《化工机械基础》第7章 换热器的机械设计.pptVIP

第3篇 典型化工设备的机械设计 第7章 管壳式换热器的机械设计 7.1 概述 直接影响产品质量、生产效率和经营成本—— 化工装置投资的11%，石油炼厂设备投资的40%。 ◎应用广泛——适用于多种目的： 热交换，加热，冷却，冷凝，蒸发…… ◎衡量标准：传热效率，流体阻力，强度，结构可靠度，耗材量，成本，制造，安装，检修…… ◎结构品种多，各有利弊。 7.1.2 .管壳式换热器的分类 1.固定管板式换热器 U型管式换热器的二维图 7.2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： 胀管结束後： 管板孔边缘弹性回复，挤压管端并贴紧。 2.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。 3.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。 7.3.1 换热管排列形式 1.正三角形和转正三角形排列 2.正方形和转角正方形排列 7.3.2 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。 7.3.3 管板受力及管板设计方法 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。 7.3.4 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。 管箱分程： 4.分程隔板及其与管板间的密封 管箱结构： 隔板：单层及双层。 7.3.5 管板与壳体的连接结构结构 1.固定式管板——用于固定式管板换热器。 3.管板与壳体的连接结构兼作法兰情况： 管板不兼作法兰结构： 7.4 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。 7.4.2 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。 7.4.3 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。 7.5 温差应力 7.5.1.温差应力的产生： 7.5.2 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： 2.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 （4）拉脱力判据： 计算合拉脱力必须小于许用拉脱力： q＜[q] 7.5.3 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： 3.采用壳体与管束自由伸缩的结构 （1）填料函式换热器 填料函结构之三 （2）浮头式换热器 浮头式换热器结构之二 4.套管式结构如三十万吨合成氨装置中的废热锅炉； 氨合成塔中双套管式触煤筐冷管结构 7.5.4 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； 3）夹壳式膨胀节 4）波纹管 2.必须设置膨胀节的条件： 满足下述条件之一者： 假设 管壁温度＞壳壁温度 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