章换热器机械设计化工机械与设备.pptx
17.1.1.管壳式换热器的结构：第1页/共61页27.1.2 .管壳式换热器的分类1.固定管板式换热器第2页/共61页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。第3页/共61页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。.第4页/共61页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；第5页/共61页6U U型管式换热器的二维图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。第6页/共61页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。第7页/共61页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：第8页/共61页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。第9页/共61页10小管径单位体积传热面积增大、结构紧凑、金属耗量减少、传热系数提高阻力大，不便清洗，易结垢堵塞用于较清洁的流体粘性大或污浊的流体大管径第10页/共61页117.2.2 管子与管板的连接：1.胀接 工具：第11页/共61页12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。第12页/共61页13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：p4.0MPa,t350。注意：管端硬度管板硬度。为什麽？为什麽？如何实现？如何实现？第13页/共61页14 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。第14页/共61页152.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。第15页/共61页16管与管板焊接形式管与管板焊接形式：第16页/共61页173.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。第17页/共61页187.3.1 换热管排列形式1.正三角形和转正三角形排列第18页/共61页192.正方形和转角正方形排列3.组合排列三角形布管多，但不易清洗；正方形及转角正方形较易清洗第19页/共61页207.3.2 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。等管桥强度清洗通道P1.25d0第20页/共61页21管壳式换热器结构第21页/共61页227.3.3 管板受力及管板设计方法第22页/共61页23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。第23页/共61页24 图6-27 管板与其相关元件的内力分析图内力共14个管板设计第24页/共61页25管板材料力学性能介质腐蚀性（及tube-tubesheet间电位差对腐蚀影响）贵重钢板价格流体无腐蚀性或有轻微腐蚀性时，管板采用压力容器用碳素钢或低合金钢板或锻件制造；腐蚀性较强时，用不锈钢、铜、铝、钛等材料，为经济考虑，采用复合钢板或堆焊衬里。管壳式换热器结构第25页/共61页262.管板结构厚度满足强度前提下，尽量减少管板厚度热应力第26页/共61页277.3.4 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。第27页/共61页28管箱分程：分程举例：2程4程第28页/共61页294.分程隔板及其与管板间的密封管箱结构：第29页/共61页30隔板：单层及双层。第30页/共61页311.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第31页/共61页32 2.非固定式管板第32页/共61页33 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。第33页/共61页343.管板与壳体的连接结构兼作法兰情况：第34页/共61页35管板不兼作法兰结构：第35页/共61页367.4 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。第36页/共61页37第37页/共61页387.4.2 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。第38页/共61页397.4.3 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。第39页/共61页407.5 温差应力7.5.1.温差应力的产生：第40页/共61页41第41页/共61页427.5.2 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 管壁温度壳壁温度第42页/共61页432.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 如图示第43页/共61页44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：（2）温差力引起的拉脱力 qt：每根管承受温差力为 tat。则拉脱力为：（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。第44页/共61页45（4）拉脱力判据：计算合拉脱力必须小于许用拉脱力：qq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：第45页/共61页467.5.3 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：第46页/共61页47膨胀节设计膨胀节第47页/共61页483.采用壳体与管束自由伸缩的结构（1）填料函式换热器第48页/共61页49填料函式换热器结构一返回第49页/共61页50填料函式换热器结构二返回第50页/共61页51填料函结构之三第51页/共61页52（2）浮头式换热器第52页/共61页53浮头式换热器结构之二第53页/共61页54浮 头 结 构 1 1返回第54页/共61页55浮 头 结 构 2 2返回第55页/共61页564.套管式结构如三十万吨合成氨装置中的废热锅炉；第56页/共61页57氨合成塔中双套管式触煤筐冷管结构第57页/共61页587.5.4 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；第58页/共61页593）夹壳式膨胀节4）波纹管第59页/共61页602.必须设置膨胀节的条件：满足下述条件之一者：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。第60页/共61页61感谢您的观看！第61页/共61页
