管殼式換熱器教案

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1、 第二章 換熱設(shè)備 【課時安排】 1、概述 70分鐘 2、管殼式換熱器基本類型 15分鐘 3、管殼式換熱器基本結(jié)構(gòu) 250分鐘 4、其它 115分鐘 總計 450分鐘 【掌握內(nèi)容】 1、管殼式換熱器的分類。 2、管殼式換熱器基本結(jié)構(gòu)。 3、固定管板式換熱器的管板載荷及受力分析。 4、固定管板的應(yīng)力校核。 5、管束的振動與防止。 【熟悉內(nèi)容

2、】 1、換熱器的分類。 【了解內(nèi)容】 1、各種換熱器的特點及應(yīng)用。 【教學(xué)難點】 1、管板的應(yīng)力分析。 2、管板的應(yīng)力校核。 【教學(xué)目標】 1、掌握管殼式換熱器相關(guān)基本概念和結(jié)構(gòu)。 2、能對重要結(jié)構(gòu)進行辨析。 3、能按規(guī)范設(shè)計換熱設(shè)備。 2.1 概述 【教學(xué)內(nèi)容】 一. 換熱器的應(yīng)用 二. 換熱器的分類及特點 三. 換熱器的選型 【授課時間】70分鐘 【教學(xué)重點】基本概念的建立 【教學(xué)難點】各種換熱器的區(qū)別 【教學(xué)目標】了解換熱器的特點及應(yīng)用 【教學(xué)手段】課堂講授，輔以設(shè)備掛圖。 1 / 42

3、 25 【教學(xué)過程】 2.1.1 換熱設(shè)備的應(yīng)用 換熱設(shè)備：使熱量從熱流體傳遞到冷流體的設(shè)備。 化工廠：換熱設(shè)備的投資約占總投資的10%～20%； 煉油廠：換熱設(shè)備的投資約占總投資的35%～40%。 2.1.2換熱器的分類及特點 2.1.2.1按作用原理或傳熱方式分類 一.直接接觸式換熱器（混合式換熱器） 利用冷、熱流體直接接觸與混合的作用進行熱量的交換。如：冷卻塔等。 二.蓄熱式換熱器（回?zé)崾綋Q熱器） 借助于固體構(gòu)成的蓄熱體與熱流體和冷流體交替接觸， 把熱量從熱流體傳遞給冷流體的換熱器。兩種流體有少量混合。如：回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器等。 三.間壁式換熱

4、器（表面式換熱器） 利用間壁（固體表面）將進行熱交換的冷、熱兩種流體隔開互不接觸。熱量由熱流體通過間壁傳遞給冷流體的換熱器。如：管殼式換熱器等。 四.中間載熱體式換熱器 把兩個間壁式換熱器由在其中循環(huán)的載熱體連接起來的換熱器。載熱體在高溫流體和低溫流體之間循環(huán)。如：熱管式換熱器等。 2.1.2.2間壁式換熱器分類 一.分類 二.特點 1.管式換熱器 通過管子壁面進行傳熱的換熱器。 優(yōu)點：結(jié)構(gòu)堅固、可靠性高、適應(yīng)性廣、易于制造，能承受較高的溫度和壓力。 缺點：傳熱效率、結(jié)構(gòu)緊湊性及金屬的消耗量等均不如高效緊湊式換熱器。 2.板面式換熱器 通過板面進行傳熱的換熱器。 優(yōu)點

5、：傳熱性比管式換熱器優(yōu)越，流體在較低流速下即可達到湍流，強化了傳熱 。制造成本低，結(jié)構(gòu)緊湊、使用靈活、清洗和維修方便、能精確控制換熱溫度等。 缺點：a. 密封周邊太長，不易密封，滲漏的可能性大； 26 b. 承壓能力低,耐壓性差； c.使用溫度受密封墊片材料耐溫性能的限制不宜過高； 沉浸式蛇管 蛇管式換熱器 噴淋式蛇管 套管式換熱器 管式換熱器

6、 管殼式換熱器 纏繞管式換熱器 螺旋板式換熱器 板式換熱器 間壁式換熱器 板面式換熱器 板翅式換熱器 板殼式換熱器 傘板式換熱器

7、 石墨換熱器 其它型式換熱器 聚四氟乙烯換熱器 熱管換熱器 3. 其它型式換熱器 為滿足工藝特殊要求，具有特殊結(jié)構(gòu)的換熱器。 2.1.3換熱器選型 需要考慮的因素： 1. 流體的性質(zhì)； 27 2. 壓力、溫度、允許的壓力降； 3. 清洗、維修的要求； 4. 材料、價格； 5. 使用壽命等。 2.2管殼式換熱器 【教學(xué)內(nèi)容】 一.管殼式換熱器的基本類型 二.管殼式換熱器結(jié)構(gòu) 三.管板設(shè)計 四.膨脹節(jié)設(shè)計 五.管束振動和防止 【授課時間】330分鐘

8、 【教學(xué)重點】管殼式換熱器結(jié)構(gòu)的建立 【教學(xué)難點】管板的應(yīng)力分析 【教學(xué)目標】熟悉管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)及應(yīng)用 【教學(xué)手段】課堂講授，輔以設(shè)備掛圖。 【教學(xué)過程】 2.2.1基本類型 可分為固定管板式、浮頭式、U形管式、填料函式和釜式重沸器五類，如圖2.1所示。 一. 固定管板式 固定管板式換熱器的典型結(jié)構(gòu)如圖2.1（a）所示。 結(jié)構(gòu)特點：管束連接在管板上，管板與殼體焊接。 優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、能承受較高的壓力，造價低，管程清洗方便，管子損壞時易于堵管或更換； 缺點：是當(dāng)管束與殼體的壁溫或材料的線膨脹系數(shù)相差較大時，殼體和管束中將產(chǎn)生較大的熱 應(yīng)力。 適用范圍：1.

