化學(xué)設(shè)備機械基礎(chǔ)管殼式換熱器的機械設(shè)計

化學(xué)設(shè)備機械基礎(chǔ)管殼式換熱器的機械設(shè)計第1頁/共51頁27.1.2.管殼式換熱器的分類1.固定管板式換熱器無補償器帶補償器第2頁/共51頁3固定管板換熱器——

分為帶補償器和不帶補償器兩種。優(yōu)點：1）結(jié)構(gòu)簡單；

2）造價低。缺點：1）殼程難清洗；

2）存在有溫差應(yīng)力。介質(zhì)須較清潔，不易結(jié)垢；管程與殼程溫差不大；殼程壓力不高。第3頁/共51頁4看看二維圖特點1.一個大管板，一個小管板，小管板在殼體內(nèi)滑動——無溫差應(yīng)力；2.管束可以抽出，清洗；3.結(jié)構(gòu)復(fù)雜，浮頭內(nèi)漏不便檢查；4.管束與殼體間隙較大——影響傳熱。.2.浮頭換熱器第4頁/共51頁53.填料函式換熱器特點：1.一端可自由伸縮—不產(chǎn)生熱應(yīng)力；2.管束可以抽出，管內(nèi)外均易清洗；3.填料將殼程介質(zhì)與外界隔開，易外漏，介質(zhì)受限制；第5頁/共51頁6U型管式換熱器的二維圖特點：1.只有一個管板，結(jié)構(gòu)簡單；2.管子可以抽出，管間易清洗；3.管子可以自由膨脹；4.管內(nèi)不便清洗，不易更換；5.結(jié)構(gòu)不緊湊。4.U形管式換熱器第6頁/共51頁77.1.3.管殼式換熱器機械設(shè)計內(nèi)容

1.殼體直徑及壁厚；2.封頭法蘭、管件及補強；

3.管板結(jié)構(gòu)及強度；4.細部連接結(jié)構(gòu)；

5.附件結(jié)構(gòu)；6.管子拉脫力驗算；

7.殼體熱應(yīng)力校核；8.支座設(shè)計。第7頁/共51頁87.2換熱管的選用及其與管板的連接7.2.1換熱管選用

·常用管子形式：第8頁/共51頁9·常用管子材質(zhì)：碳鋼（10，20），低合金鋼（16Mn,15MnV),合金鋼（1Cr18Ni9Ti),銅，鈦，鋁，塑料，石墨等。

管子選用，要注意——

單位傳熱面積的金屬耗量，傳熱效果，結(jié)構(gòu)緊湊，清洗及結(jié)垢等等因素。第9頁/共51頁107.2.2管子與管板的連接：1.脹接工具：脹管器第10頁/共51頁11脹管結(jié)束後：

管板孔邊緣彈性回復(fù)，擠壓管端并貼緊。脹管過程發(fā)生：管子端部——塑性變形；管板孔邊緣——彈性變形。第11頁/共51頁12優(yōu)點：工藝簡單方便；消除間隙——避免間隙腐蝕。缺點：溫度升高時，管端會發(fā)生松弛

——泄漏。適用條件：p≤4.0MPa,t≤350℃。注意：管端硬度＜管板硬度。為什麼？如何實現(xiàn)？第12頁/共51頁13

保證緊密性的方法：管板孔開槽；脹接周邊保證清潔；管子硬度低于管板孔周邊硬度。保證管端硬度較低并且低于管板硬度的方法：管端退火處理。選材考慮。第13頁/共51頁142.焊接優(yōu)點：高溫高壓下能保證連接的緊密性；管板孔加工精度要求不高，低于脹接；焊接工藝簡單；壓力不高時可用薄管板。缺點：存在焊接熱應(yīng)力——應(yīng)力腐蝕；管與孔間有間隙——形成介質(zhì)死區(qū)，間隙腐蝕。第14頁/共51頁15管與管板焊接形式：第15頁/共51頁163.脹焊并用

克服了單純的焊接及脹接的缺點，主要優(yōu)點是：連接緊密，提高抗疲勞能力；消除間隙腐蝕和應(yīng)力腐蝕；提高使用壽命。施工方式：先脹後焊；先焊後脹。脹接——貼脹；強度脹。焊接——密封焊，強度焊。根據(jù)不同情況具體制定施工工藝。第16頁/共51頁177.3.1換熱管排列形式1.正三角形和轉(zhuǎn)正三角形排列第17頁/共51頁182.正方形和轉(zhuǎn)角正方形排列3.組合排列第18頁/共51頁197.3.2管間距——換熱管中心距。要考慮到：管板強度；清洗空間；管子在管板上的固定方法。等中心距≥1.25倍管子外徑。第19頁/共51頁207.3.3管板受力及管板設(shè)計方法第20頁/共51頁21管板設(shè)計方法簡介：——管板厚度設(shè)計方法。1）管板當作受均布載荷的實心圓平板，按彈性理論求解彎曲應(yīng)力；2）管束作為彈性基礎(chǔ)，計算各種載荷作用下的彎曲應(yīng)力；3）取相鄰四個管板孔間的菱形，按彈性理論，計算均布載荷下的最大彎曲應(yīng)力。第21頁/共51頁227.3.4管程分程及管板與隔板的連接1.換熱面積較大，要進行分程

