管殼式換熱器設(shè)計.ppt

1、管殼式換熱器的設(shè)計,一、概述 1.1 換熱器的應(yīng)用 1.2 換熱器的分類及其特點(diǎn) 1.3 管殼式換熱器的基本介紹 二、管殼式換熱器設(shè)計參數(shù)、材料的確定 2.1 設(shè)計參數(shù)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(jié)構(gòu)設(shè)計 4.1 換熱管與管板連接結(jié)構(gòu) 4.2 防沖板與導(dǎo)流筒的設(shè)置 4.3 折流板與支持板 4.4 拉桿和定距管 4.5 管板結(jié)構(gòu)設(shè)計 4.6 換熱管,一、 概述,1.1 換熱器的應(yīng)用 使熱量從熱流體傳遞到冷流體的設(shè)備稱為換熱設(shè)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(shè)備。在化工廠中，換熱設(shè)備的投資約占總投資的10%-20%。 在工

2、業(yè)生產(chǎn)中，換熱設(shè)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(dá)到工藝流程規(guī)定的指標(biāo)，以滿足工藝流程上的需要。此外，換熱設(shè)備也有回收余熱、廢熱特別是低位熱能的有效裝置。如：轉(zhuǎn)化器夾套冷卻水因帶走設(shè)備的反應(yīng)熱后使其從進(jìn)入時的溫度60-80上升到近100 ，從夾套流出的熱水進(jìn)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(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益。,1.2 換熱設(shè)備分類及其特點(diǎn),在工業(yè)生產(chǎn)中由于用途、工作條件和物料的不同,出現(xiàn)了各種不同形式和結(jié)構(gòu)的換熱設(shè)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(dá)到充分換熱，在設(shè)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?zé)釗Q熱器,它是借助于固體(如固體填料或多孔性格)構(gòu)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(nèi)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(jié)構(gòu)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(yù)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(jìn)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(chǎn)中應(yīng)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(jìn)行傳熱的換熱器。按傳熱管的結(jié)構(gòu)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(yīng)用最為廣泛的換熱設(shè)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(yīng)性廣泛等優(yōu)點(diǎn)，在各工業(yè)領(lǐng)域中得到最為廣泛在應(yīng)用。 1.3.1 基本類型 根據(jù)管殼

5、式換熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),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(diǎn)： 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(nèi)漏。,1.3.1.1.2 缺點(diǎn)： 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(chǎn)生溫差應(yīng)力而損壞；（為了減少熱應(yīng)力，通常在固定管板式換熱器中設(shè)置柔性元件如：設(shè)置膨脹節(jié)來吸收熱膨脹差） 2）殼程無法機(jī)械清洗，不適用于殼程結(jié)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(shè)備壽命相對較低。 1.3.1.1.3 適用的場合： 1）設(shè)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(jīng)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(jié)構(gòu)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(nèi)抽出。管束與殼體的熱變形互不約束，因而不會主生熱應(yīng)力。 浮頭式換熱器的特點(diǎn)： 1.3.1.2.1 優(yōu)點(diǎn)： 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(jié)垢比較嚴(yán)重的場合; 5)可用于管程腐蝕場合. 1.3.1.2.2 缺點(diǎn): 1)浮頭端易發(fā)生內(nèi)漏; 2)金屬材料耗量大,成本高20%; 3)結(jié)構(gòu)復(fù)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(zhì)易結(jié)垢要求經(jīng)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(jié)構(gòu)如圖。這種換熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)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(dāng)殼體與U形換熱管有溫差時，不會產(chǎn)生熱應(yīng)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(nèi)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(dāng)管子泄漏損壞時，只有管束外圍處的U形管才便于更換，內(nèi)層換熱管壞了不能更換，只能堵死，而壞一根U形相當(dāng)于壞兩根管，報廢率較高。,1.3.1.3.1 優(yōu)點(diǎn)： ）管束可抽出來機(jī)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(jié)垢比較嚴(yán)重的場合; 5)可用于管程易腐蝕場合. 1.3.1.3.2 缺點(diǎn): 1)在管子的U型處易沖蝕,應(yīng)控制管內(nèi)流速; 2)管程不適用于結(jié)垢較重的場合; 3)因死區(qū)較大,只適用于內(nèi)導(dǎo)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(shè)置膨脹節(jié)都無法滿足要求的場合.,二、 管殼式換熱器的設(shè)計參數(shù)及材料,2.1 設(shè)計參數(shù) 是指用于確定換熱器施工圖設(shè)計、制造、檢驗(yàn)及驗(yàn)收的參數(shù)。 它主要包括設(shè)計壓力P、設(shè)計溫度T、厚度、焊接接頭系數(shù)、試驗(yàn)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(shè)計壓力： 指設(shè)定的換熱器管、殼程頂部的最高壓力，與相應(yīng)的設(shè)計溫度一起作為設(shè)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(shè)計，否則應(yīng)分別按管、殼程工作壓力確定設(shè)計壓力

