《化工技术》PPT课件

小结,1立式容器支座：耳式支座、腿式支座、支承式支座、裙座耳式支座的结构、选型及标记,标准号耳座型号支座号JB/4725-92耳座AN3材料：Q235-A.F,2卧式容器支座：双鞍式支座、圈式支座、腿式支座双鞍式支座的结构、应力校核、选型及标记JB/T4712-92鞍座A2600S,3开孔应力集中现象及原因容器开孔后，在孔边附近的局部地区，应力会达到很大的数值，这种局部的应力增长现象称为应力集中。以应力集中系数表示。原因是由于结构的连续性被破坏。具有局部性和自限性,4开孔补强的结构补强圈补强、加强元件补强、整体补强,5开孔补强设计的等面积补强法,局部补强的金属面积必须等于或大于开孔所减去的壳体截面积。在于补强壳壁的平均强度。,即A1+A2+A3A,不能完全解决应力集中问题,6容器附件人孔和手孔的作用，常用的结构视镜的作用,第三篇典型化工设备的机械设计,第七章管壳式换热器的机械设计,第一节概述,1应用换热器是许多工业部门广泛应用的通用工艺设备，一般在化工厂的设计中，换热器约占总投资的11，它的先进性、合理性和运转可靠性将直接影响产品的质量、数量和成本。,2衡量换热器的标准衡量一台换热器好坏的标准是传热效率高，流体阻力小；强度足够，结构可靠；节省材料，成本低；制造、安装、检修方便。3换热器发展的方向强化传热、大型化和高效紧凑、降低阻力及防止流体诱导振动等方面发展，种类繁多，新结构不断出现。,4管壳式换热器的特点1）结构坚固处理能力大选材范围广2）易于制造生产成本较低清洗较方便3）适应性强在高温高压下也能使用4）在传热效能紧凑性和金属消耗量方面不及板式换热器板翅式换热器和板壳式换热器等高效能换热器先進。,5材料选择碳素钢和低合金钢大多用于制造中低压换热器。不锈钢主要用于不同的耐腐蚀条件奧氏体不锈钢可作为耐高低温的材料铜铝及其合金多用于制造低温换热器镍合金用于高温条件下。,非金属材料除制作垫片零件外有些已开始用于制作非金属材料的耐蚀换热器如石墨换热器氟塑料换热器和玻璃换热器。,一管壳式换热器的结构及主要零部件,shellandtubeheatexchanger,二管壳式换热器的分类按结构特点分为固定管板式换热器浮头式换热器型管式换热器双重管式换热器填函式换热器和双管板换热器等。前3种应用比较普遍1固定管板式换热器,第七章图列管换热器.swf第七章图固定管板.rm,优点：1）结构简单，造价低；2）两管板有管子互相支撑，因而在各种列管式换热器中管板最薄。缺点：1）管外清洗困难；2）参与换热的两流体的温差受一定限制,当介质温差较大时，须设膨胀节。,适用场合：壳程压力不高，壳程介质清洁，不易结垢的场合。,2浮头式换热器第七章图浮头式换热器二.rm,特点：1）管壳间不产生温差应力；2）管束可抽出便于清洗；3）结构较复杂，金属耗量大；4）浮头的内漏不便检查；5）管、壳间隙较大，影响传热适用于管、壳温差较大，以及介质易结垢的场合,3填函式换热器,特点：1）管束一端可以自由膨胀，造价较浮头式低2）检修、清洗容易，填函处泄漏能及时发现3）壳程内介质有外漏可能应用：可用于管、壳温差较大；壳程中不宜处理易挥发、易燃、易爆、有毒的介质,4U型管式换热器第七章图U型管式.rm,特点：1）只有一个管板，管程至少为两程，2）管束可抽出清洗，管子能自由膨胀，3）管内不便清洗，4）管板上布管少，结构不紧凑。应用：适于温差大，管内介质清洁不易结垢的高温、高压、腐蚀性较强的场合。,5其它形式管板换热器1）釜式换热器有时需将壳程介质变为气相，如精馏用再沸器，简单废热锅炉等，需一定的分离空间，壳程直径为管束直径的1.52.0倍。,2）双重管式换热器,特点：1）内插管与外套管之间沒有约束可自由伸缩。2）适用于温差很大的两流体换热。3）管程流体的阻力较大4）设备造价较高。,3）双管板换热器,1）保证壳程流体和管程流体相互不串漏和污染。