第6章 换热设备.doc

第6章 换热设备6-1 概述教学内容要点和学时分配教学重点和难点解决方法换热设备的应用（0.5学时）换热设备的基本要求和分类（0.5学时）间壁式换热器（1学时）教学重点：间壁式换热器教学难点：换热设备的基本要求和分类详细讲解图片说明教学目的和要求1、了解换热设备的基本要求；2、了解换热设备的分类方法；3、了解换热设备的主要类型及结构。授课方式授课时数课外作业和要求教学效果检验方法和要求讲授2思考题；补充练习题答疑；质疑；提问一、换热设备应满足的基本要求1、换热设备的设计内容（1）工艺尺寸的设计和计算（2）零部件结构的设计和计算 2、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）安全可靠（4）便于安装、操作和维修（5）经济合理二、换热设备的分类及特点（1）混合式换热器（2）蓄热式换热器（3）间壁式换热器 *（4）中间载热体式换热器 6-2 管壳式换热器教学内容要点和学时分配教学重点和难点解决方法管壳式换热器的种类（1学时）管壳式换热器的结构设计（3学时）（管束分程；壳体分程；换热管的排列；管板的结构；换热管与管板的连接；管板与壳体的连接；折流板与折流杆等） 教学重点：管程和壳程结构设计教学难点：管束分程；换热管的排列；换热管与管板的连接详细讲解实例说明图片说明教学目的和要求1、掌握管壳式换热器的基本类型和结构设计方法；2、了解管板的设计理论和设计方法；3、了解管束振动的原因及防止方法；授课方式授课时数课外作业和要求教学效果检验方法和要求讲授4思考题；补充练习题答疑；质疑；提问一、管壳式换热器的类型 管壳式换热器由壳体、管束、管箱等结构组成，根据其结构特点的不同可分为两大类：一类时刚性结构，如不带膨胀节的固定管板式换热器；另一类是具有温差补偿结构的管壳式换热器，如带膨胀节的固定管板式换热器、浮头式、U型管式换热器等。1、固定管板式换热器 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 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2、浮头式换热器 优点：（1）壳体和管束热变形自由，不产生热应力（2）管束可从壳体中抽出，便于壳程的检修和清洗 缺点：（1）结构复杂，造价高。（2）为使一端管板浮动，需增加一个浮头盖及相关连接件以保证壳程密封，操作时，如果浮头盖连接处泄漏将无法发现，所以应严格保证其密封性能（3）为使浮头管板和管束检修时能够一起抽出，在管束外缘与壳壁之间形成宽度为1622mm的环隙，这样不仅减少了排管数目，而且增加了旁路流路，降低了换热器的热效率。3、填料函式换热器 优点：（1）结构比浮头式换热器简单，壳体和管束热变形自由，不产生热应力（2）管束可从壳体中抽出，壳程的检修和清洗方便 缺点： 填料函处形成动密封，壳程介质易泄漏，要求壳程介质温度和压力不能过高，且无毒、非易燃和易爆 4、U形管式换热器 优点：（1）结构简单，省去一块管板和一个管箱，造价低（2）管束和壳体分离，热膨胀时互不约束，消除热应力（3）管束可以从壳体中抽出，管外清洗方便 缺点：（1）弯管必须保持一定曲率半径，管束中央会存在较大的空隙，流体易走短路，对传热不利（2）管内不能用机械方法清洗，易走清洁流体（3）管子泄漏损坏时，只有最外层管子可以更换，其他管子只能堵死，会减小换热面积二、结构设计1、管束分程 管束分程的作用：提高管程流速；改善传热效果；增大传热效率 管束分程的方法：在一端或两端的管箱中设置一定数目的分程隔板，使流体依次流过各个管程。 注意：（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28），以避免产生过大热应力。分程隔板布置方式2、壳程分程 壳程分程的形式：E型、F型、G型、H型 3、换热管的排列方式（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；383.0；573.5；（2）换热管长度可根据工艺计算确定，当应考虑管材的合理使用。我国轧制管材长度一般为6m，为避免材料浪费，国内推荐换热管长度系列为：1.5m、2.0m、3.0m、6.0m。（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 管子和管板焊接时：P=1.25d0 管子和管板胀接时：P1.25d04、管板的结构 高温高压换热器中的薄管板 薄管板的结构型式 椭圆形管板 双管板结构 5、管子和管板的连接 要求：换热管和管板连接处不被拉脱；换热管和管板连接处不发生介质泄漏。