过程设备设计总结课换热器.pptx

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1、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？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？第1页/共115页换热设备的发展方向强化传热高效紧凑降低流体阻力提高换热效率防止流体诱导振动第2页/共115页换热设备

2、的设计内容换热设备的设计内容工艺尺寸的设计计算整体结构及零部件结构设计第3页/共115页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。第4页/共115页直接接触式换热器蓄热（回热）式换热器间壁式换热器（表面式换热器）中间载热体式换热器换热设备的类型第5页/共115页换热器的选型 流体

3、的性质 物理性质：种类、热导率、粘度 化学性质：腐蚀性、热敏性 温度、压力、允许的压力降 制造成本、动力消耗 清洗、维修第6页/共115页管壳式换热器选型时应考虑的因素：流程的选择流动方式的选择折流板的安装换热管的规格和排列第7页/共115页管壳式换热器刚性结构具有温差补偿的结构第8页/共115页固定管板式换热器第9页/共115页膨胀节结构第10页/共115页固定管板式换热器缺点：（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。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。

4、第11页/共115页复习：（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，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。第12页/共115页管壳式换热器结构设计第

5、13页/共115页换热管的规格换热管规格管程结构管子管子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第14页/共115页换热管的排列方式排列最多第15页/共115页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。要求：中心距 P1.25d0第16页/共115页（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）：192.0；252.5；382.5；573.5等；（2）换热管长度可根据工艺计算确定，但应考虑管材的合理使用。我国轧制钢管长度系列一般为：1.5m、2.0m、3.0m、4.5m、6.0m、9.0m等。（3）换热管排列方式考虑原则：使

6、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 要求 换热管中心距 P1.25d0 换热管的选用：第17页/共115页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第18页/共115页满足强度条件下，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第19页/共115页受力好，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、大直径换热器第20页/共115页避免两种液体避免两种

7、液体混合混合第21页/共115页管箱结构形式：清洗？分程？结构形式：清洗？分程？第22页/共115页管箱、管板、壳体的连接第23页/共115页管束分程第24页/共115页 （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。（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20），以避免产生过大热应力。管束分程 的原则：第25页/共115页换热管与管板的连接强度胀强度焊胀焊并用强度胀+密封焊强度焊+贴胀强度焊+强度

8、胀非均匀胀接均匀胀接液压胀接液袋胀接橡胶胀接爆炸胀接第26页/共115页复习：（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？第27页/共115页胀接管孔结构强度胀适用范围：P4.0MPa t 300oC第28页/共115页第29页/共115页第30页/共115页优点：（1）强度高，抗拉脱力强。（2）修理、更换方便。缺点：（1）焊接残余应力可能导致应力 腐蚀和疲劳破坏。（2）间隙腐蚀问题。第31页/共115页第32页/共115页壳程结构第33页/共115页壳体防冲挡板：作用？连接方式？防冲挡板：作用？连接方式？导流

9、筒：作用？导流筒：作用？第34页/共115页导流筒第35页/共115页折流板折流板：作用？方式？折流板：作用？方式？第36页/共115页第37页/共115页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？第38页/共115页各种折流板的各种折流板的适用场合？适用场合？第39页/共115页第40页/共115页折流板的布置原则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

10、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。按折流板设计。第41页/共115页折流板的安装d14mm时第42页/共115页第43页/共115页壳程流路F第44页/共115页第45页/共115页折流杆第46页/共115页第47页/共115页第48页/共115页新型防振折流杆

11、结构螺旋防振折流板换热器结构第49页/共115页第50页/共115页防短路结构DN500mm时，设一对旁路挡板。DN=500mm1000时，设两对旁路挡板。DN1000mm时，设三对旁路挡板。第51页/共115页每隔34排换热管设置一根挡管，折流板缺口处不设挡管。管第52页/共115页中间挡板一般与折流板点焊固定，其数量不宜多于4块。第53页/共115页壳程分程对分流双分流第54页/共115页管板设计GB151管壳式换热器第55页/共115页复习：（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？第56页/共115页影响管板强度计算的因素1

12、、管束对管板的约束作用2、管孔对管板的削弱作用3、管板周边不布管区对管板应力的影响4、管板边缘的支承形式和连接结构5、法兰力距对管板应力的影响第57页/共115页第58页/共115页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。管板强度计算的基本假设第59页/共115页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。第60页/共115页3、把管板视为放置在弹性基础上、承受均布载

13、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。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。第61页/共115页管板受力分析第62页/共115页管板危险截面环形不布管区外缘环形不布管区内缘圆形布管区最大径向弯矩处第63页/共115页图2-52 管板径向应力随半径变化的曲线第64页/共115页危险工况组合Pt 0，PS=0，t=0max1.5tPS0，Pt=0，t 0max3tPS0，Pt=0，t=0max1.5tPt 0，PS=0，t 0max3tPS壳程压力shellPt管程压力tube第65页/共115页管板应力的调整增加管板厚度降低

