典型化工設(shè)備設(shè)計(jì)換熱器結(jié)構(gòu)1

壓力容器的常規(guī)設(shè)計(jì)方法內(nèi)壓、外壓〔中、低壓〕幾類常用化工設(shè)備換熱設(shè)備、塔設(shè)備、攪拌設(shè)備第三篇典型化工設(shè)備的機(jī)械設(shè)計(jì)換熱器攪拌設(shè)備塔設(shè)備教學(xué)重點(diǎn)〔1〕典型管殼式換熱器的選型〔2〕固定管板式換熱器的根本構(gòu)造〔3〕管子的選用及管板的銜接〔4〕溫差應(yīng)力產(chǎn)生的緣由及補(bǔ)償措施教學(xué)難點(diǎn)：管、殼程的分程及隔板第七章管殼式換熱器的機(jī)械設(shè)計(jì)第一節(jié)換熱器概述一、定義換熱器是用來(lái)完成各種不同傳熱過(guò)程的設(shè)備。1、如：開(kāi)水鍋爐、水杯、冰箱、空調(diào)等。2、是許多工業(yè)部門廣泛運(yùn)用的通用工藝設(shè)備。通常，在化工廠的建立中，換熱器約占總投資的11％～40％。那么衡量一臺(tái)換熱器好壞的規(guī)范是什么呢？3.可靠性滿足操作條件,強(qiáng)度足夠,保證運(yùn)用壽命二、衡量規(guī)范2.合理性1.先進(jìn)性可制造加工，本錢可接受傳熱效率高，流體阻力小，資料省三、不同目的的換熱器冷卻器〔cooler〕冷凝器〔condenser〕蒸發(fā)器〔發(fā)生相變〕〔evaporator〕加熱器〔普通不發(fā)生相變〕〔heater〕再沸器〔reboiler〕廢熱鍋爐〔wasteheatboiler〕四、換熱器的根本類型按傳熱方式或任務(wù)原理分類1、直接接觸式傳熱效果好，但不能用于發(fā)生反響或有影響的流體之間直接接觸式換熱器熱流體冷流體熱流體冷流體2、蓄熱式溫度較高的場(chǎng)所，但有交叉污染，溫度動(dòng)搖大蓄熱式換熱器冷流體冷流體熱流體熱流體3、間壁式重點(diǎn)——又稱外表式換熱器利用間壁〔固體壁面〕進(jìn)展熱交換。冷熱兩種流體隔開(kāi)，互不接觸，熱量由熱流體經(jīng)過(guò)間壁傳送給冷流體。運(yùn)用最為廣泛，方式多種多樣，如管殼式換熱器、板式換熱器等對(duì)于間壁式換熱器，按間壁外形進(jìn)一步分為(3)管殼式(1)管式(2)緊湊式螺旋板式、板式、板翅、傘板等排管、蛇管、套管重點(diǎn)下面我們來(lái)看一看管殼式換熱器的根本構(gòu)造管殼式換熱器

圖7-1換熱器構(gòu)件稱號(hào)1-管箱(A,B,C,D型);2-接納法蘭;3-設(shè)備法蘭;4-管板;5-殼程接納;6-拉桿;7-膨脹節(jié);8-殼體;9-換熱管;10-排氣管;11-吊耳;12-封頭;13-頂絲;14-雙頭螺柱;15-螺母;16-墊片;17-防沖板;18-折流板或支承板;19-定距管;20-拉桿螺母;21-支座;22-排液管;23-管箱殼體;24-管程接納;25-分程隔板;26-管箱蓋根據(jù)我們前面學(xué)習(xí)的內(nèi)容，請(qǐng)同窗們說(shuō)說(shuō)序號(hào)2、3、8、12、21各代表什么零件？管殼式換熱器的構(gòu)造：固定管板式換熱器

