管殼式換熱器設(shè)計(jì)內(nèi)容選型.ppt

1、1,第三篇典型化工設(shè)備的機(jī)械設(shè)計(jì),換熱器,攪拌設(shè)備,塔設(shè)備,2,3,4,5,6,教學(xué)重點(diǎn) （1）固定管板式換熱器的基本結(jié)構(gòu) （2）典型管殼式換熱器的選型 教學(xué)難點(diǎn)： 管、殼程的分程及隔板,第七章 管殼式換熱器的機(jī)械設(shè)計(jì),7,第一節(jié) 換熱器概述,一、定義,換熱器是用來(lái)完成各種不同傳熱過(guò)程的設(shè)備。,1、如：開(kāi)水鍋爐、水杯、冰箱、空調(diào)等。,2、是許多工業(yè)部門(mén)廣泛應(yīng)用的通用工藝設(shè)備。通常，在化工廠(chǎng)的建設(shè)中，換熱器約占總投資的11 40 。,那么衡量一臺(tái)換熱器好壞的標(biāo)準(zhǔn)是什么呢？,8,3.可靠性,滿(mǎn)足操作條件 ，強(qiáng)度足夠，保證使用壽命,二、衡量標(biāo)準(zhǔn),2.合理性,1.先進(jìn)性,可制造加工，成本可接受,傳熱效

2、率高，流體阻力小，材料省,9,三、不同目的的換熱器,冷卻器（cooler）,冷凝器（condenser）,蒸發(fā)器（發(fā)生相變）（evaporator）,加熱器（一般不發(fā)生相變）（heater）,再沸器（reboiler）,廢熱鍋爐（waste heat boiler）,10,四、換熱器的基本類(lèi)型,按傳熱方式或工作原理分類(lèi),1、直接接觸式,傳熱效果好，但不能用于發(fā)生反應(yīng)或有影響的流體之間,圖7-1 直接接觸式換熱器,11,2、蓄熱式,溫度較高的場(chǎng)合，但有交叉污染，溫度波動(dòng)大,圖7-2蓄熱式換熱器,12,又稱(chēng)表面式換熱器 利用間壁（固體壁面）進(jìn)行熱交換。 冷熱兩種流體隔開(kāi)，互不接觸，熱量 由熱流體通

3、過(guò)間壁傳遞給冷流體。,應(yīng)用最為廣泛，形式多種多樣， 如管殼式換熱器、板式換熱器等,13,對(duì)于間壁式換熱器，按間壁形狀進(jìn)一步分為,(3)管殼式,(1)管式,(2)緊湊式,螺旋板式、板式、板翅、傘板等,排管、蛇管、套管,重點(diǎn),下面我們來(lái)看一看管殼式換熱器的基本結(jié)構(gòu),14,管殼式換熱器,15,圖7-3換熱器構(gòu)件名稱(chēng),1-管箱(A,B,C,D型);2-接管法蘭;3-設(shè)備法蘭;4-管板;5-殼程接管;6-拉桿;7-膨脹節(jié);8-殼體;9-換熱管;10-排氣管;11-吊耳;12-封頭;13-頂絲;14-雙頭螺柱;15-螺母;16-墊片;17-防沖板;18-折流板或支承板;19-定距管;20-拉桿螺母;21-

4、支座;22-排液管;23-管箱殼體;24-管程接管;25-分程隔板;26-管箱蓋,根據(jù)我們前面學(xué)習(xí)的內(nèi)容，請(qǐng)同學(xué)們說(shuō)說(shuō)序號(hào) 2、3、8、12、21各代表什么零件？,16,固定管板式換熱器,浮頭式換熱器,U形管式換熱器,填料函式換熱器,五、管殼式換熱器的分類(lèi),基本類(lèi)型,17,（一）固定管板式換熱器,優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、能承受較高的壓力，造價(jià)低，管程清洗方便，管子損壞時(shí)易于堵管或更換。,缺點(diǎn)：不易清洗殼程，殼體和管束中可能產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力。,圖7-4固定管板式換熱器,結(jié)構(gòu)三維圖,18,為減少熱應(yīng)力，通常在固定管板式換熱器中設(shè)置柔性元件（如膨脹節(jié)、撓性管板等），來(lái)吸收熱膨脹差。,圖7-5帶膨脹節(jié)的

5、固定管板式換熱器,適用場(chǎng)合：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大的場(chǎng)合。,19,（二）浮頭式換熱器,優(yōu)點(diǎn)： 管內(nèi)和管間清洗方便，不會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力。,缺點(diǎn)： 結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)備笨重，造價(jià)高，浮頭端小蓋在 操作中無(wú)法檢查。,適用場(chǎng)合：殼體和管束之間壁溫相差較大，或介質(zhì)易 結(jié)垢的場(chǎng)合。,圖7-6浮頭式換熱器,fts1.rm,fts2.rm,20,圖7-7浮頭結(jié)構(gòu),溝圈與浮頭管板連接,21,U形管式換熱器,22,U形管式換熱器,23,動(dòng)畫(huà),24,（三）U形管式換熱器,圖7-8U型管式換熱器,優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，承受能力強(qiáng)，不會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力。,缺點(diǎn)：布板少，管板利

