化工设备机械基础(设备部分)教案 第一章概述 第一节绪言 本课程的任务 了解压力容器的基础知识;掌握压力容器的一般设计方法,重点掌握设计的基本原理与思路 说明:由于工业生产中约10%~40%的设备为换热设备,而换热设备中最为常见、普遍的是管壳式换 热器,故在本课程中我们将以管壳式换热器为例,学习压力容器的具体设计方法,包括选择材料、结构 设计,受压元件的强度计算,以及设计、制造、检验中的相关要求等。) 、本课程的要求 通过这门课程的学习,要求同学们掌握如下的内容: 1、掌握压力容器的类型与总体结构 2、了解管壳式换热器的形式与总体结构: 3、掌握管壳式换热器的结构设计的相关知识 4、了解管壳式换热器各元件的强度设计(掌握筒体及封头的设计) 5、了解管壳式换热器中的振动与防振 6、了解管壳式换热器的设计以、制造、检验中的相关要求 第二节化工容器概述 压力容器的概念 化工设备一一工艺过程中静止设备的总称。 2.容器—化工设备外壳的总称。 3.压力容器—一承受压力载荷作用的容器 (由于化工容器几乎都承受压力载荷,通常直接称其为压力容器。化工容器的特点:为高温、高压, 介质易燃易爆、有毒。) 、化工容器的结构组成 化工容器一般由筒体、封头、支座(基本件)、接管、法兰(对外连接件)、亼孔、手孔、液面让(附 件)以及一些内构件等零部件组成 筒体、對头:就如同房子四周的墙,它是构成容器空间的主要部件(属主要受压元件)。壳体按形状 的不同,可以分为圆筒壳体、圆锥壳体、球壳体、椭圆壳体、矩形壳体等等。而封头有椭圆形封头、半 球形封头、碟形封头、锥形封头及平板封头等。 2.接管:是介质进出容器的通道 3.法兰:是容器及接管的可拆连接装置,分为设备法兰和管法兰(属主要受压元件)。 4.支座:是用于支承容器的部件。 5.人孔、手孔:是为便于制造、检验和维护管理而设置的部件(属主要受压元件)。 6.液面计:用于观察或监控液位的部件(属安全附件,此外还有安全阀、压力表等) 、化工容器的分类 容器的分类方法很多,可以按生产过程中的作用原理分,也可以按容器形状、承压性质、结构材料、 设计压力高低及安全监察要求分。 按材料分类:金属容器、非金属容器、复合材料容器等. 按容器形状分类:矩形容器、球形容器、圆筒形容器等 按承压性质分类:内压容器和外压容器两种。 1)外压容器是指容器外部压力大于内部压力的情况,特别地,当外压为常压时的外压容器,又称为
化工设备机械基础(设备部分)教案 - 1 - 第一章 概述 第一节 绪言 一、本课程的任务 了解压力容器的基础知识;掌握压力容器的一般设计方法,重点掌握设计的基本原理与思路。 (说明: 由于工业生产中约 10%~40%的设备为换热设备,而换热设备中最为常见、普遍的是管壳式换 热器,故在本课程中我们将以管壳式换热器为例,学习压力容器的具体设计方法,包括选择材料、结构 设计,受压元件的强度计算,以及设计、制造、检验中的相关要求等。) 二、本课程的要求 通过这门课程的学习,要求同学们掌握如下的内容: 1、掌握压力容器的类型与总体结构; 2、了解管壳式换热器的形式与总体结构; 3、掌握管壳式换热器的结构设计的相关知识; 4、了解管壳式换热器各元件的强度设计(掌握筒体及封头的设计); 5、了解管壳式换热器中的振动与防振; 6、了解管壳式换热器的设计以、制造、检验中的相关要求。 第二节 化工容器概述 一、压力容器的概念 1.化工设备——工艺过程中静止设备的总称。 2.容器——化工设备外壳的总称。 3.压力容器——承受压力载荷作用的容器。 (由于化工容器几乎都承受压力载荷,通常直接称其为压力容器。化工容器的特点:为高温、高压, 介质易燃易爆、有毒。) 二、化工容器的结构组成 化工容器一般由筒体、封头、支座(基本件)、接管、法兰(对外连接件)、人孔、手孔、液面计(附 件)以及一些内构件等零部件组成。 1.筒体、封头:就如同房子四周的墙,它是构成容器空间的主要部件(属主要受压元件)。壳体按形状 的不同,可以分为圆筒壳体、圆锥壳体、球壳体、椭圆壳体、矩形壳体等等。而封头有椭圆形封头、半 球形封头、碟形封头、锥形封头及平板封头等。 2.接管:是介质进出容器的通道。 3.法兰:是容器及接管的可拆连接装置,分为设备法兰和管法兰(属主要受压元件)。 4.支座:是用于支承容器的部件。 5.人孔、手孔:是为便于制造、检验和维护管理而设置的部件(属主要受压元件)。 6.液面计:用于观察或监控液位的部件(属安全附件,此外还有安全阀、压力表等)。 三、化工容器的分类 容器的分类方法很多,可以按生产过程中的作用原理分,也可以按容器形状、承压性质、结构材料、 设计压力高低及安全监察要求分。 按材料分类:金属容器、非金属容器、复合材料容器等. 按容器形状分类:矩形容器、球形容器、圆筒形容器等。 按承压性质分类:内压容器和外压容器两种。 (1)外压容器是指容器外部压力大于内部压力的情况,特别地,当外压为常压时的外压容器,又称为
化工设备机械基础(设备部分)教案 真空容器。 (2)内压容器是指容器内部的压力大于外部压力的容器 按设计压力高低分类 内压容器按其设计压力高低,可分为:低压容器、中压容器、高压容器、超高压容器 容器分类 设计压力Mha) 低压容器 0.1≤P<1.6 中压容器 1.6≤P<10 高压容器 10≤P<100 超高压容器 P≥100 按照在生产过程中的作用原理分类:反应容器、换热容器、分离容器和储存容器四种 (1)反应容器:完成介质的物理、化学反应。如:合成塔、反应釜、聚合釜、反应器、发生器等。 (2)换热容器:完成介质的热量交换。如:热交换器、加热器、冷却器、冷凝器、废热锅炉等, (3)分离容器:完成介质的压力平衡和气体净化等。如:分离器、过滤器、缓冲器、洗涤器、吸收塔 (4)储存容器:盛装生产生活用的原料气体、液体、液化气体等。如:各种贮槽、贮罐、高位槽、槽 车等。 按安全监察要求分类 根据容器承受的压力、介质危害程度、P*V乘积及生产过程中的重要性,可以分为 三类容器 展开讲述 四、化工容器机械设计的基本要求 容器的设计,包括零部件的机械设计,应该满足下面八个方面的基本要求 1、强度——元件能抵抗外力破坏的能力 2、刚度——构件抵抗外力使其不发生变形的能力 3、稳定性一一容器在外力作用下维持其原有形状的能力: 4、耐久性一一满足容器的使用年限的要求 5、密封性一—保证安全和维持正常的操作条件 6、节省材料和便于加工制造 、方便操作和便于运输 8、技术经济指标合理。 五、容器零部件的标准化 所谓标准化,就是为了提高产品的设计制造质量及效率、增加互换性、便于维修、降低成本而人为 规定将零部件按参数等级而系列化的行为 容器标准化的基本参数是:公称压力PN、公称直径DN。 1、容器的公称直径 对于钢板卷制的筒体和及其封头一一内径 对于无缝钢管制作的筒体及其封头一一外径 2、法兰的公称直径—是指与它相配的筒体或管子的公称直径 法兰的公称压力一一为法兰的标准化而人为等级化了的压力系列。(简述标准法兰选取:类型、密封面、 PN与DN、允许最高无冲击工作压力。) 3、管子的公称直径—一是指与管子外径相对应的值. 第三节管壳式换热器的形式和总体结构 、换热器的分类 换热器是用于将高温流体的热量向低温流体传输的传热设备的总称,它广泛用于石油、化工、电力
