第七章-管殼式換熱器機(jī)械設(shè)計(jì)課件

第七章管殼式換熱器的機(jī)械設(shè)計(jì)7.1概述7.2

管子的選用及其與管板的聯(lián)接7.3

管板結(jié)構(gòu)7.5

溫差應(yīng)力7.4

折流板、支撐板、旁路擋板及攔液板的作用與結(jié)構(gòu)2023/8/8第七章管殼式換熱器的機(jī)械設(shè)計(jì)7.1概述7.2管子第七章管殼式換熱器的機(jī)械設(shè)計(jì)本章重點(diǎn)：固定管板式換熱器的基本結(jié)構(gòu)及其機(jī)械設(shè)計(jì)本章難點(diǎn)：管、殼的分程及隔板計(jì)劃學(xué)時(shí)：6學(xué)時(shí)2023/8/8第七章管殼式換熱器的機(jī)械設(shè)計(jì)本章重點(diǎn)：固定管板式換熱器的7.1概述

換熱器是用來完成各種不同傳熱過程的設(shè)備。

換熱器質(zhì)量好壞的衡量標(biāo)準(zhǔn)：1）先進(jìn)性—傳熱效率高，流體阻力小，材料?。?）合理性—可制造加工，成本可接受；3）可靠性—強(qiáng)度滿足工藝條件。

根據(jù)不同的目的，換熱器可以分為：2023/8/87.1概述換熱器是用來完成各種不同傳熱過程的設(shè)備7.1概述7.1.1管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)及其主要零部件2023/8/87.1概述7.1.1管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)及其主要零部件7.1概述7.1.2管殼式換熱器的分類1、固定管板式換熱器

優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、布管多，管內(nèi)便于清洗，更換、造價(jià)低，應(yīng)用廣泛。管壞時(shí)易堵漏。

缺點(diǎn)：不易清洗殼程，一般管殼壁溫差大于50℃，設(shè)置膨脹節(jié)。2023/8/87.1概述7.1.2管殼式換熱器的分類2023/7/7.1概述適用場(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。2023/8/87.1概述適用場(chǎng)合：適用于殼程介質(zhì)清潔，不易結(jié)垢，管程7.1概述2、浮頭式換熱器

優(yōu)點(diǎn)：管束可以抽出，便于清洗；

缺點(diǎn)：換熱器結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，金屬耗量較大。

適用場(chǎng)合：適用于介質(zhì)易結(jié)垢的場(chǎng)合。2023/8/87.1概述2、浮頭式換熱器2023/7/317.1概述3、填料函式換熱器

優(yōu)點(diǎn)：造價(jià)比浮頭式低，檢修、清洗容易，填料函處泄漏能及時(shí)發(fā)現(xiàn)；

缺點(diǎn)：殼程內(nèi)介質(zhì)由外漏的可能，殼程中不宜處理易揮發(fā)、易燃、易爆、有毒的介質(zhì)。

適用場(chǎng)合：適用于低壓小直徑場(chǎng)合。2023/8/87.1概述3、填料函式換熱器2023/7/317.1概述4、U型管式換熱器

優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低，殼程可清洗，一個(gè)管板，管子可自由伸縮，無溫差應(yīng)力；

缺點(diǎn)：管程不能清洗，管板上布管少，結(jié)構(gòu)不緊湊，管子壞時(shí)不易修補(bǔ)。

適用場(chǎng)合：適用于管、殼壁溫差較大的場(chǎng)合，尤其是管內(nèi)介質(zhì)清潔不易結(jié)垢的高溫、高壓、腐蝕性較強(qiáng)的場(chǎng)合。2023/8/87.1概述4、U型管式換熱器其是管內(nèi)介質(zhì)清潔不易結(jié)垢的7.1概述7.1.3

管殼式換熱器機(jī)械設(shè)計(jì)內(nèi)容管殼式換熱器的設(shè)計(jì)：1、根據(jù)化工生產(chǎn)工藝條件的要求，通過化工工藝計(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)；2、進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)。內(nèi)容有：

