第七章 管壳式换热器机械设计

上一内容下一内容回主目录返回2020/3/28第七章管壳式换热器的机械设计7.1概述7.2管子的选用及其与管板的联接7.3管板结构7.5温差应力7.4折流板、支撑板、旁路挡板及拦液板的作用与结构上一内容下一内容回主目录返回2020/3/28第七章管壳式换热器的机械设计本章重点：固定管板式换热器的基本结构及其机械设计本章难点：管、壳的分程及隔板计划学时：6学时上一内容下一内容回主目录返回2020/3/287.1概述换热器是用来完成各种不同传热过程的设备。换热器质量好坏的衡量标准：1）先进性—传热效率高，流体阻力小，材料省；2）合理性—可制造加工，成本可接受；3）可靠性—强度满足工艺条件。根据不同的目的，换热器可以分为：上一内容下一内容回主目录返回2020/3/287.1概述7.1.1管壳式换热器的结构及其主要零部件上一内容下一内容回主目录返回2020/3/287.1概述7.1.2管壳式换热器的分类1、固定管板式换热器优点：结构简单、紧凑、布管多，管内便于清洗，更换、造价低，应用广泛。管坏时易堵漏。缺点：不易清洗壳程，一般管壳壁温差大于50℃，设置膨胀节。上一内容下一内容回主目录返回2020/3/287.1概述适用场合：适用于壳程介质清洁，不易结垢，管程需清洗以及温差不大或温差虽大但是壳程压力不大的场合。上一内容下一内容回主目录返回2020/3/287.1概述2、浮头式换热器优点：管束可以抽出，便于清洗；缺点：换热器结构较复杂，金属耗量较大。适用场合：适用于介质易结垢的场合。上一内容下一内容回主目录返回2020/3/287.1概述3、填料函式换热器优点：造价比浮头式低，检修、清洗容易，填料函处泄漏能及时发现；缺点：壳程内介质由外漏的可能，壳程中不宜处理易挥发、易燃、易爆、有毒的介质。适用场合：适用于低压小直径场合。上一内容下一内容回主目录返回2020/3/287.1概述4、U型管式换热器优点：结构简单，造价低，壳程可清洗，一个管板，管子可自由伸缩，无温差应力；缺点：管程不能清洗，管板上布管少，结构不紧凑，管子坏时不易修补。适用场合：适用于管、壳壁温差较大的场合，尤其是管内介质清洁不易结垢的高温、高压、腐蚀性较强的场合。上一内容下一内容回主目录返回2020/3/287.1概述7.1.3管壳式换热器机械设计内容管壳式换热器的设计：1、根据化工生产工艺条件的要求，通过化工工艺计算，确定换热器的传热面积，同时选择管径、管长，决定管数、管程数和壳程数；2、进行机械设计。内容有：1）壳体直径的决定和壳体厚度的计算；2）换热器封头选择，压力容器法兰选择；3）管板尺寸确定；4）折流板的选择与计算；5）管子拉脱力的计算；6）温差应力计算。上一内容下一内容回主目录返回2020/3/287.2管子的选用及其与管板的连接7.2.1管子的选用1、直径小直径管子单位传热面积的金属消耗量小，传热系数稍高，但容易结垢，不易清洗，用于较清洁的流体；大直径管子用于粘性大或污浊的流体。2、规格常采用无缝钢管规格（外径×壁厚），长度按规定选用（1500mm、2000mm、2500mm、3000mm、4500mm、5000mm、6000mm、7500mm、9000mm、12000mm）。其长度与公称直径之比，一般为4～25，常用的为6～10，立式换热器多为4～6。上一内容下一内容回主目录返回2020/3/287.2管子的选用及其与管板的连接3、结构型式多用光管，因为结构简单，制造容易；为强化传热，也采用异型管、翅片管、螺纹管等。上一内容下一内容回主目录返回2020/3/287.2管子的选用及其与管板的连接4、材料根据压力、温度、介质的腐蚀性能决定。主要有碳素钢、合金钢、铜、钛、塑料、石墨等。7.2.2管子与管板的连接1、胀接1）过程：最普通的是利用胀管器挤压伸入管板孔中的管子端部，使管端发生塑性变形，管板孔同时产生弹性变形，取去胀管器后，管板与管子产生一定的挤压力，贴在一起达到密封紧固连接的目的。