管殼式換熱器設計.ppt

1、管殼式換熱器的設計,一、概述 1.1 換熱器的應用 1.2 換熱器的分類及其特點 1.3 管殼式換熱器的基本介紹 二、管殼式換熱器設計參數、材料的確定 2.1 設計參數的確定 2.2 材料的選擇 三、管板厚度的確定 四、管殼式換熱器結構設計 4.1 換熱管與管板連接結構 4.2 防沖板與導流筒的設置 4.3 折流板與支持板 4.4 拉桿和定距管 4.5 管板結構設計 4.6 換熱管,一、 概述,1.1 換熱器的應用 使熱量從熱流體傳遞到冷流體的設備稱為換熱設備。它是化工、煉油、動力、食品、輕工及其它許多工業(yè)部門廣泛使用的一種通用設備。在化工廠中，換熱設備的投資約占總投資的10%-20%。 在工

2、業(yè)生產中，換熱設備的主要作用是使熱量由溫度較高的液體傳遞給溫度較低的流體，使流體溫度達到工藝流程規(guī)定的指標，以滿足工藝流程上的需要。此外，換熱設備也有回收余熱、廢熱特別是低位熱能的有效裝置。如：轉化器夾套冷卻水因帶走設備的反應熱后使其從進入時的溫度60-80上升到近100 ，從夾套流出的熱水進入一個冷凝器，加熱工業(yè)水，從而提高熱能的總利用率，降低燃料消耗和電耗，提高工業(yè)生產經濟效益。,1.2 換熱設備分類及其特點,在工業(yè)生產中由于用途、工作條件和物料的不同,出現了各種不同形式和結構的換熱設備. 1.2.1 按作用原理或傳熱方式分類 1.2.1.1 直接接觸式換熱器: 這類換熱器又稱為混合式換熱

3、器,如我們公司涼水塔,它是利用冷、熱流體直接接觸面積，以達到充分換熱，在設備中常放置填料和柵板。 1.2.1.2 蓄熱式換熱器: 這類換熱器又稱為回熱換熱器,它是借助于固體(如固體填料或多孔性格)構成的蓄熱體與熱流體和冷流體交替接觸,把熱量從熱流體傳遞給冷流體的換熱器.。在換熱器內首先由熱流體通過，把熱量積蓄起來，然后由冷流體通過。,蓄熱式換熱器結構緊湊、價格便宜，單位體積傳熱面大，故較適合用于氣-氣熱交換的場合。如：空氣預熱器。 1.2.1.3 間壁式換熱器 這類換熱器又稱為表面式換熱器。它是利用間壁（固體壁面）將進行熱交換的冷熱兩種流體隔開，互不接觸，熱量由熱流體通過間壁傳遞給冷流體的換熱

4、器。間壁式換熱器是工業(yè)生產中應用最為廣泛的換熱器，其形式多種多樣，如常見的管殼式換熱器和板式換熱器都屬于間壁式換熱器。,1.2.1.3 間壁式換熱器,1.2.1.3.1 間壁式換熱器分類 管式換熱器、板式換熱器及其它形式的換熱器。 管式換熱器都是通過管子壁面進行傳熱的換熱器。按傳熱管的結構形式不同大致可分為蛇管式換熱器、套管式換熱器、纏繞管式換熱器和管殼式換熱器。 其中管殼式換熱器是目前應用最為廣泛的換熱設備。它占換熱器總量的90%。它是典型的間壁式換熱器.,1.3 管殼式換熱器介紹,管殼式換熱器具有可靠性高，適應性廣泛等優(yōu)點，在各工業(yè)領域中得到最為廣泛在應用。 1.3.1 基本類型 根據管殼

5、式換熱器的結構特點,可分為固定管板式、浮頭式、U形管式、填料函式和釜式沸器五類,如圖示。 1.3.1.1 固定管板式換熱器 固定管板式換熱器管束連接在管板上，管板與殼體焊接。 1.3.1.1.1 優(yōu)點： 1）傳熱面積比浮頭式換熱器大20%-30%； 2）旁路漏流較水； 3）鍛件使用較少； 4）沒有內漏。,1.3.1.1.2 缺點： 1）不適用于換熱管與殼程圓筒的熱膨脹變形差很大的場合，管板與管頭之間易產生溫差應力而損壞；（為了減少熱應力，通常在固定管板式換熱器中設置柔性元件如：設置膨脹節(jié)來吸收熱膨脹差） 2）殼程無法機械清洗，不適用于殼程結垢的場合； 3）管子腐蝕后造成連同殼體報廢，殼體部件壽

