化工設(shè)備課件列管式換熱器

1、典型化工設(shè)備的機械設(shè)計 第七章 管殼式換熱器的機械設(shè)計 第一節(jié) 概述 換熱器是許多工業(yè)部門廣泛應(yīng)用的通用工藝設(shè) 備。通常，在化工廠的建設(shè)中，換熱器約占總投 資的11%。 衡量一臺換熱器好壞的標準是傳熱效率高、流 體阻力小、強度足夠、結(jié)構(gòu)可靠、節(jié)省材料、成 本低、制造、安裝、檢修方便。 一 管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)及主要零部件 二 管殼式換熱器的分類 1、固定管板式換熱器 固定管板式換熱器適用于 殼程介質(zhì)清潔，不易結(jié)垢， 管程需清洗以及溫差不大 或溫差雖大但是殼程壓力 不高的場合。 2、 U型管式換熱器 U型管式換熱器適用 于管、殼壁溫差較大 的場合，尤其是管內(nèi) 介質(zhì)清潔不易結(jié)垢的 高溫、高壓、腐蝕性

2、 較強的場合。 2浮頭式換熱器 這類換熱器，一端管板 是固定的，另一端管板可 在殼體內(nèi)移動，因而管、 殼間不產(chǎn)生溫差應(yīng)力。管 束可以抽出，便于清洗。 但這類換熱器結(jié)構(gòu)較復(fù)雜， 金屬耗量較大。浮頭處如 發(fā)生內(nèi)漏時不便檢查。管 束與殼體間隙較大，影響 傳熱。 三 管殼式換熱器機械設(shè)計內(nèi)容 設(shè)計一個比較完善的換熱器，除了能 滿足傳熱方面的要求外，還應(yīng)該滿足傳熱 效率高、體積小、重量輕、消耗材料少、 制造成本低、清洗維護方便和操作安全等 要求。管殼式換熱器的設(shè)計，首先根據(jù)化 工生產(chǎn)工藝條件的要求，通過化工工藝計 算，確定換熱器的傳熱面積，同時選擇管 徑、管長，決定管數(shù)、管程數(shù)和殼程數(shù)， 然后講行機械設(shè)

3、計。 第二節(jié) 管子的選用及其與管板的連接 一 管子的選用 換熱器的管子構(gòu)成換熱器的傳熱面積，管子的形狀對 傳熱和換熱器的設(shè)計有很大的影響。 我國管殼式換熱器常用無縫鋼管規(guī)格長度為： 1500mm 、 2000mm、2500mm、3000mm、4500mm、 5000mm、6000mm、7500mm、9000mm、12000mm、 碳鋼低 合金鋼 19x2.5 25x2,5 32x3 38x3 不銹鋼 19x2 25x2 32x2.5 38x2.5 換熱器的管子一般都用光管。為了強化傳熱 出現(xiàn)了多種結(jié)構(gòu)形式異形管 二 管子與管板的連接 1、脹接:利用脹管器擠壓 伸入管板孔中的管子端部， 使管子發(fā)

4、生塑性變形，管 板孔同時產(chǎn)生彈性變形， 當取出脹管器后管板與管 子就產(chǎn)生一定的擠緊壓力， 達到密封緊固連接的目的。 2、焊接：在高壓高溫條 件下，連接能保持連接的 緊密性。 3、脹焊結(jié)合 三 管板結(jié)構(gòu) 換熱管排列形式 換熱管的排列應(yīng)在整個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 以及制造等方面的問題。 1、正三角形和轉(zhuǎn)角正三角形排列 2.正方形和轉(zhuǎn)角正方形排列 另外，根據(jù)結(jié)構(gòu)要求，采用組合排列，例如在多程換 熱器中，每一程中都采用三角形排列法，而在各程之間， 為了便于安裝隔板，則采用正方形排列法，如圖7-17, 當管子總數(shù)超過127根（相當于層數(shù)6) 時，正三角形排列的

5、最外層管子和殼體之 間的弓形部分，應(yīng)配置附加換熱管，從而 增大傳熱面積，消除管外空間這部分不利 于傳熱的地方。附加換熱管的配置法可參 考表7-4，在制氧設(shè)備中，常采用同心圓排 列法，結(jié)構(gòu)比較緊湊 。 管間距 管板上兩換熱管中心的距離稱為管間距。管 間距的確定，要考慮管板強度和清洗管子外表面 時所需空隙，它與換熱管在管板上的固定方法有 關(guān)。當換熱管采用焊接方法固定時，相鄰兩根管 的焊縫太近，就會相互受到熱影響，使焊接質(zhì)量 不易保證；而采用脹接法固定時，過小的管間距 會造成管板在脹接時由于擠壓的作用而發(fā)生變形， 失去了管子與管板之間的連接力。因而，換熱管 中心距宜不小于1.26倍的換熱管外徑， 管

