jì)算的最大應(yīng)力應(yīng)不超過2s，即：而代入上式，得該式表明：如果將薄膜應(yīng)力控制在許用應(yīng)力以下，那么應(yīng)力集中區(qū)的最大應(yīng)力集中系數(shù)可以允許達(dá)到3.0。

8、應(yīng)該指出，這種補(bǔ)強(qiáng)方法只允許采用整體鍛件補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)。（2）補(bǔ)強(qiáng)形式內(nèi)加強(qiáng)平齊接管 將補(bǔ)強(qiáng)金屬加在接管或殼體的內(nèi)側(cè)。外加強(qiáng)平齊接管 將補(bǔ)強(qiáng)金屬加在接管或殼體的外側(cè)。對稱加強(qiáng)凸出接管 采用凸出（插入）接管，接管的內(nèi)伸與外伸部分實(shí)行對稱加強(qiáng)。密集補(bǔ)強(qiáng) 將補(bǔ)強(qiáng)金屬密集地加在接管和殼體的連接處。理論和實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明，從強(qiáng)度角度來看，密集補(bǔ)強(qiáng)最好，對稱凸出接管補(bǔ)強(qiáng)次之，內(nèi)加強(qiáng)平齊接管補(bǔ)強(qiáng)第三，而外加強(qiáng)平齊接管補(bǔ)強(qiáng)最差。而從制造角度來看，密集補(bǔ)強(qiáng)必須從接管根部和殼體連接處做成一個(gè)整體結(jié)構(gòu)，這就給制造加工帶來了困難，而且容器和開孔的直徑越大，加工越困難；凸出接管對稱加強(qiáng)形式，連接處的內(nèi)側(cè)焊接困難，且容器和開孔

9、越小越困難；對于內(nèi)加強(qiáng)平齊接管來說，除加工制造困難外，還會給工藝流程帶來一些其它問題。因此，一般不采用這種形式。我們這里選擇采用外加強(qiáng)平齊接管的補(bǔ)強(qiáng)形式。（3）補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)是指補(bǔ)強(qiáng)金屬采用什么樣的結(jié)構(gòu)方式與被補(bǔ)強(qiáng)的殼體或接管連成一體。主要有以下幾種：補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu) 以補(bǔ)強(qiáng)圈作為補(bǔ)強(qiáng)金屬焊接在殼體與接管連接處。補(bǔ)強(qiáng)圈的材料一般與器壁的材料相同，其厚度一般也與器壁厚度相同。補(bǔ)強(qiáng)板與被補(bǔ)強(qiáng)的器壁之間要很好地焊接，使其與器壁能同時(shí)受力，否則起不到補(bǔ)強(qiáng)作用。為了檢驗(yàn)焊縫的緊密性，補(bǔ)強(qiáng)板上開有一個(gè)M10的小螺紋孔，從這里通入壓縮空氣，并在補(bǔ)強(qiáng)圈與器壁的連接焊縫外涂抹肥皂水，如果焊縫由缺陷，就會在該處吹

10、起肥皂泡。而這種結(jié)構(gòu)由于補(bǔ)強(qiáng)板和殼體或接管金屬煤油形成一個(gè)整體，溫差應(yīng)力大，抗疲勞的能力差。由于這些缺點(diǎn)，補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)只適用與一般中、低壓容器。而且采用補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)遵循以下規(guī)定：鋼材的標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度下限值；補(bǔ)強(qiáng)圈厚度小于或等于1.5Sn（Sn為殼體開孔處的名義壁厚，mm）；殼體名義厚度不大于38mm；加強(qiáng)元件補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu) 將接管或殼體開孔附近需要補(bǔ)強(qiáng)的部分，做成加強(qiáng)元件，然后再與接管和殼體焊在一起。整體補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu) 增加殼體的厚度，或用全焊透的結(jié)構(gòu)形式將厚壁接管或整體補(bǔ)強(qiáng)鍛件與殼體相焊。在這里我們采用補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)。 （4）不另行補(bǔ)強(qiáng)的最大開孔直徑殼體開孔滿足下面全部要求時(shí)，可不另行補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)壓力不

11、大于2.5MPa；兩相鄰開孔中心的間距（對于曲面間距以弧長計(jì)算）應(yīng)不小于兩孔直徑之和的兩倍；接管公稱外徑不大于89mm；接管最小壁厚滿足表4-3-2要求表4-3-2 接管最小壁厚接管公稱外徑253238454857657689最小壁厚3.54.05.06.0因此殼程接管可以不補(bǔ)強(qiáng)。5）管程等面積補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算補(bǔ)強(qiáng)圈外徑補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)厚度一般與器壁厚度相等，故取補(bǔ)強(qiáng)圈厚度為8mm，則補(bǔ)強(qiáng)圈外徑DH=2d=2150=300mm3、排氣、排液管 為提高傳熱效率，排除或回收工作殘液（氣）及凝液，凡不能借助其他接管排氣或排液的換熱器，應(yīng)該在其殼程和管程的最高、最低點(diǎn)，分別設(shè)置排氣、排液接管。排氣、排液接管的端部必

