换热器的结构

U内径，管程可分成多样，壳程也可用纵向隔板分成多脏或对材料有腐蚀性的介质不能走壳，可以设置单波或多波膨胀节减小温差应力靠填料密封。对管换热器：管间不会产生温差应力。浮头端设计成可拆结法知道泄漏情况，所以装配时一片材料可采用翅距和翅片厚度可根据片管、绕片式翅片管、叠片式翅片管等，材料有碳换热面积的计算在管壳式换热器的设计中，确定了一种换热器的结构形式后，首先必须确定的一个重要因素是有效换热面积，换热面积的多少决定了换热器的大小。如果换热面积太小，使工艺过程不能实现，使换热器介质出口温度不能得到有效控制。如果换热面积太大，不仅造成材料的浪费，增加投资，而且增大了换热器的体积，使其占据过多的空间。计算换热面积的一个重要参数是总传热系数，它包括冷热介质的给热系数、介质的污垢系数和金属壁的传热系数。其中计算较为复杂的是介质的给热系数。介质的给热系数不仅与介质的物性有关，而且与介质的流动状态有关。介质的流动状态是由换热器的结构决定的，如果换热器的结构作很小改动，将引起介质流动状态作较大的变化。在一个换热器中，同一种介质的温度是不断变化的，所以在换热器中的不同位置，同一种介质的热力学数据因温度的不同而不同。在实际计算中，往往将一种介质分成许多个温度区域，在不同的温度区域，对介质的热力学数据作相应的计算。在换热器的设计过程中，换热面积的确定是最为关键的一步，它不仅需要计算方法正确严密，而且各种参数必须十分精确。换热器的分析计算过程是一个动态的计算过程，往往须不断地调整换热器的结构参数。而管壳式换热器的结构参数很多，其中一项的改变将会使计算结果产生很大变化，所以需要不断的反复，不仅要使换热面积满足需要，而且还应兼顾到其它许多因素，例如介质阻力情况等等。流体阻力的计算在管壳式换热器的分析设计中，流体的阻力计算是极为重要的，流体的阻力对于工艺过程是较为关键的参数，它不仅影响到整个系统的压力平衡，而且对于节能降耗也起到重要的作用。在实际生产中，常常由于流体阻力不适而使工艺过程难以实现。在管壳式换热器中，流体的阻力包括壳程流体的阻力及管程流体的阻力。壳程流体阻力包括介质进口管、出口管、换热管间、折流板缺口等处阻力。介质进出口管阻力可以通过改变进出口管的大小来进行调节。换热管间的介质阻力可以通过改变换热管间的介质流通面积来进行调节，例如改变换热管的布管形式，改变壳体直径，改变折流板间距等。折流板缺口处的介质阻力可以通过改变折流板缺口高度来进行调节。管程流体的阻力包括介质进出口管、换热管内、管箱等处阻力。介质进出口管阻力可以通过改变进出口管的大小来进行调节。换热管内的介质阻力可以通过改变换热管的数量，换热管的长度，换热管的直径以及管程数等来进行调节。管箱处的介质阻力可以通过改变管箱处的介质流通面积来进行调节。换热器中流体的阻力计算，应分别计算出换热器内部各处的流体阻力。只有掌握了介质阻力的分布情况，才能够通过有效调整换热器各处的结构尺寸来改变介质的阻力，从而满足工艺要求。管束震动分析对于管壳式换热器，一个容易被忽视的问题是换热管的振动。而换热管束的振动往往是换热管破坏的主要原因，使换热器过早报废。引起换热管振动的因素很多，也较复杂。当介质流量接近使换热管产生共振的临界流量时，将引起换热管束产生较大的振动。另外换热器内部介质的局部湍流、涡流也会引起换热管振动。换热管振动的位置较广，可以是某两个折流板间的所有换热管同时产生振动，或只有几排换热管产生振动。也可能是在介质进口或出口端的某些换热管适用于给热系数较低的流体。壳程压力降要求较小的流体特别适用。在实际生产受较低压力的介质。这种换热器的，而管束采用方形布管。结构可参见下产生振动。