过程设备设计总结课-换热器.ppt

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1、复习：（思考题）复习：（思考题）1.什么叫换热器？其设计时应遵循哪些原则？2.列管式换热器的主要优点是什么？主要缺点是什么？3.强化管子传热有哪些结构上的措施？其强化传热的原理是什么？4.固定管板式换热器为什么会产生温差应力？从结构上考虑怎么改进？5.浮头式、U形管式换热器各自有什么优缺点？6.能够进行管程机械清洗的列管式换热器有哪些？壳程清洗有哪些？管程、壳程均能清洗有哪些？7.列管换热器壳程中折流板、支持板、防冲挡板、旁路挡板的作用？8.椭圆形管板有何优缺点？复习：（思考题）复习：（思考题）9.管子与管板连接有哪些型式？在管孔中开槽、管端 翻边起什么作用？管子与管板采用胀焊并用连接有何优点

2、？10.膨胀节有哪些型式？其作用是什么？11.GB151-98计算固定管板式换热器厚度时需要哪些基本考虑？其力学模型是什么？12.制造换热器常用的四种金属材料为：碳钢、18-8不锈钢、黄铜、铝合金。其中耐高温性能最好的是？低温性能最好的是？导热系数最高的是？最廉价的是？13.流体引起管束诱导振动的主要原因有哪些？14.防止换热器管束振动有哪些措施？换热设备的发展方向换热设备的发展方向强化传热强化传热高效紧凑高效紧凑降低流体阻力降低流体阻力提高换热效率提高换热效率防止流体防止流体诱导振动诱导振动换热设备的设计内容换热设备的设计内容工艺尺寸的工艺尺寸的设计计算设计计算整体结构及整体结构及零部件结构

3、设计零部件结构设计换热设备应满足的基本要求换热设备应满足的基本要求：（1 1）满足化工工艺要求（工艺过程所要求）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）。的温度、压力、流量、传热量等）。（2 2）流体流动阻力小，压力降小，传热流体流动阻力小，压力降小，传热 效率高。效率高。（3 3）便于安装、操作和维修。）便于安装、操作和维修。（4 4）安全可靠，经济合理。）安全可靠，经济合理。直接接触式换热器直接接触式换热器蓄热（回热）式换热器蓄热（回热）式换热器间壁式换热器间壁式换热器（表面式换热器）（表面式换热器）中间载热体式换热器中间载热体式换热器换换热热设设备备的的类类型型换热

4、器的选型换热器的选型 流体的性质流体的性质 物理性质：种类、热导率、粘度物理性质：种类、热导率、粘度 化学性质：腐蚀性、热敏性化学性质：腐蚀性、热敏性 温度、压力、允许的压力降温度、压力、允许的压力降 制造成本、动力消耗制造成本、动力消耗 清洗、维修清洗、维修管壳式换热器选型时应考虑的因素：管壳式换热器选型时应考虑的因素：流程的流程的选择选择流动方式流动方式的选择的选择折流板的折流板的安装安装换热管的规换热管的规格和排列格和排列管壳式换热器管壳式换热器刚性刚性结构结构具有温差补偿具有温差补偿的结构的结构固定管板式换热器固定管板式换热器膨胀节结构膨胀节结构固定管板式换热器固定管板式换热器缺点：缺

5、点：（1）壳程不能用机械方法清洗，）壳程不能用机械方法清洗，应走清洁流体。应走清洁流体。（2）不设膨胀节时，管、壳程）不设膨胀节时，管、壳程 可能产生较大的温差应力。可能产生较大的温差应力。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。复习：（思考题）复习：（思考题）4.固定管板式换热器为什么会产生温差应力？从结构上考虑怎么改进？答：固定管板式换热器产生温差应力的原因：管程和壳程之间的温差较大；管程和壳程所用材料的热膨胀系数相差较大 以上原因均可引起或共同作用引起固定管板式换热器产生较大的温差应力。为了减小温差应力的影响，

6、从结构上考虑如下的改进方法：壳体上增加膨胀节；如管板应力超过许用应力，则适当加厚管板的厚度；如管子拉脱力不满足要求，则可改变管子与管板的连接方法。如以上方法均不能达到效果，则应改变换热器的型式，采用能消除热应力的U型管式、浮头式、填料函式换热器。管壳式换热器管壳式换热器结构设计结构设计换热管的规格换换热热管管规规格格管程结构管程结构管子管子d d 减小，减小，传热面积传热面积A A增大增大耐压降低耐压降低换热管的排列方式换热管的排列方式排列最多排列最多管间距应考虑使管桥具有一定的管间距应考虑使管桥具有一定的强度和稳定性，同时便于清洗。强度和稳定性，同时便于清洗。要求：要求：中心距中心距 P1.

