管壳式换热器.ppt

1 第六章换热设备 6 1概述 6 2管壳式换热器 6 3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 2 过程设备设计 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 3 管壳式换热器 4 过程设备设计 6 2 1基本类型 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 5 过程设备设计 6 2 1基本类型 一 固定管板式换热器 结构 6 双管程固定管板换热器 7 过程设备设计 6 2 1基本类型 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 8 过程设备设计 二 浮头式 结构 浮头端可自由伸缩 无热应力 6 2 1基本类型 9 浮头式换热器 10 过程设备设计 优点 管间和管内清洗方便 不会产生热应力 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 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 6 2 1基本类型 11 过程设备设计 三 U形管式换热器 结构 U形管 6 2 1基本类型 12 U形管式换热器 13 过程设备设计 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 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 6 2 1基本类型 14 过程设备设计 四 填料函式 结构 填料函式密封 6 2 1基本类型 15 过程设备设计 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 缺点填料处易泄漏 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 6 2 1基本类型 16 过程设备设计 五 釜式重沸器 结构 管束可以为浮头式 U形管式和固定管板式结构 6 2 1基本类型 17 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 特点 过程设备设计 6 2 1基本类型 18 过程设备设计 6 2 2管壳式换热器结构 管程 壳程 管程 19 过程设备设计 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 20 6 2 2管壳式换热器结构 过程设备设计 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 21 过程设备设计 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 19 2 25 2 5和 38 2 5mm无缝钢管 25 2和 38 2 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 22 过程设备设计 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 6 2 2管壳式换热器结构 23 过程设备设计 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 6 2 2管壳式换热器结构 24 过程设备设计 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 P 1 25d0 6 2 2管壳式换热器结构 25 过程设备设计 表6 1常用换热管中心距 mm 6 2 2管壳式换热器结构 26 过程设备设计 6 2 2管壳式换热器结构 27 过程设备设计 二 管板 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 6 2 2管壳式换热器结构 28 过程设备设计 1 管板材料 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 6 2 2管壳式换热器结构 29 过程设备设计 2 管板结构 厚度 满足强度前提下 尽量减少管板厚度 热应力 6 2 2管壳式换热器结构 30 过程设备设计 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 6 2 2管壳式换热器结构 31 过程设备设计 薄管板 平面形 椭圆形 碟形 球形 挠性薄管板等 目前主要有 6 2 2管壳式换热器结构 32 过程设备设计 比较四种用于固定管板换热器的薄管板结构 薄管板贴于法兰表面上 当管程通过腐蚀性介质时 密封槽开在管板上 法兰不与管程介质接触 a b 薄管板嵌入法兰内 并将表面车平 不论管程和壳程是否有腐蚀性介质 法兰都会与腐蚀性介质接触 需采用耐腐蚀材料 而且管板受法兰力距的影响较大 6 2 2管壳式换热器结构 33 过程设备设计 薄管板在法兰下面且与筒体焊接 壳程通入腐蚀性介质时 不必采用耐腐蚀材料 管板离开了法兰 减小了法兰力矩和变形对管板的影响 降低了管板因法兰引起的应力 管板与刚度较小的筒体连接 也降低了管板的边缘应力 是一种较好的结构 c 6 2 2管壳式换热器结构 34 过程设备设计 d 管板与壳体间有一个圆弧过渡连接 并且很薄 管板具有一定弹性 可补偿管束与壳体间的热膨胀 过渡圆弧可减少管板边缘的应力集中 该种管板没有法兰力矩的影响 壳程流体通入腐蚀性介质时 法兰不会受到腐蚀 挠性薄管板加工比较复杂 挠性薄管板结构 6 2 2管壳式换热器结构 35 过程设备设计 图6 16椭圆形管板 以椭圆形封头作为管板 与换热器壳体焊接在一起 受力情况比平管板好得多 可以做得很薄 有利于降低热应力 适用于高压 大直径的换热器 6 2 2管壳式换热器结构 36 过程设备设计 用于严格禁止管程与壳程介质互相混合的场合 方法 从短节排出短节圆筒充入高于管程 壳程压力的惰性介质 图6 17双管板结构1 空隙2 壳程管板3 短节4 管程管板 6 2 2管壳式换热器结构 37 过程设备设计 三 管箱 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 d 6 2 2管壳式换热器结构 38 过程设备设计 特点 清洗时要拆除管线 该结构适用于较清洁的介质 6 2 2管壳式换热器结构 39 换热器管箱 40 过程设备设计 清洗时不要拆除管线 缺点是用材较多 特点 6 2 2管壳式换热器结构 41 过程设备设计 特点 检查 清洗不方便很少使用 1 2 c 6 2 2管壳式换热器结构 42 过程设备设计 特点 设置多层隔板的管箱结构 6 2 2管壳式换热器结构 43 过程设备设计 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 6 2 2管壳式换热器结构 44 过程设备设计 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 6 2 2管壳式换热器结构 45 过程设备设计 五 换热管与管板连接 强度胀 强度焊 胀焊并用 1 强度胀 保证换热管与管板连接的密封性能及抗拉脱强度的胀接 设计压力 4 0MPa 设计温度 300 操作中无剧烈振动 无过大温度波动 及无明显应力腐蚀等场合 应用 6 2 2管壳式换热器结构 46 3 3 8 K 1 1 1 3 3 8 6 K 1 1 1 3 3 8 6 3 1 1 1 K 贴胀 过程设备设计 结构 用于 25mm的场合 用于 25mm的场合 用于厚管板及避免晶间腐蚀的场合 图6 18强度胀接管孔结构 6 2 2管壳式换热器结构 l 47 过程设备设计 非均匀胀接 均匀胀接 胀接机理 方法 管子硬度一般须低于管板硬度 若达不到 可进行管头退火处理 6 2 2管壳式换热器结构 48 过程设备设计 液压胀接接头 6 2 2管壳式换热器结构 49 过程设备设计 6 2 2管壳式换热器结构 液压胀接 50 过程设备设计 6 2 2管壳式换热器结构 机械胀接 51 过程设备设计 2 强度焊 保证换热管与管板连接的密封性能及抗拉脱强度的焊接 用于整体管板 用于复合管板 图6 20强度焊接管孔结构 6 2 2管壳式换热器结构 52 过程设备设计 优点 焊接结构强度高 抗拉脱力强度高 高温下也能保证连接处的密封性能和抗拉脱能力 泄露处可补焊和更换 焊后 管子与管板中存在残余热应力和应力集中 运行时可能引起应力腐蚀与疲劳 缝隙腐蚀 缺点 