总之，换热管的振动可能发生在换热管束的任何一处或多处。换热器的管束振动分析，就是要确定换热管的振动位置以及振动性质，了解引产生振动。总之，换热管的振动可能发生在换热管束的任何一处或多处。换热器的管束振动分析，就是要确定换热管的振动位置以及振动性质，了解引起换热管产生振动的原因，从而消除换热管的振动。消除换热管振动的方法有很多，可以通过改变换热器的结构尺寸来改变换热管束的固有频率或流体的流动状态，从而消除换热管的振动。或者在换热管束的振动部位增加局部支撑板，来约束换热管的振动。换热器网络分析在一个工程系统中，往往不是对单一的某台换热器进行分析，常常是对由多个换热器组成的网络进行联合计算，其间还有一些其它设备(例如：阀门、混合、分离等设备)。下图为一个简单的换热器网络。对一个换热器网络应进行综合的考虑并进行系统的分析。在一个工程系统中，往往不是对单一的某台换热器进行分析，常常是对由多个换热器组成的网络进行联合计算，其间还有一些其它设备(例如：阀门、混合、分离等设备)。下图为一个简单的换热器网络。对一个换热器网络应进行综合的考虑并进行系统的分析。mmmmmKg材等应按照相应的标准进行设计。下面提供一氮气冷却器的受压元件强度计算，以供参考。该换热器为U形管式换热器，壳体直径500mm，管程设计压力3.8MPa，壳程设计压力0.6MPa。详细强度计算如下：氮气冷却器(U形管式换热器)筒体计算筒体简图计筒体简图计算压力Pc设计温度计算压力Pc设计温度ti材料试验温度许用应力[i材料试验温度许用应力[]设计温度许用应力[]t试验温度下屈服点16MnR(热轧)s钢板负偏差C1s钢板负偏差C1MPaMPammmm2焊接接头系数0焊接接头系数0计算厚度有效厚度计算厚度有效厚度名义厚度重量6=6=6-C-C=en126=n压力试验时应力校核压力试验类型液压试验MPaMPaPMPaMPaPP=T压力试验允许通过的应力水平[]TMPa试MPa===TT合格校核条件校核结果压力及应力计算换热器强度计算压力及应力计算MPaMPa=w确=w确定了换热器的结构及尺寸以后，必须对换热器的所有受压元件进行强度计算。因为管壳式换热器一般用于压力介质的工况，所以换热器的壳体大多为压力容器，必须按照压力容器的标准进行计算和设计，对于钢制的换热器，我国一般按照GB150<<钢制压力容器>>标准进行设计，或者美国ASME标准进行设计。对于其它一些受压元件，例如管板、折流板等，可以按照我国的GB151<<管壳式换热器>>或者美国TEMA标准进行设计。对于其它材料的换热器，例如钛材、铜MPa==MPaMPa合格论氮气冷却器前端管箱筒体计算计算条件MPa计算条件MPammc设计温度ti0Cr0Cr18Ni9(板材)MPaMPaMPaMPaMPaMPammmm设计温度许用应力[]t试验温度下屈服点s钢板负偏差C1腐蚀裕量C2焊接接头系数0厚度及重量计算mmmmmmmmmmKg6=6=6=6-C-C=en126=n名义厚度重量压力试验时应力校核液压试验PP液压试验PP=TMPaMPa试验压力值=压=s的应力水平[]sTMPa试MPa===TT合格校核条件校核结果压力及应力计算最大允许工作压力==w设计温度下计算应力==结论合格氮气冷却器前端管箱封头计算c设计温度tii材料试验温度许用应力[]设计温度许用应力[]t1腐蚀裕量C2焊接接头系数0形状系数计算厚度有效厚度最小厚度名义厚度论重量最大允许工作压力椭圆封头简图mm椭圆封头简图mmmmmmKMPammmm0Cr18Ni9(板材)MPaMPammmm厚度及重量计算==mm6=6=6-C-C=en12=min6=n满足最小厚度要求Kg压力计算MPa==w氮气冷却器后端壳程封头