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。2023/8/87.1概述7.1.3管殼式換熱器機(jī)械設(shè)計(jì)內(nèi)容20237.2管子的選用及其與管板的連接7.2.1管子的選用1、直徑小直徑管子單位傳熱面積的金屬消耗量小，傳熱系數(shù)稍高，但容易結(jié)垢，不易清洗，用于較清潔的流體；大直徑管子用于粘性大或污濁的流體。2、規(guī)格常采用無縫鋼管規(guī)格（外徑×壁厚），長(zhǎng)度按規(guī)定選用（1500mm、2000mm、2500mm、3000mm、4500mm、5000mm、6000mm、7500mm、9000mm、12000mm）。其長(zhǎng)度與公稱直徑之比，一般為4～25，常用的為6～10，立式換熱器多為4～6。2023/8/87.2管子的選用及其與管板的連接7.2.1管子的選用207.2管子的選用及其與管板的連接3、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，也采用異型管、翅片管、螺紋管等。2023/8/87.2管子的選用及其與管板的連接3、結(jié)構(gòu)型式2023/7/7.2管子的選用及其與管板的連接4、材料根據(jù)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。7.2.2管子與管板的連接1、脹接1）過程：最普通的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(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。2）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℃，且無特殊要求的場(chǎng)合。外徑d＜14mm，不適合脹接。2023/8/87.2管子的選用及其與管板的連接4、材料2023/7/317.2管子的選用及其與管板的連接2023/8/87.2管子的選用及其與管板的連接2023/7/317.2管子的選用及其與管板的連接3）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，也可開槽。2023/8/87.2管子的選用及其與管板的連接3）要求管板硬度大于管子硬7.2管子的選用及其與管板的連接2、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。2023/8/87.2管子的選用及其與管板的連接2、焊接2023/7/317.2管子的選用及其與管板的連接結(jié)構(gòu)：主要有4種2023/8/87.2管子的選用及其與管板的連接結(jié)構(gòu)：主要有4種2027.2管子的選用及其與管板的連接3、脹焊并用前面我們講了脹接、焊接后，會(huì)發(fā)現(xiàn)它們各自有優(yōu)、缺點(diǎn)，因而目前廣泛應(yīng)用了脹焊并用的方法，這種方法能提高連接處的抗疲勞性能，消除應(yīng)力腐蝕和間隙腐蝕，提高使用壽命。脹焊并用連接形式主要有：1）先焊后脹：強(qiáng)度焊＋貼脹高溫高壓換熱器中大多用厚壁管，脹接時(shí)要使用潤(rùn)滑油，進(jìn)入接頭后縫隙中會(huì)在焊接時(shí)生成氣體，惡化焊縫質(zhì)量，只要脹接過程控制得當(dāng)，先焊后脹可避免這一弊病。2023/8/87.2管子的選用及其與管板的連接3、脹焊并用2023/7/7.2管子的選用及其與管板的連接2）先脹后焊：強(qiáng)度脹＋密封焊適用于管子與管板材料焊接性能較差的材料，脹接時(shí)不用潤(rùn)滑油，可防止產(chǎn)生焊接裂紋。2023/8/87.2管子的選用及其與管板的連接2）先脹后焊：強(qiáng)度脹＋密封7.3管板結(jié)構(gòu)7.3.1換熱管排列方式1正三角形和轉(zhuǎn)角正三角形排列

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。2023/8/87.3管板結(jié)構(gòu)7.3.1換熱管排列方式2023/7/317.3管板結(jié)構(gòu)正方形和轉(zhuǎn)角正方形排列，管間小橋形成一條直線通道，便于機(jī)械清洗。要經(jīng)常清洗管子外表面上的污垢時(shí)，多用正方形排列或轉(zhuǎn)角正方形排列。2、正方形和轉(zhuǎn)角正方形排列2023/8/87.3管板結(jié)構(gòu)正方形和轉(zhuǎn)角正方形排列，管間小橋形7.3管板結(jié)構(gòu)3．組合排列法多程換熱器中。7.3.2管間距：

管間距指兩相鄰換熱管中心的距離。其值的確定需要考慮以下幾個(gè)因素：①管板強(qiáng)度；②清洗管子外表面時(shí)所需要的空隙；③換熱管在管板上的固定方法。一般要求管間距≥1.25d0，還應(yīng)符合規(guī)定：2023/8/87.3管板結(jié)構(gòu)3．組合排列法2023/7/317.3管板結(jié)構(gòu)

