过程设备设计总结课-换热器.ppt

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） 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？ 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 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 换热设备应满足的基本要求： （1）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）。 （2） 流体流动阻力小，压力降小，传热 效率高。 （3）便于安装、操作和维修。 （4）安全可靠，经济合理。 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 换热器的选型 流体的性质 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 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 管壳式换热器 刚性 结构 具有温差补偿 的结构 固定管板式换热器 膨胀节结构 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。 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。 管壳式换热器 结构设计 换热管的规格 换 热 管 规 格 管程结构 管子d 减小， 传热面积A增大 耐压降低 换热管的排列方式 排列最多 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 （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： 薄管板结构及应用 选材： 力学性能 耐腐蚀性 满足强度条件下，尽量减少管板厚度 减少热应力 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 避免两种液体 混合 管箱 结构形式：清洗？分程？ 管箱、管板、壳体的连接 管束分程 （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： 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 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 强度胀适用范围： P4.0MPa t 300oC 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。 壳程结构 壳体 防冲挡板：作用？连接方式？ 导流筒：作用？ 导流筒 折流板 折流板：作用？方式？ 三种折流板布 置方式的适用 场合？ 各种折流板的 适用场合？ 折流板的布置原则 1、折流板一般应等距布置，尽量靠近壳程进出口接 管。 2、折流板最小间距应不小于壳体内直径的1/5，且不 小于50mm，最大间距应不大于壳体内直径。 3、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。 4、弓形折流板缺口弦高h一般取 h（0.200.45）Di，通常取0.25Di。 5、支持板形状与尺寸 按折流板设计。 折流板的安装 d14mm时 壳 程 流 路 F 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 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。 每隔34排换热管设置一根挡管， 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， 其数量不宜多于4块。 壳程分程 对分流双分流 管板设计GB151 管壳式换热器 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 计算的因素 1、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 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 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。 3、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。 管 板 受 力 分 析 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 图2-52 管板径向应力随半径变化的曲线 危险工况组合 Pt 0， PS =0，t=0 max1.5t PS0，Pt=0，t 0 max3t PS0，Pt=0，t=0 max1.5t Pt 0， PS =0，t 0 max3t PS壳程压力shell Pt管程压力tube 管板应力的调整 增加管板厚度 降低壳体轴向刚度 过程设备强度计算软件 SW6 膨胀节设计 设置膨胀节的作用： （1）膨胀节是挠性构件，其轴向柔度大， 在不大的轴向力作用下，可产生较大的 轴向变形，可以有效地减小壳体和换热 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。 膨胀节的形式 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压力容器波形膨胀节 判断是否需要设置膨胀节 1、温差引起的轴向力F1 2、介质压力引起的轴向力F2和F3 3、应力评定 壳壁应力 管壁应力 拉脱力 管子稳定性 膨胀节的尺寸设计 膨胀节的应力计算和强度校核 1、内压引起的轴向薄膜应力1 2、内压引起的经向薄膜应力2 3、内压引起的经向弯曲应力3 4、轴向力引起的经向薄膜应力4 5、轴向力引起的经向弯曲应力5 膨胀节的轴向刚度 管束的振动和防振 纵向流体 诱导振动 横向流体 诱导振动 振动产生的不利后果 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） 激振机理 卡曼涡街 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 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 声振动 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。 射流转换 节径比1.5 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 换热管振动破坏的形式 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 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-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 （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 防振措施 防振措施 防振措施 防振措施 传热强化技术 传热方程式 Q=KFT 1、增大传热面积 强化传热的途径 新型换热器 小直径管 翅片结构 2、加大平均温差 逆流换热 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 螺旋 槽管 槽管 传热强化举例 螺旋槽管 翅片 螺旋翅 片管 翅片结构不适用于： l高表面张力的液体冷凝 l含有大量固体颗粒的流体 l易结垢的流体 壳程强化传热 采用折流杆代替 折流板 采用新型折 流板结构 改变管子外形或 在管子外加翅片 壳程分程 （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 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