12、須與殼體或管箱殼體內(nèi)壁平齊，其結(jié)構(gòu)如下圖。排氣口和排液口的尺寸一般不小于15mm。臥式換熱器的排氣、排液口多采用（a）結(jié)構(gòu)，設(shè)置的位置分別在殼體、管箱殼體的上部和底部。在立式換熱設(shè)備中，當(dāng)公稱壓力PN2.5MPa時(shí)，則選用（c）、（d）結(jié)構(gòu)。即殼程排氣、排液口采用在管板上開設(shè)不小于16mm的小孔，管端采用螺塞或焊上接管法蘭。（c）結(jié)構(gòu)通道易堵塞，螺塞易銹死，對于不清潔、有腐蝕性的物料，不宜采用這種結(jié)構(gòu)。換熱器管間為蒸汽時(shí)，排氣、排液孔可采用（e）結(jié)構(gòu)。圖4-3-1 換熱器排液、排氣接管結(jié)構(gòu)4、接管最小位置在換熱器的設(shè)計(jì)中，為了使傳熱面積得以充分利用，殼程流體進(jìn)、出口接管應(yīng)盡量靠近兩端管板，而管

13、箱進(jìn)、出口接管應(yīng)盡量靠近管箱法蘭，可縮短管箱殼體長度，減輕設(shè)備重量。然而，為了保證設(shè)備的制造、安裝，管口距管板或管箱法蘭的距離也不能靠得太近，它受到最小位置的限制。 1）殼程接管位置的最小距離圖4-3-2 殼程接管位置殼程接管位置的最小尺寸，見圖4-3-2，可按下式進(jìn)行計(jì)算：帶補(bǔ)強(qiáng)圈接管 mm不帶補(bǔ)強(qiáng)圈接管 mm以上兩式中取C4S（S為管箱殼體厚度，mm），且30mm。 2）管箱接管尺寸的最小位置圖4-3-3 管箱接管位置管箱接管位置的最小尺寸，見圖4-3-3，可按下式進(jìn)行計(jì)算：帶補(bǔ)強(qiáng)圈接管 mm不帶補(bǔ)強(qiáng)圈接管 mm以上兩式中取C4S（S為管箱殼體厚度，mm），且30mm。以上四式中b，hf管

14、板厚度，mm； L1/L2殼程/管箱接管位置最小尺寸，mm； C補(bǔ)強(qiáng)圈外緣（無補(bǔ)強(qiáng)圈時(shí)，為管外壁）至管板（或法蘭）與殼體連接焊縫之間的距離，mm； DH補(bǔ)強(qiáng)圈外圓直徑，mm； dH接管外徑，mm。取C=4S=32mm。殼程接管不帶補(bǔ)強(qiáng)圈，故殼程接管位置的最小尺寸為 ，取L1=120mm。管箱接管帶補(bǔ)強(qiáng)圈，且補(bǔ)強(qiáng)圈外圓直徑為DH=300mm，故管箱接管位置的最小尺寸為：，取L2=230mm。第四節(jié) 殼體與管板、管板與法蘭及換熱管的連接管板與殼體的連接型式分為兩類，一是不可拆卸式，如固定管板式換熱器，管板與殼體是用焊接連接的。一是可拆卸式，如U型管式、浮頭式及填料函式和滑動管板式的換熱器。對于不可

15、拆卸式換熱器，其殼體與管板采用焊接型式的連接。由于設(shè)備直徑的大小，殼體壁的厚薄，以及管板的型式（如管板兼作法蘭），所以必須考慮不同的焊接方式及焊接接點(diǎn)。目前，換熱器管板與殼體的焊接型式較多，對于結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣，施焊的難易，因各制造廠的生產(chǎn)工藝和裝配不同，所以對各種焊接接點(diǎn)的看法亦不一?？刹鹦妒綋Q熱器，如浮頭式、U型、填料函式等換熱器，管板本身不直接與殼體焊接，而是通過殼體上的法蘭或夾持在兩法蘭之間固定。1、殼體與管板的連接結(jié)構(gòu)由于溫度、壓力及物料性質(zhì)的差異，所以管板與殼體的固定型式要求也不盡相同。對于不可拆卸式的固定管板式換熱器，從結(jié)構(gòu)上看有兩種型式，一種是管板兼作法蘭（見圖4-4-1（a），另一