化工设备机械基础(设备部分)教案 - 2 - 真空容器。 (2)内压容器是指容器内部的压力大于外部压力的容器。 按设计压力高低分类: 内压容器按其设计压力高低,可分为:低压容器、中压容器、高压容器、超高压容器 容器分类 设计压力(Mpa) 低压容器 中压容器 高压容器 超高压容器 0.1≤P<1.6 1.6≤P<10 10≤P<100 P≥100 按照在生产过程中的作用原理分类:反应容器、换热容器、分离容器和储存容器四种 (1)反应容器:完成介质的物理、化学反应。如:合成塔、反应釜、聚合釜、反应器、发生器等。 (2)换热容器:完成介质的热量交换。如:热交换器、加热器、冷却器、冷凝器、废热锅炉等。 (3)分离容器:完成介质的压力平衡和气体净化等。如:分离器、过滤器、缓冲器、洗涤器、吸收塔 等。 (4)储存容器:盛装生产生活用的原料气体、液体、液化气体等。如:各种贮槽、贮罐、高位槽、槽 车等。 按安全监察要求分类: 根据容器承受的压力、介质危害程度、P*V 乘积及生产过程中的重要性,可以分为:一、二、三类容器。 (展开讲述) 四、化工容器机械设计的基本要求 容器的设计,包括零部件的机械设计,应该满足下面八个方面的基本要求: 1、强度——元件能抵抗外力破坏的能力; 2、刚度——构件抵抗外力使其不发生变形的能力; 3、稳定性——容器在外力作用下维持其原有形状的能力; 4、耐久性——满足容器的使用年限的要求; 5、密封性——保证安全和维持正常的操作条件; 6、节省材料和便于加工制造; 7、方便操作和便于运输; 8、技术经济指标合理。 五、容器零部件的标准化 所谓标准化,就是为了提高产品的设计制造质量及效率、增加互换性、便于维修、降低成本而人为 规定将零部件按参数等级而系列化的行为。 容器标准化的基本参数是:公称压力 PN、公称直径 DN。 1、容器的公称直径 对于钢板卷制的筒体和及其封头——内径 对于无缝钢管制作的筒体及其封头——外径 2、法兰的公称直径——是指与它相配的筒体或管子的公称直径。 法兰的公称压力——为法兰的标准化而人为等级化了的压力系列。(简述标准法兰选取:类型、密封面、 PN 与 DN、允许最高无冲击工作压力。) 3、管子的公称直径——是指与管子外径相对应的值. 第三节 管壳式换热器的形式和总体结构 一、换热器的分类 换热器是用于将高温流体的热量向低温流体传输的传热设备的总称,它广泛用于石油、化工、电力
化工设备机械基础(设备部分)教案 食品等工业部门,并且占有相当重要的地位。换热器的种类划分方法很多,方法也各不相同。 1)按其用途:可将换热器分为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器、再沸器等 2)披其传热方式和作用原理:可分为混合式换热器、蓄热式换热器、间壁式换热器等。其中间壁式 换热器为工业应用最为广泛的一种换热器。它按传热面形状可分为管式换热器、板面式换热器、扩展表 面换热器等。这其中又以管壳式换热器应用最为广泛,它通过换热管的管壁进行传热。具有结构简单牢 固、制造简便、使用材料范围广、可靠程度高等优点,是目前应用最为广泛的一种换热器 (在着重介绍管壳式换热器后,简要介绍其他类型换热器:混合式;蓄热式:板式;管翅式:套管式; 螺旋管式等) 、管壳式换热器的总体结构 1、管壳式换热器的主要元件:壳体、前后管箱、管板、管束、折流板或支持板、接管、法兰、(包 括管法兰与容器法兰)支座及附件等组成。 2、管壳式换热器的总体结构一般由前端管箱、壳体和后端结构三部分组成。 (1)前端管箱一一—是指有管程入口的那一则的管箱 (2)后端结构—一是指与前端管箱相应的另一则的管箱结构。 3)壳体—一是指处于前端管箱和后端结枃之间、由钢管或金属板焊接而构成的筒体。换热管置 于由壳体围成的空间中,两端与管板相连,管板与壳体及管箱相连,把换热器分为两大部分空间,即壳 程和管程。 3、管程与壳程 分程的目的:提高流速以提高传热系数,但程数不宜太多。 管程——换热器中的换热管内及与换热管相通的空间,称为管程。 壳程—一换热器中的换热管外及与其相通的空间,称为壳程 4、管程数与壳程数 管程数—一指介质在换热管内沿换热管长度方向往返的次数。一般为偶数,主要有1、2、4、6、8 10、12等 壳程数——指介质在壳程内沿壳体轴向往返的次数。一般为单壳程,最多双壳程。(说明多折流板 不表示多壳程,强调轴向往返次数) 几点说明:1、不是所有管壳式换热器都有后端管箱,如U形管式换热器则没有后端 管箱 多管程换热器在后管箱上无物料进出口。3、管壳式换热器支座一一卧式时为鞍式支座,而立式时为耳 座(也可为其他类型,但一般不用)。4、管箱详细结构第四章介绍。 三、管壳式换热器的形式 (讲述时针对教材中例图重点讲明各种换热器的特点及其原因) 管壳式换热器根据其结枃的不同,可以分为固定管板式换热器、浮头式换热器、U形管式换热器、填料 函式换热器、釜式重沸器等 1、固定管板式换热器 组成:管箱、管板、换热管、壳体、折流板或支撑板、拉杄、定距管等。 结构特点:管板与壳体之间采用焊接连接。两端管板均固定,可以是单管程或多管箱, 管束不可拆,管板可延长兼作法兰 优点:结构简单,制造方便,在相同管束情况下其壳体内径最小,管程分程较方便。 缺点:壳程无法进行机械清洗,壳程检査困难,壳体与管子之间无温差补偿元件时会产生较大的温差应 力,即温差较大时需采用膨胀节或波纹管等补偿元件以减小温差应力 2、浮头式换热器 组成:管箱、管板、换热管、壳体、折流板或支撑板、拉杄、定距管、钩圈、浮头盖等, 结构特点:一端管板与壳体固定,另一端管板(浮动管板)与壳体之间没有约束,可在壳体内自由浮动。 只能为多管程,布管区域小于固定管板式换热器,管板不能兼作法兰,一般有管束滑道