6、用率低，管子壞時(shí)不易更換。,適用場(chǎng)合：特別適用于管內(nèi)走清潔而不易結(jié)垢的高溫、高壓、腐蝕 性大的物料。,25,（四）填料函式換熱器,優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工制造方便，造價(jià)低，管內(nèi)和管間清洗方便。,缺點(diǎn)：填料處易泄漏。,適用場(chǎng)合： 4MPa 以下，且不適用于易揮發(fā)、易燃、易爆、有毒及 貴重介質(zhì)，使用溫度受填料的物性限制。,填料函式密封,圖7-9填料函式換熱器,26,（一）工藝計(jì)算,六、管殼式換熱器設(shè)計(jì)內(nèi)容,選型；確定管、殼程；通過(guò)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(zhǎng)，決定管數(shù)、管程數(shù)和殼程數(shù) 。,（二）機(jī)械設(shè)計(jì),1）殼體直徑的決定和殼體厚度的計(jì)算； 2）換熱器封頭選擇，壓力容器法蘭選

7、擇； 3）管板尺寸確定； 4）折流板的選擇與計(jì)算； 5）管子拉脫力的計(jì)算； 6）溫差應(yīng)力計(jì)算。,27,課堂提問(wèn),說(shuō)出換熱器類(lèi)型,固定管板式換熱器,浮頭式換熱器,U形管式換熱器,填料函式換熱器,28,第二節(jié) 管子的選用及其與管板的連接,一、管子的選用,（一）直徑,粘性大或污濁的流體,大管徑,小管徑,29,（二）規(guī)格,（外徑壁厚），長(zhǎng)度按規(guī)定決定,換熱管尺寸,192、252.5和382.5mm無(wú)縫鋼管252和382.5mm不銹鋼管,標(biāo)準(zhǔn)管長(zhǎng)1.5、2.0、3.0、4.5、6.0、9.0m等,換熱器的換熱管長(zhǎng)度與公稱(chēng)直徑之比，一般在425之間，常用的為610。立式換熱器，其比值多為46。,30,（三

8、）結(jié)構(gòu)型式,多用光管，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易， 為強(qiáng)化傳熱，也采用強(qiáng)化傳熱管。,31,圖7-10 幾種異形管 （a）扁平管 （b）橢圓管 （c）凹槽扁平管（d）波紋管,32,圖7-11 縱向翅片管 （a）焊接外翅片管 （b）整體式外翅片管 （c）鑲嵌式外翅片管 （d）整體式內(nèi)外翅片管,33,圖7-12 徑向翅片管,圖7-13 螺紋管,34,（四）材料,由壓力、溫度、介質(zhì)的腐蝕性能決定。主要有碳素鋼、合金鋼、銅、鈦、塑料、石墨等。,金屬材料,碳素鋼,低合金鋼,不銹鋼,銅,銅鎳合金,鋁合金,鈦等,非金屬材料,石墨,陶瓷,聚四氟乙烯等,35,二、管子與管板的連接,（一）脹接,利用脹管器擠壓伸入管板孔

9、中的管子端部，使管端發(fā)生塑性變形，管板孔同時(shí)產(chǎn)生彈性變形，取去脹管器后，管板與管子產(chǎn)生一定的擠壓力，貼在一起達(dá)到密封緊固連接的目的。,圖7-14 脹管前后示意圖,（a）脹管前,（b）脹管后,36,液壓 脹管器,37,液壓脹接,38,機(jī)械脹接,39,適用范圍：換熱管為碳素鋼，管板為碳素鋼或低合金鋼，設(shè)計(jì)壓力4MPa，設(shè)計(jì)溫度300，且無(wú)特殊要求的場(chǎng)合。,原因：溫度升高，殘余應(yīng)力減小，使管子與管板間的脹接密封性能、緊固性能都下降，故設(shè)計(jì)溫度300 。,要求管板硬度大于管子硬度，否則將管端退火后再脹接。,脹接時(shí)管板上的孔可以是光孔，也可開(kāi)槽(開(kāi)槽可以增加連接強(qiáng)度和緊密性)。,40,圖7-15 脹管連

