過程裝備設(shè)計列管換熱器機械設(shè)計

過程裝備設(shè)計列管換熱器機械設(shè)計第1頁/共89頁

換熱器的外形第2頁/共89頁第3頁/共89頁目錄

列管式換熱器零部件的工藝結(jié)構(gòu)設(shè)計

列管式換熱器機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

其他結(jié)構(gòu)設(shè)計

列管式換熱器機械設(shè)計設(shè)計示例第4頁/共89頁

三、拉桿、定距管

二、折流板或支承板一、分程隔板四、旁路擋板、防沖板五、接管六、管板結(jié)構(gòu)尺寸

列管式換熱器零部件的工藝結(jié)構(gòu)設(shè)計第5頁/共89頁

在換熱器中，要提高流體的給熱系數(shù)，常采用隔板來增加程數(shù)以提高流體速度。（一）管程分程隔板作用：將管內(nèi)流體分程。一個管程意味著流體在管內(nèi)走一次。管程分程隔板裝置在管箱內(nèi)，根據(jù)所需分的程數(shù)的不同有不同的組合。一、分程隔板第6頁/共89頁第7頁/共89頁選擇管程的幾個要求：（1）應(yīng)使各程管子數(shù)目大致相等；（2）隔板形式要簡單；（3）焊縫盡量少，密封長度要短；（4）溫度不超過28℃左右為宜；（5）為制造、維修、操作方便，一般采用偶數(shù)管程第8頁/共89頁1、分程隔板結(jié)構(gòu)

分程隔板應(yīng)采用與封頭、管箱短節(jié)同等材料，除密封面外，應(yīng)滿焊于管箱上。設(shè)計時要求管箱隔板的密封面與管箱法蘭密封面、管板密封面與分程槽面必須處于同一基準面。第9頁/共89頁第10頁/共89頁2、分程隔板厚度及有關(guān)尺寸當承受脈動流體或隔板壓差很大時，隔板的厚度應(yīng)適當增厚。當厚度大于10mm的分程隔板，在距端部15mm處開始削成楔形，使端部保持10mm。第11頁/共89頁（二）縱向隔板在殼側(cè)介質(zhì)流量較小的情況下，在殼程內(nèi)安裝一平行于傳熱管的縱向隔板。

隔板和殼體內(nèi)壁、隔板與管板面接觸的部分可能存在空隙，介質(zhì)容易產(chǎn)生短路，降低傳熱效率，所以縱向隔板與殼體內(nèi)壁的密封要求嚴密。第12頁/共89頁防止短路的方式：

(a)為隔板直接與筒體內(nèi)壁焊接，但必須考慮到施焊的可能性；（b）縱向隔板插入導向槽中；

(c)、(d)分別是單雙向條形密封，防止間隙短路，對于需要將管束經(jīng)常抽出清洗者，采用此結(jié)構(gòu)。第13頁/共89頁管板與隔板的連接形式

(a)為隔板與管板焊接，

(b)是隔板用螺栓聯(lián)接在焊于管板的角鋼上的可拆結(jié)構(gòu)。第14頁/共89頁(三)分割流板在殼體上有對稱的兩個進口及一個出口時（如3-1圖中J型殼體），對應(yīng)出口管中間位置在殼體上安裝一整圓形擋板作為分割流板。作用：將殼程平均分成兩個殼程并聯(lián)使用。第15頁/共89頁幾種常見的折流板形式見圖4-5所示二折流板或支撐板優(yōu)缺點比較：弓形：流動死區(qū)較少，結(jié)構(gòu)簡單，傳熱效率好。盤環(huán)形：制造不方便，流體軸向流動，效率低。同時要求介質(zhì)清潔。第16頁/共89頁第17頁/共89頁(一)弓形折流板的主要幾何參數(shù)弓形折流板引導流體以垂直方向橫穿過管束，能提供高度的湍動和良好的傳熱。主要幾何參數(shù)是切口尺寸h和擋板間距B。第18頁/共89頁（二）弓形折流板排列方式確定1.水平切口（圖a、b，缺口上下布置）一般用于全液相且流體是清潔的。2.垂直切口（圖c，缺口左右布置）一般用于帶懸浮物或結(jié)垢嚴重的流體。第19頁/共89頁3.傾斜切口（圖4-5a，缺口傾斜布置）：不適用于臟污流體