（1）胀接 优点：操作方便 缺点：胀接依靠管孔收缩昌盛的残余应力，这一应力会随着温度上升而减小，所以胀接温度和压力受到一定的限制（P4Mpa，t350）（2）焊接 优点：胀连接强度和抗拉强度好 缺点： 管子和管板焊接后存在残余应力，运行中可能产生应力腐蚀或疲劳破坏。 管子和管板间的间隙会产生间隙腐蚀（3）胀焊并用 强度胀加密封焊：胀接承受拉脱力，焊接保证密封性能 强度焊加贴胀：焊接承受拉脱力，贴胀消除管子与管孔间的缝隙 操作顺序：先焊后胀 注意：先焊后胀可能在胀接时出现焊缝开裂，所以胀接时要仔细控制操；距离焊缝15mm内通常不胀，以免损坏焊缝 6、管板与壳体的连接 兼作法兰的管板 不兼作法兰的管板 管板的可拆式连接结构7、折流板和折流杆 折流板结构 折流板连接结构 壳程流体分布图 折流杆结构示意图8、膨胀节的设计（补充） 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管子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 温差产生的轴向力：设壳体和管子安装温度为0，壳体和管子操作温度分别为S和t，则管子和壳体的自由伸长量为：t=t（t-0）LS=S（S-0）L设tSe=t-S=t（t-0）-S（S-0） L由于管子和壳体刚性连接在一起，管子和壳体的实际伸长量相等，所以，管子和壳体间会产生变形协调，管子中会产生压应力，壳体中会产生拉应力，显然，管子和壳体所受到的轴向力大小相同，称为温差轴向力（F1）设壳体的拉伸及管子的压缩变形均在弹性范围内，则： 其中：e=t-S=t（t-0）-S（S-0） L介质压力产生的轴向力：由介质压力引起的总的轴向力： 壳体所受的轴向力为F2，管子所受的轴向力为F3由静力平衡条件得：F2+ F3=Q 应力评定：（1）管子和壳体的轴向应力校核 （2）管子和管板连接处的拉脱力校核 管子和管板连接处的拉脱力 其中：a-单根换热管的横截面积 l-管子与管板的胀接深度（3）管子轴向稳定性校核 要求：t0.5，管子振动是可能的2、壳程流体是气体或蒸汽时：当 ft / f10.5，管子振动是可能的3、壳程流体是气体或蒸汽时：当 0.8fv / fa1.2 0.8ft / faVc，管子振动是可能的（六）防振措施1、适当降低流速2、改变管束系统的自振频率 减小跨距 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 6-3 传热强化技术教学内容要点和学时分配教学重点和难点解决方法传热强化的概念和传热强化的方法 （0.5学时）扩展表面传热强化（1学时）壳程传热强化 （0.5学时） 教学重点：扩展表面传热强化教学难点：扩展表面传热强化详细讲解教学目的和要求1、了解传热强化的方法；2、理解扩展表面传热强化和壳程传热强化。授课方式授课时数课外作业和要求教学效果检验方法和要求讲授2思考题答疑；质疑一、 传热强化概述传热强化是一种改善传热性能的技术，可以通过改善和提高热传递的速率，以达到用最经济的设备来传递一定的热量。 传热方程式： 1、 增加平均传热温差 2、扩大换热面积 3、提高传热系数 提高对流传热系数的方法大致可分为有功传热强化和无功传热强化。（1）有功传热强化 有功传热强化需要应用外部能量来达到传热强化的目的，如搅拌换热介质、使换热表面或流体振动、将电磁场作用于流体以促使换热表面附近流体的混合等技术。（2）无功传热强化 无功传热强化无需应用外部能量来达到传热强化的目的。在换热器设计中，用的最多的无功传热强化法是扩展表面，它既能增加传热面积，又能提高传热系数。下面将预以重点介绍。二、扩展表面强化传热1、槽管 (1) 碾轧槽管 (2) 螺旋槽管 (3) 横纹槽管 2、翅片 (1) 内翅片圆管 (2) 外翅片圆管 (3) 板式翅片 (4) 槽带板式翅片 (5) 穿孔翅片 三、 壳程强化传热技术1、改变壳程挡板结构 2、改变管束支承结构 杆式支承结构的优点：（1）使换热器壳程流体的流动方向主要呈轴向流动，消除了弓形折流板造成的传热死区。（2）由于壳程介质为轴向流动，没有弓形折流板那么多转向和缺口处的节流效应，因而流动阻力比较小。（3）结垢速率变慢，延长了操作周期。（4）消除了弓形折流板造成的局部腐蚀和磨损（或切割）破坏，改善了换热管的支撑情况和介质的流动状态，消除或减少了因换热管的振动引起而管子破坏，延长了换热器的使用寿命。补充：管壳式换热器的机械设及计算步骤（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