最外層管壁與殼壁之間的最小距離為10mm，主要是為折流板易于加工，不易損壞。7.3.3換熱器管板強(qiáng)度計(jì)算的理論依據(jù)簡(jiǎn)介1、影響固定管板應(yīng)力大小的因素①管板自身的直徑、厚度、材料強(qiáng)度和使用溫度等；②管束對(duì)管板的支撐作用；③管孔對(duì)管板強(qiáng)度和剛度的影響；④管板周邊支撐形式的影響；⑤溫度對(duì)管板的影響；⑥其他因素。2023/8/87.3管板結(jié)構(gòu)最外層管壁與殼壁之間的最小距離為17.3管板結(jié)構(gòu)2、管板厚度的設(shè)計(jì)方法1）實(shí)心園平板模型將管板當(dāng)作受均布載荷的實(shí)心園板，以按彈性理論得到的圓平板最大彎曲應(yīng)力為主要依據(jù)，并加以適當(dāng)?shù)男拚禂?shù)來考慮管板開孔削弱和管束的實(shí)際支承作用，由此得到管板厚度的計(jì)算公式，偏于安全。2）彈性基礎(chǔ)模型

將管束當(dāng)作彈性支承，而管板則作為放置于這彈性基礎(chǔ)上的圓板，然后根據(jù)載荷大小、管束的剛度及周邊支承情況來確定管板的彎曲應(yīng)力。由于它較全面地考慮了管束的支承和溫差的影響，因而較精確，但計(jì)算公式較多，計(jì)算過程繁瑣，GB151-1999采用的就是此法。2023/8/87.3管板結(jié)構(gòu)2、管板厚度的設(shè)計(jì)方法2023/7/317.3管板結(jié)構(gòu)3）菱形面積法取管板上相鄰四根管子之間的菱形面積，按彈性理論求此面積在均布?jí)毫ψ饔孟碌淖畲髲澢鷳?yīng)力。由于此方法與管板實(shí)際受載情況相差較大，所以盡用于粗略估算。7.3.4管程的分程及管板與隔板的連接

1、分程原因當(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，使流體依次流過各程管子。2023/8/87.3管板結(jié)構(gòu)3）菱形面積法取管板上相鄰四根管子之間的7.3管板結(jié)構(gòu)2、分程原則①各程換熱管數(shù)應(yīng)大致相等；②相鄰程間平均壁溫差一般不應(yīng)超過28℃；③各程間的密封長(zhǎng)度應(yīng)最短；④分程隔板的形狀應(yīng)簡(jiǎn)單。3、分程隔板分為單層和雙層兩種。雙層隔板具有隔熱空間，可防止熱流短路。2023/8/87.3管板結(jié)構(gòu)2、分程原則分為單層和雙層兩種。雙7.3管板結(jié)構(gòu)7.3.4管板與殼體的連接結(jié)構(gòu)1、不可拆的焊接式（應(yīng)用于固定管板式換熱器管板與殼體的連接）（圖7-21）兼做法蘭；（圖7-22）不兼做法蘭2023/8/87.3管板結(jié)構(gòu)7.3.4管板與殼體的連接結(jié)構(gòu)2023/7.3管板結(jié)構(gòu)2023/8/87.3管板結(jié)構(gòu)2023/7/317.3管板結(jié)構(gòu)2、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7-23）2023/8/87.3管板結(jié)構(gòu)2、可拆式2023/7/317.4折流板、支撐板、旁路擋板及攔液板的作用于結(jié)構(gòu)7.4.1折流板及支承板

1、作用①提高殼程內(nèi)流體的流速；②加強(qiáng)湍流強(qiáng)度；③提高傳熱效率；④支撐換熱管。（當(dāng)工藝上無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。）