6、間距應(yīng) 表7-4 換熱管中心距離(mm) 換熱管外徑 14192532384557 換熱管中心 距離 19253240485772 管板受力及其設(shè)計方法簡介 列管式換熱器的管板，一般采用平管板，在 圓平板上開孔裝設(shè)管束，管板又與殼體相連。管 板所受載荷除管程與殼程壓力之外，還承受管壁 與殼壁的溫差引起的變形不諧調(diào)作用固定式管 板受力情況較復(fù)雜，影響管板應(yīng)力大小有如下因 素：管板自身的直徑、厚度、材料強度、使用溫 度等對管板應(yīng)力有顯著的影響。 管束對管板的支承作用。管板與許多換熱管 剛性地固定在一起，因此，管束起著支承的作用， 阻礙管板的變形。在進行受力分析時，常把管板 看成是放在彈性基礎(chǔ)上的平

7、板， 管程的分程及管板與隔板的連接 當換熱器所需的換 熱面積較大，而管子 做的太長時，就得增 大殼體直徑，排列較 多的管子。此時為了 增加流程，提高傳熱 效率，須將管束分程， 使液體依次流過各程 管子。 1）各程換熱管數(shù)應(yīng)大致 相等； 2）相鄰程間平均壁溫差 不應(yīng)超過28； 3）各程間的密封長度應(yīng) 最短； 4）分程隔板的形狀應(yīng)簡 單。 分程隔板有單層和雙層 兩種。 管板與殼體的連接 1、固定管板式換熱器換熱器管板與殼體的 連接 2、浮頭式、 U形管式及填函式換熱器管板與殼體的連接 折流板、支承板、旁路擋板及攔液板的作用與 結(jié)構(gòu) 折流板和支承板 在對流傳熱的換熱器中，為了提高殼程內(nèi)流 體的流速和

8、加強湍流程度，以提高傳熱效率，在 殼程內(nèi)裝置折流板。折流板還起支撐換熱管的作 用。 折流板和支承板的常用形式有弓形、圓盤-圓 環(huán)形和帶扇形切口三種。7-28、圖7-29和圖7-30。 其中弓形折流板用得較普遍，這種形式使流體只 經(jīng)折流板切去的圓缺部分而垂直流過管束，流動 中死區(qū)較少。 橫向折流板和支承板的厚度與殼體直徑和 折流板間距有關(guān)。 折流板和支承板的固定形式 旁路擋板及攔液板 當殼體與管束之間存在較大間隙時?？稍诠苁显黾?旁路擋板阻止流體短路，迫使殼程流體通過管束進行熱交 換。 在立式冷凝器中，為減薄管壁上的液膜而提高傳熱膜 系數(shù)，推薦在冷凝器中裝置攔液板以起截攔液膜作用。 攔液板 在

9、立式冷凝器中，為減薄管壁上的液 膜而提高傳熱膜系數(shù)，推薦在冷凝器中裝 置攔液板以起截攔液膜作用。攔液板間距 按實際情況決定或暫取折流板間距。 第四節(jié) 溫差應(yīng)力 一 管壁與殼壁溫度差引起的溫差應(yīng)力 t=t(tt-t0)L s = s(ts-t0)L 管子所受壓縮力等于殼體所受拉伸力。 則根據(jù)虎克定律可知管子被壓縮的量為 t- =FL/E t A t 殼體被拉伸的量為 - s =FL/E s.A s 二 管子拉脫力的計算 換熱器在操作中，承受流體壓力和管殼壁的 溫差應(yīng)力的聯(lián)合作用，這兩個力在管子與管板的 連接接頭處產(chǎn)生了一個拉脫力，使管子與管板有 脫離的傾向。拉脫力的定義是管子每平方米脹接 周邊上

10、所受到的力單位為帕對于管子與管板 是焊接連接的接頭，實驗表明，接頭的強度高于 管子本身金屬的強度，拉脫力不足以引起接頭的 破壞；但對于管子與管板是脹接的接頭，拉脫力 則可能引起接頭處密封性的破壞或使管子松脫。 為保證管端與管板牢固地連接和良好的密封性能 必須進行拉脫力的校核。 在操作壓力作用下，每平方米脹接周邊所受到的力qp 管子成三角形排列時見圖7-31 (a) 管子成正方形排列時見圖7-31 (b) 在操作壓力作用下，每平方米脹接周邊所受到的力qt 由溫差產(chǎn)生的管子周邊力與壓力產(chǎn)生的管子周邊力可能 是作在同一方向的，也可能是作用在相反方向的。若兩者 作用于管子周邊力方向相同，管子的拉脫力為