9、適用于殼側(cè)介質(zhì)清潔且不易結(jié)垢并能進行清洗； 2.管、殼程兩側(cè)溫差不大或溫差較大但殼側(cè)壓力不高的場合。 二.浮頭式換熱器 浮頭式換熱器的典型結(jié)構(gòu)見圖2.1（b）。 結(jié)構(gòu)特點：兩端管板中只有一端與殼體固定，另一端可相對殼體自由移動，稱為浮頭。 28 浮頭的組成：浮頭由浮頭管板、鉤圈和浮頭端蓋組成。 優(yōu)點：管間和管內(nèi)清洗方便，不會產(chǎn)生熱應(yīng)力。 缺點：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價比固定管板式換熱器高，設(shè)備笨重，材料消耗量大，且浮頭端蓋在操作中無法檢查，制造時對密封要求較高。 適用范圍：適用于殼體和管束之間壁溫差較大或殼程介質(zhì)易結(jié)垢的場合。 三. U形管式換熱器 U形管

10、式換熱器的典型結(jié)構(gòu)如圖2.1（c）所示。 結(jié)構(gòu)特點：只有一塊管板，管束由多根U形管組成，管的兩端固定在同一塊管板上，管子可自由伸縮。 優(yōu)點：結(jié)構(gòu)比較簡單、價格便宜，承壓能力強，不會產(chǎn)生熱應(yīng)力。 缺點：由于受彎管曲率半徑的限制，其換熱管排布較少，管束最內(nèi)層管間距較大，管板的利用率較低，殼程流體易形成短路，對傳熱不利。當(dāng)管子泄漏損壞時，內(nèi)層換熱管壞了不能更換，只能堵死。 適用范圍：適用于管、殼壁溫差較大或殼程介質(zhì)易結(jié)垢需要清洗，又不適宜采用浮頭式和固定管板式的場合。特別適用于管內(nèi)走清潔而不易結(jié)垢的高溫、高壓、腐蝕性大的物料。 四. 填料函式換熱器 填料函式換熱器結(jié)構(gòu)如圖2.1（d）、（

11、e）所示。 結(jié)構(gòu)特點：與浮頭式換熱器相類似，浮頭部分露在殼體以外，在浮頭與殼體的滑動接觸面處采用填料函式密封結(jié)構(gòu)。 優(yōu)點：比浮頭式換熱器簡單，加工制造方便，節(jié)省材料，造價較低廉，管束可抽出，清洗，維修方便。 缺點：填料處易產(chǎn)生泄漏，不適用于易揮發(fā)、易燃、易爆、有毒及貴重介質(zhì)，使用溫度也受填料的限制。 適用范圍：適用于4MPa以下的工作條件。 五.釜式重沸器 釜式重沸器的結(jié)構(gòu)如圖2.1（f）所示。 結(jié)構(gòu)特點：其管束可以為浮頭式、U形管式和固定管板式結(jié)構(gòu)，它具有浮頭式、U形管式換熱器的特性。在結(jié)構(gòu)上與其他換熱器不同之處在于殼體上部設(shè)置一個蒸發(fā)空間，蒸發(fā)空間的大小由產(chǎn)氣量和所要

12、求的蒸氣品質(zhì)所決定。 此種換熱器和浮頭式、U形管式換熱器一樣，清洗維修方便，可處理不清潔、易結(jié)垢的介質(zhì)，并能承受高溫、高壓。 2.2.2、管殼式換熱器的結(jié)構(gòu) 管程：流體流經(jīng)換熱管內(nèi)的通道及與其相貫通部分。 殼程：流體流經(jīng)換熱管外的通道及與其相貫通部分。 29 (a)固定管板式換熱器；(b)浮頭式換熱器；(c)U形管式換熱器； (d)填料函雙殼層換熱器；(e)填料函分流式換熱器；(f)釜式重沸器 圖2.1 管殼式換熱器的主要型式 30 2.2.2.1管程結(jié)構(gòu) 一.換熱管 1. 換熱管型式 光

13、管、翅片管、螺旋槽管、螺紋管等。 當(dāng)管內(nèi)外兩側(cè)給熱系數(shù)相差較大時，翅片管的翅片應(yīng)布置在給熱系數(shù)低的一側(cè)。 2. 換熱管尺寸（常用） 無縫鋼管：φ19×2 φ25×2.5 φ38×2.5 不銹鋼管： φ25×2 φ38×2.5 標準管長為：10、 1.5、 2.0、 2.5、 3.0、 4.5、 6.0、 7.5、 9.0、 12.0m等。 外徑范圍： φ10 ～ φ57 3. 換熱管材料 黑金屬：碳素鋼、低合金鋼、不銹鋼等。 有色金屬：銅、銅鎳合金、鋁合金、鈦合金等。 非金屬：石墨、陶瓷、聚四氟乙烯等。 4. 換熱管排列形式及中心距

14、 換熱管在管板上的排列形式：正三角形、正方形、轉(zhuǎn)角正三角形、轉(zhuǎn)角正方形。如圖2.2所示， 在同樣的管板面積上正三角形排列的管數(shù)最多，故用得最為普遍，但管外不易清洗。為便于管外清洗，可以采用正方形或轉(zhuǎn)角正方形排列的管束。 圖2.2 換熱管排列型式 換熱管中心距一般不小于1.25倍的換熱管外徑。 常用的換熱管中心距見表2-1。 表2-1 常用換熱管中心距 mm 換熱管外徑do 12 14 19 25 32 38 45 57 換熱管中心距 16