1）.管子太長，設(shè)備長徑比過大，浪費材料；

2）.增加流速，提高傳熱效果。2.分程要求：

1）各程管數(shù)大致相同；

2）相鄰程管壁溫差不大于28℃；

3）程間密封長度應(yīng)最短；

4）隔板形狀應(yīng)簡單。3.常用管程數(shù)為：1，2，4，6，8，12。第22頁/共51頁23管箱分程：分程舉例：

2程——4程——第23頁/共51頁244.分程隔板及其與管板間的密封管箱結(jié)構(gòu)：第24頁/共51頁25隔板：單層及雙層。第25頁/共51頁261.固定式管板——用于固定式管板換熱器。7.3.5管板與殼體的連接結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)第26頁/共51頁272.非固定式管板第27頁/共51頁28

浮頭式、U形管式和填料函式換熱器上的管板為可拆式結(jié)構(gòu)，以便清理殼程。第28頁/共51頁293.管板與殼體的連接結(jié)構(gòu)

兼作法蘭情況：第29頁/共51頁30管板不兼作法蘭結(jié)構(gòu)：第30頁/共51頁317.4其它附件的作用與結(jié)構(gòu)7.4.1折流板及支撐板作用：a.提高殼程流體流速，改變流動方向—提高傳熱效率。

b.支撐換熱管。形式：a.弓形；b.圓盤-圓環(huán)形；c.扇形。第31頁/共51頁32折流板的固定方法第32頁/共51頁337.4.2旁路擋板殼體與管束之間存在有較大間隙時，為避免流體走短路，沿縱向設(shè)置板條，迫使流體穿過管束。第33頁/共51頁347.4.3攔液板作用：在立式冷凝器中，用來減薄管壁上的液膜以提高傳熱膜系數(shù)。第34頁/共51頁357.5溫差應(yīng)力7.5.1.溫差應(yīng)力的產(chǎn)生：第35頁/共51頁36第36頁/共51頁377.5.2管子拉脫力的計算

——限于管子與管板脹接情況。1.介質(zhì)壓力和溫差力對管板的作用：假設(shè)管壁溫度＞殼壁溫度第37頁/共51頁382.拉脫力的計算計算的目的：保證脹接接頭的牢固連接和良好的密封性。拉脫力定義：管子每平方米脹接周邊上所受的力，單位為帕。引起拉脫力的因素為：操作壓力和溫差力。（1）操作壓力引起的拉脫力qp:介質(zhì)壓力作用的面積f如圖示第38頁/共51頁39介質(zhì)壓力p，取管程壓力和殼程壓力兩者中的較大者。管子外徑為d0

；管子脹接長度為l。則拉脫力為：（2）溫差力引起的拉脫力qt

：每根管承受溫差力為σt×at

。則拉脫力為：（3）合拉脫力：兩者使管子受力方向相同—取之和；兩者使管子受力方向相反—取之差。第39頁/共51頁40（4）拉脫力判據(jù)：計算合拉脫力必須小于許用拉脫力：q＜[q]管端不卷邊，管板孔不開槽

——取2.0MPa。管端卷邊或管板孔開槽

——取4.0MPa。

許用拉脫力[q]的確定：第40頁/共51頁417.5.3溫差應(yīng)力的補償目的：解決殼體與管束軸向變形的不一致性。或者說，消除殼體與管子間的剛性約束，實現(xiàn)殼體和管子自由伸縮。補償方法：

1.減小殼體與管束間的溫度差使傳熱膜系數(shù)大的流體走殼程；殼壁溫度低于管壁溫度時，對殼體進行保溫。

2.裝設(shè)撓性構(gòu)件殼體上安裝膨脹節(jié)；（見書P217圖7-38）將直管制成帶S形彎的管。如氨合成塔內(nèi)的冷管：第41頁/共51頁423.采用殼體與管束自由伸縮的結(jié)構(gòu)（1）填料函式換熱器第42頁/共51頁43填料函結(jié)構(gòu)之三第43頁/共51頁44

（2）浮頭式換熱器第44頁/共51頁45浮頭式換熱器結(jié)構(gòu)之二第45頁/共51頁464.套管式結(jié)構(gòu)

如三十萬噸合成氨裝置中的廢熱鍋爐；第46頁/共51頁47氨合成塔中雙套管式觸煤筐冷管結(jié)構(gòu)第47頁/共51頁487.5.4膨脹節(jié)結(jié)構(gòu)及設(shè)置——裝在固定管板式換熱器上的撓性元件。1.膨脹節(jié)的作用及結(jié)構(gòu)形式：作用：對管子與殼體的膨脹變形差進行補償，以消除或減小溫差應(yīng)力；2.結(jié)構(gòu)形式：1）平板焊接膨脹節(jié)；2）波形膨脹節(jié)；第48頁/共51頁493）夾殼式膨脹節(jié)4