4.雙弓形缺口與雙弓形板交替（圖4-5b）：一般在殼體側(cè)壓降很小時才考慮使用。第20頁/共89頁

折留板與殼程間隙依據(jù)制造安裝調(diào)節(jié)，在保證順利的裝入前提下，越小越好，以減少殼程中旁路損失。

(三）折流板與殼程間隙

一般浮頭式和U型管式換熱器可允許比固定管板式大1mm。折流板外圓直徑和下偏差見表4-2。第21頁/共89頁（四）折流板厚度折流板厚度與殼體直徑、換熱管無支承長度有關(guān),其數(shù)值不得小于表4-3規(guī)定。（五）折流板的管孔

1.折流板的管孔直徑與公差按GB151規(guī)定：

Ⅰ級換熱器，管孔直徑與允許差按表4-4規(guī)定；

Ⅱ級換熱器按表4-5規(guī)定。

第22頁/共89頁2.管孔中心距折流板上管孔中心距見表3-7，公差為相鄰兩孔±0.03，任意兩Ⅳ±1.00mm。3.管孔加工折流板上管孔加工后兩端必須倒角0.5×450第23頁/共89頁

（六）支持板換熱器殼程介質(zhì)有相變時，無需設(shè)置折流板；換熱器無支承跨距超過表4-6規(guī)定時，應(yīng)設(shè)置支持板；浮頭式換熱器浮頭端必須設(shè)置支持板，支持板可采用加厚的環(huán)板。為什么？第24頁/共89頁

1、拉桿的結(jié)構(gòu)形式折流板與支持板一般采用拉桿與定距管等元件與管板固定，其固定方式包括：（1）采用全焊接方法如圖4-9（c）。（2）拉桿定距管結(jié)構(gòu)最常見的形式如圖4-9（b）、（d）（3）螺紋與焊接相結(jié)合如圖4-9（a）（4）定距螺栓拉桿如圖4-9（e）三、拉桿、定距管第25頁/共89頁拉桿的結(jié)構(gòu)形式（圖4-9）第26頁/共89頁

2、拉桿直徑、數(shù)量和尺寸（1）拉桿直徑和數(shù)量按表4-7和表4-8選取（2）拉桿尺寸按圖4-10和表4-9決定（3）拉桿布置應(yīng)盡量均勻布置在管束的外邊緣第27頁/共89頁

1、旁路檔板

主要作用：增大旁路的阻力，防止殼程物料從旁路大量短路，提高傳熱效率。四、旁路擋板、防沖板第28頁/共89頁

（二）防沖板

1.防沖板的用途及其設(shè)置條件

用途：為了防止殼程物料進口流體對換熱管表面的直接沖刷，引起侵蝕及振動。第29頁/共89頁設(shè)置條件：

(1)對有腐蝕或磨蝕的氣體和蒸汽應(yīng)設(shè)置防沖板。（2）對于流體物料，當其值超過下列值，設(shè)置防沖板。①非腐蝕、非磨蝕的單相流體

ρv2>2230kg/m.s2②其他流體、包括沸點下的流體，其中ρv2>740kg/m.s2第30頁/共89頁防沖板的安裝形式第31頁/共89頁防沖板第32頁/共89頁1.接管的一般要求：接管不應(yīng)凸出殼體內(nèi)表面。接管應(yīng)盡量沿徑向或軸向布置，以方便配管和檢修。設(shè)計溫度在3000C以上時用整體法蘭。對利用接管仍不能放氣和排液，應(yīng)設(shè)置放氣口和排液口。5）操作允許時，接管與外部管線的連接也可采用焊接。6）必要時可設(shè)置溫度計接口、壓力表及液面計接口。五、接管第33頁/共89頁2、接管直徑的確定