2）适用范围：换热管为碳素钢，管板为碳素钢或低合金钢，设计压力≤4Mpa，设计温度≤300℃，且无特殊要求的场合。外径d＜14mm，不适合胀接。上一内容下一内容回主目录返回2020/3/287.2管子的选用及其与管板的连接上一内容下一内容回主目录返回2020/3/287.2管子的选用及其与管板的连接3）要求管板硬度大于管子硬度，否则将管端退火后再胀接。胀接时管板上的孔可以是光孔，也可开槽。上一内容下一内容回主目录返回2020/3/287.2管子的选用及其与管板的连接2、焊接优点：在高温高压条件下，焊接连接能保持连接的紧密性，管板加工要求可降低，节省孔的加工工时，工艺较胀接简单，压力较低时可使用较薄的管板。缺点：在焊接接头处产生的热应力可能造成应力腐蚀开裂和疲劳破裂，同时管子、管板间存在间隙，易出现间隙腐蚀。上一内容下一内容回主目录返回2020/3/287.2管子的选用及其与管板的连接结构：主要有4种上一内容下一内容回主目录返回2020/3/287.2管子的选用及其与管板的连接3、胀焊并用前面我们讲了胀接、焊接后，会发现它们各自有优、缺点，因而目前广泛应用了胀焊并用的方法，这种方法能提高连接处的抗疲劳性能，消除应力腐蚀和间隙腐蚀，提高使用寿命。胀焊并用连接形式主要有：1）先焊后胀：强度焊＋贴胀高温高压换热器中大多用厚壁管，胀接时要使用润滑油，进入接头后缝隙中会在焊接时生成气体，恶化焊缝质量，只要胀接过程控制得当，先焊后胀可避免这一弊病。上一内容下一内容回主目录返回2020/3/287.2管子的选用及其与管板的连接2）先胀后焊：强度胀＋密封焊适用于管子与管板材料焊接性能较差的材料，胀接时不用润滑油，可防止产生焊接裂纹。上一内容下一内容回主目录返回2020/3/287.3管板结构7.3.1换热管排列方式1正三角形和转角正三角形排列三角形排列紧凑，传热效果好，同一板上管子比正方形多排10%左右，同一体积传热面积更大。适用于壳程介质污垢少，且不需要进行机械清洗的场合。上一内容下一内容回主目录返回2020/3/287.3管板结构正方形和转角正方形排列，管间小桥形成一条直线通道，便于机械清洗。要经常清洗管子外表面上的污垢时，多用正方形排列或转角正方形排列。2、正方形和转角正方形排列上一内容下一内容回主目录返回2020/3/287.3管板结构3．组合排列法多程换热器中。7.3.2管间距：管间距指两相邻换热管中心的距离。其值的确定需要考虑以下几个因素：①管板强度；②清洗管子外表面时所需要的空隙；③换热管在管板上的固定方法。一般要求管间距≥1.25d0，还应符合规定：上一内容下一内容回主目录返回2020/3/287.3管板结构最外层管壁与壳壁之间的最小距离为10mm，主要是为折流板易于加工，不易损坏。7.3.3换热器管板强度计算的理论依据简介1、影响固定管板应力大小的因素①管板自身的直径、厚度、材料强度和使用温度等；②管束对管板的支撑作用；③管孔对管板强度和刚度的影响；④管板周边支撑形式的影响；⑤温度对管板的影响；⑥其他因素。上一内容下一内容回主目录返回2020/3/287.3管板结构2、管板厚度的设计方法1）实心园平板模型将管板当作受均布载荷的实心园板，以按弹性理论得到的圆平板最大弯曲应力为主要依据，并加以适当的修正系数来考虑管板开孔削弱和管束的实际支承作用，由此得到管板厚度的计算公式，偏于安全。2）弹性基础模型将管束当作弹性支承，而管板则作为放置于这弹性基础上的圆板，然后根据载荷大小、管束的刚度及周边支承情况来确定管板的弯曲应力。由于它较全面地考虑了管束的支承和温差的影响，因而较精确，但计算公式较多，计算过程繁琐，GB151-1999采用的就是此法。