15、19 25 32 40 48 57 72 31 二. 管板 作用：a. 用來排布換熱管 b. 分隔管程和殼程的流體，避免冷、熱流體混合。 c. 同時受管程、殼程壓力和溫度的作用。 1. 管板材料 選擇管板材料，除力學(xué)性能外，還應(yīng)考慮管程和殼程流體的腐蝕性，以及管板和換熱管之間的電位差對腐蝕的影響。 工程上常用材料：a. 碳素鋼 b. 低合金鋼 鋼板、鍛件 c. 不銹鋼 d. 不銹鋼＋鋼 e. 鈦＋鋼 復(fù)合板 f. 銅＋鋼 g. 堆焊襯里。 2. 管板結(jié)構(gòu) 在滿足強度的前提

16、下，應(yīng)盡量減少管板厚度。 薄管板一般為：8～20mm。 形狀主要有：平面形、橢圓形、碟形、球形、撓性薄管板等。 最為常用的是平面形薄管板。 圖2.3 薄管板結(jié)構(gòu)形式 圖2.4 橢圓形管板 圖2.5 雙管板結(jié)構(gòu) 32 圖2.3所示為用于固定管板式換熱器中的薄管板四種結(jié)構(gòu)形式。 圖2.4所示為橢圓形管板。 圖2.5所示為雙管板結(jié)構(gòu) 三.管箱 管箱位于管殼式換熱器的兩端。 作用：把從管道輸送來的流體均勻地分布到各換熱管和把管內(nèi)流體匯集在一起送出換熱器。在多管程換熱器中，管箱還起改

17、變流體流向的作用。 圖2.6 管箱結(jié)構(gòu)形式 管箱的結(jié)構(gòu)形式主要以換熱器是否需要清洗或管束是否需要分程等因素來決定。 圖2.6為管箱的幾種結(jié)構(gòu)形式。圖2.6（a）的管箱結(jié)構(gòu)適用于較清潔的介質(zhì)情況。因為在檢查及清洗管子時，必須將連接管道一起拆下，很不方便。圖2.6（b）為在管箱上裝箱蓋，將蓋拆除后（不需拆除連接管），就可檢查及清洗管子，但其缺點是用材較多。圖2.6（c）形式是將管箱與管板焊成一體，從結(jié)構(gòu)上看，可以完全避免在管板密封處的泄漏，但管箱不能單獨拆下，檢修、清理不方便，所以在實際使用中很少采用。圖2.6（d）為一種多程隔板的安置形式。 四.管束分程

18、管程：管內(nèi)流動的流體從管子的一端流到另一端為一個管程。 在管殼式換熱器中，最簡單常用的是單管程的換熱器。也可采用多管程結(jié)構(gòu)。從制造、安裝、操作等角度考慮，偶數(shù)管程有更多的方便之處，最常用的程數(shù)為2、4、6。 ★注意：管束分程可采用多種不同的組合方式，對于每一程中的管數(shù)應(yīng)大致相等，且程與程之間溫度相差不宜過大，溫差以不超過20℃左右為宜，最大不超過28℃。否則在管束與管板中將產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力 表2-2列出了1～6程的幾種管束分程布置形式。 33 表2－2 管束分程布置圖 對于4程的分法，有平行和工字形兩種，一般為了接管方便，選用平行分法較合適，同時平

19、行分法亦可使管箱內(nèi)殘液放盡。工字形排列法的優(yōu)點是比平行法密封線短，且可排列更多的管子。 五.換熱管與管板的連接 換熱管與管板的連接是管殼式換熱器的關(guān)鍵部位，是換熱器事故率最多的部位。 管子與管板的連接方法：脹接、焊接、脹焊并用。 ①脹接 保證換熱管與管板連接的密封性能及抗拉脫強度的脹接。 管孔結(jié)構(gòu)示于圖2.7。一般采用光孔，管端伸出2～3mm。脹接時，管端翻邊成圓錐形，能提高管子的抗拉脫能力。當(dāng)管子承受壓應(yīng)力時，翻邊可取消。 圖2.7 脹接的型式 帶槽孔的結(jié)構(gòu)用于抗拉脫能力與密封性要求高的場合。管孔中開的環(huán)形小槽深為0.4～0.5mm，管子材料被脹擠進槽內(nèi)，可防止

20、介質(zhì)外泄。管板厚度小于30mm時，槽數(shù)為1，厚度大于30mm時，槽數(shù)為2。 方法：機械滾脹法是應(yīng)用最早的脹接方法。它靠電動或風(fēng)動等動力使脹管器的錐形心軸旋轉(zhuǎn)并擠入管內(nèi)，迫使管子擴張并產(chǎn)生塑性變形，而管板只產(chǎn)生彈性變形。取出脹管器的心軸后，管板彈性恢復(fù)，使管板與管子間產(chǎn)生一定的擠壓力而貼合在一起。除機械滾 34 脹法外，近年來出現(xiàn)了液壓脹接、橡膠脹接和爆炸脹接法。液壓脹接法是利用液體壓力使換熱管產(chǎn)生塑性變形。橡膠脹接是利用機械壓力使特種橡膠長度縮短，直徑增大，從而帶動換熱管擴張達到脹接的目的。爆炸脹接是利用炸藥在換熱管內(nèi)有效長度內(nèi)爆炸，使換熱管貼緊管板孔而達到脹接目

21、的。這些脹接方法具有生產(chǎn)率高，勞動強度低，密封性能好等特點。 適用范圍：脹接主要適用于設(shè)計壓力小于等于4.0MPa；設(shè)計溫度小于等于300℃；操作中無劇烈振動、無過大溫度波動及無明顯應(yīng)力腐蝕等場合。 ②焊接 保證換熱管與管板連接的密封性能及抗拉脫強度的焊接。 結(jié)構(gòu)形式見圖2.8。由于管孔不需要開槽，且對管孔的粗糙度要求不高，管子端部不需要退火和磨光，因此制造加工簡單。焊接結(jié)構(gòu)強度高，抗拉脫力強。在高溫高壓下也能保證連接處的密封性能和抗拉脫能力。管子焊接處如有滲漏可以補焊或利用專用工具拆卸后予以更換。 圖2.8 焊接管孔結(jié)構(gòu) 當(dāng)換熱管與管板連接處焊接之后，管板與

