换热器的机械设计

1接管法兰管箱容器法兰排气管膨胀节管板拉杆定距管折流板换热管壳程接管支座排污口管程接管7.1.1.管壳式换热器的结构：27.1.2.管壳式换热器的分类1.固定管板式换热器3固定管板换热器——分为带补偿器和不带补偿器两种。优点：1）结构简单；2）造价低。缺点：1）壳程难清洗；2）存在有温差应力。介质须较清洁，不易结垢；管程与壳程温差不大；壳程压力不高。4看看二维图特点1.一个大管板，一个小管板，小管板在壳体内滑动——无温差应力；2.管束可以抽出，清洗；3.结构复杂，浮头内漏不便检查；4.管束与壳体间隙较大——影响传热。.5特点：1.一端可自由伸缩—不产生热应力；2.管束可以抽出，管内外均易清洗；3.填料将壳程介质与外界隔开，易外漏，介质受限制；6U型管式换热器的二维图1.只有一个管板，结构简单；2.管子可以抽出，管间易清洗；3.管子可以自由膨胀；4.管内不便清洗，不易更换；5.结构不紧凑。77.1.3.管壳式换热器机械设计内容1.壳体直径及壁厚；2.封头法兰、管件及补强；3.管板结构及强度；4.细部连接结构；5.附件结构；6.管子拉脱力验算；7.壳体热应力校核；8.支座设计。87.2换热管的选用及其与管板的连接7.2.1换热管选用·常用管子形式：9·常用管子材质：碳钢（10，20），低合金钢（16Mn,15MnV),合金钢（1Cr18Ni9Ti),铜，钛，铝，塑料，石墨等。管子选用，要注意——单位传热面积的金属耗量，传热效果，结构紧凑，清洗及结垢等等因素。107.2.2管子与管板的连接：1.胀接工具：11胀管结束後：管板孔边缘弹性回复，挤压管端并贴紧。胀管过程发生：管子端部——塑性变形；管板孔边缘——弹性变形。12优点：工艺简单方便；消除间隙——避免间隙腐蚀。缺点：温度升高时，管端会发生松弛——泄漏。适用条件：p≤4.0MPa,t≤350℃。注意：管端硬度＜管板硬度。为什麽？如何实现？13保证紧密性的方法：•管板孔开槽；•胀接周边保证清洁；•管子硬度低于管板孔周边硬度。保证管端硬度较低并且低于管板硬度的方法：•管端退火处理。•选材考虑。142.焊接优点：•高温高压下能保证连接的紧密性；•管板孔加工精度要求不高，低于胀接；•焊接工艺简单；•压力不高时可用薄管板。缺点：•存在焊接热应力——应力腐蚀；•管与孔间有间隙——形成介质死区，间隙腐蚀。15管与管板焊接形式：163.胀焊并用克服了单纯的焊接及胀接的缺点，主要优点是：•连接紧密，提高抗疲劳能力；•消除间隙腐蚀和应力腐蚀；•提高使用寿命。施工方式：先胀後焊；先焊後胀。胀接——贴胀；强度胀。焊接——密封焊，强度焊。根据不同情况具体制定施工工艺。177.3.1换热管排列形式1.正三角形和转正三角形排列182.正方形和转角正方形排列3.组合排列197.3.2管间距——换热管中心距。要考虑到：•管板强度；•清洗空间；•管子在管板上的固定方法。等中心距≥1.25倍管子外径。207.3.3管板受力及管板设计方法21管板设计方法简介：——管板厚度设计方法。1）管板当作受均布载荷的实心圆平板，按弹性理论求解弯曲应力；2）管束作为弹性基础，计算各种载荷作用下的弯曲应力；3）取相邻四个管板孔间的菱形，按弹性理论，计算均布载荷下的最大弯曲应力。227.3.4管程分程及管板与隔板的连接1.换热面积较大，要进行分程1）.管子太长，设备长径比过大，浪费材料；2）.增加流速，提高传热效果。2.