7、25d0（1）我我国国管管壳壳式式换换热热器器标标准准规规定定采采用用无无缝缝钢钢管管作作为为换换热热管管，主主要要规规格格有有（外外径径壁壁厚厚）：192.0；252.5；382.5；573.5等；等；（2）换换热热管管长长度度可可根根据据工工艺艺计计算算确确定定，但但应应考考虑虑管管材材的的合合理理使使用用。我我国国轧轧制制钢钢管管长长度度系系列列一一般般为为：1.5m、2.0m、3.0m、4.5m、6.0m、9.0m等。等。（3）换换热热管管排排列列方方式式考考虑虑原原则则：使使换换热热管管在在换换热热器器横横截截面面上上均均匀匀而而紧紧凑凑地地分分布布，同同时时应应考考虑虑流流体体的的

8、性性质质及及结结构构设设计计等方面的问题，如管束是否分程、是否有纵向隔板等。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）管子在管板上要保证一定的管间距 要求要求 换热管中心距换热管中心距 P1.25d0 换热管的选用：换热管的选用：薄管板结构及应用薄管板结构及应用选材：选材：力学性能力学性能耐腐蚀性耐腐蚀性满足强度条件下，尽量减少管板厚度满足强度条件下，尽量减少管板厚度 减少热应力减少热应力考虑管程、壳程介质腐蚀性的影响考虑管程、壳程介质腐蚀性的影响受力好，可以做的很薄，适用高压、大直径换热器受力好，可以做的很薄，适用高压、大直径换热器避免两种液体避免

9、两种液体混合混合管箱管箱结构形式：清洗？分程？结构形式：清洗？分程？管箱、管板、壳体的连接管箱、管板、壳体的连接管束分程管束分程 （1）管管程程数数目目不不能能太太多多，否否则则会会使使管管箱箱结结构构复复杂，给制造带来困难，同时流体阻力也会增大。杂，给制造带来困难，同时流体阻力也会增大。（2）管管程程数数目目一一般般为为偶偶数数程程（单单程程除除外外），这这样样可可以以使使管管程程的的进进出出口口设设置置在在同同一一端端管管箱箱上上，便便于制造、操作和维修。于制造、操作和维修。（3）尽尽可可能能使使各各程程换换热热管管数数目目大大致致相相等等，以以减减小流体阻力。小流体阻力。（4）相相邻邻管

10、管程程流流体体间间温温度度差差不不宜宜过过大大（不不超超过过20），以避免产生过大热应力。），以避免产生过大热应力。管束分程管束分程 的原则：的原则：换热管与管板的连接换热管与管板的连接强度胀强度胀强度焊强度焊胀焊并用胀焊并用强度胀强度胀+密封焊密封焊强度焊强度焊+贴胀贴胀强度焊强度焊+强度胀强度胀非均匀胀接非均匀胀接均匀胀接均匀胀接液压胀接液压胀接液袋胀接液袋胀接橡胶胀接橡胶胀接爆炸胀接爆炸胀接复习：（思考题）复习：（思考题）9.管子与管板连接有哪些型式？在管孔中开槽、管端 翻边起什么作用？管子与管板采用胀焊并用连接有何优点？胀接管孔结构胀接管孔结构强度胀适用范围：强度胀适用范围：P4.0M

11、Pa t 300oC优点优点：（1）强度高，抗拉脱力强。）强度高，抗拉脱力强。（2）修理、更换方便。）修理、更换方便。缺点缺点：（1）焊接残余应力可能导致应力）焊接残余应力可能导致应力 腐蚀和疲劳破坏。腐蚀和疲劳破坏。（2）间隙腐蚀问题。）间隙腐蚀问题。壳程结构壳程结构壳体壳体防冲挡板：作用？连接方式？防冲挡板：作用？连接方式？导流筒：作用？导流筒：作用？导流筒导流筒折流板折流板折流板：作用？方式？折流板：作用？方式？三种折流板布三种折流板布置方式的适用置方式的适用场合？场合？各种折流板的各种折流板的适用场合？适用场合？折流板的布置原则折流板的布置原则1 1、折流板一般应等距布置，尽量靠近壳程