计算MPaMPaMPac设计温度tii材料试验温度许用应力[]计算条件16MnR(热轧)椭圆封头简图MPammmmMPaMPammmm设计温度许用应力MPammmm1腐蚀裕量C2焊接接头系数0厚度及重量计算形状系数K==KmmmmmmmmmmmmKgMPa6=6=6=6-C-C=en12=min6=n满足最小厚度要求最小厚度名义厚度论重量压力计算最大允许工作压力==w论论氮气冷却器管板计算设计条件壳程设计压力管程设计压力壳程设计温度管程设计温度壳程筒体壁厚管程筒体壁厚管程筒体腐蚀裕量C换热器公称直径5换热管使用场合管板与法兰或圆筒连接方式(abcd型)换热管与管板连接方式(胀接或焊接)材料(名称及类型)名义厚度管强度削弱系数刚度削弱系数一般场合焊接0Cr18Ni9MPaMPammmmmmmmmmmmmm2mmmm2mmMPaMPaMPammmmmmmmmmmm根mmMPa隔板槽面积换热管与管板胀接长度或焊脚高度l设计温度下管板材料弹性模量设计温度下管板材料许用应力许用拉脱力1板管程侧隔板槽深h2壳程腐蚀裕量0Cr180Cr18Ni9材料名称热管子壁厚换热管中心距S软垫片软垫片垫片材料压紧面形式垫垫mmmmmmmmmmMPaMPaMPaMPammmmmmo垫片内径Di垫片厚度6g垫片接触面宽度垫片压紧力作用中心园直径DG管板材料弹性模量管板材料弹性模量管箱圆筒材料弹性模量壳程圆筒材料弹性模量管板延长部分形成的凸缘宽度壳体法兰或凸缘厚度管箱法兰或凸缘厚度参数计算管板布管区面积三管板布管区面积列正方形排列一根换热管管壁金属横截面积管板开孔前一根换热管管壁金属横截面积管板开孔前抗bcd弯刚度管板布管区当量直径a型其他数按按=按按=0数ad型=0a,c=0b,d型a型=0其他旋转刚度无量数数按和a管板计算厚度型管板名义厚度管板中心处=0径=0b布管区周边=0处cmm和查图得:=和和查图得:=和管板厚度或管板应力计算mmmmMPaMPaMPad径向应力型边缘处径向应=0=0计算结果MPaMPaMPa力=0换热管轴向应力计算及校核:MPa(单位)计算工况计算公式只有壳程设计压力,||管程设计压力=0:≤只有管程设计压力,||=壳程设计压力=0:≤壳程设计压力,管程||设计压力同时作用:≤换热管与管板连接拉脱力校核3.21≤[q]校核合格重量校核合格合格合格MPaKg氮氮气冷却器管箱法兰强度计算设计条件设计压力p计算压力pc设计温度t轴向外载荷FMPaMPaN外力矩M壳材料名称体许用应力法材料名称许用[s]f兰应力[s]tf材料名称螺许用[s]b应力[s]tb栓公称直径dB螺栓根径d1数量n垫结构尺寸mm材料类型压紧面形状0Cr18Ni9#40CrDoDoADbe软垫片N软垫片片b0≤6.4mmb=b0预紧状态下需要的最小螺栓载荷Wa操作状态下需要的最小螺栓载荷Wp所需螺栓总截面积Am实际使用螺栓总截面积Ab操pcN螺栓Wp=FpAb=作MpFG=FpFT=F-FDNNLG=0.5(LT=0.5(LALG)外压:Mp=FD(LD-LG)+FT(LT-LG预紧NMaMPaMPaMPaMPaMPammmm个yDGhmbb0>6.4mmDG=D外-2b受力计算N+F=1127044.1Nmm2mm2矩计算mmMD=FDLDDb-DG)mmMG=FGLG+d1+mmMT=FTLT);内压:Mp=MD+MG+MTMp=47842568.0mm计计算力矩Mo=Mp螺栓间距校核实际间距最小间距最大间距形状常数确定整体法兰松式法兰由得ψ=δf=1.44剪应力校核预紧状态操作状态结论MPa=205.5或=342.5(按整体法兰设计的任意式法兰,取)校核合格校核合格校核合格