接管直徑的選擇取決于：

1）適宜的流速、處理量，

2）結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)，

3）強度要求

第34頁/共89頁2、接管直徑的確定

在選取時常綜合考慮如下幾種因素：（1）使接管內(nèi)的流速為相應(yīng)管、殼程流速的1.2～1.4倍。（2）在壓降允許的條件下，使接管內(nèi)流速為下值：管程接管ρv2〈3300kg/m.s2

殼程接管ρv2〈2200kg/m.s2

（3）管、殼程接管內(nèi)的流速參考表4-10、表4-11選取。第35頁/共89頁第36頁/共89頁4.接管位置最小尺寸如圖殼程接管最小尺寸：帶補強圈L1≥B/2+（b-4）+C；無補強圈L1≥d0/2+（b-4）+C；第37頁/共89頁

管箱接管最小尺寸估算：帶補強圈L2≥B/2+hf+C；無補強圈L2≥d0/2+hf+C第38頁/共89頁

5、接管法蘭的要求：（1）凹凸或榫槽密封面的法蘭，密封面向下，一般應(yīng)設(shè)計成凸面或榫面，其他朝向，則設(shè)計成凹面或槽面。（2）接管法蘭螺栓通孔不應(yīng)和殼程主軸中心線相重合，應(yīng)對稱地分布在中心線兩側(cè)。第39頁/共89頁6、排氣、排液管排液的換熱器應(yīng)在殼程的最高，最低點，分別設(shè)置排氣、排液接管排氣、排液接管的端部必須與殼體或管箱殼體內(nèi)壁平齊。其結(jié)構(gòu)如圖:第40頁/共89頁六、管板的結(jié)構(gòu)尺寸1.固定管板兼作法蘭的尺寸確定主要用在固定管板式換熱器上。方法一：（1）根據(jù)殼體內(nèi)徑+設(shè)計壓力選擇法蘭方法二：根據(jù)公稱直徑、壓力查表4-14（2）根據(jù)法蘭相應(yīng)尺寸確定管板的最大外徑、密封面位置、寬度、螺栓直徑、個數(shù)等。第41頁/共89頁2.固定端管板外徑確定(浮頭式、U形管式、填料函式）步驟：（1）先定浮動管板的直徑，從而確定殼體內(nèi)徑；（2）根據(jù)殼體內(nèi)徑+操作壓力+操作溫度，選擇法蘭（3）根據(jù)法蘭的密封面定管板密封面寬度及管板最大直徑第42頁/共89頁3.浮動管板外徑確定法一：根據(jù)殼體內(nèi)徑計算浮頭管板外徑及最大布管圓直徑，公式見書P144。法二：先布管，再根據(jù)布管外徑+密封結(jié)構(gòu)確定管板直徑，再確定殼體內(nèi)徑，公式見書P146第43頁/共89頁

三、管箱

二、管板與殼體及管箱的連接一、傳熱管與管板的連接

列管式換熱器機械結(jié)構(gòu)設(shè)計第44頁/共89頁

造成連接處破壞的原因主要有：一、傳熱管與管板的連接

（1）高溫下應(yīng)力松弛而失效：主要發(fā)生在脹接時。（2）間隙腐蝕破壞：主要在焊接時：間隙腐蝕+應(yīng)力腐蝕（3）疲勞破壞：機械疲勞，溫度周期變化引起的疲勞（4）由于熱補償不好引起的破壞第45頁/共89頁