10、接結(jié)構(gòu)及尺寸,41,（二）焊接,優(yōu)點(diǎn)：在高溫高壓條件下，焊接連接能保持連接的緊密性，管板加工要求可降低，節(jié)省孔的加工工時(shí)，工藝較脹接簡(jiǎn)單，壓力較低時(shí)可使用較薄的管板。 缺點(diǎn)：在焊接接頭處產(chǎn)生的熱應(yīng)力可能造成應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂和疲勞破裂，同時(shí)管子、管板間存在間隙，易出現(xiàn)間隙腐蝕。,圖7-16 焊接間隙示意圖,管板,間隙,換熱管,42,圖7-17 焊接接頭的結(jié)構(gòu),(a),c,(c),(b),(d),43,（三）脹焊并用,脹焊并用連接主要有： 強(qiáng)度焊貼脹先焊后脹 強(qiáng)度脹密封焊先脹后焊 概念解釋?zhuān)好芊夂覆槐ＷC強(qiáng)度，只防漏； 強(qiáng)度焊既防漏，又保證抗拉脫強(qiáng)度； 貼脹只消除間隙，不承擔(dān)拉脫力； 強(qiáng)度脹既消除間隙，

11、又滿(mǎn)足脹接強(qiáng)度。 目前，先焊后脹與先脹后焊兩派學(xué)說(shuō)仍處于爭(zhēng)議之中。,44,第三節(jié) 管板結(jié)構(gòu),一、換熱管排列方式,三角形排列緊湊，傳熱效果好，同一板上管子比正方形多排10%左右，同一體積傳熱面積更大。適用于殼程介質(zhì)污垢少，且不需要進(jìn)行機(jī)械清洗的場(chǎng)合。,（一）正三角形和轉(zhuǎn)角正三角形排列,圖7-18 正三角形排列的管子,流體流動(dòng)方向,流體流動(dòng)方向,正三角形排列,轉(zhuǎn)角正三角形排列,45,46,（二）正方形和轉(zhuǎn)角正方形排列,管間小橋形成一條直線(xiàn)通道，便于機(jī)械清洗。要經(jīng)常清洗管子外表面上的污垢時(shí)，多用正方形排列。,圖7-19 正方形排列的管子,流體流動(dòng)方向,流體流動(dòng)方向,轉(zhuǎn)角正方形排列,正方形排列,47,

12、（三）組合排列法,在多程換熱器中多采用組合排列方法。即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720。,圖7-20 組合排列法,48,二、管間距,（一）定義,（二）要求,管間距指兩相鄰換熱管中心的距離。,管間距1.25d0，符合表7-5規(guī)定，便于管子與管板間的連接，因?yàn)閷?duì)于脹接或焊接來(lái)講，管子間距離太近，那么都會(huì)影響連接質(zhì)量。最外層管壁與殼壁之間的距離為10mm，主要是為折流板易于加工，不易損壞。,49,表7-1 常用換熱管中心距/mm,最外層換熱管中心至殼體內(nèi)表面的距離不應(yīng)小于(換熱管外徑的一半)10mm。,50,三、管程的分程及管板與隔板的連接,

13、當(dāng)換熱器所需的換熱面積較大，而管子做得太長(zhǎng)時(shí)，就得增大殼體直徑，排列較多的管子。此時(shí)，為了增加管程流速，提高傳熱效果，須將管束分程，使流體依次流過(guò)各程管子。,（一）分程原因,51,（二）分程原則,（三）分程隔板,圖7-21 雙層隔板與管板的密封,各程換熱管數(shù)應(yīng)大致相等； 相鄰程間平均壁溫差一般不應(yīng)超過(guò)28； 各程間的密封長(zhǎng)度應(yīng)最短； 分程隔板的形狀應(yīng)簡(jiǎn)單。,圖7-22 單層隔板與管板的密封,封頭,隔板,管板,52,（四）分程方式,表72管程布置表,53,五、管板與殼體的連接結(jié)構(gòu),（一）不可拆的焊接式,固定管板式換熱器管板與殼體的連接,兼做法蘭,不兼做法蘭,54,圖7-23 -01 兼作法蘭時(shí)管

14、板與殼體的連接結(jié)構(gòu),55,圖7-23 -02 兼作法蘭時(shí)管板與殼體的連接結(jié)構(gòu),56,圖7-23 -03 兼作法蘭時(shí)管板與殼體的連接結(jié)構(gòu),57,圖7-24 不兼作法蘭時(shí)管板與殼體的連接結(jié)構(gòu),58,（二）可拆式,浮頭式、U型管式及填料函式換熱器固定端管板與殼體的連接,圖7-25 管板與殼體可拆連接,59,第四節(jié) 折流板、支承板、 旁路擋板及攔液板的作用和結(jié)構(gòu),一、折流板及支承板,1、作用,提高殼程內(nèi)流體的流速,加強(qiáng)湍流強(qiáng)度,提高傳熱效率,支撐換熱管。,當(dāng)工藝上無(wú)折流板要求而管子較細(xì)長(zhǎng)時(shí)，應(yīng)考慮有一定數(shù)量的支承板，以便安裝和防止管子變形；支撐板的尺寸、形狀可與折流板相同。,60,2、結(jié)構(gòu),弓形、圓盤(pán)

