第7章__管殼式換熱器的機械設計

1、第7章 管殼式換熱器的機械設計,第一節(jié)、換熱器概論,第二節(jié)、換熱管、管板與折流板,第三節(jié)、溫差應力,第一節(jié)、換熱器概論,在化工廠建設投資中，換熱器占著很重要的份額，10%~40%；換熱器可以是熱交換器、加熱器、蒸發(fā)器、冷凝器等；衡量一種換熱器好壞的標準是傳熱效率高，流體阻力小，強度足夠，結構可靠，節(jié)省材料；成本低；制造安裝檢修方便。,1. 換熱器結構,管箱的作用：把管道中來的流體均勻地分布到各個換熱管中去，并把換熱管內的流體匯集到一

2、起并送出換熱器，在多管程換熱器中，管箱還起著改變管程流體流向的作用；A：平蓋管箱；B：封頭管箱；C：用于可拆管束與管板制成一體的管箱；D：特殊高壓管箱。,1.1 管箱,E：單程殼體 F：具有縱向隔板的雙程殼體；G：分流 H：雙分流,1.2 殼體型式,1.3 換熱器的標記方式,B：前端管箱為封頭式管箱；E：單程殼體（殼程為1）；B：后端管箱

3、為封頭式管箱；700：殼體公稱直徑（mm）；2.5：殼程設計壓力（MPa）；1.6：管程的設計壓力（MPa）；200：公稱換熱面積（m2）；9：換熱管長度（m）；25：換熱管外徑（mm）；4：四管程結構；I：I級固定管板換熱器,例如：,其中：,兩管板由換熱管相互支撐，管板最??；結構簡單，造價較低；管外清洗困難；管殼間存在溫差應力，當介質溫差較大時，必須設置膨脹節(jié)；適合于殼程介質清潔、不易結垢，管程需清洗以及溫差不

4、大或溫差雖大但管程壓力不高的場合。,2. 換熱器的分類,2.1 固定管板式換熱器,一端管板固定，另一端管板可在殼體內移動，因此不存在溫差應力；管束可以取出，便于清洗；結構較為復雜，金屬消耗量大；適用于管殼溫差較大、以及介質易結垢的場合。,2.2 浮頭式換熱器,管束一端可以自由膨脹，檢修、清洗方便；實際上是另一種形式的浮頭式換熱器，只不過把原置于殼體內的浮頭移至殼體之外，并用填料函來密封殼程介質，以防泄漏；殼程內介質有外

5、漏的可能，但殼程中不宜處理易揮發(fā)、易燃、易爆、有毒的介質。,2.3 填函式換熱器,只有一個管板，管程至少為兩程，管束可以抽出清洗，管子可以自由膨脹；管內不便清洗，管外介質易短路，影響傳熱效果，內層管子損壞后不易更換；因為不存在溫差應力，適用于管、殼壁溫差較大的場合，尤其是管內介質清潔不易結垢的高溫、高壓、腐蝕性較強的場合。,2.4 U型管式換熱器,殼體直徑的確定和殼體壁厚的計算；換熱器封頭選擇，壓力容器法蘭選擇；管板尺寸

6、的確定；管子拉脫力的計算；折流板的選擇與計算；溫差應力的計算；接管的選擇；接管法蘭的選擇；開孔補強；換熱器支座；附件。,3. 管殼式換熱器機械設計的內容,換熱管的長度、直徑壁厚都有一定的標準；換熱管長：1500，2000，2500，3000，4500，5000，6000，7500，9000，12000等等；長徑比一般在4~25之間，常用為6~10；換熱管規(guī)格：,第二節(jié)、換熱管、管板與折流板,1. 換熱管的選用,脹接

7、是利用脹管器擠壓伸入管板孔中的管子端部，使管端發(fā)生塑性變形，管板孔同時產(chǎn)生彈性變形，當取出脹管器后，管板孔彈性收縮，管板與管子就產(chǎn)生一定的擠緊壓力，緊密地貼在一起，達到密封緊固連接的目的；采用脹接時，管板硬度應高于換熱管管端，以保證脹接質量；脹接長度l取下列三者中的較小者： 1). 兩倍換熱管外徑； 2). 50mm； 3). 管板厚度減3mm。,2.

8、換熱管與管板的連接,2.1 脹接,管板上的孔，有孔壁開槽的與孔壁不開槽的兩種，孔壁開槽可以增加連接強度和緊密性，因為當脹管后管子產(chǎn)生塑性變形，管壁被嵌入小槽中。,,,,,,,,,,,,,在高溫高壓下，焊接連接能保持連接的緊密性；管板孔加工要求低，可節(jié)省加工工時；焊接工藝比脹接工藝簡單；在壓力不太高的情況下可使用較薄的管板；,2.2 焊接,優(yōu)點：,缺點：,由于管板與換熱管之間存在間隙，容易造成縫隙腐蝕；由于在焊接接頭處產(chǎn)生

9、的熱應力可能造成應力腐蝕，也有可能造成破裂。,2.3 脹焊結合,換熱管的排列應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、結構設計以及制造等方面的因素。,3. 管板結構,3.1 換熱管排列形式,優(yōu)點：在相同的管板面積上可排列較多的換熱管；主要適用于殼程介質污垢少，且不需要進行機械清洗的場合。,3.1.1 正三角形和轉角正三角形排列,,優(yōu)點：便于清洗；但在相同管板面積上排列管數(shù)目最少；一般用于管束可抽出清

10、洗管間的場合。,3.1.2 正方形和轉角正方形排列,3.1.3 組合排列法,,3.1.4 正三角形排列時管子的根數(shù),N=3a(a+1)+1,N=3a(a+1)+1,三角形排列,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。,3.2 管間距,固定管板式換熱器的換熱管在管板上的布置是有限制的，最大的布管圓：