化工设备机械基础(设备部分)教案 - 3 - 食品等工业部门,并且占有相当重要的地位。换热器的种类划分方法很多,方法也各不相同。 (1)按其用途:可将换热器分为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器、再沸器等; (2)按其传热方式和作用原理:可分为混合式换热器、蓄热式换热器、间壁式换热器等。其中间壁式 换热器为工业应用最为广泛的一种换热器。它按传热面形状可分为管式换热器、板面式换热器、扩展表 面换热器等。这其中又以管壳式换热器应用最为广泛,它通过换热管的管壁进行传热。具有结构简单牢 固、制造简便、使用材料范围广、可靠程度高等优点,是目前应用最为广泛的一种换热器。 (在着重介绍管壳式换热器后,简要介绍其他类型换热器:混合式;蓄热式;板式;管翅式;套管式; 螺旋管式等) 二、管壳式换热器的总体结构 1、管壳式换热器的主要元件:壳体、前后管箱、管板、管束、折流板或支持板、接 管、法兰、(包 括管法兰与容器法兰)支座及附件等组成。 2、管壳式换热器的总体结构 一般由前端管箱、壳体和后端结构三部分组成。 (1)前端管箱——是指有管程入口的那一则的管箱。 (2)后端结构——是指与前端管箱相应的另一则的管箱结构。 (3)壳体——是指处于前端管箱和后端结构之间、由钢管或金属板焊接而构成的筒体。换热管置 于由壳体围成的空间中,两端与管板相连,管板与壳体及管箱相连,把换热器分为两大部分空间,即壳 程和管程。 3、管程与壳程 分程的目的:提高流速以提高传热系数,但程数不宜太多。 管程——换热器中的换热管内及与换热管相通的空间,称为管程。 壳程——换热器中的换热管外及与其相通的空间,称为壳程。 4、管程数与壳程数 管程数——指介质在换热管内沿换热管长度方向往返的次数。一般为偶数,主要有 1、2、4、6、8、 10、12 等。 壳程数——指介质在壳程内沿壳体轴向往返的次数。一般为单壳程,最多双壳程。(说明多折流板 不表示多壳程,强调轴向往返次数) 几点说明:1、不是所有管壳式换热器都有后端管箱,如 U 形管式换热器则没有后端 管箱。2、 多管程换热器在后管箱上无物料进出口。3、管壳式换热器支座——卧式时为鞍式支座,而立式时为耳 座(也可为其他类型,但一般不用)。4、管箱详细结构第四章介绍。 三、管壳式换热器的形式 (讲述时针对教材中例图重点讲明各种换热器的特点及其原因) 管壳式换热器根据其结构的不同,可以分为固定管板式换热器、浮头式换热器、U 形管式换热器、填料 函式换热器、釜式重沸器等。 1、固定管板式换热器 组成:管箱、管板、换热管、壳体、折流板或支撑板、拉杆、定距管等。 结构特点:管板与壳体之间采用焊接连接。两端管板均固定,可以是单管程或多管箱, 管束不可拆,管板可延长兼作法兰。 优点:结构简单,制造方便,在相同管束情况下其壳体内径最小,管程分程较方便。 缺点:壳程无法进行机械清洗,壳程检查困难,壳体与管子之间无温差补偿元件时会产生较大的温差应 力,即温差较大时需采用膨胀节或波纹管等补偿元件以减小温差应力。 2、浮头式换热器 组成:管箱、管板、换热管、壳体、折流板或支撑板、拉杆、定距管、钩圈、浮头盖等。 结构特点:一端管板与壳体固定,另一端管板(浮动管板)与壳体之间没有约束,可在壳体内自由浮动。 只能为多管程,布管区域小于固定管板式换热器,管板不能兼作法兰,一般有管束滑道
化工设备机械基础(设备部分)教案 优点:不会产生温差应力,浮头可拆分,管束易于抽出或插入,便于检修和清洗 缺点:结构较复杂,操作时浮头盖的密封情况检查困难 3、U形管式换热器 组成:管箱、管板、U形换热管、壳体、折流板或攴撑板、拉杄、定距管等。 结构特点:只有一个管板和一个管箱,壳体与换热管之间不相连,管束能从壳体中抽出或插入。只能为 多管程,管板不能兼作法兰,一般有管束滑道。总重轻于固定管板式换热器。 优点:结构简单,造价较低,不会产生温差应力,外层管清洗方便 缺点:管内清洗因管子成U形而较困难,管束内围换热管的更换较困难,管束的固有频率较低易激起振 4、填料函式换热器 组成:管箱、管板、管束、壳体、折流板或支撑板、拉杄、定距管、填料函等。 结构特点:一侧管箱可以滑动,壳体与滑动管箱之间采用填料密封。管束可抽岀,管板不兼作法兰 优点:填料函结构较浮头简单,检修清洗方便:无温差应力,(具备浮头式换热器的优点,消除了固定 管板式换热器的缺点)。 缺点:密封性能较差,不适用于易挥发、易燃、易爆和有毒介质 (简单介绍滑动管板式换热器,它是填料函式换热器的变形。它把填料函式换热器中的滑动管箱改进为 滑动管板,而管箱部分固定。另外简单介绍双管板结构。) 5、釜式重沸器 它是固定管板式换热器、浮头式换热器、U形管式换热器壳体的变形,主要是将壳程空间加倍增大, 结构上留有一定的蒸发空间。类似于现在的容积式换热器。(容积式换热器壳程介质一般为水,用于供 四、管壳式换热器的型号表示方法 、管壳式换热器型号的组成:mzDN-P-4-4NB-Mc Ⅹ—一前端管箱形式代号(如表1-1所示) Y—一壳体形式代号(如表1-1所示) Z—一后端结构形式代号(如表1-1所示) DN一换热器的公称直径(mm),对卷制圆筒为其内直径,对钢制圆筒为钢管的外径,对釜式重沸器, 用分数表示,分子为管箱内径、分母为壳体内径。 Ps、Pt—一分别表示管程、壳程设计压力(MPa),当管程壳程压力相等时只写Pt A—一公称换热面积(m2),是经圆整后的计算换热面积,即以换热管外径为基准,扣除伸入管板内的换 热管长度后,计算得到的管束外表面积。对于U形管,一般不包括弯管段的面积。 LN——换热器的公称长度(m),当换热管为直管时,取直管长度为其公称长度:;为U形管时,取U形管 直管段长度为换热器的公称长度。 d——换热管的外直径(m)。(强调d不是换热管公称直径) B——当换热管为Al、Cu、Ti管时分别记为Al、Cu、Ti;当换热管为钢制管时,不标记。 N、N一一分别为管程数和壳程数,单壳程时公标记N即可。 C——对于钢制换热管,I级管束时为I,I级管束时为II。工级管束是指釆用较髙级的髙级冷拨管的箮 s;I级管束是指采用普通冷拨管的管束 2、管壳式换热器标记示例:按教材P简介。 (重点介绍DN、A、LN、C的意义) 第四节管壳式换热器的选型 、选型时要考虑的因素
化工设备机械基础(设备部分)教案 - 4 - 优点:不会产生温差应力,浮头可拆分,管束易于抽出或插入,便于检修和清洗。 缺点:结构较复杂,操作时浮头盖的密封情况检查困难。 3、U 形管式换热器 组成:管箱、管板、U 形换热管、壳体、折流板或支撑板、拉杆、定距管等。 结构特点:只有一个管板和一个管箱,壳体与换热管之间不相连,管束能从壳体中抽出或插入。只能为 多管程,管板不能兼作法兰,一般有管束滑道。总重轻于固定管板式换热器。 优点:结构简单,造价较低,不会产生温差应力,外层管清洗方便。 缺点:管内清洗因管子成 U 形而较困难,管束内围换热管的更换较困难,管束的固有频率较低易激起振 动。 4、填料函式换热器 组成:管箱、管板、管束、壳体、折流板或支撑板、拉杆、定距管、填料函等。 结构特点:一侧管箱可以滑动,壳体与滑动管箱之间采用填料密封。管束可抽出,管板不兼作法兰。 优点:填料函结构较浮头简单,检修清洗方便;无温差应力,(具备浮头式换热器的优点,消除了固定 管板式换热器的缺点)。 缺点:密封性能较差,不适用于易挥发、易燃、易爆和有毒介质。 (简单介绍滑动管板式换热器,它是填料函式换热器的变形。