15、圓環(huán)形和帶扇形切口。,圖7-26 弓形折流板,61,圖7-27 圓盤(pán)-圓環(huán)形折流板,圖7-28 帶扇形切口折流板,62,折流板缺口垂直左右布置,63,折流板的加工,64,3、尺寸,厚度,與殼體直徑和折流板間距有關(guān),折流板最小厚度按下表選取,表7-3 折流板的厚度,65,弓形折流板間距,最小間距 max Di，50mm,最大間距：不超過(guò)下表規(guī)定，且Di,表7-4 折流板和支承板最大間距厚度,66,間隙,折流板外徑與殼體之間的間隙要適當(dāng)，因?yàn)檫^(guò)小給安裝帶來(lái)困難，過(guò)大又影響傳效率。詳見(jiàn)表7-5,表7-5 折流板和支承板的外徑,67,折流板的固定,折流板和支承板的固定是通過(guò)拉桿和定距管來(lái)實(shí)現(xiàn)的,圖7-

16、29 折流板的組裝,68,二、旁路擋板,1、作用,阻止流體短路，迫使殼體流體通過(guò)管束進(jìn)行熱交換。,加工成規(guī)則的長(zhǎng)條狀，長(zhǎng)度等于折流板或支承板的板間距，兩端焊在折流板或支承板上。,2、結(jié)構(gòu)及安裝,圖7-30 旁路擋板的結(jié)構(gòu),69,圖7-31 旁路擋板的結(jié)構(gòu),70,三、攔液板,立式冷凝器中起到截?cái)r液膜作用。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)。,圖7-32 攔液板,71,第五節(jié) 溫差應(yīng)力,一、管壁與殼壁溫度差引起的溫差應(yīng)力,1、溫差應(yīng)力產(chǎn)生的原因,如圖所示,固定管板式換熱器的殼體與管子,在安裝溫度下,它們的長(zhǎng)度均為L(zhǎng)(圖a);,圖7-33 殼體與管子的膨脹與壓縮,72,1、溫差應(yīng)力產(chǎn)生

17、的原因（續(xù)）,當(dāng)操作時(shí)(圖b),殼體和管子的溫度都升高,若管壁溫度高于殼壁溫度,則管子自由伸長(zhǎng)量和殼體自由伸長(zhǎng)量分別為,圖7-33 殼體與管子的膨脹與壓縮,73,由于管子與殼體是剛性連接，所以管子和殼體的實(shí)際伸長(zhǎng)量必須相等，見(jiàn)圖c，因此就出現(xiàn)殼體被拉伸，產(chǎn)生拉應(yīng)力；管子被壓縮，產(chǎn)生壓應(yīng)力。此拉、壓應(yīng)力就是溫差應(yīng)力。,圖7-33 殼體與管子的膨脹與壓縮,1、溫差應(yīng)力產(chǎn)生的原因（續(xù)）,74,2、溫差應(yīng)力的計(jì)算,溫差軸向力F,由于溫差而使殼體被拉長(zhǎng)的總拉伸力應(yīng)等于所有管子被壓縮的總壓縮力，總拉伸力（或總壓縮力）就是溫差軸向力。符號(hào)規(guī)定F為+，表殼體被拉，管子被壓，反之則反之。,根據(jù)虎克定律：,圖7-

18、33 殼體與管子的膨脹與壓縮,75,將,，,代入上式并整理得,式中,分別為管子和殼體材料的線(xiàn)膨脹系數(shù)， 1/ ；,分別為操作狀態(tài)下管壁溫度和殼壁溫度，；,分別為管子和殼體材料的彈性模量，MPa；,換熱管總截面面積，mm2；,安裝時(shí)的溫度，；,殼壁橫截面面積，mm2 。,76,溫差應(yīng)力,分別為管子和殼體中的溫差應(yīng) 力，MPa,77,3、溫差應(yīng)力的補(bǔ)償,減少殼體與管束間的溫度差,裝設(shè)撓性構(gòu)件,將傳熱膜系數(shù)大的流體通入管間空間,用得最多的是在固定管板式換熱器的殼體上裝設(shè)波形膨脹節(jié),78,使殼體和管束自由熱膨脹,換熱器的管束有一端能自由伸縮，這樣殼體和管束的熱脹冷縮便互不牽制，可自由地進(jìn)行。所以這種結(jié)構(gòu)完全消除了熱應(yīng)力。請(qǐng)同學(xué)們說(shuō)說(shuō)有哪些結(jié)構(gòu)的換熱器可以消除熱應(yīng)力。,79,雙套管溫度補(bǔ)償,在高溫高壓換熱器中