典型化工设备设计-换热器结构

压力容器的常规设计方法内压、外压（中、低压）几类常用化工设备换热设备、塔设备、搅拌设备,第三篇典型化工设备的机械设计,换热器,搅拌设备,塔设备,教学重点（1）典型管壳式换热器的选型（2）固定管板式换热器的基本结构（3）管子的选用及管板的连接（4）温差应力产生的原因及补偿措施教学难点：管、壳程的分程及隔板,第七章管壳式换热器的机械设计,第一节换热器概述,一、定义,换热器是用来完成各种不同传热过程的设备。,1、如：开水锅炉、水杯、冰箱、空调等。,2、是许多工业部门广泛应用的通用工艺设备。通常，在化工厂的建设中，换热器约占总投资的1140。,那么衡量一台换热器好坏的标准是什么呢？,3.可靠性,满足操作条件,强度足够,保证使用寿命,二、衡量标准,2.合理性,1.先进性,可制造加工，成本可接受,传热效率高，流体阻力小，材料省,三、不同目的的换热器,冷却器（cooler）,冷凝器（condenser）,蒸发器（发生相变）（evaporator）,加热器（一般不发生相变）（heater）,再沸器（reboiler）,废热锅炉（wasteheatboiler）,四、换热器的基本类型,按传热方式或工作原理分类,1、直接接触式,传热效果好，但不能用于发生反应或有影响的流体之间,直接接触式换热器,2、蓄热式,温度较高的场合，但有交叉污染，温度波动大,蓄热式换热器,又称表面式换热器利用间壁（固体壁面）进行热交换。冷热两种流体隔开，互不接触，热量由热流体通过间壁传递给冷流体。,应用最为广泛，形式多种多样，如管壳式换热器、板式换热器等,对于间壁式换热器，按间壁形状进一步分为,(3)管壳式,(1)管式,(2)紧凑式,螺旋板式、板式、板翅、伞板等,排管、蛇管、套管,重点,下面我们来看一看管壳式换热器的基本结构,管壳式换热器,图7-1换热器构件名称,1-管箱(A,B,C,D型);2-接管法兰;3-设备法兰;4-管板;5-壳程接管;6-拉杆;7-膨胀节;8-壳体;9-换热管;10-排气管;11-吊耳;12-封头;13-顶丝;14-双头螺柱;15-螺母;16-垫片;17-防冲板;18-折流板或支承板;19-定距管;20-拉杆螺母;21-支座;22-排液管;23-管箱壳体;24-管程接管;25-分程隔板;26-管箱盖,根据我们前面学习的内容，请同学们说说序号2、3、8、12、21各代表什么零件？,管壳式换热器的结构：,固定管板式换热器,浮头式换热器,U形管式换热器,填料函式换热器,五、管壳式换热器的分类,基本类型,无补偿器,带补偿器,（一）固定管板式换热器,固定管板换热器分为带补偿器和不带补偿器两种。,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：不易清洗壳程，壳体和管束中可能产生较大的热应力。,图7-2固定管板式换热器,结构三维图,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。,图7-3带膨胀节的固定管板式换热器,适用场合：适用于壳程介质清洁，不易结垢，管程需清洗以及温差不大或温差虽大但是壳程压力不大的场合。,（二）浮头式换热器,优点：管内和管间清洗方便，不会产生热应力。,缺点：结构复杂，设备笨重，造价高，浮头端小盖在操作中无法检查，影响传热。,适用场合：壳体和管束之间壁温相差较大，或介质易结垢的场合。,图7-4浮头式换热器,浮头结构,特点：1.一端可自由伸缩不产生热应力；2.管束可以抽出，管内外均易清洗；3.填料将壳程介质与外界隔开，易外漏，介质受限制；,（三）填料函式换热器,优点：结构简单，加工制造方便，造价低，管内和管间清洗方便。,缺点：填料处易泄漏。,适用场合：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。,填料函式密封,填料函式换热器,U形管式换热器,U形管式换热器,动画,U型管式换热器的二维图,特点：,1.只有一个管板，结构简单；2.管子可以抽出，管间易清洗；3.管子可以自由膨胀；4.管内不便清洗，不易更换；5.结构不紧凑。,（四）U形管式换热器,图7-7U型管式换热器,优点：结构简单，价格便宜，承受能力强，不会产生热应力。,缺点：布板少，管板利用率低，管子坏时不易更换。,适用场合：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。,（一）工艺计算,六、管壳式换热器设计内容,选型；确定管、壳程；通过化工工艺计算，确定换热器的传热面积，同时选择管径、管长，决定管数、管程数和壳程数。,（二）机械设计,1）壳体直径的决定和壳体厚度的计算；2）换热器封头选择，压力容器法兰选择；3）管板尺寸确定；4）折流板的选择与计算；5）管子拉脱力的计算；6）温差应力计算。,课堂提问,说出换热器类型,固定管板式换热器,浮头式换热器,U形管式换热器,填料函式换热器,第二节管板式换热器换热管的选用及其与管板的连接,一、换热管的选用,（一）直径,粘性大或污浊的流体,大管径,小管径,（二）规格,（外径壁厚），长度按规定决定,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,换热器的换热管长度与公称直径之比，一般在425之间，常用的为610。立式换热器，其比值多为46。,（三）材料,由压力、温度、介质的腐蚀性能决定。