11、qp +qt ；反 之，管子拉脫力為 qp - qt ，方向同qp 和qt 兩者中較 大者。 換熱管的拉脫力必須小于許用拉脫力q 三 溫差應(yīng)力的補償 1、減少殼體與管束間的溫度差； 2、裝設(shè)撓性構(gòu)件； 3、使管束和殼體自由熱膨賬； （1）填料式換熱器（2）浮頭式換熱器 4雙套管溫度補償 在高溫高壓換熱器中，也有采用插人式的雙套管溫 度補償結(jié)構(gòu)，如圖7-37所示。這種結(jié)構(gòu)也完全消除了熱應(yīng) 力。 膨脹節(jié)的結(jié)構(gòu)及設(shè)置 膨脹節(jié)的結(jié)構(gòu)及設(shè)置 (1)膨脹節(jié)是裝在固定管板式換熱器上的撓性元件， 對管子與殼體的膨脹變形差進行補償，以此來消除或減小 不利的溫差應(yīng)力在換熱器中采用的膨脹節(jié)有三種型式： 平板焊接膨脹

12、節(jié)、波形膨脹節(jié)和夾殼式膨脹節(jié)（圖7-39)。 最常用的是波形膨脹節(jié)圖7-39(b)。波形膨脹節(jié)可以由單層 板或多層板構(gòu)成。多層膨脹節(jié)具有較大的補償量。當要求 更大的熱補償里時，可以采用多波膨脹節(jié)。多波膨脹節(jié)可 以為整體成形結(jié)構(gòu)（波紋管），也可以由幾個單波元件用 環(huán)焊縫連接。平板焊接的膨脹節(jié)圖7-39(a)結(jié)構(gòu)簡單， 便于制造，但只適用于常壓和低壓的場合。夾殼式膨脹節(jié) 圖7-39(c)可用于壓力較高的場合。 換熱器中采用的膨脹節(jié)有三種型式：平板焊接 膨脹節(jié)、波形膨脹節(jié)和夾殼式膨脹節(jié) （2）必須設(shè)置膨脹節(jié)的條件。鋼制管殼式換熱器設(shè)計規(guī)定中指出：對 于固定管板式換熱器，用下式計算殼體和管子中的應(yīng)力：

13、 式中 F1 由殼體和管子之間的溫差所產(chǎn)生的軸向力， N; F2 ,由于殼程和管程壓力作用于殼體上的軸向力， N; F3,由于殼程和管程壓力作用于殼體上的軸向力， N; 式中 Q 作用于殼程和管程的操作壓力 之和，N ；如果管子和殼體的應(yīng)力滿足下述條件之 一，則不需要設(shè)置膨脹節(jié)，相反，則必須 設(shè)置膨脹節(jié)： 222 00 ()(2) (7-16) 4 istt QDndpn dSp (1) 2 (2) 2 (3) 0 t s s t t t ss B 或 (3)膨脹節(jié)的選用及設(shè)置 波形膨脹節(jié)的材料和尺寸可按GB16749-1997壓力容器波形膨脹節(jié)標準 選用，冷作成型的鐵素體鋼膨脹節(jié)必須經(jīng)過消除

14、應(yīng)力處理。奧氏體鋼膨脹節(jié) 冷作成型后通常不需要熱處理，熱作成型的奧氏體鋼膨脹節(jié)應(yīng)進行固溶處理。 波形膨脹節(jié)與換熱器殼體的連接，一般采用對接。膨脹節(jié)零件的環(huán)焊縫， 以及膨脹節(jié)和殼體連接的環(huán)焊縫均應(yīng)采用可以焊透的形式，并要求進行無損 探傷。 對于臥式換熱器用的波形膨脹節(jié)，必須在其安裝位置的最低點設(shè)置排液孔， 以便排凈殼體內(nèi)的殘留液體。 為了減少膨脹節(jié)的磨損，防止振動及降低流體阻力等目的，必要時可以在 膨脹節(jié)的內(nèi)側(cè)增設(shè)一內(nèi)襯筒，如圖7-38(b)所示。設(shè)計內(nèi)襯筒時應(yīng)注意下列事 項： (1）內(nèi)襯筒的厚度不小于2mm，且不大于膨脹節(jié)厚度；其長度應(yīng)超過膨脹節(jié) 的曲線部分的軸向長度。 (2)內(nèi)襯筒在迎著流體