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 6 2 2管壳式换热器结构 53 过程设备设计 3 胀焊并用 主要有强度胀 密封焊 强度焊 贴胀 强度焊 强度胀等 不仅能提高连接处的抗疲劳性能 而且还可消除应力腐蚀和缝隙腐蚀 提高使用寿命 应用 密封性能要求较高 承受振动和疲劳载荷 有缝隙腐蚀 需使用复合管板等的场合 6 2 2管壳式换热器结构 54 过程设备设计 6 2 2管壳式换热器结构 切除管子端部 55 过程设备设计 课堂讨论 关于先焊还是先胀的讨论 机械胀接 先焊后胀 液压胀接 先胀后焊 6 2 2管壳式换热器结构 56 第六章换热设备 6 1概述 6 2管壳式换热器 6 3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 57 过程设备设计 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 6 2 2管壳式换热器结构 58 过程设备设计 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 6 2 2管壳式换热器结构 59 过程设备设计 6 2 2管壳式换热器结构 导流筒 60 过程设备设计 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 6 2 2管壳式换热器结构 61 过程设备设计 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 20 0 45Di 最常用0 25Di 6 2 2管壳式换热器结构 图6 21折流板形式 62 过程设备设计 3 弓形缺口及通液口设置 A 壳程为单相清洁液体时 折流板缺口上下布置 图6 22折流板缺口布置 6 2 2管壳式换热器结构 63 过程设备设计 B 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 22折流板缺口布置 6 2 2管壳式换热器结构 64 折流板缺口垂直左右布置 65 过程设备设计 6 2 2管壳式换热器结构 折流板 66 过程设备设计 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 6 2 2管壳式换热器结构 67 过程设备设计 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 6 2 2管壳式换热器结构 68 过程设备设计 5 折流板的固定 B 换热管外径 14mm时 点焊结构 A 换热管外径 14mm时 拉杆 定距管结构 6 2 2管壳式换热器结构 图6 23拉杆结构 69 过程设备设计 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 折流杆 3 滑轨 图6 24折流杆结构 6 2 2管壳式换热器结构 70 过程设备设计 四 防短路结构 1 旁路挡板 为了防止壳程边缘介质短路 6 2 2管壳式换热器结构 图6 25挡管结构 71 过程设备设计 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DN 500mm时 增设一对旁路挡板 DN 500mm时 增设二对挡板 DN 1000mm时 增设三对旁路挡板 6 2 2管壳式换热器结构 72 过程设备设计 2 挡管 图6 26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3 4排换热管设置一根 但不设置在折流板缺口处 6 2 2管壳式换热器结构 73 隔板与挡管 74 过程设备设计 3 中间挡板 中间挡板 图6 27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 DN 500mm时 设置1块挡板 500mm DN 1000mm时 设置2块挡板 DN 1000mm时 设置不少于3块挡板 6 2 2管壳式换热器结构 75 过程设备设计 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 6 2 2管壳式换热器结构 76 第六章换热设备 6 1概述 6 2管壳式换热器 6 3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 77 6 2 3管板设计 过程设备设计 6 2 3管板设计 78 6 2 3管板设计 过程设备设计 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 79 过程设备设计 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 6 2 3管板设计 80 过程设备设计 a 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 6 2 3管板设计 81 过程设备设计 布管区 不布管区 简化 b 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 6 2 3管板设计 82 过程设备设计 c 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 6 2 3管板设计 83 过程设备设计 d 管板兼作法兰时 法兰力矩的作用对管板应力的影响 6 2 3管板设计 84 过程设备设计 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 a 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 b 管板周边不布管区对管板应力的影响 将管板划分为两个区 即靠近中央部分的布管区和靠近周边处较窄的不布管区 通常管板周边部分较窄的不布管区按其面积简化为圆环形实心板 由于不布管区的存在 管板边缘的应力下降 c 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 d 管板兼作法兰时 法兰力矩的作用对管板应力的影响 6 2 3管板设计 85 过程设备设计 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 6 2 3管板设计 86 过程设备设计 图6 28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 87 过程设备设计 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 6 2 3管板设计 图6 28管板与其相关元件的内力分析图 88 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 28管板与其相关元件的内力分析图 6 2 3管板设计 89 过程设备设计 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 28管板与其相关元件的内力分析图 6 2 3管板设计 90 过程设备设计 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 28管板与其相关元件的内力分析图 6 2 3管板设计 91 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 28管板与其相关元件的内力分析图 6 2 3管板设计 92 过程设备设计 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 6 2 3管板设计 93 过程设备设计 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 6 2 3管板设计 只有壳程压力ps 而管程压力pt 0 同时考虑热膨胀差 94 过程设备设计 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 6 2 3管板设计 95 过程设备设计 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 6 2 3管板设计 96 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 97 过程设备设计 三 薄管板设计 主要载荷由管壁与壳壁的温度差决定 流体压力引起的应力与挠度相对说来是不大的 管子的稳定性验算 表6 3薄