它把填料函式换热器中的滑动管箱改进为 滑动管板,而管箱部分固定。另外简单介绍双管板结构。) 5、釜式重沸器 它是固定管板式换热器、浮头式换热器、U 形管式换热器壳体的变形,主要是将壳程空间加倍增大, 结构上留有一定的蒸发空间。类似于现在的容积式换热器。(容积式换热器壳程介质一般为水,用于供 暖。) 四、管壳式换热器的型号表示方法 1、管壳式换热器型号的组成: C Ns Nt B d LN A Ps Pt XYZ DN − − − − X——前端管箱形式代号(如表 1-1 所示) Y——壳体形式代号(如表 1-1 所示) Z——后端结构形式代号(如表 1-1 所示) DN——换热器的公称直径(mm),对卷制圆筒为其内直径,对钢制圆筒为钢管的外径,对釜式重沸器, 用分数表示,分子为管箱内径、分母为壳体内径。 Ps、Pt——分别表示管程、壳程设计压力(MPa),当管程壳程压力相等时只写 Pt。 A——公称换热面积(m 2),是经圆整后的计算换热面积,即以换热管外径为基准,扣除伸入管板内的换 热管长度后,计算得到的管束外表面积。对于 U 形管,一般不包括弯管段的面积。 LN——换热器的公称长度(m),当换热管为直管时,取直管长度为其公称长度;为 U 形管时,取 U 形管 直管段长度为换热器的公称长度。 d——换热管的外直径(mm)。(强调 d 不是换热管公称直径) B——当换热管为 Al、Cu、Ti 管时分别记为 Al、Cu、Ti;当换热管为钢制管时,不标记。 NT、NS——分别为管程数和壳程数,单壳程时公标记 NT 即可。 C——对于钢制换热管,I 级管束时为 I,II 级管束时为 II。I 级管束是指采用较高级的高级冷拨管的管 束;II 级管束是指采用普通冷拨管的管束。 2、管壳式换热器标记示例:按教材 P8 简介。 (重点介绍 DN、A、LN、C 的意义) 第四节 管壳式换热器的选型 一、选型时要考虑的因素
化工设备机械基础(设备部分)教案 换热器的选型,就是根据换热器的结构特点、使用条件、投资与运行费用等综合因素来选择一种相 对合理的换热器形式。在选型前,必须熟悉各种换热器的结构特点、工作特性,根据具体条件做出方案, 比较各方案做出最优的选择 1.选型时要考虑的因素有:材料、介质、压力、温度、温差、压降、结垢情况、检修清理方法等各种 2.安全因素—一是换热器选型时最主要因素。包括强度、刚度足够,结构可靠,满足密封要求,材料 与介质相容。(例温差应力的考虑、密封性的考虑等) 3.能完成工艺要求一一有足够的传热面积、介质有良好的有利于传热的流动状态,经济上较合理。(例 能否用U形管,管、壳程的清洗,是否分程,介质的黏度对流动的影响,是否须可拆结构等」 连.利于制造、安装和维修——制造较简单、运行性能良好、运行费用低等。 、选型的一般原则 温差不大、壳程介质结垢不严重、壳程能采用化学清洗时,选用固定管板式换热器。 温差较大时,可选用浮头式换热器、U形管式换热器、填料函式换热器和滑动管板式换热器 要对壳程进行机械清洗时,可选用管束可可抽出的结构。 高温高压时,可选用U形管式换热器 壳程介质为易燃、易爆、有毒或易挥发,以及使用压力、温度较高时,不宜采用填料函式换热器。 管程介质和壳程介质不允许相混时,可采用双管板结构的换热器 (讲述过程中举例具体说明) 第五节管壳式换热器的设计内容 管壳式换热器的设计包括下面五个方面的内容,这五方面相互交叉,不断调整 、结构设计:根据设计任务选择换热器的形式,初定出结构尺寸。(如管子外径、长度、筒体外径等) 、热力计算:计算所需的传热面积,调整尺寸使结构设计的传热面积大致等于计算的传热面积。 三、流体阻力计算:计算阻力降,保证阻力降在允许范围内。(压力将一般根据整个工艺流程确定) 四、强度、刚度和稳定性设计: 壳体直径的确定和壳体壁厚的计算 换热器封头的选择及厚度计算。 板强度计算及尺寸的确定。(含温差应力计算) 管子拉脱力的计算 支座的计算。(包括卧式与立式支座计算) 开孔补强计算等。 五、绘图:根据计算结果具体确定各种零部件的结构及一些标准件的选取,(如容器法兰、折流板与支 持板、拉杆与定距管等)然后绘制结构设计图和施工图 (简单介绍设计图中主要内容:技术要求、技术特性表、管口表、明细栏、标题栏、结构图、节点图、 图纸目录等) 第一章概述练习题 选择题 1、中压容器的设计压力范围P为:() (a)P≥10MP (b)1.6≤P<10MPa(c)10≤P<100MPa(d)根据容器的型式而定 2、容器标准化的基本参数有:() (a)公称压力PN(b)公称直径DN(c)内径(d)外径 3、对于用钢板卷制的圆柱形筒体,其公称直径是指:()
化工设备机械基础(设备部分)教案 - 5 - 换热器的选型,就是根据换热器的结构特点、使用条件、投资与运行费用等综合因素来选择一种相 对合理的换热器形式。在选型前,必须熟悉各种换热器的结构特点、工作特性,根据具体条件做出方案, 比较各方案做出最优的选择。 1.选型时要考虑的因素有:材料、介质、压力、温度、温差、压降、结垢情况、检修清理方法等各种 因素。 2.安全因素——是换热器选型时最主要因素。包括强度、刚度足够,结构可靠,满足密封要求,材料 与介质相容。(例温差应力的考虑、密封性的考虑等) 3.能完成工艺要求——有足够的传热面积、介质有良好的有利于传热的流动状态,经济上较合理。(例 能否用 U 形管,管、壳程的清洗,是否分程,介质的黏度对流动的影响,是否须可拆结构等) 4.利于制造、安装和维修——制造较简单、运行性能良好、运行费用低等。 二、选型的一般原则 温差不大、壳程介质结垢不严重、壳程能采用化学清洗时,选用固定管板式换热器。 温差较大时,可选用浮头式换热器、U 形管式换热器、填料函式换热器和滑动管板式换热器。 要对壳程进行机械清洗时,可选用管束可可抽出的结构。 高温高压时,可选用 U 形管式换热器。 壳程介质为易燃、易爆、有毒或易挥发,以及使用压力、温度较高时,不宜采用填料函式换热器。 管程介质和壳程介质不允许相混时,可采用双管板结构的换热器。 (讲述过程中举例具体说明) 第五节 管壳式换热器的设计内容 管壳式换热器的设计包括下面五个方面的内容,这五方面相互交叉,不断调整。 一、结构设计:根据设计任务选择换热器的形式,初定出结构尺寸。(如管子外径、长度、筒体外径等) 二、热力计算:计算所需的传热面积, 调整尺寸使结构设计的传热面积大致等于计算的传热面积。 三、流体阻力计算:计算阻力降,保证阻力降在允许范围内。(压力将一般根据整个工艺流程确定) 四、强度、刚度和稳定性设计: 壳体直径的确定和壳体壁厚的计算。 换热器封头的选择及厚度计算。 管板强度计算及尺寸的确定。(含温差应力计算) 管子拉脱力的计算。 支座的计算。(包括卧式与立式支座计算) 开孔补强计算等。 五、绘图:根据计算结果具体确定各种零部件的结构及一些标准件的选取,(如容器法兰、折流板与支 持板、拉杆与定距管等)然后绘制结构设计图和施工图。 (简单介绍设计图中主要内容:技术要求、技术特性表、管口表、明细栏、标题栏、结构图、节点图、 图纸目录等) 第一章 概述 练习题 一、选择题 1、中压容器的设计压力范围 P 为:( ) (a)P≥10 MPa (b) 1.6≤P<10 MPa (c) 10≤P<100 MPa (d) 根据容器的型式而定 2、容器标准化的基本参数有:( ) (a) 公称压力 PN (b) 公称直径 DN (c) 内径 (d) 外径 3、对于用钢板卷制的圆柱形筒体,其公称直径是指:( )