上一内容下一内容回主目录返回2020/3/287.3管板结构3）菱形面积法取管板上相邻四根管子之间的菱形面积，按弹性理论求此面积在均布压力作用下的最大弯曲应力。由于此方法与管板实际受载情况相差较大，所以尽用于粗略估算。7.3.4管程的分程及管板与隔板的连接1、分程原因当换热器所需的换热面积较大，而管子做得太长时，就得增大壳体直径，排列较多的管子。此时，为了增加管程流速，提高传热效果，须将管束分程，使流体依次流过各程管子。上一内容下一内容回主目录返回2020/3/287.3管板结构2、分程原则①各程换热管数应大致相等；②相邻程间平均壁温差一般不应超过28℃；③各程间的密封长度应最短；④分程隔板的形状应简单。3、分程隔板分为单层和双层两种。双层隔板具有隔热空间，可防止热流短路。上一内容下一内容回主目录返回2020/3/287.3管板结构7.3.4管板与壳体的连接结构1、不可拆的焊接式（应用于固定管板式换热器管板与壳体的连接）（图7-21）兼做法兰；（图7-22）不兼做法兰上一内容下一内容回主目录返回2020/3/287.3管板结构上一内容下一内容回主目录返回2020/3/287.3管板结构2、可拆式浮头式、U型管式及填料函式换热器固定端管板与壳体的连接（图7-23）上一内容下一内容回主目录返回2020/3/287.4折流板、支撑板、旁路挡板及拦液板的作用于结构7.4.1折流板及支承板1、作用①提高壳程内流体的流速；②加强湍流强度；③提高传热效率；④支撑换热管。（当工艺上无折流板要求而管子较细长时，应考虑有一定数量的支承板，以便安装和防止管子变形；支撑板的尺寸、形状可与折流板相同。）2、结构折流板和支撑板的常用形式有弓形、圆盘－圆环形和带扇形切口三种。上一内容下一内容回主目录返回2020/3/287.4折流板、支撑板、旁路挡板及拦液板的作用于结构3、尺寸①厚度与壳体直径和折流板间距有关；折流板最小厚度按表7－6选取。②弓形折流板间距：最小间距≥max{0.2Di，50mm}最大间距：按表7－7规定选取，且≤Di。③间隙：折流板外径与壳体之间的间隙要适当，因为过小给安装带来困难，过大又影响传效率，详见表7－8。上一内容下一内容回主目录返回2020/3/287.4折流板、支撑板、旁路挡板及拦液板的作用于结构上一内容下一内容回主目录返回2020/3/287.4折流板、支撑板、旁路挡板及拦液板的作用于结构上一内容下一内容回主目录返回2020/3/287.4折流板、支撑板、旁路挡板及拦液板的作用于结构上一内容下一内容回主目录返回2020/3/287.4折流板、支撑板、旁路挡板及拦液板的作用于结构4、折流板的固定1）拉杆－定距管结构（适用于换热管外径≥19mm的管束）折流板和支承板的固定是通过拉杆和定距管来实现的，如图7－27。上一内容下一内容回主目录返回2020/3/287.4折流板、支撑板、旁路挡板及拦液板的作用于结构2）拉杆点焊结构，适用于换热管外径≤14mm的管束。拉杆的数量不少于四根，直径不小于10mm。应尽量布置在管束的外边缘，对于大直径换热器，在布管区或靠近折流板缺口处也应布置适当数量的拉杆。7.4.2旁路挡板1、作用阻止流体短路，迫使壳体流体通过管束进行热交换2、结构及安装加工成规则的长条状，长度等于折流板或支承板的板间距，两端焊在折流板或支承板上。上一内容下一内容回主目录返回2020/3/287.4折流板、支撑板、旁路挡板及拦液板的作用于结构上一内容下一内容回主目录返回2020/3/287.4折流板、支撑板、旁路挡板及拦液板的作用于结构7.4.3拦液板作用：立式冷凝器中起到截拦液膜作用。在立式冷凝器中为减薄管壁上的液膜而提高传热膜系数。上一内容下一内容回主目录返回2020/3/287.5温差应力7.5.1管壁与壳壁温度差引起的温差应力1、温差应力产生的原因如图所示,固定管板式换热器的壳体与管子,在安装温度下,它们的长度均为L(