15、流動方向一端與殼體焊接。 (3）對于立式換熱器，殼程介質(zhì)為蒸汽或液體，且流動方向朝上時，應(yīng)在內(nèi) 襯筒下端設(shè)置排液孔道。 (4）帶有內(nèi)襯筒的膨脹節(jié)與管束裝配時可能會有妨礙，在換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計時 應(yīng)考慮。 管箱與殼程接管 管箱 換熱器管內(nèi)流體進出口的空間稱為管箱（或稱流道室）。管箱結(jié)構(gòu) 應(yīng)便于裝拆，因為清洗、檢修管子時需要拆下管箱。圖7-39所示結(jié)構(gòu)， 在清洗、檢修時必須拆下外部管道。若改為圖7-40結(jié)構(gòu)，由于有側(cè)向 的接管，則不必拆外管道就可將管箱卸下。圖7-41所示結(jié)構(gòu)是將管箱 上蓋做成可拆的，清洗或檢修時只需拆卸蓋子即可，不必拆管道，但 需要增加一對法蘭連接。圖7-42結(jié)構(gòu)，省去了管板與殼體的

16、法蘭連接， 使結(jié)構(gòu)簡化，但更換管子不方便。 殼程接管 殼程流體進出口的設(shè)計，直接影響換熱器的傳熱效率 和換熱管的壽命。當加熱蒸汽或高速流體流入殼程時，對 換熱管會造成很大的沖刷，所以常將殼程接管在入口處加 以擴大，即將接管作成喇叭形，這樣起緩沖作用，或者在 換熱器進口處設(shè)置擋板。 通常采用的擋板有圓形和方形。圖7-45為圓形擋板， 為了減少流體阻力，擋板與換熱器殼壁的距離a不應(yīng)太小， 至少應(yīng)保證此處流道截面積不小于流體進口接管的截面積， 且距離a不小于30mm，若距離太大也妨礙管子的排列，且 減少了傳熱面積。當需加人流體通道時，可在擋板上開些 圓孔以加大流體通過的截面。圖7-46是一種方形擋板

17、，上 面開了小孔以增加流體通過截面。 對于蒸汽在殼程冷凝的立式換熱器、冷凝器等， 應(yīng)盡量減少冷凝液在管板上的積留，以保證傳熱 面的充分利用，故冷凝液的排出管，一般安裝如 圖7-47所示的結(jié)構(gòu)。此外，應(yīng)在殼 程盡可能高的 位置，一般在上管板上，安排不凝性氣體排出管， 作為開車時及運轉(zhuǎn)中間歇地排出不凝性氣體排出 管。 例題1 有一臺固定管板式換熱器，已 知條件如表。求管子的拉脫力 管子 殼體 管子殼體操作壓力/MPa 1.6 0. 6 操作溫度/ 200 100 材料 10 Q 235B 線膨脹系數(shù)1/ 11.8 10-6 11.810-6 彈性模量/MPa 0.21106 0.21106 許用應(yīng)

18、力/MPa 111 124.6 尺寸/mm 252.51500 8006 管子數(shù) 501根 排列方式 正三角形 管間距/mm 32 管子與管板的連接結(jié)構(gòu) 開槽脹接 脹接長度/mm l=29 許用拉脫力/MPa 4.0 解解 在操作壓力下，每平方米脹接周邊所產(chǎn) 生的力qp： 式中 22 0 0.866 4 fad p 0 q = pf d l 2424 42 0.866 3.2102.510 4 3.96 10 m 1.6;29pMPa lmm因為： 64 22 1.6 103.96 10 0.27 2.5 102.9 10 p qMPa 22 0 00 () 4 () 1 tti t t t

19、p ts t s dd qq d ld l aE tt A A 2222442 ( 0)(2.52.0 ) 10501885 10 44 t s Addinm Adm -4-42 中s 80.6 0.6 10152 10 66 4 4 22 11.8 100.21 10(200 100) 36.3 885 10 1 152 10 36.3(2.522.22)104 2.82 4 2.5 102.9 10 t t MPa qMPa 通過對此題的分析，管子受到的操作壓力 和溫差應(yīng)力引起的拉脫力qp和qt的作用方 向相同，所以 qq 管子的拉脫力在許用范圍之內(nèi)。 0.272.823.09 pt qqqMPa 第六節(jié) 管殼式換熱器的機械設(shè)計舉例 一、已知條件一、已知條件 已知條件如表7-13所示： 表7-13 管板式換熱器的設(shè)計條件 項目 管程 殼程 工作介質(zhì) 水煤氣 變