用于严格要求参与换热的两流体不互相串漏的場合2）造价比固定管板式换热器高。,三管壳式换热器机械设计内容首先通过化工工艺计算，确定换热器的传热面积，确定管径、管长，决定管数、管程数和壳程数。然后进行机械设计。机械设计包括：,1.壳体直径、壳体壁厚的计算2.换热器封头选择，压力容器法兰选择3.管板尺寸确定4.管子拉脱力的计算5.折流板的选择与计算6.温差应力计算7.接管、接管法兰选择及开孔补强,第二节管子的选用及其与管板的连接,一管子的选用换热器的管子构成换热器的传热面，管子的尺寸和形状对传热有很大的影响。用小直径管则单位体积换热面积大，设备紧凑，但制造麻烦，并且小管子易结垢，不易清洗。,常用无缝钢管规格（外径壁厚）见P203表71。长度规定为：换热管长度与公称直径之比一般在425之间，常用610，立式多为46。长度数值见P203换热器管子一般用光管，为强化传换，有多种结构型式管子P204图7-77-10高效传热管,1扩大传热表面的管子如翅片管、螺纹管，传热面可扩大为普通管的23倍。,2促进涡流的管子虽增加了流体阻力，但传热的强化更明显,3利用表面张力的管子异形钢管，横截面形状为正弦波或锯齿波形，多用在膜式蒸发器中,4表面多孔管可增加表面上的活性发泡点，是强化沸腾传热的一种方向，其沸腾给热系数为光滑管的7倍。,利用机械加工、烧结法、喷渡法、电化学腐蚀法获得。,管子材料的选择：材料的选择根据压力、温度、介质腐蚀性能决定，可选用碳钢、合金钢、铜、钛、塑料、石墨等。,二管子与管板的联接1.胀接：利用胀管器挤压伸入管板孔中的管子端部，使管端发生塑性变形，管板孔同时产生弹性变形，当取去胀管器后，管板孔弹性收缩，板与管产生一定挤紧压力.P4MPa；T300时用,2.焊接：焊接头结构P206图714。热应力可能造成应力腐蚀和破裂；间隙可能造成间隙腐蚀，用于P35MPa,3.胀焊结合高T高P，变载时，单个的联接方式不能满足要求时采用。抗疲劳、消除应力及间隙腐蚀。,第三节管板结构,一、管板的作用1排布换热管2.与管箱隔板配合分隔管程空间3.与壳程隔板配合分隔壳程空间4.避免冷热流体混合,二、管板的形式管板有四种常见的结构形式，即平管板、薄管板、椭圆形管板及双管板。,1平管板最常见的一种管板形式有兼作法兰和不兼作法兰两种一般由普通碳钢板、不锈钢板制造，当介质具有腐蚀性时可用复合钢板制造。（以较薄的复合层抵抗腐蚀，一般为不锈钢、Ni、Ti等；以较厚的普通钢板承受介质压力）,2、薄管板在满足强度条件下管板越薄,利于降低温差应力。若将固定管板式换热管视为刚性支撑，计算得到的板厚较薄，一般小于15mm.其主要载荷由管壁和壳壁温差决定。优点：受力比平板好许多，因此可做得很薄，利于降低温差应力。,3、椭圆形管板,结构：类似于椭圆形封头，即半个椭球壳，而不是椭圆形平板。是在薄管板基础上研发的新型管板。单个换热管长短不一，设计、制造上要复杂于平管板。一般用于高温差情况。,4、双管板应用于工艺条件要求绝对不允许冷热流体互相接触，普通管板难以满足这一条件的场合双管板保持合适间距可使弯曲应力和剪切应力限定在许可范围之内。,设计中一般采用平管板，椭圆形管板（包括蝶形管板），双管板应用于有特殊要求的场合，而薄管板我国一般不采用.（按GB151-98设计）,三、管板的结构管板的结构包括：管板上开孔的位置、分程隔板槽的位置、密封面的设计等。开孔种类：换热管孔、拉杆孔、螺栓孔（兼作法兰）换热管孔的位置根据排管来确定,拉杆孔的布置：根据拉杆位置确定，一般均匀布置于管束的外边缘。拉杆与管板焊接时，拉杆孔深等于孔直径；螺纹连接时，螺纹深度为螺纹孔直径的1.5倍。螺栓孔的布置：管板上螺栓孔的位置、数量、直径应与相连接的法兰上开的螺栓孔一致。,四换热管排列形式排列应在整个换热器的截面上均匀分布，要考虑排列紧凑、流体的性质、结构设计以及制造等方面的因素。