6、命決定于管子壽命，故設備壽命相對較低。 1.3.1.1.3 適用的場合： 1）設備需要盡少使用法蘭密封面的場合； 2）管殼程金屬溫差不是很大的場合； 3）殼程流體清潔，無需經常抽出管束清洗的場合。,1.3.1.2 浮頭式換熱器,浮頭式換熱器的典型結構見圖示，兩端管板中只有一端與殼體固定，另一端可相對殼體自由移動，稱為浮頭。浮頭由浮頭管板、鉤圈和浮頭端蓋組成，是可拆連接，管束可從殼體內抽出。管束與殼體的熱變形互不約束，因而不會主生熱應力。 浮頭式換熱器的特點： 1.3.1.2.1 優(yōu)點： 1)管束可以抽出，以方便清洗管程、殼程； 2)殼程壁與管壁不受溫差限制； 3)可在高溫、高壓下工作，一般溫度

7、T450，P 6.4MPa;,4)可用于結垢比較嚴重的場合; 5)可用于管程腐蝕場合. 1.3.1.2.2 缺點: 1)浮頭端易發(fā)生內漏; 2)金屬材料耗量大,成本高20%; 3)結構復雜.。 1.3.1.2.3 可用的場合： 1）管殼程金屬溫差很大場合； 2）殼程介質易結垢要求經常清洗的場合；,1.3.1.3 U形管式換熱器,U形換熱器的典型結構如圖。這種換熱器的結構特點是，只有一塊管板，管束由多根U形管組成，管的兩端固定在同一塊管板上，管子可以自由伸縮。當殼體與U形換熱管有溫差時，不會產生熱應力。 由于受彎管曲率半徑的限制，其換熱管排布較少，管束最內層管層管間距較大，管板的利用率較低，殼程

8、流體易形式成短路，對傳熱不利。當管子泄漏損壞時，只有管束外圍處的U形管才便于更換，內層換熱管壞了不能更換，只能堵死，而壞一根U形相當于壞兩根管，報廢率較高。,1.3.1.3.1 優(yōu)點： ）管束可抽出來機械清洗； ）殼體與管壁不受溫差限制； ）可在高溫、高壓下工作，一般適用于T500，P 10MPa; 4)可用于殼程結垢比較嚴重的場合; 5)可用于管程易腐蝕場合. 1.3.1.3.2 缺點: 1)在管子的U型處易沖蝕,應控制管內流速; 2)管程不適用于結垢較重的場合; 3)因死區(qū)較大,只適用于內導流筒; 4)單管程換熱器不適用; 1.3.1.3.3 可用的場合: 1)管程走清潔流體; 2)管程壓

9、力特別高; 3)管殼程金屬溫差很大,固定管板換熱器連設置膨脹節(jié)都無法滿足要求的場合.,二、 管殼式換熱器的設計參數及材料,2.1 設計參數 是指用于確定換熱器施工圖設計、制造、檢驗及驗收的參數。 它主要包括設計壓力P、設計溫度T、厚度、焊接接頭系數、試驗壓力PT、公稱直徑DN、公稱長度LN、換熱面積A、容器類別等。 2.1.1 設計壓力： 指設定的換熱器管、殼程頂部的最高壓力，與相應的設計溫度一起作為設計載荷條件，其值不得低于工作壓力。 我們常取1.1倍最高工作壓力。,對于同時受管、殼程壓力作用的元件，僅在能保證管、殼程同時升、降壓時，才可以按壓差設計，否則應分別按管、殼程工作壓力確定設計壓力