22、管子中存在的殘余熱應(yīng)力與應(yīng)力集中，在運行時可能引起應(yīng)力腐蝕與疲勞。此外，管子與管板孔之間的間隙中存在的不流動的液體與間隙外的液體有著濃度上的差別，還容易產(chǎn)生縫隙腐蝕。 適用范圍：除有較大振動及有縫隙腐蝕的場合，只要材料可焊性好，焊接可用于其他任何場合。管子與薄管板的連接應(yīng)采用焊接方法。 ③脹焊并用 脹接與焊接方法都有各自的優(yōu)點與缺點，在有些情況下，例如高溫、高壓換熱器管子與管板的連接處，在操作中受到反復(fù)熱變形、熱沖擊、 35 腐蝕及介質(zhì)壓力的作用，工作環(huán)境極其苛刻，很容易發(fā)生破壞。無論單獨采用焊接或是脹接都難以解決問題。要是采用脹焊并用的方法，不僅能改善連接處

23、的抗疲勞性能，而且還可消除應(yīng)力腐蝕和縫隙腐蝕，提高使用壽命。因此目前脹焊并用方法已得到比較廣泛的應(yīng)用。 脹焊并用的方法: 從加工工藝過程來看，主要有強度脹＋密封焊、強度焊＋貼脹、強度焊＋強度脹等幾種形式。 “密封焊”:是指保證換熱管與管板連接密封性能的焊接，不保證強度； “貼脹”: 是指為消除換熱管與管孔之間縫隙并不承擔(dān)拉脫力的輕度脹接。 ★如強度脹與密封焊相結(jié)合，則脹接承受拉脫力，焊接保證緊密性。如強度焊與貼脹相結(jié)合，則焊接承受拉脫力，脹接消除管子與管板間的間隙。至于脹、焊的先后順序，雖無統(tǒng)一規(guī)定，但一般認為以先焊后脹為宜。因為當(dāng)采用脹管器脹管時需用潤滑油，脹后難以洗凈，在焊接時存在

24、于縫隙中的油污在高溫下生成氣體從焊面逸出，導(dǎo)致焊縫產(chǎn)生氣孔，嚴重影響焊縫的質(zhì)量。 適用范圍：脹焊并用主要用于密封性能要求較高；承受振動和疲勞載荷；有縫隙腐蝕；需采用復(fù)合管板等的場合。 2.2.2.2、殼程結(jié)構(gòu) 殼程主要由殼體、折流板或折流桿、支承板、縱向隔板、拉桿、防沖擋板、防短路結(jié)構(gòu)等元件組成。 一、殼體 殼體一般是一個圓筒，在殼壁上焊有接管，供殼程流體進入和排出之用。 為防止進口流體直接沖擊管束而造成管子的侵蝕和振動，在殼程進口接管處常裝有防沖擋板，見圖2.9。當(dāng)殼體法蘭采用高頸法蘭或殼程進出口接管直徑較大或采用活動管板時，殼程進出口接管距管板較遠，流體停滯區(qū)過大；靠近兩端管板

25、的傳熱面積利用率很低。為克服這一缺點，可采用導(dǎo)流筒結(jié)構(gòu)，見圖2.10。導(dǎo)流筒除可減小流體停滯區(qū)，改善兩端流體的分布，增加換熱管的有效換熱長度，提高傳熱效率外，還起防沖擋板的作用，保護管束免受沖擊。 防沖擋板或?qū)Я魍驳脑O(shè)置條件： 1.若進口管流體ρυ2值為下列值時設(shè)防沖擋板或?qū)Я魍? ①非腐蝕、非磨蝕的單相流體ρυ2＞2230kg/ms2； ②其他液體、包括沸點下的液體ρυ2＞740kg/ms2； 2.有腐蝕、磨蝕的介質(zhì)設(shè)防沖擋板； 3.接管距管板較遠設(shè)導(dǎo)流筒，減小流體停滯區(qū)，增加換熱管的有效 36 換熱長度。 ρ—密度 υ—流速 導(dǎo)流筒：減小流體停滯

26、區(qū)，改善兩端流體的分布，增加換熱管的有效換熱長度，提高換熱率，并起防沖擋板的作用。 圖2.9 防沖擋板 圖2.10 導(dǎo)流筒結(jié)構(gòu) 二、折流板 設(shè)置折流板的目的：是為了提高殼程流體的流速，增加湍動程度，并使殼程流體垂直沖刷管束，以改善傳熱，增大殼程流體的傳熱系數(shù)，同時減少結(jié)垢。在臥式換熱器中，折流板還起支撐管束的作用。 常用的折流板形式有弓形和圓盤-圓環(huán)形兩種。其中弓形折流板有單弓形、雙弓形和三弓形三種。各種形式的折流板見圖2.11所示。根據(jù)需要也可采用其他形式的折流板。 ★弓形折流板缺口高度應(yīng)使流體通過缺口時與橫向流過管束時的流速相近。缺口大小用切去的

