7章教案換熱器的機(jī)械設(shè)計(jì)化工機(jī)械與設(shè)備

1、1,第3篇 典型化工設(shè)備的機(jī)械設(shè)計(jì) 第7章 管殼式換熱器的機(jī)械設(shè)計(jì) 7.1 概述 直接影響產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)效率和經(jīng)營(yíng)成本 化工裝置投資的11%，石油煉廠(chǎng)設(shè)備投資的40%。 應(yīng)用廣泛適用于多種目的： 熱交換，加熱，冷卻，冷凝，蒸發(fā) 衡量標(biāo)準(zhǔn)：傳熱效率，流體阻力，強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)可靠度，耗材量，成本，制造，安裝，檢修 結(jié)構(gòu)品種多，各有利弊。,2,7.1.1.管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)：,3,7.1.2 .管殼式換熱器的分類(lèi),1.固定管板式換熱器,無(wú)補(bǔ)償器,帶補(bǔ)償器,4,固定管板換熱器 分為帶補(bǔ)償器和不帶補(bǔ)償器兩種。 優(yōu)點(diǎn)：1）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單； 2）造價(jià)低。 缺點(diǎn)：1）殼程難清洗； 2）存在有溫差應(yīng)力。,介質(zhì)須較清潔，不

2、易結(jié)垢； 管程與殼程溫差不大； 殼程壓力不高。,5,看看二維圖,特點(diǎn),1.一個(gè)大管板，一個(gè)小管板，小管板在殼體內(nèi)滑動(dòng) 無(wú)溫差應(yīng)力； 2.管束可以抽出，清洗； 3.結(jié)構(gòu)復(fù)雜，浮頭內(nèi)漏不便檢查； 4.管束與殼體間隙較大影響傳熱。.,2.浮頭換熱器,6,3.填料函式換熱器,特點(diǎn)： 1.一端可自由伸縮 不產(chǎn)生熱應(yīng)力； 2.管束可以抽出，管內(nèi)外均易清洗； 3.填料將殼程介質(zhì)與外界隔開(kāi)，易外漏，介質(zhì)受限制；,7,U型管式換熱器的二維圖,特點(diǎn)：,1.只有一個(gè)管板，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單； 2.管子可以抽出，管間易清洗； 3.管子可以自由膨脹； 4.管內(nèi)不便清洗，不易更換； 5.結(jié)構(gòu)不緊湊。,4.U形管式換熱器,8,7.1

3、.3.管殼式換熱器機(jī)械設(shè)計(jì)內(nèi)容 1.殼體直徑及壁厚；2.封頭法蘭、管件及補(bǔ)強(qiáng)； 3.管板結(jié)構(gòu)及強(qiáng)度； 4.細(xì)部連接結(jié)構(gòu)； 5.附件結(jié)構(gòu)； 6.管子拉脫力驗(yàn)算； 7.殼體熱應(yīng)力校核； 8.支座設(shè)計(jì)。,9,7.2換熱管的選用及其與管板的連接,7.2.1 換熱管選用 常用管子形式：,10,常用管子材質(zhì)：碳鋼（10，20），低合金鋼（16Mn,15MnV),合金鋼（1Cr18Ni9Ti),銅，鈦，鋁，塑料，石墨等。 管子選用，要注意 單位傳熱面積的金屬耗量， 傳熱效果， 結(jié)構(gòu)緊湊， 清洗及結(jié)垢等等因素。,11,小管徑,單位體積傳熱面積增大、結(jié)構(gòu)緊湊、 金屬耗量減少、傳熱系數(shù)提高 阻力大，不便清洗，易結(jié)

4、垢堵塞 用于較清潔的流體,粘性大或污濁的流體,大管徑,12,7.2.2 管子與管板的連接： 1. 脹接 工具：,脹管器,13,脹管結(jié)束後： 管板孔邊緣彈性回復(fù)，擠壓管端并貼緊。,脹管過(guò)程發(fā)生： 管子端部塑性變形； 管板孔邊緣彈性變形。,14,優(yōu)點(diǎn)：工藝簡(jiǎn)單方便； 消除間隙避免間隙腐蝕。 缺點(diǎn)：溫度升高時(shí)，管端會(huì)發(fā)生松弛 泄漏。 適用條件：p4.0MPa , t350。 注意：管端硬度管板硬度。,為什麼？ 如何實(shí)現(xiàn)？,15,保證緊密性的方法： 管板孔開(kāi)槽； 脹接周邊保證清潔； 管子硬度低于管板孔周邊硬度。 保證管端硬度較低并且低于管板硬度的方法： 管端退火處理。 選材考慮。,16,2.焊接,優(yōu)點(diǎn)