浮頭式換熱器U形管式換熱器填料函式換熱器五、管殼式換熱器的分類根本類型無(wú)補(bǔ)償器帶補(bǔ)償器〔一〕固定管板式換熱器固定管板換熱器——分為帶補(bǔ)償器和不帶補(bǔ)償器兩種。優(yōu)點(diǎn)：構(gòu)造簡(jiǎn)單、緊湊、能接受較高的壓力，造價(jià)低，管程清洗方便，管子損壞時(shí)易于堵管或改換。缺陷：不易清洗殼程，殼體和管束中能夠產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力。圖7-2固定管板式換熱器構(gòu)造三維圖為減少熱應(yīng)力，通常在固定管板式換熱器中設(shè)置柔性元件〔如膨脹節(jié)、撓性管板等〕，來(lái)吸收熱膨脹差。圖7-3帶膨脹節(jié)的固定管板式換熱器適用場(chǎng)所：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)所。〔二〕浮頭式換熱器優(yōu)點(diǎn)：管內(nèi)和管間清洗方便，不會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力。缺陷：構(gòu)造復(fù)雜，設(shè)備笨重，造價(jià)高，浮頭端小蓋在操作中無(wú)法檢查，影響傳熱。適用場(chǎng)所：殼體和管束之間壁溫相差較大，或介質(zhì)易結(jié)垢的場(chǎng)所。圖7-4浮頭式換熱器浮頭構(gòu)造特點(diǎn)：1.一端可自在伸縮—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(kāi)，易外漏，介質(zhì)受限制；〔三〕填料函式換熱器優(yōu)點(diǎn)：構(gòu)造簡(jiǎn)單，加工制造方便，造價(jià)低，管內(nèi)和管間清洗方便。

缺陷：填料處易走漏。適用場(chǎng)所：4MPa以下，且不適用于易揮發(fā)、易燃、易爆、有毒及貴重介質(zhì)，運(yùn)用溫度受填料的物性限制。填料函式密封填料函式換熱器U形管式換熱器U形管式換熱器動(dòng)畫U型管式換熱器的二維圖特點(diǎn)：1.只需一個(gè)管板，構(gòu)造簡(jiǎn)單；2.管子可以抽出，管間易清洗；3.管子可以自在膨脹；4.管內(nèi)不便清洗，不易改換；5.構(gòu)造不緊湊。〔四〕U形管式換熱器圖7-7U型管式換熱器優(yōu)點(diǎn)：構(gòu)造簡(jiǎn)單，價(jià)錢廉價(jià)，接受才干強(qiáng)，不會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力。缺陷：布板少，管板利用率低，管子壞時(shí)不易改換。適用場(chǎng)所：特別適用于管內(nèi)走清潔而不易結(jié)垢的高溫、高壓、腐蝕性大的物料?！惨弧彻に囉?jì)算六、管殼式換熱器設(shè)計(jì)內(nèi)容選型；確定管、殼程；經(jīng)過(guò)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)，決議管數(shù)、管程數(shù)和殼程數(shù)。〔二〕機(jī)械設(shè)計(jì)1〕殼體直徑的決議和殼體厚度的計(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。課堂提問(wèn)說(shuō)出換熱器類型固定管板式換熱器浮頭式換熱器U形管式換熱器填料函式換熱器第二節(jié)管板式換熱器換熱管的選用及其與管板的銜接一、換熱管的選用〔一〕直徑粘性大或污濁的流體大管徑單位體積傳熱面積增大、構(gòu)造緊湊、金屬耗量減少、傳熱系數(shù)提高阻力大，不便清洗，易結(jié)垢堵塞用于較清潔的流體小管徑〔二〕規(guī)格〔外徑×壁厚〕，長(zhǎng)度按規(guī)定決議換熱管尺寸φ19×2、φ25×2.5和φ38×2.5mm無(wú)縫鋼管φ25×2和φ38×2.5mm不銹鋼管規(guī)范管長(zhǎng)1.5、2.0、3.0、4.5、6.0、9.0m等換熱器的換熱管長(zhǎng)度與公稱直徑之比，普通在4～25之間，常用的為6～10。