27、弓形弦高占殼體內(nèi)直徑的百分比來表示。如單弓形折流板，缺口弦高一般取O.20～0.45倍的殼體內(nèi)直徑，最常用的是0.25倍殼體內(nèi)直徑。 對于臥式換熱器，殼程為單相清潔液體時，折流板缺口應(yīng)水平上下 37 布置。若氣體中含有少量液體時，則在缺口朝上的折流板最低處開設(shè)通液口，見圖2.12（a）；若液體中含有少量氣體，則應(yīng)在缺口朝下的折流 圖2.11 折流板形式 圖2.12 折流板缺口布置 板最高處開通氣口，如圖2.12（b）。臥式換熱器的殼程介質(zhì)為氣液相共存或液體中含有固體顆粒時，折流板缺口應(yīng)垂直左右布置，并在折流板最低處開通液口，

28、如圖2.12（c）。 ★折流板一般應(yīng)按等間距布置，管束兩端的折流板應(yīng)盡量靠近殼程進、出口接管。折流板的最小間距應(yīng)不小于殼體內(nèi)直徑的1／5，且不小于50mm；最大間距應(yīng)不大于殼體內(nèi)直徑。折流板上管孔與換熱管之間的間隙以及折流板與殼體內(nèi)壁之間的間隙應(yīng)合乎要求，間隙過大，泄漏嚴重，對傳熱不利，還易引起振動；間隙過小，安裝困難。 從傳熱角度考慮，有些換熱器（如冷凝器）是不需要設(shè)置折流板的。但是為了增加換熱管的剛度，防止產(chǎn)生過大的撓度或引起管子振動，當(dāng) 38 換熱器無支撐跨距超過了標準中的規(guī)定值時，必須設(shè)置一定數(shù)量的支持板，其形狀與尺寸均按折流板規(guī)定來處理。 圖2.

29、13 拉桿結(jié)構(gòu) 折流板與支持板一般用拉桿和定距管連接在一起，如圖2.13（a）所示。拉桿數(shù)不少于4根，每個折流板不少于3個支點。當(dāng)換熱管外徑小于或等于14mm時，采用折流板與拉桿點焊在一起而不用定距管，如圖2.13（b）所示。 在大直徑的換熱器中，如折流板的間距較大，流體繞到折流板背后接近殼體處，會有一部分流體停滯起來，形成了對傳熱不利的“死區(qū)”。為了消除這個弊病，宜采用多弓形折流板。如雙弓形折流板，因流體分為兩股流動，在折流板之間的流速相同時，其間距只有單弓形的一半。不僅減少了傳熱死區(qū)，而且提高了傳熱效率。 三、折流桿 圖2.14 折流桿結(jié)構(gòu)

30、 39 目的：裝有折流板的管殼式換熱器存在著影響傳熱的死區(qū)，流體阻力大，且易發(fā)生換熱管振動與破壞。為了解決傳統(tǒng)折流板換熱器中換熱管與折流板的切割破壞和流體誘導(dǎo)振動，并且強化傳熱提高傳熱效率，近年來開發(fā)了一種新型的管束支撐結(jié)構(gòu)——折流桿支撐結(jié)構(gòu)。 結(jié)構(gòu)：由折流圈和焊在折流圈上的支撐桿（桿可以水平、垂直或其他角度）所組成。折流圈可由棒材或板材加工而成，支撐桿可由圓鋼或扁鋼制成。一般4塊折流圈為一組，如圖2.14所示，也可采用2塊折流圈為一組。支撐桿的直徑等于或小于管子之間的間隙。因而能牢固地將換熱管支撐住，提高管束的剛性。 四、防短路結(jié)構(gòu) 為了防止殼程流體在某些區(qū)域發(fā)生短路，降低傳

31、熱效率，需要采用防短路結(jié)構(gòu)。常用的防短路結(jié)構(gòu)主要有旁路擋板、擋管（或稱假管）和中間擋板。 ① 旁路擋板 為了防止殼程邊緣介質(zhì)短路而降低傳熱效率，需增設(shè)旁路擋板，以迫使殼程流體通過管束與管程流體進行換熱。旁路擋板可用鋼板或扁鋼制成，其厚度一般與折流板相同。旁路擋板嵌入折流板槽內(nèi)，并與折流 板焊接，如圖2.15所示。 圖2.15 旁路擋板結(jié)構(gòu) 通常當(dāng)殼體公稱直徑DN≤500mm時，增設(shè)一對旁路擋板；DN=500mm時，增設(shè)二對旁路擋板；DN≥1000mm時，增設(shè)三對旁路擋板。 ②擋管 當(dāng)換熱器采用多管程時，為了安排管箱分程隔板，在管中心（或在每程隔板中心

32、的管間）不排列換熱管，導(dǎo)致管間短路，影響傳熱效率。為此，在換熱器分程隔板槽背面兩管板之間設(shè)置兩端堵死的管子，即擋管，如圖2.16所示。 擋管一般與換熱管的規(guī)格相同，可與折流板點焊固定，也可用拉桿 40 （帶定距管或不帶定距管）代替。擋管應(yīng)每隔3～4排換熱管設(shè)置一根，但不應(yīng)設(shè)置在折流板缺口處。 圖2.16 擋管結(jié)構(gòu) ③ 中間擋板 在U形管式換熱器中，U形管束中心部分存在較大間隙，流體易走短路而影響傳熱效率。為此在U形管束的中間通道處設(shè)置中間擋板。中間擋板一般與折流板點焊固定，如圖2.17所示。 圖2.17 中間擋板 通常當(dāng)殼體公稱直

33、徑DN≤500mm時，增設(shè)一塊擋板；DN=500mm時，增設(shè)二塊擋板；DN≥1000mm時，增設(shè)三塊擋板。中間擋板的數(shù)量不宜多于4塊。 五、殼程分程 根據(jù)工藝設(shè)計要求，或為增大殼程流體傳熱系數(shù)，可將殼程分程。 在圖2.18中列出了幾種代號的殼程型式。圖2.18（a）為E型，是最普通的一種，殼程是單程的，管程可為單程，也可為多程。為了增大平均溫度差提高傳熱效率，對于二管程的換熱器，可采用圖2.18（b）所示的F型，在殼體中裝入了一塊平行于管子軸線方向的縱向隔板，成為二殼程的換熱器，流體按逆流方式進行熱交換。 圖2.18（c）為G型，也屬二殼程的換熱器，縱向隔板從管板的一端移開使殼程流體得