11、 DL=Di-2b3 其中：DL：布管限定圓直徑 Di：換熱管殼體內直徑 b3：管束最外層換熱管外表面至客體內壁的最短距離,3.3 布管限定圓,3.4 管程的分程,各管程換熱管根數(shù)應基本相等；相鄰程間平均壁溫一般不應該超過28℃ ；各程間的密封長度應最短；分程隔板的形狀應盡量簡單、便于加工；,管程排列的要求：,為了提高殼

12、程內流體的流速和加強湍流程度，以提高傳熱效率，在殼程內裝設折流板，它還起著支承換熱管的作用；當工藝上無裝折流板的要求，而管子比較細長時，應考慮有一定數(shù)量的支承板，以便安裝和防止管子變形過大；折流板的形狀：弓形、圓盤—圓環(huán)形、帶扇形切口等幾種。,4. 折流板、支承板、旁路擋板,4.1 折流板與支承板,,,關于弓形折流板,弓形折流板切除的弓形高度約為外殼直徑的10~40%，一般取20~30%，過高或過低都不利于傳熱（參考《化工原理》

13、傳熱相關章節(jié)）；折流板的放置方式：,臥式換熱器的殼程介質為單相清潔流體時，折流板缺口應水平上下放置，若氣體中含少量液體時，則應在缺口朝上的折流板的最低處開通液口；,若液體中含有少量氣體時，則應在缺口朝下的折流板最高處開通氣孔,臥式換熱器的殼程介質為氣、液共存或液體中含有固相物料時，折流板缺口應垂直左右放置，并在折流板最低處開通液口。,,,,,,,當殼體與管束之間存在較大間隙時，可在管束上增設旁路擋板以防止流體短路。,4.2 旁路擋

14、板,在立式冷凝器中，為減薄管壁上的液膜而提高傳熱系數(shù)，常常裝設攔液板以起到攔液膜的作用。,4.3 攔液板,,,4.4 折流桿,近年來開發(fā)了一種折流桿代替常用的折流板，這種新型結構，是在折流圈上焊有若干個圓形截面的桿，形成一個柵圈；若把四個折流圈疊起來看，各圈上的折流桿就組成了一個個方形小格，換熱管就在各個小方格之中，其上下左右均有折流桿固定，可較好地防止換熱管的振動。,但由于殼體與管子是剛性連接，實際伸長量應該相等，就出現(xiàn)了殼

15、體被拉伸、產(chǎn)生拉應力；管子被壓縮，產(chǎn)生壓應力。此拉、壓應力就是溫差應力，也稱為熱應力；總拉伸力稱為溫差軸向力，用F表示；規(guī)定：F為正值表示殼體被拉伸、管子被壓縮，反之F為負。,第三節(jié)、溫差應力,自由伸長量：,1. 溫差應力產(chǎn)生的原因,其中：,換熱器在使用過程中，承受流體壓力和溫差應力的聯(lián)合作用，這兩個力在管子與管板的連接處產(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：管子每平方米脹接周邊上所受到的力，單位為Pa；產(chǎn)生

16、的地方：換熱管與管板的連接處；試驗表明：焊接可以不用考慮拉脫力，而脹接卻要考慮拉脫力；,2. 管子拉脫力,其中：p——設計壓力，取管程壓力和殼程壓力的較大者，MPa； do——換熱管外徑，mm； l——脹接長度，mm； f——每四根管子之間的面積，mm2。,2.1 由操作壓力所引起的拉脫力qp,三角形排列時：,正方形排列時：,2.

17、2 由溫差應力所引起的拉脫力qt,其中：σt——管子的溫差應力，MPa ； at——每根管子管壁橫截面積，mm2； do——換熱管外徑，mm； di——換熱管內徑，mm； l——脹接長度，mm。,由操作壓力和溫差應力所引起的拉脫力可能是同一方向，也有可能是反方向的；若兩者同向：q=qp+qt若二者

18、異向：q=[qp-qt]，方向取數(shù)值較大者的方向；若管子被壓縮、殼體被拉伸，即F為正值，二者同向；若管子被拉伸、殼體被壓縮，即F為負值，二者異向。,2.3 總拉脫力q,例題：有一臺冷凝器，管束由109根Φ25*2的1Cr18Ni9Ti的不銹鋼鋼管制成，殼體內徑為400mm，由20R鋼板卷焊制成，殼體厚度為6mm，兩管板間距為1500mm。該冷凝器的操作條件是：被冷凝的蒸汽走管內，壓力為720mmHg，冷凝溫度為118℃，管間是冷

19、卻水，壓力為0.2MPa，冷卻水入口溫度為28℃，出口為35℃，若殼體壁溫取30 ℃，試計算溫差應力。,解：已知條件： ts=30 ℃ tt=100 ℃ to=20 ℃,℃,℃,查表殼體材料20R的許用應力為133MPa，而現(xiàn)在殼體溫差應力為160MPa，因此必須減少殼體的溫差應力，那應該怎樣降低溫差應力呢？,可能的方法：增加殼體壁厚,比較結果，殼體溫差應力從160MPa降到143.4MPa，減少了10.4

20、%； 管束溫差應力從77.5MPa增到93.1MPa，增大了20%；,因此，用增加殼體厚度的方法來減少溫差應力的思路是不對的！因為它從根本上違背了處理溫差應力問題的原則。減少溫差應力的原則是：減少對熱變形的限制。而增大殼體厚度只能增大對管束熱變形的限制。,正確的作法：在換熱器殼體上安裝膨脹節(jié)。,減少殼體與管束間的溫度差；裝設撓性構件；使殼體和管束自由熱膨脹；雙套管溫度補償。,3. 溫差