立式換熱器，其比值多為4～6。〔三〕資料由壓力、溫度、介質(zhì)的腐蝕性能決議。常用管子材質(zhì)有：碳素鋼〔10，20〕、合金鋼〔1Cr18Ni9Ti)、低合金鋼〔16Mn,15MnV)、銅、鈦、塑料、石墨等。金屬資料碳素鋼低合金鋼不銹鋼銅銅鎳合金鋁合金鈦等非金屬資料石墨陶瓷聚四氟乙烯等〔四〕構(gòu)外型式換熱管型式光管強(qiáng)化傳熱管螺旋槽管螺紋管翅片管〔在給熱系數(shù)低側(cè)〕多用光管，由于構(gòu)造簡(jiǎn)單，制造容易，為強(qiáng)化傳熱，也采用強(qiáng)化傳熱管。常用管子方式：圖7-9幾種異形管〔a〕扁平管〔b〕橢圓管〔c〕凹槽扁平管〔d〕波紋管圖7-10縱向翅片管〔a〕焊接外翅片管〔b〕整體式外翅片管〔c〕鑲嵌式外翅片管〔d〕整體式內(nèi)外翅片管圖7-11徑向翅片管圖7-12螺紋管二、管子與管板的銜接〔一〕脹接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，管板孔邊緣同時(shí)產(chǎn)生彈性變形，取去脹管器后，管板邊緣彈性恢復(fù)與管子產(chǎn)生一定的擠壓力，貼在一同到達(dá)密封緊固銜接的目的。圖7-13脹管前后表示圖〔a〕脹管前〔b〕脹管后脹接工具：脹管器液壓脹管器液壓脹接機(jī)械脹接優(yōu)點(diǎn)：工藝簡(jiǎn)一方便；消除間隙——防止間隙腐蝕。缺陷：溫度升高時(shí)，管端會(huì)發(fā)生松弛——走漏。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(wú)特殊要求的場(chǎng)所。緣由：溫度升高，剩余應(yīng)力減小，使管子與管板間的脹接密封性能、緊固性能都下降，故設(shè)計(jì)溫度≤300℃。要求管板硬度大于管子硬度，否那么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(kāi)槽(開(kāi)槽可以添加銜接強(qiáng)度和嚴(yán)密性)。為什麼？如何實(shí)現(xiàn)？留意：保證嚴(yán)密性的方法：管板孔開(kāi)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：管端退火處置。選材思索。圖7-14脹管銜接構(gòu)造及尺寸〔二〕焊接優(yōu)點(diǎn)：在高溫高壓條件下，焊接銜接能堅(jiān)持銜接的嚴(yán)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)可運(yùn)用較薄的管板。缺陷：在焊接接頭處產(chǎn)生的熱應(yīng)力能夠呵斥應(yīng)力腐蝕開(kāi)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。圖7-15焊接間隙表示圖管板間隙換熱管圖7-16焊接接頭的構(gòu)造(a)c(c)(b)(d)抑制了單純的焊接及脹接的缺陷，主要優(yōu)點(diǎn)是：銜接嚴(yán)密，提高抗疲勞才干；消除間隙腐蝕和應(yīng)力腐蝕；提高運(yùn)用壽命?！踩趁浐覆⒂妹浐覆⒂勉暯又饕校簭?qiáng)度焊＋貼脹………………先焊后脹強(qiáng)度脹＋密封焊………………先脹后焊概念解釋：密封焊—不保證強(qiáng)度，只防漏；強(qiáng)度焊—既防漏，又保證抗拉脫強(qiáng)度；貼脹—只消除間隙，不承當(dāng)拉脫力；強(qiáng)度脹—既消除間隙，又滿足脹接強(qiáng)度。