10、，并應考慮可能存在的最苛刻的管、殼程壓力組合。按壓差設計時，壓差的取值還應考慮在壓力試驗過程中，可能出現的最大壓差值。 真空換熱器真空側的設計壓力按承受外壓考慮，當裝有安全控制裝置（如真空泄放閥）時，設計壓力取1.25倍最大內外壓力差,或0.1MPa兩者中的較低值;當沒有安全控制裝置時，取0.1MPa。真空換熱器非真空側，同時受管、殼程壓力作用的元件，其設計壓力應為內壓側和真空側設計壓力之和。,2.1.2 設計溫度 設計溫度-指換器在正常情況下，設定的元件的金屬溫度，設計溫度與設計壓力一起作為設計載荷。設計溫度不得低于元件金屬在工作狀態(tài)可能達到的最高溫度。對于0以下的金屬溫度，設計溫度不得高于

11、元件金屬可能達到的最低溫度。 元件的金屬溫度可用傳熱計算求得，或在已使用的同類容器上測定，或按內部介質的溫度確定，我們通常取設備內部介質溫度作為設計溫度。 在任何情況下，金屬元件的表面溫度不得超過金屬材料的允許使用溫度。 2.1.3 厚度 2.1.3.1 計算厚度- 按規(guī)范的公式計算得到的厚度。 2.1.3.2 設計厚度-設計時必須考慮腐蝕裕量C2，計算厚度與腐蝕裕量之和為設計厚度。 2.1.3.3 名義厚度-設計厚度加上鋼材厚度負偏差后向上圓整至鋼材標準規(guī)格厚度（鋼材生 產有厚度負偏差C1是因生產廠家按一定規(guī)格的厚度生產）。 2.1.3.4 有效厚度-名義厚度減去腐蝕裕量和鋼材厚度負偏差。,

12、圓筒的厚度應按GB150-1998第5章計算,但碳素鋼和低合金鋼圓筒的最小厚度應不小于如下表(二)中的規(guī)定,。,對于高合金鋼圓筒的最小厚度應不小于下表（三）中的規(guī)定: 從表（二）、表（三）中可以看出：換熱器殼體的最小厚度比容器最小壁厚要厚，原因是： 1）設備的剛度問題，考慮換熱設備常檢修、清洗; 2）考慮到臥式容器支座有應力集中的問題; 3) 當管程壓力高于殼程的壓力時,為達到水壓試驗的有效性，確保管子連接與管板連接的嚴密性，通常將殼程的試驗壓力提高來作，其取值與管程試驗壓力一樣。（但是必須首先核算殼體在試驗壓力下時產生的應力是否小于許用應力）。,2.1.4 焊接接頭系數 在壓力容器制造中，焊

13、接是很重量的一環(huán)。在焊接過程中往往會產生一些缺陷，如未焊透、裂紋、夾渣、咬邊等，這會引起應力集中。焊接中形成焊縫熱影響區(qū)晶粒粗大，使母材強度或塑性下降，制造中焊縫錯邊量、余高等的超標引起了附加應力。焊縫設計不合理使焊接工藝和焊縫檢驗困難，影響焊縫質量。因此焊縫往往成為容器強度比較薄弱的環(huán)節(jié)。為彌補焊縫對容器整體強度的削弱，在強度計算中引入焊接接頭系數。焊接接頭系數根據受壓元件的焊接接頭型式及無損檢測的長度比例確定 雙面焊對接接頭和相當于雙面焊的全焊透對接接頭： 100%無損檢測 =1.00 局部無損檢測 =0.85 單面焊對接接頭(沿焊縫根部全長有緊貼基本金屬的墊板) 100%無損檢測 =0.

14、9 局部無損檢測 =0.8,2.1.5 壓力試驗 2.1.5.1 試驗介質 A、液壓試驗時一般用水作為試驗介質，需要時也可采用不會導致發(fā)生危險的其他液體。 奧氏體不銹鋼制容器用水進行試驗后應將水漬清除干凈，當無法達到這一要求時，應控制水中氯離子的含量不超過25mg/L。 B、氣壓試驗所用氣體應為干燥、潔凈的空氣、氮氣也可是其他惰性氣體。 2.1.5.2 試驗壓力 試驗壓力的最低值按下述規(guī)定，試驗壓力的上限應滿足應力校核的限制。,2.1.5.2.1 內壓換熱器 液壓試驗 PT=1.25P/ t 氣壓試驗 PT=1.15P/ t PT-試驗壓力,MPa P-設計壓力, MPa -換熱器元件材料在試