管子與管板的連接形式：強度脹接、強度焊接與脹焊接混合結(jié)構(gòu)。各連接形式應(yīng)滿足以下兩個條件：

（1）連接處保證介質(zhì)無泄漏的充分氣密性；（2）承受介質(zhì)壓力處的充分結(jié)合力。

因此，為防止管子與管板連接處的破壞，必須選擇正確的連接形式和制造工藝。第46頁/共89頁1.管子與管板的強度脹接

優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、管子更換和修補容易缺點：脹接溫度和壓力受到一定的限制（P≤4Mpa，t≤300℃）常見脹接形式：（1）液壓式加壓脹接（2）爆炸脹接強度脹：為保證管子與管板連接的密封性能及抗拉脫強度的脹接。第47頁/共89頁（4）需保證一定的脹接長度注意：（1）管板材料的硬度一定要高于管子（2）管板孔與管子間有一定的孔隙大?。?）結(jié)合面粗糙度要求：一般管板孔粗糙度要求為12.5第48頁/共89頁當管板厚度<25mm采用單槽,如圖（a）；管板厚度大于25mm采用雙槽，如圖（b）圖（c）用于厚管板及避免間隙腐蝕的場合（1）孔壁不開槽（即光孔）（2）孔壁開槽脹接時，管板上的孔，有兩種形式：第49頁/共89頁當換熱管與管板采用脹接時，管板的最小厚度δmin（不包括腐蝕裕量）見下表。換熱管外徑d1014192532384557δmin用于煉油工業(yè)及易燃易爆有毒介質(zhì)等嚴格場合202532384557用于無害介質(zhì)的一般場合10152024263236表4-19管板與換熱器脹接時，管板的最小厚度/㎜第50頁/共89頁優(yōu)點：加工制作方便，抗拉脫力強，結(jié)構(gòu)強度高，補焊、拆卸都比脹管方便，應(yīng)用較廣泛。缺點：

(1)管子和管板焊接后存在殘余應(yīng)力，運行中可能產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕或疲勞破壞。

(2)管子和管板間的間隙會產(chǎn)生間隙腐蝕2.管子與管板的強度焊接第51頁/共89頁強度焊適用場合：不適用于有較大振動及有間隙腐蝕的場合（1）高溫高壓（4）要求接頭嚴密不漏的場合（5）管距太小或換熱管直徑太小而難以脹接時（2）不銹鋼管與管板的連接（3）薄管板（管板厚度<脹接需要的最小板厚時）第52頁/共89頁3.脹焊結(jié)合（1）強度焊+貼脹焊接承受拉脫力并保證密封，貼脹消除管子與管孔間的縫隙。

（2）強度焊+重脹適用于壓力及溫度均很高的場合，且消除間隙腐蝕及管子振動的可能性。（3）強度脹+密封焊適用于溫度不高、壓力較高或?qū)橘|(zhì)密封要求很高的場合。（4）強度脹+貼脹+密封焊適用于溫度不高、壓力較高或密封要求較嚴的場合，以及殼程介質(zhì)為腐蝕介質(zhì)且管板較厚的情況下。第53頁/共89頁（5）強度焊+強度脹+貼脹適用于壓力、溫度很高，且介質(zhì)腐蝕嚴重，管板很厚，密封很嚴格的情況。第54頁/共89頁

1、管板與殼體的連接：二、管板與殼體及管箱的連接可拆連接：不可拆連接主要用于浮頭式、U型管式和填料函式換熱器的固定端管板。管板兼做法蘭：即固定管板式換熱器，適于管側(cè)壓力和密封性能要求不高的場合管板不兼作法蘭第55頁/共89頁圖4-31兼作法蘭的管板與殼體的連接結(jié)構(gòu)適用場合：（a）適用于殼程壓力ps≦1MPa，不適宜于易燃、易爆、易揮發(fā)及有毒介質(zhì)的場合（b）（c)適用于ps≦4MPa，（d）（e)適用于ps>4MPa第56頁/共89頁圖4-31兼作法蘭的管板與殼體的連接結(jié)構(gòu)注意：若殼程介質(zhì)有間隙腐蝕作用，只能選擇不帶墊板的結(jié)構(gòu)。第57頁/共89頁圖4-32不帶法蘭的管板與殼體的連接結(jié)構(gòu)（a）、（b）適用于使用壓力小于4MPa的場合：（a）適用于殼體直徑較小些的情況；（b）適用于殼體直徑較大些、管板厚度大些的情況，通過管板的處理來改善和提高質(zhì)量。第58頁/共89頁圖4-32不帶法蘭的管板與殼體的連接結(jié)構(gòu)（c）適用于使用壓力大于6.4MPa的場合（d）、（e）、（f）用于當殼體與管箱直徑、厚度不同時。第59頁/共89頁2、管板與管箱的連接多數(shù)是靠法蘭的連接,形式很多,隨著溫度,壓力及耐腐蝕情況不同而異。（1）固定管板式換熱器與管箱的連接