1正三角形和转角正三角形排列,适于壳程介质污垢少，不需机械清洗的场合,2正方形和转角正方形排列,可用机械方法清洗，用于管束可抽出以清洗管间的场合,3同心圆4组合排列法,五管间距管板上两换热管中心的间距，管间距的确定需考虑：1）管板强度2）清洗管外所需空隙3）管在管板上的固定方法换热管中心间距不小于1.25倍的换热管外径。管间距应符合P208表7-5。,布管范围：应排布在布管限定圆内，即最外层换热管表面至管板中心距不得超过布管限定圆半径。一般要求最外层换热管中心至壳体内表面的距离不应小于（换热管外径的一半10）mm,六管板受力及其设计方法简介1影响管板应力大小的因素：1）管板自身的直径、厚度、材料强度、使用温度等2）管束对管板的支承作用。列管起弹性基础的作用3）管孔对管板强度和刚度的影响,4）管板周边支承形式的影响5）温度对管板的影响6）其它：如兼作法兰时，拧紧螺栓产生的附加弯矩、折流板间距、最大压力作用位置,2管板厚度设计方法简介1）将管板当作受均布载荷的实心圆板按弹性理论得到圆平板最大弯曲应力，加适当修正系数考虑管板开孔削弱和管束的实际支承作用。是半经验公式,2）将管板看作放置在弹性基础上的圆平板管束作为弹性支承，根据载荷大小、管束刚度及周边支承情况来确定管板的弯曲应力。计算复杂，较精确。我国管壳式换热器（GB151-1999）采用此法。,3）菱形面积取管板上相邻四根管子间的菱形面积，按弹性理论求此面积在均布载荷作用下的最大弯曲应力。可粗算。,七管程的分程及管板与隔板的连接1管程分程的作用增加管程流速，提高传热效果管束分程，使流体依次流过各程管子，配合有分程隔板。壳程：壳程分程不常见，多用折流板起分程隔板作用。,2管程的布置分程数量为偶数，管程数一般有1，2，4，6，8，10，12等七种，分程方法见P210表7-6,3管程布置的要求1）各程换热管数应大致相等2）相邻程间平均壁温差不超过283）各程间的密封长度应最短4）分程隔板的形状应简单,4分程隔板的类型及其与管板的密封分程隔板有单层和双层两种，其结构及密封方式见P211图7-19、7-20,八管板与壳体的连接结构分为可拆式和不可拆式两大类。固定管板式换热器的管板和壳体间采用不可拆的焊接连接，而浮头式、U型管式和填函式采用可拆连接1固定管板式换热器管板与壳体的连接1）管板兼作法兰,2）管板不兼作法兰,2浮头式、U型管式及填料函式换热器固定端管板与壳体的连接可拆连接,3密封面的设计：管板密封面的形式应与之相配合的法兰密封面相配，其常设计为带有凸肩的结构，以减少密封面的加工面积，节省工时。,小结,1管壳式换热器的特点及结构（图）结构简单坚固，易于制造成本低，处理能力大，适应性强2管壳式换热器的分类及特点固定管板式、浮头式、U型管式、填料函式,3管子的选用及高效传热管按规格选用4管子与管板的联结：胀接、焊接5管板的作用及结构排管、分隔管程和壳程、避免冷热流体混合开孔位置、分程隔板槽位置、密封面设计,6换热管的排列方式三角、正方、同心圆、组合7管板设计方法：国标采用的方法是将管板看作放置在弹性基础上的圆平板8管程的分程作用：增加管程流速，提高传热效果，为偶数9管板与壳体连接结构：可拆与不可拆,第四节折流板、支承板、旁路挡板和拦液板的作用及结构,一折流板及支承板1作用延长壳程介质的流道长度，提高壳程内流体的流速，加强湍流程度，以提高传热效率。同时便于安装和防止管子变形过大。,2结构横向和纵向两种。常用形式有弓形、圆盘圆环形和带扇形切口三种。弓形折流板较普遍。（1）弓形：分为单弓和多弓，多弓用于壳体直径较大，须减少流体阻力，避免形成死区的情形。第七章图弓形挡板(圆缺形挡板).rm,最小板厚、最大间距、外径见P213-214表7-77-9,第七章图双弓双圆缺形挡板.rm,（2）圆盘-圆环形：第七章图盘环式挡板.rm用于大直径筒体，减少流体阻力，避免形成死区。