5、： 高溫高壓下能保證連接的緊密性； 管板孔加工精度要求不高，低于脹接； 焊接工藝簡(jiǎn)單； 壓力不高時(shí)可用薄管板。 缺點(diǎn)： 存在焊接熱應(yīng)力應(yīng)力腐蝕； 管與孔間有間隙形成介質(zhì)死區(qū)，間隙腐蝕。,17,管與管板焊接形式：,18,3.脹焊并用,克服了單純的焊接及脹接的缺點(diǎn)，主要優(yōu)點(diǎn)是： 連接緊密，提高抗疲勞能力； 消除間隙腐蝕和應(yīng)力腐蝕； 提高使用壽命。 施工方式：先脹後焊；先焊後脹。 脹接貼脹；強(qiáng)度脹。 焊接密封焊，強(qiáng)度焊。 根據(jù)不同情況具體制定施工工藝。,19,7.3.1 換熱管排列形式,1.正三角形和轉(zhuǎn)正三角形排列,20,2.正方形和轉(zhuǎn)角正方形排列,3.組合排列,三角形布管多，但不易清洗； 正方形及

6、轉(zhuǎn)角正方形較易清洗,21,7.3.2 管間距,換熱管中心距。 要考慮到： 管板強(qiáng)度； 清洗空間； 管子在管板上的固定方法。等,管橋強(qiáng)度,清洗通道,P1.25d0,22,管殼式換熱器結(jié)構(gòu),23,7.3.3 管板受力及管板設(shè)計(jì)方法,24,管板設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)介：,管板厚度設(shè)計(jì)方法。 1）管板當(dāng)作受均布載荷的實(shí)心圓平板，按彈性理論求解彎曲應(yīng)力； 2）管束作為彈性基礎(chǔ)，計(jì)算各種載荷作用下的彎曲應(yīng)力； 3）取相鄰四個(gè)管板孔間的菱形，按彈性理論，計(jì)算均布載荷下的最大彎曲應(yīng)力。,25,圖6-27 管板與其相關(guān)元件的內(nèi)力分析圖,內(nèi)力共 14個(gè),管板設(shè)計(jì),26,管板材料,力學(xué)性能 介質(zhì)腐蝕性（及tube-tubesh

7、eet間電位差對(duì)腐蝕影響） 貴重鋼板價(jià)格,流體無(wú)腐蝕性或有輕微腐蝕性時(shí)， 管板采用壓力容器用碳素鋼或低合金鋼板或鍛件制造； 腐蝕性較強(qiáng)時(shí)，用不銹鋼、銅、鋁、鈦等材料， 為經(jīng)濟(jì)考慮，采用復(fù)合鋼板或堆焊襯里。,管殼式換熱器結(jié)構(gòu),27,2.管板結(jié)構(gòu),厚度 滿(mǎn)足強(qiáng)度前提下，盡量減少管板厚度,熱應(yīng)力,28,7.3.4 管程分程及管板與隔板的連接,1.換熱面積較大，要進(jìn)行分程 1）.管子太長(zhǎng)，設(shè)備長(zhǎng)徑比過(guò)大，浪費(fèi)材料； 2）.增加流速，提高傳熱效果。 2.分程要求： 1）各程管數(shù)大致相同； 2）相鄰程管壁溫差不大于28； 3）程間密封長(zhǎng)度應(yīng)最短； 4）隔板形狀應(yīng)簡(jiǎn)單。 3.常用管程數(shù)為：1，2，4，6，8

