化工设备机械基础7 管壳式换热器副本课件.ppt
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1、第7章 管壳式换热器,第一节 管壳式换热器的总体结构第二节 管壳式换热器的主要零部件第三节 管壳式换热器的选用及设计流程第四节 其它形式换热器简介,第7章 管壳式换热器第一节 管壳式换热器的总体结构,(1)换热器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11 40 。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)根据不同的目的,换热器可以是热交换器、加热器、冷却器、蒸发器、冷凝器等。,第一节 管壳式换热器的总体结构,一、概述,(1)换热器是许多工业部门广泛应用的通用工艺设备。通常,在化,(3)衡量一台换热器好坏的标准。,c.可靠性,
2、满足操作条件 ,强度足够,保证使用寿命,b.合理性,a.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,c.可靠性满足操作条件 ,强度足够,保证使用寿命b.合理性,化工生产对换热设备提出的要求是: 传热效率高,流体阻力小; 强度、刚度、稳定性足够; 结构合理,节省材料,成本较低; 制造、装拆、检修方便等。,化工生产对换热设备提出的要求是:,(4)任何一种换热器不可能十全十美。板式换热器传热效率高、金属消耗量低,但流体阻力大、强度和刚度差,制造、维修困难。列管式换热器虽在传热效率、紧凑性、金属消耗量等方面均不如板式换热器,但其结构坚固、可靠程度高、适应性强、材料范围广,因而目前仍
3、是石油、化工生产中,尤其是高温、高压和大型换热器的主要结构型式。,第一节 管壳式换热器的总体结构,一、概述,(4)任何一种换热器不可能十全十美。第一节 管壳式换热器的总,管壳式换热器是把换热管束与管板连接后,再用筒体与管箱包起来,形成两个独立的空间:管内通道及与其相贯通的管箱,称为管程空间;换热管外的通道及与其贯通的部分,称为壳程空间。,二、管壳式换热器的种类及其结构,管壳式换热器是把换热管束与管板连接后,再用筒体与管箱包,1 列管式换热器的主要结构:,1 列管式换热器的主要结构:,化工设备机械基础7_管壳式换热器-副本课件,2 列管式换热器的工作原理:,列管式换热器,2 列管式换热器的工作原
4、理:列管式换热器,列管式换热器的主要类型,从结构上分,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,列管式换热器的主要类型从结构上分固定管板式换热器浮头,固定管板式换热器结构图,(1)固定管板式换热器,固定管板式换热器结构图 (1)固定管板式换热器,带膨胀节的固定管板式换热器结构图,(1)固定管板式换热器,带膨胀节的固定管板式换热器结构图 (1)固定管板式换热器,(1)固定管板式换热器1)、结构特点:两块管板均与壳体相焊接,并加入了热补偿原件膨胀节。2 )、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。3)、缺点:不易清洗壳程,壳体和
5、管束中可能产生较大的热应力。冷热流体温差不能太大(50)4)、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。,(1)固定管板式换热器,折流板:提高壳程流体的流速和湍动程度。,隔板:增加管程数,提高管内流体流速。流速增加,传热效率提高;但流动的阻力也同时增加。,折流板:提高壳程流体的流速和湍动程度。隔板:增加管程数,提高,膨胀节的作用:由于两块管板都与壳体固定,当壳体、换热管受热、受压都会发生变形,加入膨胀节减少热应力来吸收热膨胀差。,当壳体和管子之间的温差较大(6070 )且壳体承受压力不太高时,可采用补偿圈(又称膨胀节)。,膨胀节的作用:由于
6、两块管板都与壳体固定,当壳体、换热管受热、,化工设备机械基础7_管壳式换热器-副本课件,(2)浮头式换热器,(2)浮头式换热器,浮头式换热器结构图,(2)浮头式换热器,浮头式换热器结构图(2)浮头式换热器,(2)浮头式换热器,浮头结构图,1 浮动管板 2 浮头钩圈法兰相连 3 浮头盖,(2)浮头式换热器浮头结构图1 浮动管板 2,化工设备机械基础7_管壳式换热器-副本课件,1)结构复杂,制造成本高;2)在壳体直径相同时,排管数量少,换热面积小;3)浮头处发生内漏不易发现;4)换热管束与壳体之间的环隙大,传热效率低;5)管束可以抽出,便于清洗;6)管壳间不产生温差应力,可适用于高温差、粘度大介质