（3）带扇形缺口的折流板,3固定方式通过拉杆和定距管来实现，P215图7-26。拉杆直径和数量见P215表7-10,拉杆应尽量均匀布置在管束的外边缘，以便于较好地固定折流板。对于大直径的换热器，在布管区内或靠近折流板缺口处应布置适量的拉杆任何折流板应不少于三个支撑点。,二旁路挡板作用:防止流体短路，迫使壳程流体通过管束进行热交换。,三拦液板立式换热器中，为减薄管壁液膜而提高传热膜系数,第五节温差应力,一管壁与壳壁温度差引起的温差应力固定管板式换热器的壳体与管子，在安装温度下的长度为L，操作时，温度升高，壳体管子的自由伸长量分别为：,若变形量不超过弹性范围，按虎克定律，管子被压缩的量为：,壳体被拉伸的量为：,（1）+（2）得,解得管子或壳体中的温差轴向力为：,若管壳的材料一致，则,相应的温差应力为：,分析：1）热应力与管长无关2）较大的热应力产生在具有较小横截面尺寸的构件上。,二管子拉脱力的计算拉脱力定义：管子每平方米胀接周边上所受到的力，单位Pa。1操作压力下每平方米胀接周边所受到的力qp：,管子成三角形排列时,管子成正方形排列时，,2温差应力作用下管子每平方米胀接周边所产生的力qt,3管子拉脱力同方向时，qqp+qt不同方向时，qqt-qp,方向同较大者要求qq，q值见P218表7-11例：P2187-1,已知条件见P2181）操作压力下，每平方米胀接周边所产生的力qP,设计压力,胀接长度,管外径,正三角形排管,代入公式得,2）温差应力作用下，管子每平方米胀接周边所产生的力qt,管壳的线膨胀系数和弹性模量一致,代入热应力计算公式得,qt与qp作用方向相同，则,在许用范围,三温差应力的补偿消除的主要方法是解决壳体与管束膨胀的不一致性，或消除壳体与管子间的刚性约束使壳体和管子都自由膨胀和收缩1减少壳体与管束间的温度差,2装设挠性构件利用膨胀节的弹性变形补偿壳体与管束膨胀的不一致性，部分减小热应力3使壳体和管束自由热膨胀可完全消除热应力,1）填料函式换热器2）浮头式换热器,4双套管温度补偿,四膨胀节的结构及设置1膨胀节的结构型式安装在固定管板式换热器上进行膨胀变形差补偿，减小热应力。,2必须设置膨胀节的条件满足以下条件之一者，必须设置膨胀节：,2),4）,1),管子与壳体中应力的计算如下：,F1管子和壳体之间因温差产生的轴向力,（N）,F2壳程和管程压力作用于壳体上的轴向力,F3壳程和管程压力作用于管子上的轴向力,其中,3膨胀节的选用及设置材料和尺寸按GB16749-1997压力容器波形膨胀节标准选用。,换热器所需热变形补偿量,允许补偿量,第六节管箱与壳程接管,一管箱换热器管内流体进出的空间称为管箱（或流道室），其结构应便于拆装。主要有四种结构，见P223图7-387-41,二壳程接管壳程流体进出口的设计，直接影响换热器的传热效率和换热管的寿命1设置挡板,2喇叭形缓冲管,3冷凝液排除口结构,第七节管壳式换热器的机械设计举例,一已知条件二计算1确定管数及排列方式2确定壳体直径并计算壳体壁厚3封头选择及厚度计算4容器法兰选型、人孔选型5开孔补强设计计算,6管板尺寸确定7管子拉脱力计算8计算是否安装膨胀节9折流板设计10支座设计计算三换热器装配图见P230图7-52,作业：P233一2,5,9,12,13二1,4三,2套管式换热器套管式换热器.swf,2）重力热管,加热,3）热管的应用2改变传热面结构3改变流体流动状态4添加剂,小结,1换热器的发展蛇管式管壳式板式螺旋板式板翅式板壳式伞板式热管式2管壳式换热器的特点及结构（图）结构简单坚固，易于制造成本低，处理能力大，适应性强,3管壳式换热器的分类及特点固定管板式、浮头式、U型管式、填料函式4管子的选用及高效传热管按规格选用5管子与管板的联结：胀接、焊接,1管板的作用及结构排管、分隔管程和壳程、避免冷热流体混合开孔位置、分程隔板槽位置、密封面设计2换热管的排列方式三角、正方、同心圆、组合,小结,3管板设计方