8、，12。,29,管箱分程：,分程舉例： 2程,4程,30,4.分程隔板及其與管板間的密封,管箱結(jié)構(gòu)：,31,隔板：?jiǎn)螌蛹半p層。,32,1.固定式管板用于固定式管板換熱器。,7.3.5 管板與殼體的連接結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu),33,2.非固定式管板,34,浮頭式、U形管式和填料函式換熱器上的管板為可拆式結(jié)構(gòu)，以便清理殼程。,35,3.管板與殼體的連接結(jié)構(gòu)兼作法蘭情況：,36,管板不兼作法蘭結(jié)構(gòu)：,37,7.4 其它附件的作用與結(jié)構(gòu),7.4.1 折流板及支撐板 作用：a.提高殼程流體流速，改變流動(dòng)方向提高傳熱效率。 b.支撐換熱管。 形式：a.弓形；b.圓盤(pán)-圓環(huán)形；c.扇形。,38,折流板的固定方法,39,7

9、.4.2 旁路擋板,殼體與管束之間存在有較大間隙時(shí)，為避免流體走短路，沿縱向設(shè)置板條，迫使流體穿過(guò)管束。,40,7.4.3 攔液板,作用：在立式冷凝器中，用來(lái)減薄管壁上的液膜以提高傳熱膜系數(shù)。,41,7.5 溫差應(yīng)力,7.5.1.溫差應(yīng)力的產(chǎn)生：,42,43,7.5.2 管子拉脫力的計(jì)算限于管子與管板脹接情況。,1.介質(zhì)壓力和溫差力對(duì)管板的作用：,假設(shè) 管壁溫度殼壁溫度,44,2.拉脫力的計(jì)算,計(jì)算的目的：保證脹接接頭的牢固連接和良好的密封性。 拉脫力定義：管子每平方米脹接周邊上所受的力，單位為帕。 引起拉脫力的因素為：操作壓力和溫差力。 （1）操作壓力引起的拉脫力qp: 介質(zhì)壓力作用的面積

10、f 如圖示,45,介質(zhì)壓力p，取管程壓力和殼程壓力兩者中的較大者。 管子外徑為d0 ；管子脹接長(zhǎng)度為l。 則拉脫力為：,（2）溫差力引起的拉脫力 qt ： 每根管承受溫差力為 tat 。 則拉脫力為：,（3）合拉脫力：兩者使管子受力方向相同取之和； 兩者使管子受力方向相反取之差。,46,（4）拉脫力判據(jù)：,計(jì)算合拉脫力必須小于許用拉脫力： qq,管端不卷邊，管板孔不開(kāi)槽 取2.0MPa。,管端卷邊或管板孔開(kāi)槽 取4.0MPa 。,許用拉脫力q的確定：,47,7.5.3 溫差應(yīng)力的補(bǔ)償,目的：解決殼體與管束軸向變形的不一致性?；蛘哒f(shuō)，消除殼體與管子間的剛性約束，實(shí)現(xiàn)殼體和管子自由伸縮。 補(bǔ)償方法

11、： 1.減小殼體與管束間的溫度差 使傳熱膜系數(shù)大的流體走殼程； 殼壁溫度低于管壁溫度時(shí)，對(duì)殼體進(jìn)行保溫。 2.裝設(shè)撓性構(gòu)件 殼體上安裝膨脹節(jié)；（見(jiàn)書(shū)P217 圖7-38） 將直管制成帶S形彎的管。如氨合成塔內(nèi)的冷管：,48,膨脹節(jié)設(shè)計(jì),膨脹節(jié),49,3.采用殼體與管束自由伸縮的結(jié)構(gòu),（1）填料函式換熱器,50,填料函式換熱器結(jié)構(gòu)一,返回,51,填料函式換熱器結(jié)構(gòu)二,返回,52,填料函結(jié)構(gòu)之三,53,（2）浮頭式換熱器,54,浮頭式換熱器結(jié)構(gòu)之二,55,浮 頭 結(jié) 構(gòu) 1,返回,56,浮 頭 結(jié) 構(gòu) 2,返回,57,4.套管式結(jié)構(gòu)如三十萬(wàn)噸合成氨裝置中的廢熱鍋爐；,58,氨合成塔中雙套管式觸煤筐冷管結(jié)構(gòu),59,7.5.4 膨脹節(jié)結(jié)構(gòu)及設(shè)置,裝在固定管板式換熱器上的撓性元件。 1.膨脹節(jié)的作用及結(jié)構(gòu)形式： 作用：對(duì)管子與殼體的膨