16、種是夾持式固定管板。當(dāng)材料為碳鋼時(shí)，一般都采用管板兼作法蘭；在直徑較大，材料為不銹鋼及有色金屬作管板時(shí)，也可考慮采用夾持式固定管板，這樣有利于節(jié)省材料。圖中管板背面不開槽，結(jié)構(gòu)簡單，當(dāng)直徑較小時(shí)，在殼體內(nèi)進(jìn)行焊接的情況下，可采用圖4-4-1（b）型式。 （a） DN600 （b） DN600圖4-4-1 殼體與管板焊接 管板兩端采用相同的結(jié)構(gòu)，對于大直徑設(shè)備，人可以進(jìn)入殼體內(nèi)焊接時(shí)，則可將殼體長度分為兩段，當(dāng)與管板焊接好后，再將兩半殼體焊接起來，這比做兩個(gè)短節(jié)方便，尤其是當(dāng)殼體較長時(shí)，這樣做可以較少焊接的工作量。顯然設(shè)計(jì)出的換熱器不屬于此列。那么對于小直徑的換熱器，無法在殼體內(nèi)進(jìn)行焊接時(shí)，則可

17、采用兩個(gè)短節(jié)與管板焊接后，在進(jìn)行與殼體的焊接，這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是焊接強(qiáng)度好。如圖。圖4-4-2 雙殼體對焊接圖4-4-3 DN600時(shí)管板與殼體的焊接型式當(dāng)DN3006006009009001200120015001500折流板或支持板最小厚度400700456101012 3）折流板或支持板管孔剛換熱管級管束（適用于碳素鋼、低合金鋼和不銹鋼換熱器）折流板或支持板管孔直徑及允許偏差應(yīng)符合表4-5-2。表4-5-2換熱管外徑或無支撐跨距d32或l900l900且d32管孔直徑d+0.8d+0.4允許偏差+0.40級管束（適用于碳素鋼、低合金鋼）折流板或支持板管孔直徑及允許偏差應(yīng)符合表4-5-3表4

18、-5-3換熱管外徑1416192532384557管孔直徑14.616.619.625.832.838.845.858.0允許偏差+0.400+0.450+0.500折流板或支持板外直徑及允許偏差表4-5-4公稱直徑DN4004005005009009001300130017001700200020002300kg/(ms2)者；（2）其他液體，包括沸點(diǎn)下的液體，u2740kg/(ms2)者；對殼程進(jìn)出口接管距管板較遠(yuǎn)，液體停滯區(qū)過大時(shí)，應(yīng)設(shè)置導(dǎo)流筒，以減少流體停滯區(qū)，增加換熱管的有效換熱長度。第七節(jié) 拉桿與定距管1、拉桿的結(jié)構(gòu)和尺寸（1）拉桿的結(jié)構(gòu)型式拉桿常用的結(jié)構(gòu)型式有：拉桿定距管結(jié)構(gòu)，見

19、圖4-7-1（a）。此結(jié)構(gòu)適用于換熱管外徑d19mm的管束且l2La（La按表4-5-5規(guī)定）拉桿與折流板點(diǎn)焊結(jié)構(gòu)，見圖4-7-1（b）。此結(jié)構(gòu)適用于換熱管外徑d14mm的管束且l1d；當(dāng)管板較薄時(shí)，也可采用其他的連接結(jié)構(gòu)。圖4-7-1 拉桿結(jié)構(gòu)型式這里我們選用拉桿定距管結(jié)構(gòu)。（2）拉桿的尺寸拉桿的長度L按實(shí)際需要確定，拉桿的連接尺寸由圖4-7-2和表4-7-1確定。圖4-7-2 拉桿連接尺寸表4-7-1 拉桿的尺寸拉桿直徑d拉桿螺紋公稱直徑dnLaLbb101013401.5121215502.0161620602.0（3）拉桿的直徑和數(shù)量拉桿直徑和數(shù)量按表4-7-2和表4-7-3選用。表4

20、-7-2 拉桿直徑選用表換熱管外徑d10d1414d2525d57拉桿直徑dn101216表4-7-3 拉桿數(shù)量選用表拉桿直徑dn，mm殼體公稱直徑d，mm40040070070090090013001300150015001800180020002000230023002600拉桿數(shù)量10461012161824283212448101214182024164466810121216由于換熱管外徑為25mm，殼體公稱直徑為600mm，故選取直徑為16mm的拉桿，其數(shù)量為4。2、拉桿的位置拉桿應(yīng)盡量均勻布置在管束的外邊緣，對于大直徑的換熱器，在布管區(qū)內(nèi)或靠近折流板缺口處應(yīng)布置適當(dāng)數(shù)量的拉桿，任

21、何折流板不應(yīng)少于3個(gè)支承點(diǎn)。3、定距管尺寸定距管的尺寸，一般與所在換熱器的換熱管規(guī)格相同。對管程是不銹鋼，殼程是碳鋼或低合金鋼的換熱器，可選用與不銹鋼換熱管外徑相同的碳鋼管作定距管。定距管的長度，按實(shí)際需要確定。第八節(jié) 防短路結(jié)構(gòu)在換熱器殼程，由于管束邊緣和分程部分都不能排滿換熱管，所以在這些部位形成旁路。為了防止殼程物料從這些旁路大量短路，降低換熱效率，可在管束邊緣的適當(dāng)位置安裝旁路擋板和在分程部位的適當(dāng)?shù)胤桨惭b假管或帶定距管的拉桿來增大旁路的阻力，以迫使殼側(cè)介質(zhì)通過管束與換熱管內(nèi)流體進(jìn)行換熱。旁路擋板或假管是否需要、需要數(shù)量以及安裝部位等，應(yīng)根據(jù)使用條件和工藝計(jì)算來確定。一般應(yīng)考慮以下因素