34、以分流。殼體上的進、出口接管對稱地分置于殼體的兩側(cè)且放在中央部位。殼程中流體的壓力降與E型的相同，但在傳熱 41 面積與流量相同的情況下，具有更高的熱效率。G型殼體也稱為分流殼體。殼程中可通入單相流體，也可通入有相變的流體。如用作水平的熱虹吸式再沸器，殼程中的縱向隔板起著防止輕組分的閃蒸與增強混合的作用。 圖2.18（d）為H型。與G型相似，同屬二殼程的換熱器，但進口接管、出口接管與縱向隔板均多一倍，故又稱雙分流殼體。G型與H型兩種殼體都可用于以壓力降作為控制因素的換熱器中，且有利于降低殼程流體的壓力降。 盡管在工業(yè)中已成功地制造出六殼程的管殼式換熱器，但考慮到制造方面

35、的困難，一般的設(shè)計，殼程數(shù)很少超過2。如有必要，可通過增加串聯(lián)臺數(shù)的辦法來解決。 ★應(yīng)該指出，在管外空間設(shè)置了垂直于管子軸線的折流板后，不能把換熱器看成是多殼程的，實際上它仍屬單殼程的范圍。 圖2.18 換熱器的殼程型式 2.2.3管板設(shè)計 管板是管殼式換熱器的主要部件之一，往往成為整臺設(shè)備生產(chǎn)的決定性因素。它和換熱管、殼體、管箱、法蘭等連接構(gòu)成一個復(fù)雜的彈性體系，故設(shè)計時進行了各種假設(shè)： ★1.將管板看成周邊支承條件下承受均布載荷的圓平板，應(yīng)用平板理論得出計算公式，考慮管孔的削弱，再引入經(jīng)驗性的修正系數(shù)。 2.將管子當(dāng)作管板的固定支撐，而管板是受管子支撐

36、的平板。管板的厚度取決于管板上不布管區(qū)的范圍。 3.將管板視為在廣義彈性基礎(chǔ)上承受均布載荷的多孔圓平板，既把實際的管板簡化為受到規(guī)則排列的管孔削弱，同時又被管子加強的等效彈性基礎(chǔ)上的均質(zhì)等效圓平板。 一、管板設(shè)計的基本考慮 把實際的管板簡化為承受均布載荷，放置在彈性基礎(chǔ)上且受管孔均勻削弱的當(dāng)量圓平板，在此基礎(chǔ)上還考慮了以下幾方面因素。 ★1.管束對管板撓度的約束作用，但忽略管束對管板轉(zhuǎn)角的約束作用。 2.管板周邊不布管區(qū)對管板應(yīng)力的影響。將管板劃分為兩區(qū)，即靠近 42 中央部分的布管區(qū)和靠近周邊處較窄的不布管區(qū)。不布管區(qū)可簡化為一個圓環(huán)形實心板，由于它的存在，管板

37、的邊緣應(yīng)力下降。 3.不同結(jié)構(gòu)形式換熱器，管板邊緣的連接結(jié)構(gòu)不同。根據(jù)具體情況考慮對管板邊緣轉(zhuǎn)角的約束作用。 4.管板兼作法蘭時，法蘭力矩的作用對管板應(yīng)力的影響。 二、管板設(shè)計思路 1． 管板彈性分析 把管板簡化為彈性基礎(chǔ)上的等效均質(zhì)圓平板。綜合考慮殼程壓力Ps，管程壓力Pt，溫差引起的熱膨脹差以及預(yù)緊條件下的發(fā)蘭力矩等載荷的作用。 對于固定管板換熱器，力學(xué)模型詳見P285圖2.19。 內(nèi)力共有14個。 ①封頭與法蘭（管箱）連接處：邊緣彎矩Mh 橫向剪力Hh 軸向力Vh ②殼體與殼體法蘭連接處：邊緣彎矩Ms 橫向剪力Hs 軸向力Vs ③環(huán)形不布管區(qū)與殼體

38、法蘭之間 即半徑為R處：彎矩Mr 徑向力Hr 軸向剪力Vr ④布管區(qū)與邊緣環(huán)板連接處： 邊緣彎矩Mt 徑向力Ht 軸向剪力Vt ⑤作用在墊板上的軸向力VG ⑥作用在螺栓圓上的螺栓力Vb 建立每個獨立元件的位移（或轉(zhuǎn)角）與作用在該元件上的內(nèi)力關(guān)系式，列出變形協(xié)調(diào)條件，得到以內(nèi)力為未知數(shù)的變形協(xié)調(diào)方程組，求

39、出內(nèi)力再計算危險截面上的應(yīng)力，并進行強度校核。 2.危險工況 不能保證管程與殼程壓力在任何情況下都同時作用，則不允許以殼程和管程壓力差進行管板設(shè)計。 ★固定管板式換熱器為例，管板分析時應(yīng)考慮四種工況： ①只有殼程壓力Ps，而管程壓力Pt=0，不計熱膨脹差； ②只有殼程壓力Ps，而管程壓力Pt=0，考慮熱膨脹差； 43 ③只有管程壓力Ps，而殼程壓力Pt=0，不計熱膨脹差； ④只有管程壓力Ps，而殼程壓力Pt=0，考慮熱膨脹差； 3.管板應(yīng)力校核 在不同危險工況下，應(yīng)計算下列應(yīng)力。 ①管板布管區(qū)的應(yīng)力。 ②環(huán)板的應(yīng)力。 ③殼體法蘭應(yīng)力