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

11、元件金屬可能達(dá)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(nèi)部介質(zhì)的溫度確定，我們通常取設(shè)備內(nèi)部介質(zhì)溫度作為設(shè)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(shè)計厚度-設(shè)計時必須考慮腐蝕裕量C2，計算厚度與腐蝕裕量之和為設(shè)計厚度。 2.1.3.3 名義厚度-設(shè)計厚度加上鋼材厚度負(fù)偏差后向上圓整至鋼材標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格厚度（鋼材生 產(chǎn)有厚度負(fù)偏差C1是因生產(chǎn)廠家按一定規(guī)格的厚度生產(chǎn)）。 2.1.3.4 有效厚度-名義厚度減去腐蝕裕量和鋼材厚度負(fù)偏差。,

12、圓筒的厚度應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(shè)備的剛度問題，考慮換熱設(shè)備常檢修、清洗; 2）考慮到臥式容器支座有應(yīng)力集中的問題; 3) 當(dāng)管程壓力高于殼程的壓力時,為達(dá)到水壓試驗(yàn)的有效性，確保管子連接與管板連接的嚴(yán)密性，通常將殼程的試驗(yàn)壓力提高來作，其取值與管程試驗(yàn)壓力一樣。（但是必須首先核算殼體在試驗(yàn)壓力下時產(chǎn)生的應(yīng)力是否小于許用應(yīng)力）。,2.1.4 焊接接頭系數(shù) 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(chǎn)生一些缺陷，如未焊透、裂紋、夾渣、咬邊等，這會引起應(yīng)力集中。焊接中形成焊縫熱影響區(qū)晶粒粗大，使母材強(qiáng)度或塑性下降，制造中焊縫錯邊量、余高等的超標(biāo)引起了附加應(yīng)力。焊縫設(shè)計不合理使焊接工藝和焊縫檢驗(yàn)困難，影響焊縫質(zhì)量。因此焊縫往往成為容器強(qiáng)度比較薄弱的環(huán)節(jié)。為彌補(bǔ)焊縫對容器整體強(qiáng)度的削弱，在強(qiáng)度計算中引入焊接接頭系數(shù)。焊接接頭系數(shù)根據(jù)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(dāng)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(yàn) 2.1.5.1 試驗(yàn)介質(zhì) A、液壓試驗(yàn)時一般用水作為試驗(yàn)介質(zhì)，需要時也可采用不會導(dǎo)致發(fā)生危險的其他液體。 奧氏體不銹鋼制容器用水進(jìn)行試驗(yàn)后應(yīng)將水漬清除干凈，當(dāng)無法達(dá)到這一要求時，應(yīng)控制水中氯離子的含量不超過25mg/L。 B、氣壓試驗(yàn)所用氣體應(yīng)為干燥、潔凈的空氣、氮?dú)庖部墒瞧渌栊詺怏w。 2.1.5.2 試驗(yàn)壓力 試驗(yàn)壓力的最低值按下述規(guī)定，試驗(yàn)壓力的上限應(yīng)滿足應(yīng)力校核的限制。,2.1.5.2.1 內(nèi)壓換熱器 液壓試驗(yàn) PT=1.25P/ t 氣壓試驗(yàn) PT=1.15P/ t PT-試驗(yàn)壓力,MPa P-設(shè)計壓力, MPa -換熱器元件材料在試

15、驗(yàn)溫度下的許用應(yīng)力, MPa t-換熱器元件材料在設(shè)計溫度下的許用應(yīng)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(yīng)以最大允許工作壓力代替設(shè)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(yīng)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(yàn)壓力 PT=1.25P 氣壓試驗(yàn)壓力 PT=1.15P PT-試驗(yàn)壓力,MPa P-設(shè)計壓力, MPa,2.1.5.2.3 壓力試驗(yàn)前的應(yīng)力校核 壓力試驗(yàn)前，應(yīng)校核圓筒和封頭的應(yīng)力。 圓筒應(yīng)力：T= PT（Di+e）/2e 橢圓形封頭應(yīng)力： T= PT（

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

17、程試驗(yàn)壓力，試驗(yàn)壓力值取管程試驗(yàn)壓力，同時應(yīng)校核殼程一次薄膜應(yīng)力。當(dāng)殼程一次薄膜應(yīng)力不能滿足要求時，應(yīng)采用氣密性試驗(yàn)（用氨氣），來檢查換熱焊縫。,2.1.5.2.4 氣密性試驗(yàn) 介質(zhì)的毒性程度為極度或高度危害或管、殼程介質(zhì)互漏會產(chǎn)生嚴(yán)重危害時，應(yīng)在壓力試驗(yàn)合格后進(jìn)行氣密性試驗(yàn)。需作氣密性試驗(yàn)時，試驗(yàn)介質(zhì)和檢驗(yàn)要求應(yīng)在圖樣上注明。 氣密性試驗(yàn)壓力通常取設(shè)計壓力。 2.1.6 公稱直徑DN （1）DN500mm，卷制圓筒，以圓筒內(nèi)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(jìn)擋，也允許50mm進(jìn)擋，50mm進(jìn)擋時，應(yīng)注意與殼體圓筒相配的封頭、法蘭等標(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn)，扣除深入管板內(nèi)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(dāng)需要把形管部份計入換熱面積時，則應(yīng)使形端的殼體進(jìn)（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(jīng)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(yīng)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(nèi)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(yīng)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(yīng)