22、：臥式、左右缺邊者流換熱器，殼程物料從旁路短路的可能性大，應(yīng)根基需要考慮安心黃旁路擋板或假管。當(dāng)殼程的傳熱膜系數(shù)遠(yuǎn)小于管程的傳熱膜系數(shù)時(shí)，殼程傳熱膜系數(shù)其控制作用，此時(shí)安裝旁路擋板或假管能顯著提高總的傳熱系數(shù)。旁路面積與殼程流通面積之比愈大，旁路的泄露就愈大，安裝盤路擋板或假管的效果也愈顯著；在較小的殼體直徑（DN400）中安裝旁路擋板或假管比在較大的殼體直徑中更加有效。旁路擋板或假管超過一定數(shù)量后。對提高傳熱系數(shù)的作用下降，而對壓力降的影響較大。以上因素綜合考慮，通過之前的計(jì)算和比較后，該換熱器需要安裝旁路擋板或假管。1、旁路擋板結(jié)構(gòu)尺寸安裝在換熱器中的旁路擋板應(yīng)與折流板焊接牢固，如圖4-8

23、-1。1折流板 ；2旁路擋板圖4-8-1 旁路擋板安裝圖 旁路擋板的厚度可取與折流板相同的厚度。旁路擋板的數(shù)量推薦如下：公稱直徑DN500mm時(shí)，一對擋板；公稱直徑500DN1000mm時(shí)，兩對擋板；公稱直徑DN1000mm時(shí)，三對擋板。2、假管假管（也稱擋管）為兩端堵死的換熱管，設(shè)置在分程隔板槽背面的兩管板之間而不穿越管板，假管與換熱管的規(guī)格相同，可與折流板點(diǎn)焊固定，也可用拉桿（帶定距管或不帶定距管）代替。一般應(yīng)每隔34排換熱管設(shè)置一根，但不應(yīng)該設(shè)置在折流板缺口處。如圖4-8-2。假管伸出第一塊及最后一塊折流板或支持板的長度應(yīng)不大于50mm。假管的設(shè)置是為了減少死區(qū)。圖4-8-2 假管布置圖

24、本換熱器采用20根假管。第九節(jié) 膨脹節(jié)固定管板式換熱器換熱過程中，管束和殼體有一定得溫差存在，而管板、管束與殼體之間是剛性地連接在一起的，當(dāng)溫差達(dá)到某一個(gè)溫度值時(shí)，由于過大的溫差應(yīng)力往往會引起殼體的破壞或造成管束彎曲。當(dāng)溫差很大時(shí)，可以選用浮頭式、U型管及填料函式換熱器。但上述換熱器的造價(jià)較高，若管間不需要清洗時(shí)，也可采用固定管板式換熱器，但需要設(shè)置溫差補(bǔ)償裝置，如膨脹節(jié)。1、膨脹節(jié)膨脹節(jié)時(shí)裝在固定管板式換熱器殼體上的撓性構(gòu)件，依靠這種易變形的撓性構(gòu)件，對管束與殼體間的變形差進(jìn)行補(bǔ)償，以此來消除殼體與管束間因溫度而引起的溫差應(yīng)力。膨脹節(jié)的型式較多，通常有波形膨脹節(jié)、平板膨脹節(jié)、形膨脹節(jié)。在生產(chǎn)

25、實(shí)際中，應(yīng)用最多也最普遍的是波形膨脹節(jié)。圖4-9-1 波形膨脹節(jié)波形膨脹節(jié)一般單層和多層兩種型式。在波形膨脹節(jié)中，每一個(gè)波形的補(bǔ)償能力與使用壓力、波高、波長及材料等因素有關(guān)，如波高越低，耐壓性能越好而補(bǔ)償能力越差；波高越高，波距越大，則補(bǔ)償量越大，但耐壓性能越差。采用多層膨脹節(jié)的結(jié)構(gòu)比單層膨脹節(jié)具有很多的優(yōu)點(diǎn)，因多層膨脹節(jié)的壁薄且多層，故彈性大，靈敏度高，補(bǔ)償能力強(qiáng)，承載能力及疲勞強(qiáng)度高，而且結(jié)構(gòu)緊湊。表4-9-1 波形膨脹節(jié)規(guī)格系列表膨脹節(jié)類型公稱壓力PN，MPa6.4公稱直徑DN，mmZX型膨脹節(jié)單層、多層25020001201200120800150350ZD型膨脹節(jié)單層15020015