40、。 ④換熱管軸向應(yīng)力。 ⑤管板與換熱管拉脫力。 ⑥危險工況下的應(yīng)力校核。 壓力引起的管板應(yīng)力為一次彎曲應(yīng)力，控制指標≤1.5[σ]t。 溫差應(yīng)力屬于二次應(yīng)力，二次應(yīng)力不會在初應(yīng)力加載情況下發(fā)生破壞，但在反復(fù)作用下會引起疲勞破壞。為此以結(jié)構(gòu)安定的要求加以控制，即一次應(yīng)力+二次應(yīng)力≤3[σ]t。 法蘭預(yù)緊力引起的管板應(yīng)力為二次應(yīng)力，法蘭操作力矩引起的管板應(yīng)力是一次應(yīng)力（現(xiàn)行標準），這種方法偏于安全，且≤1.5[σ]t。 4.管板應(yīng)力的調(diào)整 當(dāng)管板應(yīng)力超過許用應(yīng)力，可采用兩種方法進行調(diào)整。 ①增加管板厚度（常用方法） 該方法可提高管板的抗彎截面模量，有效降低管板應(yīng)力。 ②降低殼

41、體軸向剛度 當(dāng)管程與殼程的溫差較大時，在換熱管和殼體上產(chǎn)生較大的軸向熱應(yīng)力，從而使管板產(chǎn)生較大的變形，使管板應(yīng)力增高。為有效降低熱應(yīng)力，采用降低殼體軸向剛度的方法，如設(shè)置膨脹節(jié)。 5.管板設(shè)計計算軟件SW6等。 三．薄管板設(shè)計 薄管板主要載荷由管壁與殼壁的溫差決定。流體壓力引起的應(yīng)力與撓度相對來說不大。 溫差控制在50℃以下時，管板厚度可查表2.3得出，它與直徑有關(guān)，也可計算得到。 表2.3薄管板的厚度 mm 公稱直徑 300-400 500-600

42、 700-800 900-1200 1400-1800 管板厚度 8 10 12 14 16 薄管板本身的剛度小，載荷主要由管子承擔(dān)，故要驗算管子的穩(wěn)定性。如穩(wěn)定性差，可減小折流板或支持板的間距。 2.2.4膨脹節(jié) 44 膨脹節(jié)是一種能自由伸縮的彈性補償元件，能有效的起到補償軸向變形的作用。 一.膨脹節(jié)的作用 殼體上設(shè)置膨脹節(jié)。 ① 可降低由膨脹差引起的管板應(yīng)力。 ② 換熱管與殼體的軸向應(yīng)力。 ③ 管板與換熱管間的拉脫力。 結(jié)構(gòu)形式： ① 波形（U型）膨脹節(jié)。 ② Ω形膨脹節(jié)。 ③ 平板膨脹節(jié)。 二.是否設(shè)置膨脹節(jié)的判斷

43、 根據(jù)設(shè)計條件，各元件的實際應(yīng)力狀況，判斷是否設(shè)置膨脹節(jié)。 由膨脹差引起的應(yīng)力過高，先考慮調(diào)整材料或元件尺寸，或改變連接方式（脹接改焊接），或采用管束和殼體可自由膨脹的換熱器。但是結(jié)構(gòu)不合理或不經(jīng)濟，則考慮設(shè)置膨脹節(jié)。 注意：膨脹差與溫差是不同的概念。 2.2.5管殼式換熱器的振動與防止 一、流體誘導(dǎo)振動 換熱器管束受殼程流體流動的激發(fā)而產(chǎn)生的振動。 流體誘導(dǎo)振動分兩大類： 縱向流誘導(dǎo)振動（縱向流誘振）和橫向流誘導(dǎo)振動（橫向流誘振） 縱向流誘振：平行于管子軸線流動的流體誘導(dǎo)振動 橫向流誘振：垂直于管子軸線流動的流體誘導(dǎo)振動 ★只有當(dāng)流速遠高于正常流速時，考慮縱向流誘振。而橫

44、向流誘振在正常流速時也會產(chǎn)生很大的振幅，容易產(chǎn)生破壞。 表現(xiàn)形式為：1.管子與相鄰管子或折流板孔內(nèi)壁撞擊，使管子受到磨損、開裂或切斷； 2.管子的疲勞破壞；管子與管板連接處發(fā)生漏泄； 3.殼程空間發(fā)生強烈的噪聲； 4.增加殼程的壓力降。 研究表明，橫向流誘發(fā)振動的原因主要如下。 （1）卡曼旋渦 在亞音速橫向流中，與流體橫向流過單個圓柱形物體一樣，當(dāng)其流過管束時，管子背后也有卡曼旋渦產(chǎn)生。當(dāng)旋渦從換熱器管子的兩側(cè)周期性交替脫落時，便在管子上產(chǎn)生周期性的升力和阻力。這種流線譜的 45 變化將引起壓力分布的變化，從而導(dǎo)致作用在換熱器管子上的流體壓力的大小和方

45、向發(fā)生變化，最后引起管子振動。 當(dāng)卡曼旋渦脫落頻率等于管子的固有頻率時，管子便發(fā)生劇烈的振動。 旋渦脫落在液體橫流、節(jié)徑比較大的管束中才會發(fā)生，而且在進口處比較嚴重。在大多數(shù)密集的管束中，旋渦脫落并不是導(dǎo)致管子破壞的主要原因，但可激發(fā)起聲振動。 （2）流體彈性擾動 流體彈性擾動又稱為流體彈性不穩(wěn)定性。這是一種復(fù)雜的管子結(jié)構(gòu)在流動流體中的自激振動現(xiàn)象。一根管子在某一排中偏離了原來的或靜止的位置產(chǎn)生了位移，就會改變流場并破壞鄰近管子上力的平衡，使這些管子受到波動壓力的作用發(fā)生位移而處于振動狀態(tài)。當(dāng)流體流動速度達到某一數(shù)值時，由流體彈性力對管子系統(tǒng)所做的功就大于管子系統(tǒng)阻尼作用所消耗的功，管