2、結(jié)構(gòu)折流板和支撐板的常用形式有弓形、圓盤－圓環(huán)形和帶扇形切口三種。2023/8/87.4折流板、支撐板、旁路擋板及攔液板的作用于結(jié)構(gòu)7.47.4折流板、支撐板、旁路擋板及攔液板的作用于結(jié)構(gòu)3、尺寸①厚度與殼體直徑和折流板間距有關(guān)；折流板最小厚度按表7－6選取。②弓形折流板間距：最小間距≥max{0.2Di，50mm}最大間距：按表7－7規(guī)定選取，且≤Di。③間隙：折流板外徑與殼體之間的間隙要適當(dāng)，因?yàn)檫^小給安裝帶來困難，過大又影響傳效率，詳見表7－8。2023/8/87.4折流板、支撐板、旁路擋板及攔液板的作用于結(jié)構(gòu)3、尺7.4折流板、支撐板、旁路擋板及攔液板的作用于結(jié)構(gòu)2023/8/87.4折流板、支撐板、旁路擋板及攔液板的作用于結(jié)構(gòu)2027.4折流板、支撐板、旁路擋板及攔液板的作用于結(jié)構(gòu)2023/8/87.4折流板、支撐板、旁路擋板及攔液板的作用于結(jié)構(gòu)2027.4折流板、支撐板、旁路擋板及攔液板的作用于結(jié)構(gòu)2023/8/87.4折流板、支撐板、旁路擋板及攔液板的作用于結(jié)構(gòu)2027.4折流板、支撐板、旁路擋板及攔液板的作用于結(jié)構(gòu)4、折流板的固定1）拉桿－定距管結(jié)構(gòu)（適用于換熱管外徑≥19mm的管束）折流板和支承板的固定是通過拉桿和定距管來實(shí)現(xiàn)的，如圖7－27。2023/8/87.4折流板、支撐板、旁路擋板及攔液板的作用于結(jié)構(gòu)4、折7.4折流板、支撐板、旁路擋板及攔液板的作用于結(jié)構(gòu)2）拉桿點(diǎn)焊結(jié)構(gòu)，適用于換熱管外徑≤14mm的管束。拉桿的數(shù)量不少于四根，直徑不小于10mm。應(yīng)盡量布置在管束的外邊緣，對(duì)于大直徑換熱器，在布管區(qū)或靠近折流板缺口處也應(yīng)布置適當(dāng)數(shù)量的拉桿。7.4.2旁路擋板1、作用阻止流體短路，迫使殼體流體通過管束進(jìn)行熱交換2、結(jié)構(gòu)及安裝加工成規(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。2023/8/87.4折流板、支撐板、旁路擋板及攔液板的作用于結(jié)構(gòu)2）拉7.4折流板、支撐板、旁路擋板及攔液板的作用于結(jié)構(gòu)2023/8/87.4折流板、支撐板、旁路擋板及攔液板的作用于結(jié)構(gòu)2027.4折流板、支撐板、旁路擋板及攔液板的作用于結(jié)構(gòu)7.4.3攔液板作用：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)。2023/8/87.4折流板、支撐板、旁路擋板及攔液板的作用于結(jié)構(gòu)7.47.5溫差應(yīng)力7.5.1

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);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δt和殼體自由伸長(zhǎng)量δs分別為：2023/8/87.5溫差應(yīng)力7.5.1管壁與殼壁溫度差引起的溫差應(yīng)力7.5溫差應(yīng)力式中αt，αs——分別為管子和殼體材料的溫度膨脹系數(shù)，1/℃；t0——安裝時(shí)的溫度，℃tt

，ts——分別為操作狀態(tài)下管壁溫度和殼壁溫度，℃;

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。這就是溫差應(yīng)力產(chǎn)生的原因。2023/8/87.5溫差應(yīng)力式中2023/7/317.5溫差應(yīng)力2、溫差應(yīng)力的計(jì)算（1）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。管子被壓縮的量為：殼體被拉伸的量為：2023/8/87.5溫差應(yīng)力2、溫差應(yīng)力的計(jì)算管子被壓縮的量為：207.5溫差應(yīng)力（2）溫差應(yīng)力在管子及殼體中的溫差應(yīng)力為：3、溫差應(yīng)力的補(bǔ)償措施（1）減少殼體與管束間的溫度差（2）裝設(shè)撓性構(gòu)件（3）使殼體和管束自由熱膨脹（4）雙套管溫度補(bǔ)償2023/8/87.5溫差應(yīng)力（2）溫差應(yīng)力3、溫差應(yīng)力的補(bǔ)償措施2027.5溫差應(yīng)力7.5.2管子拉脫力的計(jì)算1、產(chǎn)生原因1）原因：由于介質(zhì)壓力與溫差應(yīng)力的聯(lián)合作用，使管子和管板接頭處產(chǎn)生拉脫力，使管子與管板