管壳式换热器

1,过程设备设计（下）,第五章储存设备(8学时),第六章换热设备(8学时),第七章塔设备(8学时),第八章反应设备(6学时),2,第六章换热设备,6.1概述,6.2管壳式换热器,6.3余热锅炉,6.4传热强化技术,6.2.1基本类型,6.2.2管壳式换热器结构,6.2.3管板设计,6.2.4膨胀节设计,6.2.5管束振动和防止,3,教学重点：管壳式换热器结构。教学难点：管板设计、管束振动。,6.2管壳式换热器,本章重点,4,管壳式换热器,5,6.2.1基本类型,一、固定管板式,二、浮头式,三、U形管式,四、填料函式,五、釜式重沸器,6,一、固定管板式换热器,、结构,7,双管程固定管板换热器,8,适用于壳侧介质清洁且不易结垢并能进行溶解清洗，管、壳程两侧温差不大或温差较大但壳侧压力不高的场合。,优点,结构简单、紧凑、能承受较高的压力，造价低，管程清洗方便，管子损坏时易于堵管或更换。,缺点,当管束与壳体的壁温或材料的线膨胀系数相差较大时，壳体和管束中将产生较大的热应力。,应用,为减少热应力，通常在固定管板式换热器中设置柔性元件（如膨胀节、挠性管板等），来吸收热膨胀差。,9,胀接,胀管器,、壳体与管束之间的热应力的产生：,管子与管板的连接：,工具：,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。,10,机械胀接,11,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，管端会发生松驰泄漏。适用条件：p4.0MPa,t350。注意：管端硬度管板硬度。,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。,12,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。,除较大振动和缝隙腐蚀场合外，该方法应用广泛;薄管板不能胀，只能焊。,应用,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,13,.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。,14,温差应力的产生：,壳体的自由伸长量,管子的自由伸长量,壳体被拉伸的量为,管子被压缩的量为,壳体和换热管的变形,15,由以上式子得出如下计算式,管子或壳体中的温差轴向力为,管子及壳体中产生的温差应力,管子中,壳体中,换热管总截面面积,壳体横截面面积,16,7.5.2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：,假设管壁温度壳壁温度,17,计算的目的：保证胀接接头的牢固连接和良好的密封性。（否则？）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。,管子成正三角形排列,管子成正方形排列:,管子拉脱力的计算,（1）操作压力引起的拉脱力,介质压力作用的面积f如图示,18,（2）温差力引起的拉脱力：,胀拉长度,取管板名义厚度减3;管板名义厚度大于50时取50,为每根管壁横截面积,则管子每平方米胀接周长上所受到的力,操作压力作用下每平方米胀接周长上的拉脱力为：,每根管承受温差力为,（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。,19,（4）拉脱力判据：,计算合拉脱力必须小于许用拉脱力：,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：,焊接钢管、有色金属管,20,温差应力的补偿,、改变换热器结构,装设挠性构件壳体上安装膨胀节;将直管制成带S形弯的管。如氨合成塔内的冷管：,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,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：,如采用浮头式，U型管式、填料函式等,21,二、浮头式,1、结构,浮头端可自由伸缩，无热应力,22,浮头式换热器,23,2、优点管间和管内清洗方便，不会产生热应力；3、缺点结构复杂，造价比固定管板式换热器高，设备笨重，材料消耗量大，且浮头端小盖在操作中无法检查，制造时对密封要求较高。4、应用壳体和管束之间壁温差较大或壳程介质易结垢的场合。,24,三、U形管式换热器,1、结构,U形管,25,U形管式换热器,26,1、优点结构比较简单、价格便宜，承压能力强。受弯管曲率半径限制，布管少；管束最内层管间距大，管板利用率低；2、缺点壳程流体易短路，传热不利。当管子泄漏损坏时，只有外层U形管可更换，内层管只能堵死，坏一根U形管相当于坏两根管，报废率较高。