化工设备机械基础(设备部分)教案 (a)内径(b)外径(c)中径(d)介于内径和外径中间的某一值 4、下列哪一种换热器在温差较大时可能需要设置温差补偿装置?() (a)填料函式换热器(b)U形管式换热器(c)浮头式换热器(d)固定管板式换热器 5、管壳式换热器属于下列哪种类型的换热器?() a)混合式换热器(b)间壁式换热器(c)蓄热式换热器(d)板面式换热器 6、U形管换热器的公称长度是指:() (a)U形管的抻开长度(b)U形管的直管段长度(c)壳体的长度(d)换热器的总长度 7、请根据给定条件,选择一种形式的换热器。高温高压介质且温差较大,壳程介质为有毒的易挥发性 物质,对壳程需要进行清洗。() (a)固定管板式换热器(b)填料函式换热器(c)U形管式换热器(d)浮头式换热器 8、有某型号为:BEMO~2.5200 4I的换热器,其中的1000为() 6 a)公称换热面积(b)换热器的公称长度(c)换热器公称直径(d)管程压力为1000Kg/m2 、填空题 1、管壳式换热器的主要元件有 2、按压力容器在生产工艺过程中的作用原理,可以将压力容器分 为 3、压力容器按监察要求可分为: 是非题 1、管程数是指换热管的根数,一般为奇数。() 2、法兰的公称直径是指法兰的外径。() 3、换热器选型时首先要考虑的因素是安全性 四、问答题 2、换热器的强度、刚度和稳定性计算包括哪些内容?器? 1.管壳式换热器根据其结构的不同,可以分为哪几类换 答案 、选择题:1B;2A、B 填空题: 1、壳体、管箱、管板、管束、折流板与支持板、接口管、支座等 2、反应压力容器、换热压力容、分离压力容、储存压力容器 3、I、II、III类压力容器 三、是非题:1错;2错;3对。 四、问答题: Ⅰ、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、釜式重沸器等 2、(1)壳体直径的确定和壳体壁厚的计算 (2)换热器封头、容器法兰的选择 (3)管板尺寸的确定 (4)管子拉脱力的计算 (5)折流板的选择与计算 (5)温差应力的计算 (⑦)接管、接管法兰及开孔补强的计算等
化工设备机械基础(设备部分)教案 - 6 - (a)内径 (b) 外径 (c)中径 (d) 介于内径和外径中间的某一值 4、下列哪一种换热器在温差较大时可能需要设置温差补偿装置?( ) (a)填料函式换热器 (b)U 形管式换热器 (c)浮头式换热器 (d)固定管板式换热器 5、管壳式换热器属于下列哪种类型的换热器?( ) (a)混合式换热器 (b)间壁式换热器 (c)蓄热式换热器 (d)板面式换热器 6、U 形管换热器的公称长度是指:( ) (a) U 形管的抻开长度 (b)U 形管的直管段长度 (c)壳体的长度 (d)换热器的总长度 7、请根据给定条件,选择一种形式的换热器。高温高压介质且温差较大,壳程介质为有毒的易挥发性 物质,对壳程需要进行清洗。( ) (a) 固定管板式换热器 (b) 填料函式换热器 (c)U 形管式换热器 (d)浮头式换热器 8、有某型号为: 4I 25 9 200 1.6 2.5 BEM1000 − − − − 的换热器,其中的 1000 为( ) (a)公称换热面积 (b)换热器的公称长度 (c)换热器公称直径 (d) 管程压力为 1000Kg/m2 二、填空题 1、管壳式换热器的主要元件有: 、 、 、 、 等。 2 、 按 压 力 容 器 在 生 产 工 艺 过 程 中 的 作 用 原 理 , 可 以 将 压 力 容 器 分 为: 、 、 、 。 3、压力容器按监察要求可分为: 、 和 。 三、是非题 1、管程数是指换热管的根数,一般为奇数。( ) 2、法兰的公称直径是指法兰的外径。( ) 3、换热器选型时首先要考虑的因素是安全性。( ) 四、问答题 1.管壳式换热器根据其结构的不同,可以分为哪几类换热器? 2、换热器的强度、刚度和稳定性计算包括哪些内容? 答案: 一、选择题:1B ;2A、B ;3A ;4D ;5B ;6B ;7D ;8C 。 二、填空题: 1、壳体、管箱、管板、管束、折流板与支持板、接口管、支座等 2、反应压力容器、换热压力容、分离压力容、储存压力容器 3、I、II、III 类压力容器 三、是非题:1 错 ;2 错 ;3 对。 四、问答题: 1、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、釜式重沸器等。 2、(1)壳体直径的确定和壳体壁厚的计算 (2)换热器封头、容器法兰的选择 (3)管板尺寸的确定 (4)管子拉脱力的计算 (5)折流板的选择与计算 (5)温差应力的计算 (7)接管、接管法兰及开孔补强的计算等
化工设备机械基础(设备部分)教案 第四章管壳式换热器结构设计 第一节管板 管板的作用及重要性 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 重要性:其重量在整台换热器重量中占有较大比例,也是换热器最重要的部件之一。 因此,管板的强度计算及结构设计相当重要,其准确性与否及是否合理直接 影响整台换热器的安全、成本及产品质量 、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 平管板是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) 复合钢板制造方法:轧制复合钢板法、堆焊法、塞焊法、焊管复合法等。(均简要讲解) 2、薄管板 由于机械应力与温差应力相互矛盾,因此希望在满足强度条件下管板越薄越好(温差应力小)。德国 AD规范按固定支撑假设认为换热管为纲性支撑,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。 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。单各换热管长短不一,设计、制造上要复杂于平管板。一般用于高 温差情况。 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。 