第二章换热设备

1《过程设备设计》教案6—换热设备课程名称：过程设备设计专业：过程装备与控制工程任课教师：贺华2第6章换热设备§6-1概述主要教学内容授课方式授课时数1、换热设备的应用2、换热设备的基本要求和分类3、间壁式换热器讲授自学2教学目的和要求1、了解换热设备的基本要求2、了解换热设备的分类方法3、了解换热设备的主要类型及结构教学重点和难点间壁式换热器的主要类型及结构课外作业思考题一、换热设备应满足的基本要求1、换热设备的设计内容（1）工艺尺寸的设计和计算（2）零部件结构的设计和计算2、换热设备应满足的基本要求（1）满足化工工艺要求（工艺过程所要求的温度、压力、流量、传热量等）（2）流体流动阻力小，压力降小，传热效率高（3）安全可靠（4）便于安装、操作和维修（5）经济合理二、换热设备的分类及特点（1）混合式换热器（2）蓄热式换热器（3）间壁式换热器*3（4）中间载热体式换热器热管换热器聚四氟乙烯换热器石墨换热器其它型式换热器伞板式板壳式板翅式螺旋板式板式板面式换热器缠绕管式管壳式套管式蛇管式管式换热器间壁式换热器4§6-2管壳式换热器主要教学内容授课方式授课时数1、管壳式换热器的种类2、管壳式换热器的结构设计（管束分程；壳体分程；换热管的排列；管板的结构；换热管与管板的连接；管板与壳体的连接；折流板与折流杆等）讲授自学5教学目的和要求1、了解管壳式换热器的种类2、掌握管壳式换热器的结构设计方法教学重点和难点管壳式换热器的结构设计课外作业思考题；课外综合练习题；一、管壳式换热器的类型管壳式换热器由壳体、管束、管箱等结构组成，根据其结构特点的不同可分为两大类：一类时刚性结构，如不带膨胀节的固定管板式换热器；另一类是具有温差补偿结构的管壳式换热器，如带膨胀节的固定管板式换热器、浮头式、U型管式换热器等。1、固定管板式换热器优点：（1）结构简单紧凑，制造成本低（2）与其它类型换热器相比，在相同壳体直径下，排管数目最多（3）管内便于清洗缺点：（1）壳程不能用机械方法清洗，应走清洁流体（2）不设膨胀节时，管、壳程可能产生较大的温差应力2、浮头式换热器优点：（1）壳体和管束热变形自由，不产生热应力（2）管束可从壳体中抽出，便于壳程的检修和清洗缺点：（1）结构复杂，造价高。（2）为使一端管板浮动，需增加一个浮头盖及相关连接件以保证壳程密封，操5作时，如果浮头盖连接处泄漏将无法发现，所以应严格保证其密封性能（3）为使浮头管板和管束检修时能够一起抽出，在管束外缘与壳壁之间形成宽度为16~22mm的环隙，这样不仅减少了排管数目，而且增加了旁路流路，降低了换热器的热效率。3、填料函式换热器优点：（1）结构比浮头式换热器简单，壳体和管束热变形自由，不产生热应力（2）管束可从壳体中抽出，壳程的检修和清洗方便缺点：填料函处形成动密封，壳程介质易泄漏，要求壳程介质温度和压力不能过高，且无毒、非易燃和易爆4、U形管式换热器优点：（1）结构简单，省去一块管板和一个管箱，造价低（2）管束和壳体分离，热膨胀时互不约束，消除热应力（3）管束可以从壳体中抽出，管外清洗方便缺点：（1）弯管必须保持一定曲率半径，管束中央会存在较大的空隙，流体易走短路，对传热不利（2）管内不能用机械方法清洗，易走清洁流体（3）管子泄漏损坏时，只有最外层管子可以更换，其他管子只能堵死，会减小换热面积二、结构设计1、管束分程管束分程的作用：提高管程流速；改善传热效果；增大传热效率管束分程的方法：在一端或两端的管箱中设置一定数目的分程隔板，使流体依次流过各个管程。注意：（1）管程数目不能太多，否则会使管箱结构复杂，给制造带来困难，同时流体阻力也会增大。6（2）管程数目一般为偶数程（单程除外），这样可以使管程的进出口设置在同一端管箱上，便于制造、操作和维修。（3）尽可能使各程换热管数目大致相等，以减小流体阻力。（4）相邻管程流体间温度差不宜过大（不超过28℃），以避免产生过大热应力。