管、壳壁温差较大或壳程介质易结垢需要3、应用清洗，又不宜采用浮头式和固定管板式的场合。特别适用于管内走清洁而不易结垢的高温、高压、腐蚀性大的物料。,27,四、填料函式,1、结构,填料函式密封,28,1、优点结构较浮头式简单，加工制造方便；节省材料，造价比较低廉;管束从壳体内可抽出;管内、管间都能进行清洗，维修方便。2、缺点填料处易泄漏。3、应用4MPa以下，且不适用于易挥发、易燃、易爆、有毒及贵重介质，使用温度受填料的物性限制。注：填料函式换热器现在已很少采用。,29,五、釜式重沸器,1、结构,管束可以为浮头式、U形管式和固定管板式结构,30,与浮头式、U形管式换热器一样，清洗维修方便；可处理不清洁、易结垢介质，能承受高温、高压（无温差应力）。,2、特点,31,6.2.2管壳式换热器结构,管程与管束中流体相通的空间,壳程换热管外面流体及相通空间,管程,壳程,管程,32,6.2.2.1管程结构,6.2.2.2壳程结构,一、换热管,二、管板,三、管箱,四、管束分程,五、换热管与管板连接,33,一、换热管,1.换热管型式,光管,强化传热管,翅片管（在给热系数低侧）,螺旋槽管,螺纹管,2.换热管尺寸,192、252.5和382.5mm无缝钢管252和382.5mm不锈钢管,标准管长1.5、2.0、3.0、4.5、6.0、9.0m等,6.2.2管壳式换热器结构,34,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,35,3.换热管材料,金属材料,碳素钢,低合金钢,不锈钢,铜,铜镍合金,铝合金,钛等,非金属材料,石墨,陶瓷,聚四氟乙烯等,换热管选材原则：应根据压力、温度、介质的腐蚀性等因素确定,36,4.换热管排列形式及中心距,三角形布管多，但不易清洗；正方形及转角正方形较易清洗,管桥强度,清洗通道,P1.25d0,37,表6-1常用换热管中心距/mm,38,6.2.2管壳式换热器结构,39,二、管板,1、作用,用来排布换热管；将管程和壳程流体分开，避免冷、热流体混合；承受管程、壳程压力和温度的载荷作用。,40,2、选择管板材料的考虑因素,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。,41,3、管板结构,厚度满足强度前提下，尽量减少管板厚度,热应力,42,厚度计算标准,GB151管壳式换热器美国管式换热器制造商协会标准TEMA西德AD标准,厚度,“厚管板”GB151管壳式换热器、美国管式换热器制造商协会标准TEMA,“薄管板”西德AD标准8-20mm,43,三、管箱,1、作用流体送入换热管和送出换热器，在多管程结构中，还起到改变流体流向的作用。,结构形式决定因素清洗？管束分程？,(a),(b),(c),44,a、特点,清洗时要拆除管线；该结构适用于较清洁的介质。,45,换热器管箱,46,清洗时不要拆除管线；缺点是用材较多。,b、特点,47,C、特点,检查、清洗不方便很少使用,（1）,（2）,(c),48,四、管束分程,管内流动的流体从管子的一端流到另一端，称为一个管程,换热面积要变大,管数增加,流速下降,传热系数下降,多管程,管子加长,1、分程原因,49,2、管束分程布置图,每程管数大致相同，温差不超过20左右为好,流向,50,6.2.2.2壳程结构,一、壳体,二、折流板,三、折流杆,四、防短路结构,五、壳程分程,51,一、壳体,1.接管,2.防冲挡板,3.导流筒,焊在壳体上，供壳程流体进、出。,防止进口流体直接冲击管束造成管子的侵蚀和振动，在壳程进口接管处安装，也叫缓冲板。,焊接在拉杆、定距管、I折流板上焊接在圆筒上用U型螺栓固定在换热管上,固定形式,减少流体滞留区，改善两端流体的分布，增加换热管的有效换热长度，提高传热效率；起防冲挡板的作用。,52,二、折流板,1.作用,提高壳程流体流速，增加湍动程度；使壳程流体垂直冲刷管束，提高壳程传热系数；减少结垢。,2.结构形式（见图）,弓形圆盘-圆环形堰形折流板,53,弓形缺口高度h,应使流体流过缺口时与横向流过管束时的流速相近缺口大小用弓形弦高占壳体内直径的百分比来表示，如单弓形折流板，h一般取0.200.45Di，最常用0.25Di。,3.弓形缺口及通液口设置,壳程为单相清洁液体时，折流板缺口上下布置,54,（2）,卧式换热器的壳程介质为气液相共存或液体中含有固体颗粒时，折流板缺口应垂直左右布置，并在折流板最低处开通液口,图6-21折流板缺口布置,55,折流板缺口垂直左右布置,56,过程设备设计,6.2.2管壳式换热器结构,折流板,57,4.折流板布置,位置：管束两端的折流板尽量靠近进出口接管间距：Lmin不小于0.2Di，且不小于50mm；Lmax不大于Di；,58,折流板上管孔与换热管的间隙以及折流板与壳体内壁之间的间隙：过大泄露严重，不利传热；易引起振动。过小安装困难。