（a）平面密封，適用于管程操作壓力小于1.6MPa，且對氣密性要求不高的場合。（b）榫槽密封面，適于氣密性要求較高的場合，但制造加工安裝較困難。（c）凹凸面形式，較常適用，視壓力高低，法蘭形式可為平焊法蘭，更多的為長頸法蘭。第60頁/共89頁（2）可拆式管板與管箱的連接（見圖4-34）（a）管程和殼程均可拆下清洗

（b）適用于管程需要經(jīng)常拆洗的場合第61頁/共89頁（d）適用于管程和殼程壓力相差較大的場合（e）適用于管程和殼程壓力相差較大的場合（c）適用于殼程需要經(jīng)常拆洗的場合第62頁/共89頁

管箱的作用

:

（1）把管道來的管程流體均勻分布到各熱管和把管內(nèi)流體匯集在一起送出換熱器。（2）改變流體流向（多管程換熱器）。三、管箱第63頁/共89頁第64頁/共89頁

（二）管箱結(jié)構(gòu)尺寸確定管箱法蘭通常用長頸法蘭和平焊法蘭。管箱要確定的尺寸主要是管箱長度。

1.管箱最小長度（1）管箱最小長度的確定原則：①單程管箱采用軸向接管時,最小長度應(yīng)大于或等于接管內(nèi)徑的1/3。

②多程管箱，流經(jīng)相鄰兩管程間的最小流通面積應(yīng)大于或等于其中一程的管內(nèi)流通面積的1.3倍；操作允許時也可等于每程的最小流通面積。③管箱上各相鄰焊縫間距必須大于或等于4s，且應(yīng)大于或等于50mm，其中s為管箱壁。第65頁/共89頁

（2）管箱最小長度計算管箱最小長度計算涉及幾何尺寸見圖4-35。

A型管箱見圖4-35（a)，按流通面積計算

式中，E值按表選取按各相鄰焊縫之間距離計算：

管箱最小長度取和中的較大值。

第66頁/共89頁

B型管箱見圖4-35(b),按流通面積計算式中E值按表4-21選取.

按各相鄰焊縫間的距離計算

管箱最小長度取和中的較大值。第67頁/共89頁2.管箱最大長度確定方法：在與換熱器軸線垂直的平面上，按圖4-36所示范圍確定出角α的范圍，再根據(jù)圖4-37確定H值，最后根據(jù)圖4-38查出最大長度。圖4-36圖4-37第68頁/共89頁

三、膨脹節(jié)二、墊片一、法蘭選用第三節(jié)其他結(jié)構(gòu)設(shè)計第69頁/共89頁1.法蘭的形式結(jié)構(gòu)形式為：平焊法蘭及對焊法蘭。法蘭的密封形式：平面、凹凸面和榫槽面。法蘭的結(jié)構(gòu)形式和密封面形式，應(yīng)根據(jù)使用介質(zhì)、設(shè)計壓力、設(shè)計溫度、公稱直徑等因素來決定。一、法蘭選用第70頁/共89頁2.標準法蘭的選用標準法蘭有：

JB4701甲型平焊法蘭

JB4702乙型平焊法蘭

JB4703長頸對焊法蘭管法蘭標準有：GB9112～9125。新的<<容規(guī)>>提出壓力容器應(yīng)優(yōu)先推薦采用HG20592～20614以及HG20615～20635

換熱器的接管法蘭一般應(yīng)選用管法蘭，至于選用哪一種標準，根據(jù)布管要求來選定第71頁/共89頁設(shè)備墊片標準有：（1）JB4704

非金屬軟墊片適用于甲型平焊法蘭、乙型平焊法蘭、長頸對焊法蘭；密封面形式為光滑密封面、凹凸密封面（2）JB4705

纏繞墊片適用于乙型平焊法蘭、長頸對焊法蘭；密封面形式為光滑密封面、凹凸密封面及榫槽密封面

（3）JB4706

金屬包墊片適用于乙型平焊法蘭、長頸對焊法蘭；密封面形式為光滑密封面、凹凸密封面及榫槽密封面

二、墊片第72頁/共89頁膨脹節(jié)依靠易變形的撓性構(gòu)件對管子與殼體的熱膨脹差進行補償，以此來緩解或降低殼體與管子因溫差而引起的溫差應(yīng)力。