14、壳体轴向刚度第66页/共115页过程设备强度计算软件SW6第67页/共115页膨胀节设计第68页/共115页 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。第69页/共115页膨胀节的形式第70页/共115页膨胀节的计算判断是否需要设置膨胀节膨胀节的尺寸设计膨胀节的应力计算和强度校核GB16749

15、压力容器波形膨胀节第71页/共115页判断是否需要设置膨胀节1、温差引起的轴向力F1第72页/共115页2、介质压力引起的轴向力F2和F3第73页/共115页3、应力评定壳壁应力管壁应力拉脱力管子稳定性第74页/共115页膨胀节的尺寸设计第75页/共115页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1 12 2、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3 34 4、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5 5第76页/共115页膨胀节的轴向刚度第77页/共115页管束的振动和防振纵向流体诱导振动横向流体诱导振动第78页/共115页振动产生

16、的不利后果机械失效噪音管子与管板连接处发生泄漏管子发生严重弯曲；交变应力导致管子发生疲劳破坏；换热管的摩擦和碰撞；管子通过折流板处的自踞作用；壳程流体压力将增大；产生强烈的噪音（通常大于150分贝）第79页/共115页激振机理卡曼涡街第80页/共115页流体弹性激振流体弹性激振的特点自激性（1）壳程流体的流速达到或超过临界流速（2）有其它的激振机理存在流体弹性激振的条件第81页/共115页湍流颤振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第82页/共115页声振动第83页/共115页第84页/共115页 关于声振动应注意的几点（1）由于声振强度随壳程流体流速的增大而增大，但达到共振点

17、以后，会随壳程流体流速的增大而减小，所以声振强度不会无限制地增大。（2）壳程流体的物理性质决定声速，壳程流体为液体时，由于声音在液体中传播速度很高，很少会发生声振动。（3）声振动在顺排管中比在错排管中更容易发生，在转角正方形排列的管束中最容易发生。第85页/共115页射流转换节径比1.5第86页/共115页横流速度较低时卡曼涡街声振动横流速度较高时流体弹性激振横流速度很高时射流转换第87页/共115页换热管振动破坏的形式第88页/共115页换热管的固有频率单跨管的自振频率多跨管的自振频率U形管的自振频率第89页/共115页振动判据振动可能振动可能振动可能振动可能其中：fv-漩涡脱落频率 ft-

18、湍流颤振主频率 fa-声学驻波频率 f1-换热管基频 v-流体横流速度 vc-流体弹性激振临界速度 第90页/共115页（1）适当降低流速（流量，管间距）。（2）改变管束系统的自振频率。减小跨距。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）。增大管子支承的强度和刚度（如增大折流板的厚 度、采用折流杆等）。（3）设置消声隔板。（4）破坏卡曼涡街的形成。（5）设置防冲板或导流筒。防振措施第91页/共115页防振措施第92页/共115页防振措施第93页/共115页防振措施第94页/共115页防振措施第95页/共115页传热强化技术传热方程式Q=KF T第96页/共115页1、增大传热面

19、积强化传热的途径新型换热器小直径管翅片结构第97页/共115页2、加大平均温差逆流换热第98页/共115页3、提高传热系数选用导热系数大的材料扩展表面管程分程防止结垢并及时除垢有功传热强化无功传热强化第99页/共115页螺旋槽管槽管传热强化举例第100页/共115页螺旋槽管螺旋槽管第101页/共115页翅片第102页/共115页第103页/共115页螺旋翅片管第104页/共115页第105页/共115页第106页/共115页第107页/共115页第108页/共115页翅片结构不适用于：高表面张力的液体冷凝含有大量固体颗粒的流体易结垢的流体第109页/共115页壳程强化传热采用折流杆代替折流板采

20、用新型折流板结构改变管子外形或在管子外加翅片壳程分程第110页/共115页（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、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第111页/

21、共115页思考题1、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？3、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？4、折流杆和折流板相比有哪些优点？5、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？8、简述流体弹性激振机理及条件。第112页/共115页习题 一单程固定管板式换热器，设计压力为0.9 Mpa，壳体直径Di=1000mm。管程工作压力0.70 Mpa，壳程工作压力0.68 Mpa，操作时管壁温度为300，壳壁温度为250，250=110 Mpa，300=101 Mpa。换热管采用252.5无缝钢管，长度L=3000mm，腐蚀裕量C2=3mm，要求换热面积为151.5m2。（1）计算所需换热管根数 （2）计算换热器壳体壁厚 第113页/共115页第114页/共115页感谢您的观看。第115页/共115页