12、进出口接、折流板一般应等距布置，尽量靠近壳程进出口接管。管。2 2、折流板最小间距应不小于壳体内直径的、折流板最小间距应不小于壳体内直径的1/51/5，且不，且不小于小于5050mmmm，最大间距应不大于壳体内直径。最大间距应不大于壳体内直径。3 3、折流板管孔与换热管间隙、折流板与壳体内壁间折流板管孔与换热管间隙、折流板与壳体内壁间隙不能太大或太小。隙不能太大或太小。4 4、弓形折流板缺口弦高、弓形折流板缺口弦高h h一般取一般取 h h（0.200.200.450.45）D Di i，通常取通常取0.250.25D Di i。5 5、支持板形状与尺寸、支持板形状与尺寸 按折流板设计。按折流

13、板设计。折流板的安装折流板的安装d14mm时时壳壳程程流流路路F折流杆折流杆新型防振折流杆结构螺旋防振折流板换热器结构防短路结构防短路结构DN500mm时，设一对旁路挡板。时，设一对旁路挡板。DN=500mm1000时，设两对旁路挡板。时，设两对旁路挡板。DN1000mm时，设三对旁路挡板。时，设三对旁路挡板。每隔每隔34排换热管设置一根挡管，排换热管设置一根挡管，折流板缺口处不设挡管。折流板缺口处不设挡管。管中间挡板一般与折流板点焊固定，中间挡板一般与折流板点焊固定，其数量不宜多于其数量不宜多于4块。块。壳程分程壳程分程对分流对分流双分流双分流管板设计管板设计GB151管壳式换热器管壳式换热

14、器复习：（思考题）复习：（思考题）GB151-98计算固定管板式换热器厚度时需要哪些基本考虑？其力学模型是什么？影响管板强度影响管板强度计算的因素计算的因素1、管束对管板、管束对管板的约束作用的约束作用2、管孔对管板的、管孔对管板的削弱作用削弱作用3、管板周边不布管区对、管板周边不布管区对管板应力的影响管板应力的影响4、管板边缘的支、管板边缘的支承形式和连接结构承形式和连接结构5、法兰力距对管、法兰力距对管板应力的影响板应力的影响1、把把管管板板当当作作周周边边支支承承、承承受受均均布布载载荷荷作作用用的的实实心心圆圆平平板板，应应用用平平板板理理论论得得到到园园平平板板最最大大弯弯曲曲应应力

15、力，加加入入修修正正系系数数考考虑虑管管孔孔的的削削弱作用。弱作用。这这种种设设计计方方法法对对管管板板作作了了很很大大程程度度的的简简化化，是一种半径验公式，应用较少。是一种半径验公式，应用较少。管板强度计算的基本假设管板强度计算的基本假设2、把管板当作承受管束支承的固定圆平板，、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。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这种方法适用于各种薄管板的强度校核及厚度计算。度计算。3、把管板视为放置在弹性基础上、承受均布、把管板视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

16、大小、管束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。刚度和周边支承情况来确定管板的弯曲应力。目前我国换热器计算采用第三种方法。目前我国换热器计算采用第三种方法。同时考虑管束的支撑和管孔的削弱作用。同时考虑管束的支撑和管孔的削弱作用。管管板板受受力力分分析析管板危险截面管板危险截面环形不环形不布管区布管区外缘外缘环形不环形不布管区布管区内缘内缘圆形布管区圆形布管区最大径向弯最大径向弯矩处矩处图2-52 管板径向应力随半径变化的曲线危险工况组合危险工况组合Pt 0，PS=0，t=0max1.5tPS0，Pt=0，t 0max3tPS0，Pt=0，t=0max1

17、.5tPt 0，PS=0，t 0max3tPS壳程压力壳程压力shellPt管程压力管程压力tube管板应力的调整管板应力的调整增加管板厚度增加管板厚度降低壳体轴向刚度降低壳体轴向刚度过程设备强度计算软件过程设备强度计算软件SW6膨胀节设计膨胀节设计 设置膨胀节的作用设置膨胀节的作用：（1）膨膨胀胀节节是是挠挠性性构构件件，其其轴轴向向柔柔度度大大，在在不不大大的的轴轴向向力力作作用用下下，可可产产生生较较大大的的轴轴向向变变形形，可可以以有有效效地地减减小小壳壳体体和和换换热热管由于温差产生的热应力。管由于温差产生的热应力。（2）防止管子与管板连接处不被拉脱。）防止管子与管板连接处不被拉脱。