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。(即便管 子与壳程连接处泄漏,壳程介质不会污染管程介质) 双管板保持合适间距的原因:双管板孔错位及双管板温差均会在管束上引起弯曲应力和剪切应力, 通过设置一定的间距,可使弯曲应力和剪切应力限定在许可范围之内。(要求理解间距公式各符号含义) 总结:现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 1、开孔位置 开孔种类:换热管孔、拉杆孔、螺栓孔(兼作法兰) Ⅰ换热管孔布置 常见的四种排列方式:三角形排列、转角三角形排列、正方形排列、转角正方形排列 中心距要求:为保证胀管时管板的刚度且便于管子与管板的焊接,同时便于清洁管程空间,要求两管中 距应大于等于1.25倍的换热管外径。(说明:表4-1为推荐中心距,实际设计可取S大于表中推荐值。 而管孔直径按表4-4~4-9查取。其偏差级别不允许超过表中规定)
化工设备机械基础(设备部分)教案 - 7 - 第四章 管壳式换热器结构设计 第一节 管板 一、管板的作用及重要性 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 重要性:其重量在整台换热器重量中占有较大比例,也是换热器最重要的部件之一。 因此,管板的强度计算及结构设计相当重要,其准确性与否及是否合理直接 影响整台换热器的安全、成本及产品质量。 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 平管板是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) 复合钢板制造方法:轧制复合钢板法、堆焊法、塞焊法、焊管复合法等。(均简要讲解) 2、薄管板 由于机械应力与温差应力相互矛盾,因此希望在满足强度条件下管板越薄越好(温差应力小)。德国 AD 规范按固定支撑假设认为换热管为纲性支撑,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。 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。单各换热管长短不一,设计、制造上要复杂于平管板。一般用于高 温差情况。 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。 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。(即便管 子与壳程连接处泄漏,壳程介质不会污染管程介质) 双管板保持合适间距的原因:双管板孔错位及双管板温差均会在管束上引起弯曲应力和剪切应力, 通过设置一定的间距,可使弯曲应力和剪切应力限定在许可范围之内。(要求理解间距公式各符号含义) 总结:现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。 1、开孔位置 开孔种类:换热管孔、拉杆孔、螺栓孔(兼作法兰) Ⅰ 换热管孔布置: 常见的四种排列方式:三角形排列、转角三角形排列、正方形排列、转角正方形排列。 中心距要求:为保证胀管时管板的刚度且便于管子与管板的焊接,同时便于清洁管程空间,要求两管中 心距应大于等于 1.25 倍的换热管外径。(说明:表 4-1 为推荐中心距,实际设计可取 S 大于表中推荐值。 而管孔直径按表 4-4~4-9 查取。其偏差级别不允许超过表中规定)
化工设备机械基础(设备部分)教案 布管范围:应排布在布管限定园内,即最外层换热管表面至管板中心距不得超过布管限定园半径。(按 图4-10介绍式4-3、4-4的意义,强调换热管外表面在Di范围内) Ⅱ拉杆孔的布置:拉杆孔位置根据拉杄位置确定,一般应均匀布置于管束的外边缘。拉杆与管板 焊接时,拉杄孔深等于孔直径:螺纹连接时,螺纹深度为螺纹孔直径的1.5倍。 Ⅲ螺栓孔的布置:管板上开螺栓孔的位置、数量、直径应与相连接的法兰上开的螺栓孔一致 2、分程隔板植的布置 管程:分程数量为偶数,分程时应注意使各管程的换热管数大致相等,隔板槽形状简单、密封 面长度较短,程数不宜过多。分程隔板槽根据分程布置图设置,隔板槽密封面应与管板外边缘密封面处 在同一水平高度上,槽宽一般比与其相联接的隔板厚度大2m。(按图4-13简单介绍4-6管程流体走向) 壳程:壳程分程不常见,多用折流板起分程隔板作用。 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。 四、管板与壳体、管箱的连接(按图416、417介绍各种结构) 焊接结构:兼作法兰和不兼作法兰两种 2.不兼作法兰:安图4-16介绍各种连接结构,注意焊接开坡口 3.兼作法兰:筒体与管板的端面(凹槽或凸台)进行焊接。如图417所示。注意焊接开坡口和边缘应 4.法兰连接结枃:固定管板式换热器中,兼作法兰的管板与管箱的连接基本采用法兰连接。如图4-18 所示。而U形管式、浮头式、填料函式换热器的管束通常为可拆结构,故管板与壳体、管箱一般采用法 兰连接。如图4-19所示。 第二节管束 一、管子的排列 换热管常用的四种排列方式前面已提到。对于U形管存在最小弯曲半径问题,一般Rmn不小于2do, 般采用对称于分程隔板布置,但有时为了增加布管数U形管与分程隔板成一定的倾斜角度,如图4-20 所示布置。换热管层数过多会影响直管段的长度。(根据图4-20具体讲述) 管子的长度 长度越长,单位传热面积材料消耗量越低,制造成本也就越低,同时因流通截面减少而提高流速, K值增大。但其长度受到管程清洗、运输、拆装、管程压降及支座等因素的影响 般长度限制在6m一下,以2.5m-4m最为常见。(针对各条讲述管长过大的弊端,尤其是对可拆结构 需有足够大的空间) 二、管束安装转角 当壳程为气体冷凝时,为减少液膜在列管上的包角及液膜厚度,管束装配时应偏转一定角度,因液 膜包盖换热管,降低传热效果。注意管板上排液、排气孔的位置。 三、管子与管板的连接(重点) 换热管与管板的连接必须考虑强度和密封性两方面的要求。常用的连接方法有三种:胀接、焊接、 胀焊并用 胀接 i适用范围(各国要求不同,我国以GB151为准) GB151-199中规定强度胀接的应用范围为:设计压力小于等于AMPa:设计温度小于等于300℃:操 作中无剧烈振动,无过大温度变化及明显的应力腐蚀。 胀接方法 常用方法为杋械滚胀法,此外还有爆破胀接发、液压胀管法、液袋胀管法等。(讲解机械滚胀法