26、01200150350HF型膨脹節(jié)HZ型膨脹節(jié)表4-9-2 波形膨脹節(jié)型式代號型式代號說明結(jié)構(gòu)代號ZX表示整體成型小波高膨脹節(jié)ZD表示整體成型大波高膨脹節(jié)HF表示膨脹節(jié)由兩半波零件焊接而成HZ表示膨脹節(jié)由帶直邊兩半波零件焊接而成使用代號L表示用于立式設(shè)備上LC表示帶內(nèi)襯套用在立式設(shè)備上W(A) (B)A型：表示帶絲堵，適用于單層無疲勞設(shè)計(jì)要求的膨脹節(jié)B型：表示無絲堵，適用于單層或多層有疲勞設(shè)計(jì)要求的膨脹節(jié)WC(A) (B)表4-9-3 波紋管材料代號名稱材料設(shè)計(jì)壓力，MPa設(shè)計(jì)溫度范圍，C標(biāo)準(zhǔn)號波紋管牌號代號Q235-AiA3jC1.00350GB700，GB912，GB3427iAy3jY內(nèi)

27、襯管同設(shè)備殼體材料端管2、膨脹節(jié)計(jì)算管子拉脫力計(jì)算在換熱器中承受流體壓力換熱管殼壁的溫差應(yīng)力的聯(lián)合作用，這兩個(gè)力在管 子與管板的連接接頭處產(chǎn)生了一個(gè)拉托力，使管子與管板由脫離的傾向。拉脫力是管子平均每平方米脹接周邊所受到的力，單位為Pa。對于管子與管板是焊接連接的接頭，實(shí)驗(yàn)表明，接頭的強(qiáng)度高于管子本身金屬的強(qiáng)度，拉脫力不足以引起街頭的破壞。由于管子和管板采用的是焊接連接，因此在這里我們不需要計(jì)算管子拉脫力。2）膨脹節(jié)設(shè)置計(jì)算必須設(shè)置膨脹節(jié)的條件：對于固定管板式換熱器，用下式計(jì)算殼體和管子中的應(yīng)力：若滿足下述條件之一者，必須設(shè)置膨脹節(jié)：式中F1是由殼體和管子之間的溫差所產(chǎn)生的軸向力，N； F2是

28、由于殼程和管程壓力作用于殼體上的軸向力，N； 其中 F3是由于殼程和管程壓力作用于管子上的軸向力，N； At,As分別為管程和殼程的橫截面積，mm2； 。 分別為管子和殼體材料的溫度膨脹系數(shù)，； t0安裝時(shí)的溫度； tt,ts分別為操作狀態(tài)下管壁溫度和殼壁溫度，oC；殼體和管子的材質(zhì)都為碳素鋼，其物性常數(shù)如下：查外壓圓管、管子和球殼厚度計(jì)算圖（屈服點(diǎn)大于207MPa的碳素鋼）2得：B=110MPa。st=113MPa，tt=112MPa，=0.85。2st=21130.85MPa=192.1MPa2tt=224MPa由此可知此換熱器并不必設(shè)置膨脹節(jié)。第五章 管束振動計(jì)算在管殼式換熱器中，為了強(qiáng)

29、化傳熱，通常設(shè)置了折流板，殼體中的流體是以橫向即垂直于管束軸線方向通過管束。流體橫向載荷對換熱器的影響主要是引起管束振動和強(qiáng)度破壞。在管束橫向流流速的影響下，換熱器管子會有出現(xiàn)振動的趨向。如果振動幅度達(dá)到足夠大，則可能會為某一種或者更多種激振動機(jī)理所破壞：由于折流支撐板間跨中反復(fù)的震蕩而管壁減薄在管子界面和折流板處碰撞而磨損由于高的磨損率而造成疲勞或腐蝕疲勞。保證管殼式換熱器避免在一切操作條件下出現(xiàn)流動誘發(fā)振動式十分重要的。第一節(jié) 概述1、流動誘發(fā)振動的三種基本情況要激發(fā)起換熱管振動，必須對管子給以激振能，殼程流體流動就是誘發(fā)和維持管子振動的激振能源。換熱管時(shí)換熱器中細(xì)長彈性元件，殼程流體流動

30、破壞了他們的平衡位置，并遭受振動運(yùn)動。管子振動表明了管子離開其平衡位置做周期性運(yùn)動。增加殼程橫流速度，管子運(yùn)動可以有以下三種情況：在低橫流速度下，管子以低振幅隨機(jī)運(yùn)動；當(dāng)橫流速度增加，管子就會在擋板孔內(nèi)發(fā)生咔噠咔噠地摩擦聲響； 當(dāng)橫流速度超過某一值，管子就發(fā)生高振福運(yùn)動（振動）。當(dāng)管子固有頻率與激振頻率相接近時(shí)，發(fā)生震動聲響。管子與剛性結(jié)構(gòu)間例如折流支承板的相對運(yùn)動有可能引起管子的撞擊磨損。2、管子最可能破壞的區(qū)段盡管管子在換熱器中任何地方都可能產(chǎn)生破壞，但是最容易引起流動誘發(fā)振動的區(qū)域是流動高速區(qū)。諸如：管束中兩塊折流支承板間最大的無支承中間跨；管束周邊區(qū)的在弓形折流板缺口區(qū)的那些管子；U型