计算值MPaMPa输入法兰厚度δf=46.0计算值许用值mm时,法兰应力校核许用值9-49-6径向应力切向应力综合应力性质轴向应力法松式兰mmmmmm整体兰校核合格结论MPaMPaMPa法与010mmmm2137mmmmmm应力校核合格校核合格氮气冷却器开孔补强计算计算方法:简图设计条简图c设计温c设计温度℃壳体型式壳体材料名称及类型圆形筒体0Cr18Ni9板材壳体开孔处焊接接头系数φ00i00in壳体厚度负偏差C12壳体材料许用应力[σ]t接管实际外伸长度接管实际内伸长度接管焊接接头系数接管腐蚀裕量mmmmmmMPa接管材料名称及类型补强圈材料名称0Cr18Ni9管材补强圈外径补强圈厚度接管厚度负偏差Cmm接管厚度负偏差CmmMPa1r补1r补强圈许用应力[σ]t接管材料许用应力[σ]t开孔补强计算t0505接管材料强度削弱系数frrrmm补强区有效宽度Bmmmm补强区有效宽度Bmm接管有效内伸长度h效外伸长度h121开孔削弱所需的补强面积AA开孔削弱所需的补强面积AA1mm2补强区内的焊缝面积A323123Amm24123等面积补强120mmMPammmmmmmm2mm2mm2结论:补强满足要求,不需另加补强。氮气冷却器开孔补强计算计算方法:GB150-1998等面积补强法,计算方法:GB150-1998等面积补强法,单孔简图设计条件MPaMPac圆形筒体圆形筒体16MnR(热轧)壳体型式壳体材料名称及类型板材壳体开孔处焊接接头系数φ08010801mmmmmmmmMPai壳体开孔处名义厚度δn壳体厚度负偏差C1壳体腐蚀裕量C2壳体材料许用应力[σ]t012mm012mmmmmmmmmm接管材料名称及类型补强圈材料名称20(GB8163)管材接管实际内伸长度接管焊接接头系数接管腐蚀裕量补强圈外径补强圈厚度接管厚度负偏差Cmm接管厚度负偏差Cmm130MPa1t11t接管材料许用应力[σ]接管材料许用应力[σ]t开孔补强计算补强圈强度削弱系数补强圈强度削弱系数frr0效外伸长度ht接管材料强度削弱系数fr2030mm补强区有效宽度2030mm接管有效内伸长度h121开孔削弱所需的补强面积AA开孔削弱所需的补强面积AA1mm2补强区内的焊缝面积A323123123mm24结论:补强满足要求,不需另加补强。氮气冷却器开孔补强计算mmMPammmmmmmm2mm2mm2设计条件c壳体型式壳体材料名称及类型圆形筒体16MnR(热轧)板材壳体开孔处焊接接头系数φ壳体内直径D500i壳体开孔处名义厚度δ8n壳体厚度负偏差C1壳体腐蚀裕量C2壳体材料许用应力[σ]t01接管实际外伸长度接管实际内伸长度接管焊接接头系数接管腐蚀裕量补强圈外径补强圈厚度接管厚度负偏差C1t接管材料许用应力[σ]t补强圈强度削弱系数frr效外伸长度h1开孔削弱所需的补强面积AA2123补强圈面积A4结论:补强满足要求,不需另加补强。换热器分析实例MPa℃mmmmmmmmMPa100mm0mm12mmmmmmmm130MPa开孔补强计算mm0mmmmmm2mm2mm2计算方法:GB150-1998等面积补强法,单孔简图70°C升高到315.6°C。壳程介质为甲烷化气，温度由346.4°计算方法:GB150-1998等面积补强法,单孔简图为复杂，介质温度梯度较大；管壳程介质组分较多(其中包括氮气、氢气、甲烷、氩气、一氧化碳、水共六种组分)；换热管较长，长度为12.5米；折流板数量较多，其数量为32块；换热管数目较多，其数目共为1787根。这台换热器在整个系统中十分重要，不仅要求具有良好的换热效果，而且必须完全控制介质阻力。由下面的分析报告可以看出，换热面积的富裕量仅为7.8%,节