18、膨胀节的形式膨胀节的形式膨胀节的计算膨胀节的计算判断是否需要设置膨胀节判断是否需要设置膨胀节膨胀节的尺寸设计膨胀节的尺寸设计膨胀节的应力计算和强度校核膨胀节的应力计算和强度校核GB16749压力容器波形膨胀节压力容器波形膨胀节判断是否需要设置膨胀节判断是否需要设置膨胀节1、温差引起的轴向力、温差引起的轴向力F12、介质压力引起的轴向力、介质压力引起的轴向力F2和和F33、应力评定、应力评定壳壁应力壳壁应力管壁应力管壁应力拉脱力拉脱力管子稳定性管子稳定性膨胀节的尺寸设计膨胀节的尺寸设计膨胀节的应力计算和强度校核膨胀节的应力计算和强度校核1 1、内压引起的轴向薄膜应力、内压引起的轴向薄膜应力1 1

19、2 2、内压引起的经向薄膜应力、内压引起的经向薄膜应力2 23 3、内压引起的经向弯曲应力、内压引起的经向弯曲应力3 34 4、轴向力引起的经向薄膜应力、轴向力引起的经向薄膜应力4 45 5、轴向力引起的经向弯曲应力轴向力引起的经向弯曲应力5 5膨胀节的轴向刚度膨胀节的轴向刚度管束的振动和防振管束的振动和防振纵向流体纵向流体诱导振动诱导振动横向流体横向流体诱导振动诱导振动振动产生的不利后果振动产生的不利后果机械机械失效失效噪音噪音管子与管板连管子与管板连接处发生泄漏接处发生泄漏管子发生严重弯曲；交变应力导致管子管子发生严重弯曲；交变应力导致管子发生疲劳破坏；换热管的摩擦和碰撞；发生疲劳破坏；换

20、热管的摩擦和碰撞；管子通过折流板处的自踞作用；壳程流管子通过折流板处的自踞作用；壳程流体压力将增大；体压力将增大；产生强烈的噪产生强烈的噪音（通常大于音（通常大于150分贝）分贝）激振机理激振机理卡曼涡街卡曼涡街流体弹性激振流体弹性激振流体弹性流体弹性激振的特点激振的特点自激性自激性（1）壳壳程程流流体体的的流流速速达达到到或或超超过过临临界界流速流速（2）有有其其它它的的激振机理存在激振机理存在流体弹性激振的条件流体弹性激振的条件湍流颤振湍流颤振湍流颤振主频率与换热管自振频率湍流颤振主频率与换热管自振频率相等时会引起换热管共振相等时会引起换热管共振声振动声振动 关于声振动关于声振动应注意的几

21、点应注意的几点（1）由于声振强度随）由于声振强度随壳程流体流速的增大壳程流体流速的增大而增大，但达到共振而增大，但达到共振点以后，会随壳程流点以后，会随壳程流体流速的增大而减小，体流速的增大而减小，所以声振强度不会无所以声振强度不会无限制地增大限制地增大。（2）壳程流体的物理）壳程流体的物理性质决定声速，壳程性质决定声速，壳程流体为液体时，由于流体为液体时，由于声音在液体中传播速声音在液体中传播速度很高，很少会发生度很高，很少会发生声振动。声振动。（3）声声振振动动在在顺顺排排管管中中比比在在错错排排管管中中更更容容易易发发生生，在在转转角角正正方方形形排排列列的的管管束束中中最最容容易发生易

22、发生。射流转换射流转换节径比节径比1.5横流速度较低时横流速度较低时卡曼涡街卡曼涡街声振动声振动横流速度较高时横流速度较高时流体弹性激振流体弹性激振横流速度很高时横流速度很高时射流转换射流转换换热管振动破坏的形式换热管振动破坏的形式换换热热管管的的固固有有频频率率单跨管的自振频率单跨管的自振频率多跨管的自振频率多跨管的自振频率U形管的自振频率形管的自振频率振振动动判判据据振动可能振动可能振动可能振动可能振动可能振动可能振动可能振动可能其中：其中：fv-漩涡脱落频率漩涡脱落频率 ft-湍流颤振主频率湍流颤振主频率 fa-声学驻波频率声学驻波频率 f1-换热管基频换热管基频 v-流体横流速度流体横