46、子的振幅將迅速增大，即使流速有一很小的增量，也會導(dǎo)致管子振幅的突然增大，使管子與其相鄰的管子發(fā)生碰撞而破壞。 （3）湍流顫振 被湍流引起的振動是最常見的振動形式，因為在管束中總存在著偶然的流動干擾。經(jīng)過管束的流體在某一速度下湍流能譜有一主頻，當(dāng)此湍流脈動的主頻與管子的固有頻率合拍時，則會發(fā)生共振，導(dǎo)致大振幅的管子振動。 （4）聲振動 當(dāng)?shù)兔芏葰怏w穩(wěn)定地橫向流過管束時，在與流動方向及管子軸線都垂直的方向上形成聲學(xué)駐波。這種聲學(xué)駐波在殼體內(nèi)壁（即空腔）之間穿過管束來回反射，能量不能往外界傳播，而流動場的旋渦脫落或沖擊的能量卻不斷地輸入。當(dāng)聲學(xué)駐波的頻率與空腔的固有頻率或旋渦脫落頻率一致時，

47、便激發(fā)起聲學(xué)駐波的振動，從而產(chǎn)生強烈的噪聲，同時，氣體在殼程的壓力降也會有很大的增加。 如果流入殼程的是液體，因液體中的聲速很高，故不會發(fā)生振動。因此，一般聲學(xué)駐波激發(fā)的振動在殼程流體為液體的換熱器中并不重要。 （5）射流轉(zhuǎn)換 當(dāng)流體橫向流過緊密排列（節(jié)徑比≤1.5）的管束時，在同排管上的兩根管子之間的窄道處形成如同一個射流的流動方式。在尾流中可觀察到射流對的出現(xiàn)。如果單排管有充分的時間交替地向上游，或下游移動時，射流方向也隨之改變。當(dāng)形成擴散射流時，管子受力（等于流體 46 阻力）較小，當(dāng)形成收縮射流時受力較大。如果射流對的方向變化與管子運動的方向同步，管子

48、從流體吸收的能量比管子因阻尼而消耗的能量大得多，管子的振動便會加劇。 ★注意：1.在橫流速度較低時，容易產(chǎn)生周期性的卡曼旋渦，這時在換熱器中既可能產(chǎn)生管子的振動，也可能產(chǎn)生聲振動。 2.當(dāng)橫流速度較高時，管子的振動一般情況下是由流體彈性不穩(wěn)定性激發(fā)振動，但不會產(chǎn)生聲振動。 3.當(dāng)橫流速度很高，才會出現(xiàn)射流轉(zhuǎn)換而引起管子的振動。 二、管子固有頻率 為避免出現(xiàn)共振，使激振頻率遠離管子固有頻率須正確計算管束或管子的固有頻率。 假設(shè)：1.管子是線彈性體，且材料均勻、連續(xù)和各向同性。 2.管子的變形和位移是微小的，且滿足連續(xù)性條件。 3.管子和管板連接處作

49、為固定支承，折流板處作為簡支承。 三、防振措施 對于可能發(fā)生振動的換熱器，在設(shè)計時應(yīng)采取適當(dāng)?shù)姆勒翊胧苑乐拱l(fā)生危害性的振動。下面介紹一些已被實踐證明是有效的防振措施。 1.改變流速 通過減少殼程流量或降低橫流速度來改變卡曼旋渦頻率來消除振動，但會降低傳熱效率。如果殼程流體的流量不能改變，可用增大管間距的辦法來降低流速，特別是當(dāng)設(shè)計是以壓力降為限制條件時，更是如此。但此法最終將導(dǎo)致增大殼體直徑。在特定條件下，也可考慮拆除部分管子以降低橫流速度。改變管束的排列角，也可降低流速和激振頻率。 2.改變管子固有頻率 由于管子的固有頻率與管子跨距的平方成反比，因此，增大管子的固有

50、頻率最有效的方法是減小跨距。其次，可在管子之間插入桿狀物或板條來限制管子的運動，也可增大管子的固有頻率，這個方法多用于換熱器U形彎管區(qū)的防振。采用在折流板缺口區(qū)不布管的弓形或盤環(huán)型折流板，或采用管束支撐桿代替折流板，或提供附加的管子支撐，也可改變管子固有頻率。 3.增設(shè)消聲板 在殼程插人平行于管子軸線的縱向隔板或多孔板，可有效地降低噪聲，消除振動。隔板的位置，應(yīng)離開駐波的節(jié)點靠近波腹。 4.抑制周期性旋渦 在管子的外表面沿周向纏繞金屬絲或沿軸向安裝金屬條，可以抑制 47 周期性旋渦的形成,減少作用在管子上的交變力。 5.設(shè)置防沖擋板或?qū)Я魍? 當(dāng)殼程進口或出口速度是主要問題時，可增大進出口接管尺寸，以降低進出口流速，或者設(shè)置防沖擋板，以避免流體過大的激振力沖蝕進口處管子，嚴重時可設(shè)置導(dǎo)流筒，防止流體沖刷管束以降低流體進入殼程時的流速。 48 友情提示：方案范本是經(jīng)驗性極強的領(lǐng)域，本范文無法思考和涵蓋全面，供參考!最好找專業(yè)人士起草或?qū)徍撕笫褂谩?