化工设备机械基础(设备部分)教案 - 8 - 布管范围:应排布在布管限定园内,即最外层换热管表面至管板中心距不得超过布管限定园半径。(按 图 4-10 介绍式 4-3、4-4 的意义,强调换热管外表面在 Di 范围内) Ⅱ 拉杆孔的布置:拉杆孔位置根据拉杆位置确定,一般应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。 Ⅲ 螺栓孔的布置:管板上开螺栓孔的位置、数量、直径应与相连接的法兰上开的螺栓孔一致。 2、分程隔板槽的布置 管程:分程数量为偶数,分程时应注意使各管程的换热管数大致相等,隔板槽形状简单、 密封 面长度较短,程数不宜过多。分程隔板槽根据分程布置图设置,隔板槽密封面应与管板外边缘密封面处 在同一水平高度上,槽宽一般比与其相联接的隔板厚度大 2mm。(按图 4-13 简单介绍 4-6 管程流体走向) 壳程:壳程分程不常见,多用折流板起分程隔板作用。 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。 四、管板与壳体、管箱的连接(按图 4-16、4-17 介绍各种结构) 1.焊接结构:兼作法兰和不兼作法兰两种 2.不兼作法兰:安图 4-16 介绍各种连接结构,注意焊接开坡口。 3.兼作法兰:筒体与管板的端面(凹槽或凸台)进行焊接。如图 4-17 所示。注意焊接开坡口和边缘应 力) 4.法兰连接结构:固定管板式换热器中,兼作法兰的管板与管箱的连接基本采用法兰连接。如图 4-18 所示。而 U 形管式、浮头式、填料函式换热器的管束通常为可拆结构,故管板与壳体、管箱一般采用法 兰连接。如图 4-19 所示。 第二节 管束 一、管子的排列 换热管常用的四种排列方式前面已提到。对于 U 形管存在最小弯曲半径问题,一般 Rmin 不小于 2d0, 一般采用对称于分程隔板布置,但有时为了增加布管数 U 形管与分程隔板成一定的倾斜角度,如图 4-20 所示布置。 换热管层数过多会影响直管段的长度。(根据图 4-20 具体讲述) 管子的长度 长度越长,单位传热面积材料消耗量越低,制造成本也就越低,同时因流通截面减少而提 高流速, K 值增大。但其长度受到管程清洗、运输、拆装、管程压降及支座等因素的影响。 一般长度限制在 6m 一下,以 2.5m~4m 最为常见。(针对各条讲述管长过大的弊端,尤其是对可拆结构 需有足够大的空间) 二、管束安装转角 当壳程为气体冷凝时,为减少液膜在列管上的包角及液膜厚度,管束装配时应偏转一定角度,因液 膜包盖换热管,降低传热效果。注意管板上排液、排气孔的位置。 三、管子与管板的连接(重点) 换热管与管板的连接必须考虑强度和密封性两方面的要求。常用的连接方法有三种:胀接、焊接、 胀焊并用。 1.胀接 ⅰ 适用范围(各国要求不同,我国以 GB151 为准) GB151-1999 中规定强度胀接的应用范围为:设计压力小于等于 4MPa;设计温度小于等于 300℃;操 作中无剧烈振动,无过大温度变化及明显的应力腐蚀。 ⅱ 胀接方法 常用方法为机械滚胀法,此外还有爆破胀接发、液压胀管法、液袋胀管法等。(讲解机械滚胀法
化工设备机械基础(设备部分)教案 强调管子发生塑性变形而管板发生弹性变形,故不能用于高温,其他方法一带而过,用制造方法回应适 用范围) 机被瀼胀法优点:耐反复热循环、抗热冲击及轴向力、更换修补容易、无缝有缝均适用、操作简单 成本低。 机械滚胀法缺点:不易控制胀度:各管胀度不均匀:管板易变形:可胀性差的管子易产生胀接裂纹; 内壁面产生加工硬化 2.焊接 适用范围(按GBl51要求) 范围:不适用于有较大震动及有间隙腐蚀的场合:管间距小无法胀接:热循环剧烈温度高:有特殊 要求和腐蚀危险的地方:维修受限制的地方;要求接头严密不漏的地方:管板过薄无法胀接时 优点:不需开槽加工简便;焊接结构强度高、抗拉能力强:管子管板材料性能要求不高 ⅱ焊接方法 焊接节点形式如图4-27、4-28所示。(我国标准推荐427) 简单介绍其他焊接方法 3.胀焊并用 适用范围 密封性要求高的场合:承受振动或疲劳载荷的场合:有间隙腐蚀的场合:采用复合管板的场合 ⅱ连接方法 强度胀+密封焊:贴胀+强度焊:对密封要求较高时可用强度胀+贴胀+密封焊;强度焊+强度胀+贴胀 连接次序 般先焊后胀(说明原因,先胀后焊将影响焊接质量。要求学生了解原因来记住次序 第三节折流板与支持板 折流板 在壳程设置折流板目的:为了延长壳程介质的流道长度,增加管间流速,增加湍流程度,达到提高 换热器的传热效果的目的。 折流板形式 常见的为弓形和圆盘-圆环形两种,以弓形最为常用,此外还有矩形、螺旋形等。 (1)弓形:分为单弓和多弓,如图433所示。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。缺口高度为0.2-0.45倍的圆筒内直径,保证流体通过缺口时与横过管束时的流速相近 强调折流板结构设计时应开缺口,以保证气体放空、液体放净) (2)圆盘-圆环形及矩形:用于大直径筒体,减少流体阻力,避免形成死区。如图4-35所示 3)螺旋形:用于壳程流体含有固体颗粒的场合,如图4-37所示。壳程流体在折流板间螺旋形流 动,固体颗粒不易沉淀,利于传热。 2.折流板尺寸 )厚度:其值取决于它所支撑的重量,即与壳体直径和板间距相关。最小厚度由筒体公称直径 和换热管无支撑跨距按表4-13选取。一般不做强度计算,折流板过厚造成总重增加,材料浪费。 (2)管孔:其大小对传热性能、机械性能和加工制造都有影响。管孔大则因间隙大而降低传热效 果,换热管易震动 3)间隙:指折流板外径与壳体内径之间的间隙。间隙小则装配困难,间隙大又影响传热,折流 板自身强度降低,但加工方便,穿管方便。故管孔应综合考虑,GB151给出具体尺寸 缺口高度:0.2-0.45倍的圆筒内直径 (4)间距:折流板间距应根据壳程介质的流量、粘度确定。一般折流板应在换热管的有效长度上
化工设备机械基础(设备部分)教案 - 9 - 强调管子发生塑性变形而管板发生弹性变形,故不能用于高温,其他方法一带而过,用制造方法回应适 用范围) 机械滚胀法优点:耐反复热循环、抗热冲击及轴向力、更换修补容易、无缝有缝均适用、操作简单 成本低。 机械滚胀法缺点:不易控制胀度;各管胀度不均匀;管板易变形;可胀性差的管子易产生胀接裂纹; 内壁面产生加工硬化。 2.焊接 ⅰ 适用范围(按 GB151 要求) 范围:不适用于有较大震动及有间隙腐蚀的场合;管间距小无法胀接;热循环剧烈温度高;有特殊 要求和腐蚀危险的地方;维修受限制的地方;要求接头严密不漏的地方;管板过薄无法胀接时。 优点:不需开槽加工简便;焊接结构强度高、抗拉能力强;管子管板材料性能要求不高。 ⅱ 焊接方法 焊接节点形式如图 4-27、4-28 所示。(我国标准推荐 4-27) 简单介绍其他焊接方法 3.