化工設(shè)備課件列管式換熱器

1、典型化工設(shè)備的機(jī)械設(shè)計(jì)第七章 管殼式換熱器的機(jī)械設(shè)計(jì) 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(tái)換熱器好壞的標(biāo)準(zhǔn)是傳熱效率高、流體阻力小、強(qiáng)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、腐蝕性較強(qiáng)的場合。2浮頭式換熱器 這類換

2、熱器，一端管板是固定的，另一端管板可在殼體內(nèi)移動(dòng)，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(shí)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(jī)械設(shè)計(jì)內(nèi)容 設(shè)計(jì)一個(gè)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(hù)方便和操作安全等要求。管殼式換熱器的設(shè)計(jì)，首先根據(jù)化工生產(chǎn)工藝條件的要求，通過化工工藝計(jì)算，確定換熱器的傳熱面積，同時(shí)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(jī)械設(shè)計(jì)。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

3、熱器的傳熱面積，管子的形狀對(duì)傳熱和換熱器的設(shè)計(jì)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(qiáng)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)生塑性變形，管板孔同時(shí)產(chǎn)生彈性變形，當(dāng)取出脹管器后管板與管子就產(chǎn)生一定的擠緊壓力，達(dá)到密封緊固

4、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(gè)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(jì)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(dāng)管子總數(shù)超過127根（相當(dāng)于層數(shù)6)時(shí)，正三角形排列的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

5、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(qiáng)度和清洗管子外表面時(shí)所需空隙，它與換熱管在管板上的固定方法有關(guān)。當(dāng)換熱管采用焊接方法固定時(shí)，相鄰兩根管的焊縫太近，就會(huì)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(shí)，過小的管間距會(huì)造成管板在脹接時(shí)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(jì)方法簡介 列管式

6、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(qiáng)度、使用溫度等對(duì)管板應(yīng)力有顯著的影響。 管束對(duì)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(jìn)行受力分析時(shí)，常把管板看成是放在彈性基礎(chǔ)上的平板，管程的分程及管板與隔板的連接 當(dāng)換熱器所需的換熱面積較大，而管子做的太長時(shí)，就得增大殼體直徑，排列較多的管子。此時(shí)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

7、。 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(duì)流傳熱的換熱器中，為了提高殼程內(nèi)流體的流速和加強(qiáng)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

8、流板切去的圓缺部分而垂直流過管束，流動(dòng)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(dāng)殼體與管束之間存在較大間隙時(shí)。可在管束上增加旁路擋板阻止流體短路，迫使殼程流體通過管束進(jìn)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?cái)r液膜作用。攔液板 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?cái)r液膜作用。攔液板間距按實(shí)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

9、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(jì)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(gè)力在管子與管板的連接接頭處產(chǎn)生了一個(gè)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所受到的力單位為帕對(duì)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，拉脫力不足以引起接頭的破壞；但對(duì)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(jìn)行拉脫力的校核。 在操

10、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(shí)見圖7-31 (a) 管子成正方形排列時(shí)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(bǔ)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(bǔ)償 在高溫

11、高壓換熱器中，也有采用插人式的雙套管溫度補(bǔ)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(duì)管子與殼體的膨脹變形差進(jìn)行補(bǔ)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(bǔ)償量。當(dāng)要求更大的熱補(bǔ)償里時(shí)，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(gè)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，

12、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(jì)規(guī)定中指出：對(duì)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：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)：22200()(2) (7-

13、16)4isttQDndpn dSp (1) 2(2) 2(3) 0tsstttssB 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(biāo)準(zhǔn)選用，冷作成型的鐵素體鋼膨脹節(jié)必須經(jīng)過消除應(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(jìn)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(duì)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(jìn)行無損探傷。 對(duì)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(diǎn)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(dòng)及降低流體阻力

14、等目的，必要時(shí)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(jì)內(nèi)襯筒時(shí)應(yīng)注意下列事項(xiàng)：(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)襯筒在迎著流體流動(dòng)方向一端與殼體焊接。(3）對(duì)于立式換熱器，殼程介質(zhì)為蒸汽或液體，且流動(dòng)方向朝上時(shí)，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(shí)可能會(huì)有妨礙，在換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮。管箱與殼程接管管箱 換熱器管內(nèi)流體進(jìn)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?yàn)榍逑础z修管子時(shí)需要拆下管箱。圖7-39所示結(jié)構(gòu)，在清洗、檢修時(shí)必須拆下外部管道。若改為圖7-40結(jié)構(gòu)，

15、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(shí)只需拆卸蓋子即可，不必拆管道，但需要增加一對(duì)法蘭連接。圖7-42結(jié)構(gòu)，省去了管板與殼體的法蘭連接，使結(jié)構(gòu)簡化，但更換管子不方便。 殼程接管 殼程流體進(jìn)出口的設(shè)計(jì)，直接影響換熱器的傳熱效率和換熱管的壽命。當(dāng)加熱蒸汽或高速流體流入殼程時(shí)，對(duì)換熱管會(huì)造成很大的沖刷，所以常將殼程接管在入口處加以擴(kuò)大，即將接管作成喇叭形，這樣起緩沖作用，或者在換熱器進(jìn)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(jìn)

16、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(dāng)需加人流體通道時(shí)，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，上面開了小孔以增加流體通過截面。 對(duì)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(shí)及運(yùn)轉(zhuǎn)中間歇地排出不凝性氣體排出管。例題1 有一臺(tái)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/ 2

17、00 100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)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 2200.8664fadp0q =pfd l2424420.866 3.2102.51043.96 10 m1.6;29pMPa lmm因?yàn)椋?4221.6 103.96 100.272.5 1

18、02.9 10pqMPa22000() 4() 1ttitttptstsddqqd ld laE ttAA2222442( 0)(2.52.0 ) 10501885 1044tsAddinmAdm-4-42中s80.6 0.6 10152 1066442211.8 100.21 10(200 100)36.3885 101152 1036.3(2.522.22)1042.824 2.5 102.9 10ttMPaqMPa 通過對(duì)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)。0.272.823.09ptqqqMPa第六節(jié) 管殼式換熱器的機(jī)械設(shè)計(jì)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(jì)條件 項(xiàng)目 管程 殼程 工作介質(zhì) 水煤氣 變換氣