目前，先焊后脹與先脹后焊兩派學(xué)說(shuō)仍處于爭(zhēng)議之中。第三節(jié)管板與管板銜接構(gòu)造一、管板管板資料選擇既有力學(xué)的上思索，又有耐介質(zhì)腐蝕的思索。二、管板資料管板是管殼式換熱器的重要零部件之一。三、管板構(gòu)造在滿足強(qiáng)度要求的前提下，該當(dāng)盡量減少管板厚度。四、換熱管陳列方式三角形陳列緊湊，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，且不需求進(jìn)展機(jī)械清洗的場(chǎng)所。〔一〕正三角形和轉(zhuǎn)角正三角形陳列圖7-17正三角形陳列的管子流體流動(dòng)方向流體流動(dòng)方向正三角形陳列轉(zhuǎn)角正三角形陳列〔二〕正方形和轉(zhuǎn)角正方形陳列管間小橋構(gòu)成一條直線通道，便于機(jī)械清洗。要經(jīng)常清洗管子外外表上的污垢時(shí)，多用正方形陳列。圖7-18正方形陳列的管子流體流動(dòng)方向流體流動(dòng)方向轉(zhuǎn)角正方形陳列正方形陳列〔三〕組合陳列法在多程換熱器中多采用組合陳列方法。即每一程中都采用三角形陳列法，而在各程之間，為了便于安裝隔板，那么采用正方形陳列法，如圖7－19。圖7-19組合陳列法五、管間距〔一〕定義〔二〕要求管間距指兩相鄰換熱管中心的間隔。管間距≥1.25d0，符合表7-4規(guī)定，便于管子與管板間的銜接，由于對(duì)于脹接或焊接來(lái)講，管子間間隔太近，那么都會(huì)影響銜接質(zhì)量。最外層管壁與殼壁之間的間隔不應(yīng)小于1/2換熱管外徑加10mm，主要是為折流板易于加工，不易損壞。表7-4常用換熱管中心距/mm換熱管外徑do1214192532384557換熱管中心距1619253240485772最外層換熱管中心至殼體內(nèi)外表的間隔不應(yīng)小于[(換熱管外徑的一半)＋10mm]。六、管箱與管束的分程當(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，陳列較多的管子。此時(shí)，為了添加管程流速，提高傳熱效果，須將管束分程，使流體依次流過(guò)各程管子?！惨弧撤殖叹売晒潭ü馨迨綋Q熱器利用管箱來(lái)實(shí)現(xiàn)管束分程。管箱位于換熱器兩端，便于拆裝。隔板安裝在管箱內(nèi)。管箱管箱構(gòu)造：〔二〕分程原那么〔三〕分程隔板圖7-22雙層隔板與管板的密封①各程換熱管數(shù)應(yīng)大致相等；②相鄰程間平均壁溫差普通不應(yīng)超越28℃；③各程間的密封長(zhǎng)度應(yīng)最短；④分程隔板的外形應(yīng)簡(jiǎn)單。圖7-21單層隔板與管板的密封隔板管板封頭隔板管板〔四〕分程方式表7－5管程布置表七、管程接納與擋板和導(dǎo)流筒為減緩殼程入口高速流體對(duì)管子的沖刷，將接納做成喇叭形，構(gòu)造為圓形時(shí)常稱為導(dǎo)流筒?！惨弧彻艹探蛹{為減緩殼程入口高速流體對(duì)管子的沖刷，在入口處安裝擋板。擋板常采用圓形和方形。〔二〕擋板1折流板及支撐板作用：a.提高殼程流體流速，改動(dòng)流動(dòng)方向—提高傳熱效率。b.支撐換熱管。構(gòu)造方式：a.弓形；b.圓盤-圓環(huán)形；c.扇形。八、折流板、支承板、旁路擋板及攔液板的作用與構(gòu)造折流板的固定方法2旁路擋板殼體與管束之間存在有較大間隙時(shí)，為防止流體走短路，沿縱向設(shè)置板條，迫使流體穿過(guò)管束。3攔液板作用：在立式冷凝器中，用來(lái)減薄管壁上的