23、流速度 vc-流体弹性激振临界速度流体弹性激振临界速度（1）适当降低流速）适当降低流速（流量（流量，管间距，管间距）。（2）改变管束系统的自振频率。）改变管束系统的自振频率。减小跨距。减小跨距。管子间插入杆状物或板条。管子间插入杆状物或板条。增大管子的强度和刚度（如增大壁厚）。增大管子的强度和刚度（如增大壁厚）。增增大大管管子子支支承承的的强强度度和和刚刚度度（如如增增大大折折流流板板的的厚厚 度、采用折流杆等）。度、采用折流杆等）。（3）设置消声隔板。）设置消声隔板。（4）破坏卡曼涡街的形成。）破坏卡曼涡街的形成。（5）设置防冲板或导流筒。）设置防冲板或导流筒。防振措施防振措施防振措施防振措

24、施防振措施防振措施防振措施防振措施防振措施防振措施传热强化技术传热强化技术传热方程式传热方程式Q=KFT1、增大传热面积、增大传热面积强化传热的途径强化传热的途径新型换热器新型换热器小直径管小直径管翅片结构翅片结构2、加大平均温差、加大平均温差逆流换热逆流换热3、提高传热系数、提高传热系数选用导热系选用导热系数大的材料数大的材料扩展表面扩展表面管程分程管程分程防止结垢并防止结垢并及时除垢及时除垢有功传热强化有功传热强化无功传热强化无功传热强化螺旋螺旋槽管槽管槽管槽管传热强化举例传热强化举例螺旋槽管螺旋槽管翅片翅片螺旋翅螺旋翅片管片管翅片结构不适用于：翅片结构不适用于：l高表面张力的液体冷凝高表

25、面张力的液体冷凝l含有大量固体颗粒的流体含有大量固体颗粒的流体l易结垢的流体易结垢的流体壳程强化传热壳程强化传热采用折流杆代替采用折流杆代替折流板折流板采用新型折采用新型折流板结构流板结构改变管子外形或改变管子外形或在管子外加翅片在管子外加翅片壳程分程壳程分程（1）壳体和管箱的壁厚计算（2）换热管与管板连接处的结构设计（3）壳体与管板连接结构设计（4）管板厚度计算（5）折流板、支持板等零部件的结构设计（6 换热管与壳体在介质压力和温差联合作用下的应力计算（7）管子拉脱力和稳定性校核（8）判断是否需要设置膨胀节，如果需要，则选择膨胀节的结构形式及基本尺寸；（9）膨胀节的应力计算及校核（10）接管

26、、法兰、支座等的选择；开孔补强设及计算等；（11）换热器的振动与防振 如果选用换热器，则应进行压力降、传热面积及温差应力校核等方面的计算。补充：管壳式换热器的机械设计计算步骤补充：管壳式换热器的机械设计计算步骤思考题思考题1、换热管与管板有哪几种连接方式？各有什么特点？、换热管与管板有哪几种连接方式？各有什么特点？2、换热管拉脱力产生的原因是什么？、换热管拉脱力产生的原因是什么？3、用增加壳体壁厚的方法来承受壳体中较大的温差应力、用增加壳体壁厚的方法来承受壳体中较大的温差应力可行吗？为什么？可行吗？为什么？4、折流杆和折流板相比有哪些优点？、折流杆和折流板相比有哪些优点？5、管程数不能太多，且

27、为偶数程，为什么？、管程数不能太多，且为偶数程，为什么？6、现行管板设计基本假设主要有哪几种？我国换热器设、现行管板设计基本假设主要有哪几种？我国换热器设计标准采用哪一种？计标准采用哪一种？7、膨胀节壁厚增大，其轴向补偿能力也增大吗？为什么、膨胀节壁厚增大，其轴向补偿能力也增大吗？为什么？8、简述流体弹性激振机理及条件。、简述流体弹性激振机理及条件。习题习题 一一单单程程固固定定管管板板式式换换热热器器，设设计计压压力力为为0.9 Mpa，壳壳体体直直径径Di=1000mm。管管程程工工作作压压力力0.70 Mpa，壳壳程程工工作作压压力力0.68 Mpa，操操作作时时管管壁壁温温度度为为300，壳壳壁壁温温度度为为250，250=110 Mpa，300=101 Mpa。换换热热管管采采用用252.5无无缝缝钢钢管管，长长度度L=3000mm，腐腐蚀蚀裕裕量量C2=3mm，要要求求换换热热面面积积为为151.5m2。（1）计算所需换热管根数计算所需换热管根数 （2）计算换热器壳体壁厚）计算换热器壳体壁厚