分程隔板布置方式2、壳程分程壳程分程的形式：E型、F型、G型、H型3、换热管的排列方式（1）我国管壳式换热器标准规定采用无缝钢管作为换热管，主要规格有（外径×壁厚）：φ19×2.0；φ25×2.5；φ38×3.0；φ57×3.5；（2）换热管长度可根据工艺计算确定，当应考虑管材的合理使用。我国轧制管材长度一般为6m，为避免材料浪费，国内推荐换热管长度系列为：1.5m、2.0m、3.0m、6.0m。（3）换热管排列方式考虑原则：使换热管在换热器横截面上均匀而紧凑地分布，同时应考虑流体的性质及结构设计等方面的问题，如管束是否分程、是否有纵向隔板等。（4）管子在管板上要保证一定的管间距管子和管板焊接时：P=1.25d0管子和管板胀接时：P≥1.25d04、管板的结构高温高压换热器中的薄管板薄管板的结构型式椭圆形管板双管板结构5、管子和管板的连接要求：换热管和管板连接处不被拉脱换热管和管板连接处不发生介质泄漏（1）胀接7优点：操作方便缺点：胀接依靠管孔收缩昌盛的残余应力，这一应力会随着温度上升而减小，所以胀接温度和压力受到一定的限制（P≤4Mpa，t≤350℃）（2）焊接优点：胀连接强度和抗拉强度好缺点：①管子和管板焊接后存在残余应力，运行中可能产生应力腐蚀或疲劳破坏。②管子和管板间的间隙会产生间隙腐蚀（3）胀焊并用①强度胀加密封焊：胀接承受拉脱力，焊接保证密封性能②强度焊加贴胀：焊接承受拉脱力，贴胀消除管子与管孔间的缝隙操作顺序：先焊后胀注意：先焊后胀可能在胀接时出现焊缝开裂，所以胀接时要仔细控制操；距离焊缝15mm内通常不胀，以免损坏焊缝6、管板与壳体的连接①兼作法兰的管板②不兼作法兰的管板③管板的可拆式连接结构7、折流板和折流杆①折流板结构②折流板连接结构③壳程流体分布图④折流杆结构示意图8、膨胀节的设计（补充）设置膨胀节的作用：（1）膨胀节是挠性构件，其轴向柔度大，在不大的轴向力作用下，可产生较大的轴向变形，可以有效地减小壳体和管子由于温差产生的热应力。8（2）防止管子与管板连接处不被拉脱温差产生的轴向力：设壳体和管子安装温度为θ0，壳体和管子操作温度分别为θS和θt，则管子和壳体的自由伸长量为：δt=αt（θt-θ0）LδS=αS（θS-θ0）L设θtθSδe=δt-δS=[αt（θt-θ0）-αS（θS-θ0）]L由于管子和壳体刚性连接在一起，管子和壳体的实际伸长量相等，所以，管子和壳体间会产生变形协调，管子中会产生压应力，壳体中会产生拉应力，显然，管子和壳体所受到的轴向力大小相同，称为温差轴向力（F1）设壳体的拉伸及管子的压缩变形均在弹性范围内，则：)()11(1111SSttSStteSSttStSSStttEAEALEAEAFEAEALFEALFEALF其中：δe=δt-δS=[αt（θt-θ0）-αS（θS-θ0）]L介质压力产生的轴向力：由介质压力引起的总的轴向力：）（）（20220424ndDPSdnPQiStt壳体所受的轴向力为F2，管子所受的轴向力为F3由静力平衡条件得：F2+F3=Q9SSSttStAELFlAELll23tFl其中：并且：QAEAEAEFttSSSS2得：QAEAEAEFttSStt3应力评定：（1）管子和壳体的轴向应力校核ttttAFF][231管壁应力：tSSSAFF][221壳壁应力：（2）管子和管板连接处的拉脱力校核][0qldaqt要求：管子和管板连接处的拉脱力其中：a----单根换热管的横截面积l----管子与管板的胀接深度（3）管子轴向稳定性校核要求：σt[σ]cr管子和壳体的轴向应力、管子和管板连接处的拉、管子轴向稳定性均应满足强度要求，其中只要有一项条件不能满足要求，就必须设置膨胀节。9、U形膨胀节的设计计算（补充）（1）膨胀节的轴向刚度----在保证膨胀节处于完全弹性条件下，膨胀节产生单位轴10向位移（即膨胀节的单位补偿量）所需要的轴向力。