,当换热管的无支撑跨距超过了标准中规定值时，必须设置一定数量的支撑板，按照折流板处理。,59,5.折流板的固定,、换热管外径14mm时点焊结构,、换热管外径14mm时拉杆-定距管结构,图6-22拉杆结构,60,三、折流杆,作用管束支撑结构,特点减轻折流板对换热管的剪切破坏和流体诱导振动；避免折流板导致的传热死区，减小流体阻力，提高传热效率；,（1）支撑杆（2）折流圈（3）滑轨,图6-23折流杆结构,61,四、防短路结构,1.旁路挡板,图6-25挡管结构,62,旁路挡板可用钢板或扁钢制成，其厚度一般与折流板相同。旁路挡板嵌入折流板槽内，并与折流板焊接。壳体公称直径DN500mm时，增设一对旁路挡板；DN=500mm时，增设二对挡板；DN1000mm时，增设三对旁路挡板。,63,2、挡管,挡管,挡管,图6-25挡管结构,防止管间短路；分程隔板槽背面两管板之间设置两端堵死的管子，即挡管；挡管一般与换热管规格相同，可与折流板点焊固定，也可用拉杆（带定距管或不带定距管）代替。挡管每隔34排换热管设置一根，但不设置在折流板缺口处,64,隔板与挡管,65,3.中间挡板,中间挡板,图6-26中间挡板,U形管束中心部分存在较大间隙，防止管间短路；中间挡板一般与折流板点焊固定；中间挡板的数量不宜多于4块。,66,五、壳程分程,根据工艺设计要求，或为增大壳程流体传热系数，也可将换热器壳程分为多程的结构。,67,第六章换热设备,6.1概述,6.2管壳式换热器,6.3余热锅炉,6.4传热强化技术,过程设备设计,6.2.1基本类型,6.2.2管壳式换热器结构,6.2.3管板设计,6.2.4膨胀节设计,6.2.5管束振动和防止,68,6.2.3管板设计,69,各国的管板设计公式尽管形式各异，但其大体上是分别在以下三种基本假设的前提下得出的：,70,一、管板设计的基本考虑,假设：把实际的管板简化为承受均布载荷、放置在弹性基础上且受管孔均匀削弱的当量圆平板。,GB151管壳式换热器,71,考虑管束对管板挠度的约束作用，但忽略管束对管板转角的约束作用,72,布管区,不布管区,简化,考虑管板周边不布管区对管板应力的影响,按其面积简化为圆环形实心板,管板边缘的应力下降,73,不同结构形式的换热器,管板边缘有不同形式的连接结构，根据具体情况，考虑壳体、管箱、法兰、封头、垫片等元件对管板边缘转角的约束作用；(不同连接结构，设计步骤有所不同),74,.管板兼作法兰时，法兰力矩的作用对管板应力的影响,75,二、管板设计思路,1.管板弹性分析,综合考虑Ps、Pt；T；预紧法兰力矩等载荷,简化管板为弹性基础上的等效均质圆平板,建立每个单独元件位移与转角与其上的内力的关系式,以内力为未知量的变形协调方程组,求得内力后，计算危险截面上应力,应力校核,76,过程设备设计,图6-27管板与其相关元件的内力分析图,内力共14个,6.2.3管板设计,77,作用在封头(管箱)与管箱法兰连接处的边缘弯矩Mh、横剪力Hh，轴向力Vh,图6-27管板与其相关元件的内力分析图,78,过程设备设计,作用在垫片上的轴向内力VG与作用在螺栓圆上的螺栓力Vb,图6-27管板与其相关元件的内力分析图,6.2.3管板设计,79,作用在壳体与壳体法兰连接处的,边缘弯矩Ms横向剪力Hs轴向力Vs,图6-27管板与其相关元件的内力分析图,80,作用在环形的不布管区与壳体法兰之间即半径为R处的:,弯矩MR径向力HR轴向剪力VR,图6-27管板与其相关元件的内力分析图,81,过程设备设计,作用在管板布管区与边缘环板连接处即半径为Rt处的:,边缘弯矩Mf径向剪力Hf边缘剪力Vf,图6-27管板与其相关元件的内力分析图,6.2.3管板设计,82,2.危险工况,确定危险工况的基本原则：,如果不能保证换热器壳程压力ps与管程压力pt在任何情况下都能同时作用，则不允许以壳程压力和管程压力的压差进行管板设计。,如果ps和pt之一为负压时，则应考虑压差的危险组合。,管板是否兼作法兰等不同结构，危险工况组合也不同。,83,对于固定管板换热器，管板分析时应考虑下列危险工况:,只有壳程压力ps，而管程压力pt=0，不计热膨胀差；,只有管程压力pt，而壳程压力ps=0，不计热膨胀差；,只有管程压力pt，而壳程压力ps=0，同时考虑热膨胀差。,只有壳程压力ps，而管程压力pt=0，同时考虑热膨胀差；,84,3.管板应力校核,管板布管区应力值、环形板的应力值、壳体法兰应力、换热管轴向应力、换热管与管板连接拉脱力q,需计算出的进行校核的应力：,应力分类、校核,在不同的危险工况组合下，计算出相应的：,85,4.管板应力的调整,调整方法,增加管板厚度,降低壳体轴向刚度，如设置膨胀节（降低由温差引起的膨胀差导致的管板应力增加）,提高管板的抗弯截面模量,86,过程设备设计,5.管板设计计算软件,减少繁重劳动，利用计算软件，如SW6等。,6.2.3管板设计,87,三