化学设备机械基础管壳式换热器的机械设计

化学设备机械基础管壳式换热器的机械设计第1页/共51页27.1.2.管壳式换热器的分类1.固定管板式换热器无补偿器带补偿器第2页/共51页3固定管板换热器——

分为带补偿器和不带补偿器两种。优点：1）结构简单；

2）造价低。缺点：1）壳程难清洗；

2）存在有温差应力。介质须较清洁，不易结垢；管程与壳程温差不大；壳程压力不高。第3页/共51页4看看二维图特点1.一个大管板，一个小管板，小管板在壳体内滑动——无温差应力；2.管束可以抽出，清洗；3.结构复杂，浮头内漏不便检查；4.管束与壳体间隙较大——影响传热。.2.浮头换热器第4页/共51页53.填料函式换热器特点：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；第5页/共51页6U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。4.U形管式换热器第6页/共51页77.1.3.管壳式换热器机械设计内容

1.壳体直径及壁厚；2.封头法兰、管件及补强；

3.管板结构及强度；4.细部连接结构；

5.附件结构；6.管子拉脱力验算；

7.壳体热应力校核；8.支座设计。第7页/共51页87.2换热管的选用及其与管板的连接7.2.1换热管选用

·常用管子形式：第8页/共51页9·常用管子材质：碳钢（10，20），低合金钢（16Mn,15MnV),合金钢（1Cr18Ni9Ti),铜，钛，铝，塑料，石墨等。

管子选用，要注意——

单位传热面积的金属耗量，传热效果，结构紧凑，清洗及结垢等等因素。第9页/共51页107.2.2管子与管板的连接：1.胀接工具：胀管器第10页/共51页11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。第11页/共51页12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。适用条件：p≤4.0MPa,t≤350℃。注意：管端硬度＜管板硬度。为什麽？如何实现？第12页/共51页13

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。第13页/共51页142.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。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。第14页/共51页15管与管板焊接形式：第15页/共51页163.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。第16页/共51页177.3.1换热管排列形式1.正三角形和转正三角形排列第17页/共51页182.正方形和转角正方形排列3.组合排列第18页/共51页197.3.2管间距——换热管中心距。要考虑到：管板强度；清洗空间；管子在管板上的固定方法。等中心距≥1.25倍管子外径。第19页/共51页207.3.3管板受力及管板设计方法第20页/共51页21管板设计方法简介：——管板厚度设计方法。1）管板当作受均布载荷的实心圆平板，按弹性理论求解弯曲应力；2）管束作为弹性基础，计算各种载荷作用下的弯曲应力；3）取相邻四个管板孔间的菱形，按弹性理论，计算均布载荷下的最大弯曲应力。第21页/共51页227.3.4管程分程及管板与隔板的连接1.换热面积较大，要进行分程

1）.管子太长，设备长径比过大，浪费材料；

2）.增加流速，提高传热效果。2.分程要求：

1）各程管数大致相同；

2）相邻程管壁温差不大于28℃；

3）程间密封长度应最短；

4）隔板形状应简单。3.常用管程数为：1，2，4，6，8，12。第22页/共51页23管箱分程：分程举例：

2程——4程——第23页/共51页244.分程隔板及其与管板间的密封管箱结构：第24页/共51页25隔板：单层及双层。第25页/共51页261.固定式管板——用于固定式管板换热器。7.3.5管板与壳体的连接结构结构第26页/共51页272.非固定式管板第27页/共51页28

浮头式、U形管式和填料函式换热器上的管板为可拆式结构，以便清理壳程。第28页/共51页293.管板与壳体的连接结构

兼作法兰情况：第29页/共51页30管板不兼作法兰结构：第30页/共51页317.4其它附件的作用与结构7.4.1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。形式：a.弓形；b.圆盘-圆环形；c.扇形。第31页/共51页32折流板的固定方法第32页/共51页337.4.2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。第33页/共51页347.4.3拦液板作用：在立式冷凝器中，用来减薄管壁上的液膜以提高传热膜系数。第34页/共51页357.5温差应力7.5.1.温差应力的产生：第35页/共51页36第36页/共51页377.5.2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＞壳壁温度第37页/共51页382.拉脱力的计算计算的目的：保证胀接接头的牢固连接和良好的密封性。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。（1）操作压力引起的拉脱力qp:介质压力作用的面积f如图示第38页/共51页39介质压力p，取管程压力和壳程压力两者中的较大者。管子外径为d0

；管子胀接长度为l。则拉脱力为：（2）温差力引起的拉脱力qt

：每根管承受温差力为σt×at

。则拉脱力为：（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。第39页/共51页40（4）拉脱力判据：计算合拉脱力必须小于许用拉脱力：q＜[q]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：第40页/共51页417.5.3温差应力的补偿目的：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：

1.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。

2.装设挠性构件壳体上安装膨胀节；（见书P217图7-38）将直管制成带S形弯的管。如氨合成塔内的冷管：第41页/共51页423.采用壳体与管束自由伸缩的结构（1）填料函式换热器第42页/共51页43填料函结构之三第43页/共51页44

（2）浮头式换热器第44页/共51页45浮头式换热器结构之二第45页/共51页464.套管式结构

如三十万吨合成氨装置中的废热锅炉；第46页/共51页47氨合成塔中双套管式触煤筐冷管结构第47页/共51页487.5.4膨胀节结构及设置——装在固定管板式换热器上的挠性元件。1.膨胀节的作用及结构形式：作用：对管子与壳体的膨胀变形差进行补偿，以消除或减小温差应力；2.结构形式：1）平板焊接膨胀节；2）波形膨胀节；第48页/共51页493）夹壳式膨胀节4