7、换热场合。,炼油厂广泛采用!,1)结构复杂,制造成本高;炼油厂广泛采用!,(3)U型管式换热器:,(3)U型管式换热器:,(3)U型管式换热器:,(3)U型管式换热器:,(3)U形管式换热器,U型管式换热器的特点:,优点:管子在管壳内自由伸缩,适于冷热流体温差较大的情况;,U型换热管可拉出壳外,便于管外清洗;,结构简单(只有一块管板,无后管板和浮头),耐高温高压。,缺点:管内清洗困难,难于安装折流板;换热管少(等壳径情况下),结构不紧凑。,(3)U形管式换热器U型管式换热器的特点:优点:管子在管,2) 、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。,U型管式换热管箱器
8、 结构图,U型换热管结构图,2) 、适用场合:特别适用于管内走清洁而不易结垢的高温、高压,(4)填料函式换热器,1)、结构特点:该换热器的结构与浮头式换热器的结构相似,只是浮头伸到了壳体外,浮头与壳体之间采取填料函式密封。,填料函式密封,填料函式换热器,(4)填料函式换热器1)、结构特点:该换热器的结构与浮,化工设备机械基础7_管壳式换热器-副本课件,2)、优点:结构简单,加工制造方便,造价低,管内和管间清洗方便。,3)、缺点:填料处易泄漏。4)、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。,2)、优点:结构简单,加工制造方便,造价低,管
9、内和管间清洗方,列管式换热器优 点缺 点固定管板式结构较简单,30,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,请说说序号2、3、8、12、21各代表什么零件?,30换热器构件名称1-管箱(A,B,C,D型);2-接管法兰,第二节 管
10、壳式换热器的主要零部件,一、壳体,(一)固定管板式换热器中轴向内力分析与计算(二)壳体壁厚的确定,提示:本节将介绍管壳式换热器壳体设计、换热管选择、管板、管箱、折流板及其相关联接形式等主要零部件的结构设计等。,第二节 管壳式换热器的主要零部件一、壳体(一)固定管板式换热,(一)固定管板式换热器中轴向内力分析与计算 壳体与管束通过管板刚性连接在一起,它与一般容器壳体不同之处是,在确定其厚度时要验算其轴向应力。,截面法:力平衡,变形协调方程 (EsEb),1.由介质内压引起的轴向力,(一)固定管板式换热器中轴向内力分析与计算截面法:力平衡变形,从计算结果可以看出,固定管板式换热器的壳体,在承受介质
11、内压时,由于有管束的帮助,其轴向应力比一般容器还要小,所以由内压引起的轴向应力在总的轴向应力中占的比例很小,主要需要考虑的是下面要讨论的热应力。,壳体与管壁内轴向应力的计算,从计算结果可以看出,固定管板式换热器,(一)固定管板式换热器中轴向内力分析与计算,2.由管束与壳体温差引起的热应力,t= t(tt一t0)L,s= s(ts一t0)L,(一)固定管板式换热器中轴向内力分析与计算2.由管束与壳体温,35,温差应力的产生:,2.由管束与壳体温差引起的热应力,35温差应力的产生:2.由管束与壳体温差引起的热应力,36,36,37,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
12、管板的作用:,假设 管壁温度壳壁温度,37管子拉脱力的计算限于管子与管板胀接情况。1).介质,38,2).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,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,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 tat 。则拉脱力为:,(3)合拉脱力:两者使管子受力
13、方向相同取之和; 两者使管子受力方向相反取之差。,39介质压力p,取管程压力和壳程压力两者中的较大者。(2)温,40,(4)拉脱力判据:,计算合拉脱力必须小于许用拉脱力: qq,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:,40(4)拉脱力判据:计算合拉脱力必须小于许用拉脱力: q,41,3) 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: a.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。 b.装设挠性构件
14、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:,413) 温差应力的补偿目的:解决壳体与管束轴向变形的不一,42,c.采用壳体与管束自由伸缩的结构,(1)填料函式换热器,42c.采用壳体与管束自由伸缩的结构(1)填料函式换热器,43,填料函结构之三,43填料函结构之三,44,(2)浮头式换热器,44 (2)浮头式换热器,45,浮头式换热器结构之二,45浮头式换热器结构之二,46,4) 膨胀节结构及设置,装在固定管板式换热器上的挠性元件。a.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;b.结构形式:(1)平板焊