胀焊并用 ⅰ 适用范围 密封性要求高的场合;承受振动或疲劳载荷的场合;有间隙腐蚀的场合;采用复合管板的场合 ⅱ 连接方法 强度胀+密封焊;贴胀+强度焊;对密封要求较高时可用强度胀+贴胀+密封焊;强度焊+强度胀+贴胀 ⅲ 连接次序 一般先焊后胀(说明原因,先胀后焊将影响焊接质量。要求学生了解原因来记住次序) 第三节 折流板与支持板 一、折流板 在壳程设置折流板目的:为了延长壳程介质的流道长度,增加管间流速,增加湍流程度,达到提高 换热器的传热效果的目的。 1. 折流板形式 常见的为弓形和圆盘-圆环形两种,以弓形最为常用,此外还有矩形、螺旋形等。 (1)弓形:分为单弓和多弓,如图 4-33 所示。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。缺口高度为 0.2-0.45 倍的圆筒内直径,保证流体通过缺口时与横过管束时的流速相近。 (强调折流板结构设计时应开缺口,以保证气体放空、液体放净) (2)圆盘-圆环形及矩形:用于大直径筒体,减少流体阻力,避免形成死区。如图 4-35 所示。 (3)螺旋形:用于壳程流体含有固体颗粒的场合,如图 4-37 所示。壳程流体在折流板间螺旋形流 动,固体颗粒不易沉淀,利于传热。 2.折流板尺寸 (1)厚度:其值取决于它所支撑的重量,即与壳体直径和板间距相关。最小厚度由筒体公称直径 和换热管无支撑跨距按表 4-13 选取。一般不做强度计算,折流板过厚造成总重增加,材料浪费。 (2)管孔:其大小对传热性能、机械性能和加工制造都有影响。管孔大则因间隙大而降低传热效 果,换热管易震动。 (3)间隙:指折流板外径与壳体内径之间的间隙。间隙小则装配困难,间隙大又影响传热,折流 板自身强度降低,但加工方便,穿管方便。故管孔应综合考虑,GB151 给出具体尺寸。 缺口高度:0.2-0.45 倍的圆筒内直径 (4)间距:折流板间距应根据壳程介质的流量、粘度确定。一般折流板应在换热管的有效长度上
化工设备机械基础(设备部分)教案 等间距布置。间距过大或过小均不好,一般最小不得小于D/5,最大不得大于D 支持板 目的:是支撑(换热管)、防止其产生过大的振动和挠度 支持板的厚度、管孔、外径等尺寸等要求与折流板一致。但对最大无支撑跨距有要求。支持板与折 流板外形一样,支持板也起折流板作用,折流板也起支持板作用只是设置的原始目的不同而已。 三、折流杆 种新型结构,尚在硏发中。与折流板相比阻力降小,无传热死区,换热管不易振动,固定效果好, 加工不易。无成型结构。(按图4-40简单介绍) 第四节冷凝器结构 冷凝器是换热器的一种,但因在传热过程中发生相变,故传热效果与结构有较大的关系,因此单 独介绍一些应注意的地方。 冷凝器介质流程的选择(被冷凝介质一般指水蒸汽、也可为其他可冷凝的气体如冷凝液 氨等) 一般要求冷凝蒸汽走壳程,冷凝介质走管程。这样可提高传热系数。(一般壳程传热系数小与管程 传热系数,让壳程发生相变可大大提高壳程传热系数)在下列特殊情况下可以让蒸汽走管程: 冷凝蒸汽压力高或腐蚀性很强。 因为管子的承压能力强:腐蚀性介质走管程可避免壳程筒体采用耐腐蚀材料,降低冷凝器的成本。 冷凝介质粘度大或流量小 此时让冷凝介质走壳程可提高滞动程度,增大雷诺数以提高传热系数 要求冷凝介质压降小 因对相同介质,通常壳程流阻小于管程流阻,故对冷凝介质压降有特殊要求时可让冷凝介质走壳程 冷凝器形式的确定 立式和卧式放置对一般换热器影响不大,但对冷凝器来讲却不一样。因为如果冷凝液膜在换热管表 面积累变厚,将对传热效果有较大的影响,为防止此种情况故一般采用卧式结构。在下列特殊情况可考 虑采用立式冷凝器。 l、冷凝液需过冷 对被冷凝成液体的介质需进一步降低温度可采用立式。也保证换热器内存在一定的液位 高度,可达到目的 2、普朗特准数P高的介质 即冷凝负荷大时,在厚液膜上形成滞流,有较高的传热系数。 3、冷凝蒸汽走管程 为使冷凝液膜能快速流走而不堆积需采用立式结构 冷凝器设计中的其他问题 l、保证燕汽流速 即防止随蒸汽冷凝,蒸汽量的减少而导致流速降低。目的是为了保证较高的雷诺数且 能排除不凝性气体 2、排除不凝性气体 不凝性气体的存在对传热效果影响很大,故应在上部死角处设置排气口以排除不凝性 气体。 3、减薄冷凝液液膜厚度 减薄冷凝液液膜厚度可改进传热效果。对卧式冷凝器,如前所述可将管束偏转安装。 对立式冷凝器可如图4-41所示设置泄液管罩或当液板 10
化工设备机械基础(设备部分)教案 - 10 - 等间距布置。间距过大或过小均不好,一般最小不得小于 Di/5,最大不得大于 Di 二、支持板 目的:是支撑(换热管)、防止其产生过大的振动和挠度。 支持板的厚度、管孔、外径等尺寸等要求与折流板一致。但对最大无支撑跨距有要求。支持板与折 流板外形一样,支持板也起折流板作用,折流板也起支持板作用只是设置的原始目的不同而已。 三、折流杆 一种新型结构,尚在研发中。与折流板相比阻力降小,无传热死区,换热管不易振动,固定效果好, 加工不易。无成型结构。(按图 4-40 简单介绍) 第四节 冷凝器结构 冷凝器是换热器的一种,但因在传热过程中发生相变,故传热效果与结构有较大的关系,因此单 独介绍一些应注意的地方。 一、冷凝器介质流程的选择(被冷凝介质一般指水蒸汽、也可为其他可冷凝的气体如冷凝液 氨等) 一般要求冷凝蒸汽走壳程,冷凝介质走管程。这样可提高传热系数。(一般壳程传热系数小与管程 传热系数,让壳程发生相变可大大提高壳程传热系数)在下列特殊情况下可以让蒸汽走管程: 冷凝蒸汽压力高或腐蚀性很强。 因为管子的承压能力强;腐蚀性介质走管程可避免壳程筒体采用耐腐蚀材料,降低冷凝器的成本。 冷凝介质粘度大或流量小 此时让冷凝介质走壳程可提高滞动程度,增大雷诺数以提高传热系数。 要求冷凝介质压降小 因对相同介质,通常壳程流阻小于管程流阻,故对冷凝介质压降有特殊要求时可让冷凝介质走壳程。 冷凝器形式的确定 立式和卧式放置对一般换热器影响不大,但对冷凝器来讲却不一样。因为如果冷凝液膜在换热管表 面积累变厚,将对传热效果有较大的影响,为防止此种情况故一般采用卧式结构。在下列特殊情况可考 虑采用立式冷凝器。 1、冷凝液需过冷 对被冷凝成液体的介质需进一步降低温度可采用立式。也保证换热器内存在一定的液位 高度,可达到目的。 2、普朗特准数 Pr高的介质 即冷凝负荷大时,在厚液膜上形成滞流,有较高的传热系数。 3、冷凝蒸汽走管程 为使冷凝液膜能快速流走而不堆积需采用立式结构。 二、冷凝器设计中的其他问题 1、保证蒸汽流速 即防止随蒸汽冷凝,蒸汽量的减少而导致流速降低。目的是为了保证较高的雷诺数且 能排除不凝性气体。 2、排除不凝性气体 不凝性气体的存在对传热效果影响很大,故应在上部死角处设置排气口以排除不凝性 气体。 3、减薄冷凝液液膜厚度 减薄冷凝液液膜厚度可改进传热效果。对卧式冷凝器,如前所述可将管束偏转安装。 对立式冷凝器可如图 4-41 所示设置泄液管罩或当液板