15、驗溫度下的許用應力, MPa t-換熱器元件材料在設計溫度下的許用應力, MPa。 注：1、換熱器如規(guī)定了最大允許工作壓力時，公式中應以最大允許工作壓力代替設計壓力P。 2、換熱器各元件（圓筒、封頭、膨脹節(jié)、管板、浮頭法蘭、球冠性封頭及堅固件等)所用材料不同時，應取各元件材料/ t比值中的最小者。 2.1.5.2.2 外壓和真空換熱器 液壓試驗壓力 PT=1.25P 氣壓試驗壓力 PT=1.15P PT-試驗壓力,MPa P-設計壓力, MPa,2.1.5.2.3 壓力試驗前的應力校核 壓力試驗前，應校核圓筒和封頭的應力。 圓筒應力：T= PT（Di+e）/2e 橢圓形封頭應力： T= PT（

16、Di+0.5e）/2e Di- 圓筒或橢圓形封頭的內直徑,mm PT -圓筒或橢圓形封頭的試驗壓力, MPa T -試驗壓力下圓筒或橢圓形封頭的應力, MPa e-圓筒或橢圓形封頭的有效厚度,mm. T應分別滿足下列條件: 液壓試驗時, T0.9 s 氣壓試驗時, T0.8 s 式中：S-圓筒或封頭材料在試驗溫度下的屈服點或0.2%屈服強度, ;,在換熱器技術參數表中應注意殼程和管程水壓試驗和氣密性試驗壓力的填寫。 當殼程壓力高于管程壓力時，殼程和管程的試驗壓力各自按前面規(guī)定取值。當介質為極度和高度危害介質時，氣密性壓力取設計壓力值。 當殼程壓力低于管程壓力時，為了檢查換熱管焊接接頭，應提高殼

17、程試驗壓力，試驗壓力值取管程試驗壓力，同時應校核殼程一次薄膜應力。當殼程一次薄膜應力不能滿足要求時，應采用氣密性試驗（用氨氣），來檢查換熱焊縫。,2.1.5.2.4 氣密性試驗 介質的毒性程度為極度或高度危害或管、殼程介質互漏會產生嚴重危害時，應在壓力試驗合格后進行氣密性試驗。需作氣密性試驗時，試驗介質和檢驗要求應在圖樣上注明。 氣密性試驗壓力通常取設計壓力。 2.1.6 公稱直徑DN （1）DN500mm，卷制圓筒，以圓筒內直徑（）作為換熱器公稱直徑； （）400mm，以鋼管外徑（mm）作為換熱器的公稱直徑； （3）DN=450mm時，有卷制和鋼管兩種情況，此時可按前兩種情況分別表示； （4

18、）公稱直徑一般以100mm進擋，也允許50mm進擋，50mm進擋時，應注意與殼體圓筒相配的封頭、法蘭等標準零件系列尺寸的匹配,2.1.7 公稱長度 以換熱管的長度（）作為換熱器的公稱長度，換熱管為直管時，取直管長度；換熱管為形管時，取形管的直管長度 2.1.8 換熱面積 （）計算換熱面積以換熱管外徑為基準，扣除深入管板內的換熱管長度后，計算得到的面積（）；對于形管換熱器，一般不包括形管彎段的面積，當需要把形管部份計入換熱面積時，則應使形端的殼體進（出）口安裝在形管末端以外，以消除形管末端流體停滯的換熱損失。 （2）公稱換熱面積。經圓整后的換熱面積（），一般修正間隔為0.5。,2.1.9 容器的類別的確定 （1）換熱器的管程、殼程可分別確定類別，但換熱器總的類別應取管程、殼程中的高者； （2）管、殼程類別的確定按容規(guī)第6條的規(guī)定。 （3）管、殼程容積的確定。 A、管程的容積=換熱器管箱容積+換熱管的容積； B、殼程的容積=殼程的全容積（不扣除殼程的內件所占用的容積）。,2.2 材料,用于制造換熱器筒體及封頭的鋼板應符合GB150的規(guī)定; 用作換熱器圓筒的鋼素鋼、低合金鋼鋼管應