31、管束U型彎頭區(qū)；位于進(jìn)口接管之下的管子；位于管束旁流面積和管程分程隔板流道內(nèi)的管子；在管子與換熱器結(jié)構(gòu)部件有相對運(yùn)動的區(qū)段界面，諸如包括管子與折流板和管子與管板。3、破壞機(jī)理引起管子破壞的主要機(jī)理是：碰撞磨損（管子與管子，管子與折流支承板）管子與折流支承板界面，由于管子在支承板管孔間碰撞和或滑動而磨損破壞；撞擊和破損的聯(lián)合作用下的破壞。4、流動誘發(fā)振動機(jī)理流動誘發(fā)振動響應(yīng)的激振激勵通常是：漩渦分離或流動的周期性；湍流振動；流體彈性穩(wěn)定性FEI(Fluid Flasticity Instability)；聲振動相應(yīng)。漩渦分離、湍流振動和聲激振動是振動相應(yīng)現(xiàn)象，當(dāng)激振頻率與管子頻率同步時(shí)就產(chǎn)生振動

32、響應(yīng)。流體彈性不穩(wěn)定性的發(fā)生，是管子在課程流體橫流達(dá)到臨界流速或速度閥，而導(dǎo)致管子振動響應(yīng)振幅足夠的大，造成與相鄰管子的碰撞而破壞。在流體橫流流速低于流體彈性不穩(wěn)定臨界速度之下時(shí)，不會發(fā)生流體彈性不穩(wěn)定振動現(xiàn)象；但流體輸入到管子質(zhì)量阻尼系統(tǒng)的能量超過阻尼系統(tǒng)消耗的能量時(shí)，就達(dá)到了不穩(wěn)定性振動狀態(tài)，這實(shí)際上是流速達(dá)到或超過了臨界流速。換熱管振動響應(yīng)曲線見圖5-1-1。圖5-1-1 流體誘發(fā)振動管子振動響應(yīng)理想橫流流速u與位移關(guān)系圖；鋁管在水橫流下，管子節(jié)距比1.5裝置正方形排列管束的振動響應(yīng)5、橫流下管束動力行為流體在彈性管管束中流動，會導(dǎo)致流體動力效應(yīng)或流動振動（聲振動）和流動結(jié)構(gòu)偶聯(lián)。這些效

33、應(yīng)引起流體動力作用和流體結(jié)構(gòu)偶聯(lián)作用力。一圓柱束在增長的橫流流速（u）下的動力行為有三種不同現(xiàn)象。如下所示：低流速下圓管或圓柱體對湍流振動的基本響應(yīng)：隨著流速的增加，管子會圓柱體振動振幅增加，均為流速u的平方關(guān)系；在較高的流速下，會引起不同類型的振動響應(yīng)條件，諸如漩渦分離、湍流振動和氣柱聲振動。當(dāng)管子在管束內(nèi)由于流體的作用在其平衡位置作彈性位移時(shí)引起的與運(yùn)動有關(guān)的流體力。6、流體動力作用力引起流動誘發(fā)振動（FIV）的流體動力作用力主要有以下三類：由于壓力場的湍流波動產(chǎn)生的力；管子后面形成馮卡曼（Von Karman）渦街的周期性漩渦分離作用力；當(dāng)管子在管束內(nèi)有流體的作用在其平衡位置作彈性位移時(shí)

34、引起的與運(yùn)動有關(guān)的流體力。第二節(jié) 流動誘發(fā)振動機(jī)理對于流動誘發(fā)的各種不同激振機(jī)理，只有流體彈性不穩(wěn)定性才是主要涉及到所有各種流體介質(zhì)，而其它的激振機(jī)理在某些流體介質(zhì)中則是不重要的。例如，湍流振動因?yàn)闅怏w的密度低，不會導(dǎo)致非常高的流體流動作用力，故其在氣體介質(zhì)中就不會是主要的了，因此，流體振動設(shè)計(jì)主要是限制聲共振和流體彈性不穩(wěn)定性（FEI）這兩個(gè)方面。表5-2-1表示換熱管束每一種流體介質(zhì)對流動誘發(fā)振動的重要性界限。表5-2-1 橫流流動激振機(jī)理與流體介質(zhì)關(guān)系流動情況漩渦分離湍流抖動流體彈性不穩(wěn)定性聲共振液流中可能發(fā)生可能發(fā)生重要?dú)饬髦胁荒馨l(fā)生可能發(fā)生重要重要兩相流中不可能發(fā)生不重要重要不大可能