K=Fex/δex由美国膨胀节制造商协会（EJMA）的经验公式：mexppffpmDDSSSChESDK/59-2C7.133厚成型减薄后的膨胀节壁）形状尺寸系数（图其中：膨胀节承压较大的时候，可采用多层膨胀节，多层膨胀节的层数一般为2~4层，每层厚度为0.5~1.5mm。多层膨胀节的轴向刚度：膨胀节的层数每层膨胀节的壁厚其中：mSChmESDKpfpm337.1（2）膨胀节的补偿量为保证膨胀节在完全弹性条件下安全工作，膨胀节的补偿量是有一定限度的，可以从手册上查到不同材料制作的、具有标准尺寸的单波捧场节的允许补偿量[△l]换热器工作时需要的膨胀节的热补偿量为：△lc=[αt（θt-θ0）-αS（θS-θ0）]L如果△lc〈[△l]，则需要一个单波膨胀节如果△lc〉[△l]，则需要两个或更多的单波膨胀节（3）膨胀节的应力计算及校核a、内压引起的周向薄膜应力σ1)2571.0(21WhSPDpmb、内压引起的经向薄膜应力σ211pSPh22c、内压引起的经向弯曲应力σ3ppCSPh2232d、轴向力引起的经向薄膜应力σ4fexpChES3242e、轴向力引起的经向弯曲应力σ5（4）应力评定：薄膜应力：σ1≤[σ]tσ2≤[σ]t弯曲应力：σ2+σ3≤1.5σst经向计算应力：σR=（0.7σP+σd）其中：σP=σ2+σ3σd=σ4+σ5三、管板设计要求：了解管板的基本假设和受力分析；了解固定管板式换热器管板的计算方法和计算步骤；1、基本考虑（1）管束对管板的支承作用（2）管孔对管板的削弱作用（3）管板外缘的固定型式2、管板强度的计算原则dexpChES253512（1）把管板当作周边支承、承受均布载荷作用的实心圆平板，应用平板理论得到园平板最大弯曲应力，加入修正系数考虑管孔的削弱作用。这种设计方法对管板作了很大程度的简化，是一种半径验公式，应用较少。（2）把管板当作承受管束支承的固定圆平板，管板厚度取决于无管子支承区域的管板面积。这种方法适用于各种薄管板的强度校核及厚度计算。（3）把管板使为放置在弹性基础上、承受均布载荷作用的多孔圆平板，根据载荷大小、管束刚度和周边支承情况来确定管板的弯曲应力。这种方法考虑校全面且接近实际情况，因此计算比较精确，但计算公式多且计算复杂。目前我国换热器计算采用这种方法。3、管板受力分析（1）危险工况的组合（2）管板中的最大应力环形不布管区的应力圆形布管区的应力薄管板厚度的计算4、应力计算及校核5、按计算程序进行固定管板式换热器管板的计算（了解）（1）计算程序框图及计算程序（2）浮头式换热器管板的计算（3）U形管式换热器管板的计算四、管束的振动和防止换热器流体振动导致的结果：a、声振动（通常是大于150分贝的噪音）b、机械失效（管子发生严重弯曲；管子跨中处相互碰撞导致破坏；管子在支持板处由13与自踞作用导致破坏等）c、管子发生疲劳破坏d、管子与管板连接处发生泄漏（一）、换热器流体振动的激振机理1、卡曼涡街的产生（1）和风横向吹过塔设备一样，流体横向冲刷换热管束，也会在管束后面产生卡曼涡街。漩涡脱落频率：fV=St×v/d0当fV与管子的自振频率相等时，管子将发生共振。（2）换热管束的卡曼涡街和单个塔体产生的卡曼涡街有所不同，St不仅是Re的函数，还与管子的节径比及排列角有关。对于大节径比的管束，每根换热管后都可能产生卡曼涡街，而对于小节径比的管束，不是每根换热管后都产生卡曼涡街，而是在整个换热管束后共同形成卡曼涡街。这时，只有管束外缘的管子要考虑卡曼涡街产生的振动，大多数管子的振动是由其它激振机理引起的。2、紊流抖振（湍流抖动）为提高换热器的传热系数，壳程流体大多是在紊流（即湍流）状态下流动，湍流本身是一个具有主导频率的频带振动，而且频带范围很宽，当频带中某一频率与管子的自振频率相等时，管子降发生共振，这种振动称为紊流抖振。紊流抖振主频率：L、T分别表示