1.結(jié)構(gòu)形式：（1）波形膨脹節(jié)（U型膨脹節(jié)）三、膨脹節(jié)

結(jié)構(gòu)簡單，補償性能好，價格便宜，但隨著壓力提高、設(shè)備直徑增大,壁厚增加，補償性能減少。為減小波形膨脹節(jié)的流動阻力，常在沿液流方向焊一導流襯板。第73頁/共89頁（2）平板膨脹節(jié)：

結(jié)構(gòu)簡單，承壓能力低，補償量小，只適用于直徑大、溫差小及常壓、低壓或真空系統(tǒng)的設(shè)備。（3）?形膨脹節(jié)：

一般有薄管煨制而成。此結(jié)構(gòu)與殼體焊接處易產(chǎn)生較大應(yīng)力，且不易焊透，只能用于小直徑筒體或應(yīng)力較小的場合。第74頁/共89頁（4）夾殼膨脹節(jié)優(yōu)點：耐壓能力高、補償能力大。第75頁/共89頁2.膨脹節(jié)設(shè)置必要性判斷通過計算由溫差產(chǎn)生軸向力和壓力產(chǎn)生軸向力共同作用，得到：換熱管最大應(yīng)力σt

殼體最大應(yīng)力σs

及管子拉脫力

當σs>2φ[σ]ts或σt>2[σ]tt或q>[q]時應(yīng)設(shè)置膨脹節(jié)。

第76頁/共89頁3.強度計算當確定要設(shè)置膨脹節(jié)后，要求對膨脹節(jié)進行強度計算，包括：

(1)溫差引起的軸向力計算（2）補償量的計算（3）膨脹節(jié)疲勞壽命計算第77頁/共89頁

（一）立式支座公稱直徑DN≦800mm的立式換熱器,至少采用兩個支座。公稱直徑DN≧900mm的立式換熱器，采用四個支座。支座在換熱器上的位置，根據(jù)工藝安裝的要求確定。立式支座的尺寸和要求，按JB/T4725B型、BN型懸掛式支座規(guī)定。（二）臥式支座采用固定F型和滑動S型鞍式支座各一個，一般靠近管箱側(cè)為固定鞍座。四、支座第78頁/共89頁

二、殼體、封頭強度計算三、法蘭、浮頭蓋、鉤圈一、管板強度計算簡介第四節(jié)列管式換熱器機械設(shè)計第79頁/共89頁

（1）把管板當作承受均布載荷且放置在彈性基礎(chǔ)上的圓板，計入孔削弱的影響，計算最大彎曲應(yīng)力。（2）把管板當作承受均布載荷的圓板計入孔削弱的影響，根據(jù)強度理論計算其最大彎曲應(yīng)力，而把邊緣支承情況分為簡支和固支。

（3）把管板簡化為四管簡支的棱形面積受均布載荷用彈性理論校核最大彎曲應(yīng)力。（4）按彈性理論為基礎(chǔ)的極限載荷法，求最大彎曲應(yīng)力。一、管板強度計算簡介第80頁/共89頁

（一）B.S法1.假定一管板厚度b2.根據(jù)公式計算K值3.決定管板邊緣形式（1）夾持：壓力在10MPa以上的高壓換熱器（2）簡支:中低壓換熱器4.根據(jù)K值在圖4-45、4-46、4-47中分別查出相應(yīng)的G1、G2、G3值5.按表4-27中公式計算σr和σt6.若σr和σt均大于[σ],則校核通過。否則必須增大b值，重新試算，知道滿足校核要求7.加上厚度附加量C，即為管板的厚度。8.管子拉脫力校核q≦[q]第81頁/共89頁

（二）管板TEMA設(shè)計法適于浮頭，填料函，U型管式及帶膨脹節(jié)的固定板式換熱器。管板的設(shè)計應(yīng)滿足：

必需的彎曲強度

必需的剪切強度

脹接所必需的管板厚度一般的對小于25mm的換熱管,管板最小厚度為3d0/