35、此換熱器是屬于液流，因此只需要分析漩渦分離、湍流抖動和流體彈性不穩(wěn)定性這三個(gè)方面。1、漩渦分離1）管束斯托拉哈數(shù)計(jì)算管束斯托拉哈數(shù)Su可有陳氏管束斯托拉哈數(shù)，也可由Fitz-Hugh圖來確定，這些圖都是描繪承Su與管節(jié)距的關(guān)系。另外，也可以從Zukauskas或Katinas以及Weaver等關(guān)系式來計(jì)算確定。見圖5-2-1。圖5-2-1 Y.N.陳氏斯托拉哈數(shù)圖（a）直排管束；（b）錯(cuò)排管束（取自管式換熱交換器制造協(xié)會TEMA，1988）Weaver et.al關(guān)系式，不同管束排列方式的Su數(shù)表達(dá)式：，正三角形排列（60o）；，轉(zhuǎn)角正三角形排列（30o）,正方形及正方形轉(zhuǎn)角（90o，45o）

36、式中xp換熱管節(jié)徑比，P/D； P管節(jié)距； D管外徑。2）避免產(chǎn)生漩渦分離共振準(zhǔn)則避免產(chǎn)生漩渦分離共振的準(zhǔn)則是Pettigrew和Gorman準(zhǔn)則。他們采用對比頻率fnD/u,這一參數(shù)當(dāng)對比頻率大于2Su時(shí)不會發(fā)生漩渦分離共振。Au-Yang準(zhǔn)則：該準(zhǔn)則規(guī)定，必須是對比頻率小于0.2Su時(shí)才不會發(fā)生漩渦分離共振。Au-Yang等準(zhǔn)則避免殼程管束中第1、2、3排管不產(chǎn)生漩渦分離鎖定的準(zhǔn)則必須是：對于基本振型（振型數(shù)n=1），如對比速率下條件u/fD64時(shí)則該振型的鎖定被抑止；對任一既定振型對比速度u/fD1.2，則升力方向鎖定可以避免，且阻力方向鎖定被抑止。2、湍流抖振換熱器殼程管箱中的湍流抖動

37、有時(shí)也稱結(jié)構(gòu)振動，它是指由于不穩(wěn)定流體作用力在流場中，高的湍流力對換熱管的作用，而在流體達(dá)到臨界速度之前和遠(yuǎn)離漩渦鎖定范圍的換熱管低振幅動響應(yīng)。湍流流動具有隨機(jī)速度擾動，加上湍流漩渦環(huán)繞一中心主頻分布在寬度的頻率范圍內(nèi)。當(dāng)流場中的中心主頻與管束中管子最低固有頻率相一致時(shí)，就會產(chǎn)生很大的能量，導(dǎo)致?lián)Q熱管共振和高的振動振幅。即使未發(fā)生共振，湍流抖振也會引起管子磨損和疲勞破壞。歐文湍流抖振頻率表達(dá)式：3、彈性不穩(wěn)定性彈性不穩(wěn)定性模型認(rèn)為，彈性不穩(wěn)定性是由下列二種機(jī)理引起的：流體彈性不穩(wěn)定性與換熱管位移的關(guān)系，這發(fā)生在相當(dāng)高的流速下。該不穩(wěn)定性稱為位移機(jī)理；流體阻尼型不穩(wěn)定性，發(fā)生在低流速下，該不穩(wěn)定

38、性稱為速度機(jī)理。在大多數(shù)情況下，速度機(jī)理或位移機(jī)理或是兩種機(jī)理的聯(lián)合作用都是重要的。第三節(jié) 振動分析：流體橫向載荷引起管束振動主要有阻尼彈性振動、共振兩種型式。1、阻尼穩(wěn)定性理論：阻尼穩(wěn)定性理論亦稱能量理論，是假定流體橫向流經(jīng)管子所產(chǎn)生的激振力對管子所作的功，等于管子系統(tǒng)阻尼振動力衰減所消耗的能量。此時(shí)稱之為振動的臨界狀態(tài)，對應(yīng)的流體流速稱為不穩(wěn)定臨界流速（uc）。當(dāng)流體的流速大于uc時(shí)，即流體激振力所作的功大于管子阻尼能量，管子便會產(chǎn)生不穩(wěn)定的彈性振動。由此可知，通過計(jì)算一定管束結(jié)構(gòu)條件下的阻尼能量和流體流經(jīng)管束時(shí)所作的功，可確定不穩(wěn)定臨界流速uc。fn為一階固有頻率。D值如下，為質(zhì)量阻尼參

39、數(shù)。2、共振當(dāng)載荷擾動頻率與管束的管束自振頻率相等時(shí)，管束發(fā)生共振。共振主要在下面幾種情況下發(fā)生。1）卡漫漩渦流體流經(jīng)管束時(shí)，管子背后有卡漫漩渦產(chǎn)生，當(dāng)漩渦子管子表面脫落頻率與管束自振頻率相等時(shí)，管束發(fā)生共振。卡漫漩渦脫落頻率fv可計(jì)算式中V為參考橫流速度； St為斯特哈羅數(shù)； do為換熱管外徑2）紊流抖動對于節(jié)徑比小于1.5的密排管束，滿意發(fā)生卡漫漩渦脫落，但是殼體紊流漩渦使管子受到隨機(jī)波動的作用力，而且紊流有一個(gè)相當(dāng)寬的頻帶，當(dāng)頻帶中某一頻率與管子任一自振頻率接近或相等時(shí)，會導(dǎo)致管子大幅度振動。這一頻率稱為紊流抖動主頻率ft。計(jì)算式中V為參考橫流速度；為橫向管間距與管外徑之比為縱向管間距與