分程要求：1）各程管数大致相同；2）相邻程管壁温差不大于28℃；3）程间密封长度应最短；4）隔板形状应简单。3.常用管程数为：1，2，4，6，8，12。23管箱分程：分程举例：2程——4程——244.分程隔板及其与管板间的密封管箱结构：25隔板：单层及双层。261.固定式管板——用于固定式管板换热器。7.3.5管板与壳体的连接结构结构272.非固定式管板28浮头式、U形管式和填料函式换热器上的管板为可拆式结构，以便清理壳程。293.管板与壳体的连接结构兼作法兰情况：30管板不兼作法兰结构：317.4其它附件的作用与结构7.4.1折流板及支撑板作用：a.提高壳程流体流速，改变流动方向—提高传热效率。b.支撑换热管。形式：a.弓形；b.圆盘-圆环形；c.扇形。32337.4.2旁路挡板壳体与管束之间存在有较大间隙时，为避免流体走短路，沿纵向设置板条，迫使流体穿过管束。347.4.3拦液板作用：在立式冷凝器中，用来减薄管壁上的液膜以提高传热膜系数。357.5温差应力7.5.1.温差应力的产生：LttLttsSSottt)()(0sSstttAEFLAEFL36ssttSSttssttAFAFAEAEttttF壳壁内温差应力：管壁内温差应力温差轴向力:11)()(00377.5.2管子拉脱力的计算——限于管子与管板胀接情况。1.介质压力和温差力对管板的作用：假设管壁温度＞壳壁温度382.拉脱力的计算计算的目的：保证胀接接头的牢固连接和良好的密封性。拉脱力定义：管子每平方米胀接周边上所受的力，单位为帕。引起拉脱力的因素为：操作压力和温差力。（1）操作压力引起的拉脱力qp:介质压力作用的面积f如图示39介质压力p，取管程压力和壳程压力两者中的较大者。管子外径为d0；管子胀接长度为l。则拉脱力为：ldpfqp0（2）温差力引起的拉脱力qt：每根管承受温差力为σt×at。则拉脱力为：ldddldaqitttt022004)(（3）合拉脱力：两者使管子受力方向相同—取之和；两者使管子受力方向相反—取之差。40（4）拉脱力判据：计算合拉脱力必须小于许用拉脱力：q＜[q]管端不卷边，管板孔不开槽——取2.0MPa。管端卷边或管板孔开槽——取4.0MPa。许用拉脱力[q]的确定：417.5.3温差应力的补偿目的：解决壳体与管束轴向变形的不一致性。或者说，消除壳体与管子间的刚性约束，实现壳体和管子自由伸缩。补偿方法：1.减小壳体与管束间的温度差•使传热膜系数大的流体走壳程；•壳壁温度低于管壁温度时，对壳体进行保温。2.装设挠性构件•壳体上安装膨胀节；（见书P217图7-38）•将直管制成带S形弯的管。如氨合成塔内的冷管：423.采用壳体与管束自由伸缩的结构（1）填料函式换热器43填料函结构之三44（2）浮头式换热器45浮头式换热器结构之二464.套管式结构如三十万吨合成氨装置中的废热锅炉；47氨合成塔中双套管式触煤筐冷管结构487.5.4膨胀节结构及设置——装在固定管板式换热器上的挠性元件。1.膨胀节的作用及结构形式：作用：对管子与壳体的膨胀变形差进行补偿，以消除或减小温差应力；2.结构形式：1）平板焊接膨胀节；2）波形膨胀节；493）夹壳式膨胀节4）波纹管502.必须设置膨胀节的条件：满足下述条件之一者：。管子拉脱力且壳壁应力管壁应力壳壁应力qq4);03);22);2)1tsBtt3.膨胀节的选用及安装依据标准：GB16749-1997《压力容器波形膨胀节》安装注意：1）与壳体对接焊，保证焊透；2）要进行无损探伤；3）最低点设置排液孔。