15、接膨胀节;(2)波形膨胀节;,464) 膨胀节结构及设置装在固定管板式换热器上的挠性,47,(3)夹壳式膨胀节,(4)波纹管,47(3)夹壳式膨胀节(4)波纹管,当壳体受轴向拉伸时,其强度条件:,(二).壳体壁厚的确定,1.设计按压力容器壁厚计算公式计算,2.校核轴向应力(介质应力与热应力),公式?,注:s为壳体应力,并非屈服极限,当壳体受轴向拉伸时,其强度条件:(二).壳体壁厚的确定1.设,换热器壳体的公称直径以400mm为基数,以100mm为进级挡。和卷制容器筒体稍有不同的是,必要时也可采用50mm为进级挡。 DN不大于400mm的壳体,可以用钢管制作。 换热器壳体最小壁厚远大于一般容器,
16、其规定见表162。,换热器壳体的公称直径以400mm为基数,二、管束,1、换热管的尺寸、规格及材料,二、管束1、换热管的尺寸、规格及材料,换热管换热管是管壳式换热器的传热元件,主要通过管壁的内外面进行传热,所以换热管的形状、尺寸和材料,对传热有很大的影响。 小管径且管壁较薄的管子在相同的壳径内可以排列较多的管子,使换热器单位体积的传热面积增大、结构紧凑,单位传热面积金属耗量少,传热效率也稍高一些,但制造麻烦,且易结垢,不易清洗。,换热管,换热管材料,由压力、温度、介质的腐蚀性能决定。主要有碳素钢、合金钢、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
17、金属材料,石墨,陶瓷,聚四氟乙烯等,换热管材料由压力、温度、介质的腐蚀性能决定。主要有碳素钢、合,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。,管子选用,要注意,一般对清洁流体用小直径管子,粘性较大的或污染的流体采用大直径管子。 我国管壳式换热器常用换热管为:碳钢、低合金钢管(外径壁厚): 192、 252.5、 383、 573.5 ;不锈钢管 252、 382.5。,长度规格:1、1.5、2.0、2.5、3.0、4.5、6.0、7.5、9.0、12.0m,在炼油厂所用的换热器中最常用的是6m管长。换热管一般都用光管,为了强化传热,也可用螺纹管、带
18、钉管及翅片管。换热器的长度与公称直径之比(L/D),一般为425,常用的为610,立式换热器多为46。,一般对清洁流体用小直径管子,粘性较大的或污染的流体采,2、换热管在管板上的排列方式,有正三角形、转角正三角形、正方形和转角正方形、同心圆等。如图所示。,流体流动方向,流体流动方向,正三角形,转角正三角形,(1) 三角形排列,2、换热管在管板上的排列方式 有正三角形、转角正三角形,正三角形排列的管束,正三角形最普遍,因为在相同的管板面积上排管最多,结构紧凑,同一板上管子比正方形多排10%左右,但管外清洗不方便;,适用于壳程介质污垢少,且不需要进行机械清洗的场合。,正三角形排列的管束 正三角形最
19、普遍,因为在相同的管板面,管板,焊接管口,管板焊接管口,流体流动方向,流体流动方向,正方形,转角正方形,正方形排管少,结构不够紧凑,但管外清洗较方便。一般在固定管板式换热器中多用三角形排列,浮头式换热器、填料函式换热器中多用正方形排列。,换热管排列图,(2) 正方形排列,流体流动方向流体流动方向正方形转角正方形 正方形排管少,正三角形与转角正方形排列时,流体在垂直流向拆流板缺口时,正对换热管,冲刷换热管外表面,可提高换热效果。同时,此二种排列方式较转角正三角形和正方形排列的流体通道截面小,有利于提高流速,提高换热效率。,流体流动方向,转角正方形,流体流动方向,正三角形,隆重排荐,正三角形与转角
20、正方形排列时,流体在垂直流向拆流板缺口,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。,(3)组合排列,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,(4)同心圆排列法,同心圆排列结构紧凑,在换热直径较小时,排管数比三角形排列法的管数多,换热面积最大。优点是靠近壳体的地方布管均匀,介质不易走短路。可用于制氧设备中或大型蒸发装置中。同心圆排列由于管间距不等使得壳程各处压力不等,流体容易从阻力小的地方漏流,较少采用。,无论何种排列方式,最外圈换热管外壁与壳体壁间的距离均不应小于换热管外径的1/4,且不小于810mm。,(
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