常用管子材质有：碳素钢（10，20）、合金钢（1Cr18Ni9Ti)、低合金钢（16Mn,15MnV)、铜、钛、塑料、石墨等。,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,（四）结构型式,多用光管，因为结构简单，制造容易，为强化传热，也采用强化传热管。,常用管子形式：,图7-9几种异形管（a）扁平管（b）椭圆管（c）凹槽扁平管（d）波纹管,图7-10纵向翅片管（a）焊接外翅片管（b）整体式外翅片管（c）镶嵌式外翅片管（d）整体式内外翅片管,图7-11径向翅片管,图7-12螺纹管,二、管子与管板的连接,（一）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，管板孔边缘同时产生弹性变形，取去胀管器后，管板边缘弹性恢复与管子产生一定的挤压力，贴在一起达到密封紧固连接的目的。,图7-13胀管前后示意图,（a）胀管前,（b）胀管后,胀接工具：,胀管器,液压胀管器,液压胀接,机械胀接,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，管端会发生松弛泄漏。,适用范围：换热管为碳素钢，管板为碳素钢或低合金钢，设计压力4MPa，设计温度300，且无特殊要求的场合。,原因：温度升高，残余应力减小，使管子与管板间的胀接密封性能、紧固性能都下降，故设计温度300。,要求管板硬度大于管子硬度，否则将管端退火后再胀接。,胀接时管板上的孔可以是光孔，也可开槽(开槽可以增加连接强度和紧密性)。,为什麽？如何实现？,注意：,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。,图7-14胀管连接结构及尺寸,（二）焊接,优点：在高温高压条件下，焊接连接能保持连接的紧密性，管板加工要求可降低，节省孔的加工工时，工艺较胀接简单，压力较低时可使用较薄的管板。缺点：在焊接接头处产生的热应力可能造成应力腐蚀开裂和疲劳破裂，同时管子、管板间存在间隙，易出现间隙腐蚀。,图7-15焊接间隙示意图,管板,间隙,换热管,图7-16焊接接头的结构,(a),c,(c),(b),(d),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。,（三）胀焊并用,胀焊并用连接主要有：强度焊贴胀先焊后胀强度胀密封焊先胀后焊概念解释：密封焊不保证强度，只防漏；强度焊既防漏，又保证抗拉脱强度；贴胀只消除间隙，不承担拉脱力；强度胀既消除间隙，又满足胀接强度。目前，先焊后胀与先胀后焊两派学说仍处于争议之中。,第三节管板与管板连接结构,一、管板,管板材料选择既有力学的上考虑，又有耐介质腐蚀的考虑。,二、管板材料,管板是管壳式换热器的重要零部件之一。,三、管板结构,在满足强度要求的前提下，应当尽量减少管板厚度。,四、换热管排列方式,三角形排列紧凑，传热效果好，同一板上管子比正方形多排10%左右，同一体积传热面积更大。适用于壳程介质污垢少，且不需要进行机械清洗的场合。,（一）正三角形和转角正三角形排列,图7-17正三角形排列的管子,流体流动方向,流体流动方向,正三角形排列,转角正三角形排列,（二）正方形和转角正方形排列,管间小桥形成一条直线通道，便于机械清洗。要经常清洗管子外表面上的污垢时，多用正方形排列。,图7-18正方形排列的管子,流体流动方向,流体流动方向,转角正方形排列,正方形排列,（三）组合排列法,在多程换热器中多采用组合排列方法。即每一程中都采用三角形排列法，而在各程之间，为了便于安装隔板，则采用正方形排列法，如图719。,图7-19组合排列法,五、管间距,（一）定义,（二）要求,管间距指两相邻换热管中心的距离。,管间距1.25d0，符合表7-4规定，便于管子与管板间的连接，因为对于胀接或焊接来讲，管子间距离太近，那么都会影响连接质量。最外层管壁与壳壁之间的距离不应小于1/2换热管外径加10mm，主要是为折流板易于加工，不易损坏。,表7-4常用换热管中心距/mm,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)10mm。,六、管箱与管束的分程,当换热器所需的换热面积较大，而管子做得太长时，就得增大壳体直径，排列较多的管子。此时，为了增加管程流速，提高传热效果，须将管束分程，使流体依次流过各程管子。,（一）分程原因,固定管板式换热器利用管箱来实现管束分程。管箱位于换热器两端，便于拆装。隔板安装在管箱内。,管箱,管箱结构：,（二）分程原则,（三）分程隔板,图7-22双层隔板与管板的密封,各程换热管数应大致相等；相邻程间平均壁温差一般不应超过28；各程间的密封长度应最短；分程隔板的形状应简单。,图7-21单层隔板与管板的密封,封头,隔板,管板,（四）分程方式,表75管程布置表,七、管程接管与挡板和导流筒,为减缓壳程入口高速流体对管子的冲刷，将接管做成喇叭形，结构为圆形时常称为导流筒。,（一）管程接管,为减缓壳程入口高速流体对管子的冲刷，在入口处安装挡板。挡板常采用圆形和方形。,（二）挡板,1折流板及支撑板作用：a.提高壳程流体流速，改变流动方向提高传热效率。b.支撑换热管。结构形式：a.弓形；b.圆盘-圆环形；c.扇形。,八、折流板、支承板、旁路挡板及拦液板的作用与结构,折流板的固定方法,2旁路挡板,壳体与管束之间存在有较大间隙时，为避免流体走短路，沿纵向设置板条，迫使流体穿过管束。,3拦液板,作用：在立式冷凝器中，用来减薄管壁上的液膜以提