40、管外徑之比3）聲振動當(dāng)殼體介質(zhì)為氣體或蒸汽時(shí)，在與流體流動方向和管子軸線方向都垂直的方向上會形成聲學(xué)駐波，如果聲學(xué)駐波的頻率與管束的自振頻率、卡漫漩渦脫落頻率或紊流抖動頻率一致，便激發(fā)起聲學(xué)駐波的振動，因而產(chǎn)生強(qiáng)烈的噪聲。3、橫向載荷校核1）穩(wěn)定校核為防止管束發(fā)生不穩(wěn)定的彈性振動，換熱器管束間流體應(yīng)小于不穩(wěn)定臨界流速，即uuc。2）共振校核對于一定結(jié)構(gòu)的管束，操作條件下，換熱器不應(yīng)發(fā)生共振，及卡漫漩渦、紊流抖動、聲學(xué)駐波頻率應(yīng)遠(yuǎn)離管束自振頻率。因此，要求換熱器滿足下面條件fvf0.5,ftf0.5,0.8f/fa1.2.3）發(fā)生強(qiáng)度核算換熱管束強(qiáng)度校核包括管子彎曲、剪切及碰撞三種情況，但實(shí)際上

41、管子很少發(fā)生彎曲破壞，通常在發(fā)生彎曲破壞前，管子與管板連接處已出現(xiàn)泄露。因此工程應(yīng)用時(shí)，可僅考慮剪切與碰撞兩種破壞。換熱器管束間流體流速應(yīng)小于剪切及碰撞兩種情況下的臨界流速：uuc2，uuc3。第四節(jié) 管束振動計(jì)算介質(zhì)與特性系數(shù)管程殼程介質(zhì)水煤油工作壓力，MPa1.00.6平均溫度，C3590密度，kg/m3997825換熱管外徑：0.025mm，間距0.032mm；單位長管子的有效重量為列管按轉(zhuǎn)角30度正三角形排列，橫向間距為0.032mm，縱向間距為0.0277mm取對數(shù)衰減率為0.031、求斯特羅哈數(shù)2、求臨界速度系數(shù)D3、求臨界狀態(tài)時(shí)漩渦分離振頻率與管子固有頻率之比4、求臨界狀態(tài)時(shí)紊流

42、抖動振頻率與管子固有頻率之比可見Ks和Ktb均遠(yuǎn)大于1.75。因此結(jié)論是：此換熱器，即使在橫流速度達(dá)到臨界值時(shí)也不會產(chǎn)生危險(xiǎn)地共振。 第六章 流程圖設(shè)計(jì)流程圖確定物性常數(shù)，熱負(fù)荷、冷卻劑用量及平均溫差，確定換熱器類型及流體流動空間確定物性常數(shù)，熱負(fù)荷、冷卻劑用量及平均溫差，確定換熱器類型及流體流動空間估計(jì)傳熱總數(shù)，計(jì)算傳熱面積初值計(jì)算估計(jì)傳熱總數(shù)，計(jì)算傳熱面積初值計(jì)算選擇傳熱管參數(shù)，并計(jì)算管程相應(yīng)參數(shù)選擇傳熱管參數(shù)，并計(jì)算管程相應(yīng)參數(shù)計(jì)算值與假定值相差較大計(jì)算值與假定值相差較大估計(jì)冷凝給熱系數(shù)估計(jì)冷凝給熱系數(shù)計(jì)算值與假定值相差較大計(jì)算值與假定值相差較大壓降大于設(shè)計(jì)壓力壓降大于設(shè)計(jì)壓力裕度過大或過小核算冷凝給熱系數(shù)計(jì)算管內(nèi)給熱系數(shù)裕度過大或過小核算冷凝給熱系數(shù)計(jì)算管內(nèi)給熱系數(shù)總傳熱系數(shù)核算總傳熱系數(shù)核算計(jì)算值與假定值相差不大計(jì)算值與假定值相差不大折流板計(jì)算折流板計(jì)算殼側(cè)壓降和管側(cè)壓降計(jì)算，并與設(shè)計(jì)壓力比較殼側(cè)壓降和管側(cè)壓降計(jì)算，并與設(shè)計(jì)壓力比較壓降小于設(shè)計(jì)壓力壓降小于設(shè)計(jì)壓力裕度系數(shù)校驗(yàn)裕度系數(shù)校驗(yàn)考慮夏冬季的溫度差異，改變冷流體進(jìn)口溫度考慮夏冬季的溫度差異，改變冷流體進(jìn)口溫度裕度合適裕度合適計(jì)算換熱器其余零件確定換熱器基本尺寸計(jì)