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典型化工设备设计_换热器结构


U形管式换热器
U形管式换热器
动画
(四)U形管式换热器
U型管式换热器的二维图
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。
图7-6 U形管式换热器 图 7-7 U型管式换热器
优点:结构简单,价格便宜,承受能力强,不会产生热应力。 缺点:布板少,管板利用率低,管子坏时不易更换。 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
教学难点: 管、壳程的分程及隔板
第一节 一、定义
换热器概述
换热器是用来完成各种不同传热过程的设备。 1、如:开水锅炉、水杯、冰箱、空调等。 2、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% 。
那么衡量一台换热器好坏的标准是什么呢?
二、衡量标准
(二)规格
(外径×壁厚),长度按规定决定
φ19×2、φ25×2.5和φ38×2.5mm无缝钢管
换热管尺寸
φ25×2和φ38×2.5mm不锈钢管
标准管长1.5、2.0、3.0、4.5、6.0、9.0m等
换热器的换热管长度与公称直径之比,一般在 4~25
之间,常用的为6~10。立式换热器,其比值多为4~6。
换热管型式
多用光管,因为结构简单,制造容易,
为强化传热,也采用强化传热管。
常用管子形式:
图7-9 几种异形管
(a)扁平管 (b)椭圆管 (c)凹槽扁平管(d)波纹管
图7-10 纵向翅片管
(a)焊接外翅片管
(c)镶嵌式外翅片管
(b)整体式外翅片管
(d)整体式内外翅片管
图7-11 径向翅片管
图7-12 螺纹管
管板 换热管
d0
间隙
d0
图7-15 焊接间隙示意图
(a)
(c)
图7-14 焊接接头的结构
图7-14
焊接接头的结构
(b)
图7-14 焊接接头的结构 (d)
图7-16 焊接接头的结构
(三)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。
表7-4 常用换热管中心距/mm
换热管外径do
12
14
19
25
32
38
45
57
换热管中心距
16
19
25
32
40
48
57
72
最外层换热管中心至壳体内表面的距离不应小于 [(换热管外径的一半)+10mm]。
六、管箱与管束的分程 (一)分程原因 当换热器所需的换热面积较大,而管子做得太长时, 就得增大壳体直径,排列较多的管子。此时,为了增 加管程流速,提高传热效果,须将管束分程,使流体 依次流过各程管子。 管箱 固定管板式换热器利用管箱来实现管束分程。管箱位 于换热器两端,便于拆装。隔板安装在管箱内。
三角形排列紧凑,传热效果好,同一板上管子比正方形多 排10%左右,同一体积传热面积更大。适用于壳程介质污 垢少,且不需要进行机械清洗的场合。
(二)正方形和转角正方形排列
流 体 流 动 方 向 流 体 流 动 方 向
正方形排列
转角正方形排列
图7-18 正方形排列的管子
管间小桥形成一条直线通道,便于机械清洗。要经常 清洗管子外表面上的污垢时,多用正方形排列。
图7-14 胀管连接结构及尺寸
(二)焊接 优点: 在高温高压条件下, 焊接连接能保持连接的紧密 性,管板加工要求可降低, 节省孔的加工工时,工艺较 胀接简单,压力较低时可使 用较薄的管板。 缺点:在焊接接头处产生的 热应力可能造成应力腐蚀开 裂和疲劳破裂,同时管子、 管板间存在间隙,易出现间 隙腐蚀。
(三)组合排列法
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,如图7-19。
图7-19 组合排列法
五、管间距 (一)定义
管间距指两相邻换热管中心的距离。
(二)要求
管间距≥1.25d0,符合表7-4规定,便于管子 与管板间的连接,因为对于胀接或焊接来 讲,管子间距离太近,那么都会影响连接 质量。最外层管壁与壳壁之间的距离不应 小于1/2换热管外径加10mm,主要是为折 流板易于加工,不易损坏。
管箱结构:
(二)分程原则
①各程换热管数应大致相等; ②相邻程间平均壁温差一般不应超过28℃;
③各程间的密封长度应最短;
④分程隔板的形状应简单。 (三)分程隔板
封头 隔板 管板 管板 隔板
图7-22 双层隔板与管板的密封
图7-21 单层隔板与管板的密封
(四)分程方式 表7-5 管程布置表
管程数 流动顺序 管箱隔板 介质返回 侧隔板 图序 a b c d e f g 1 2
二、管子与管板的连接
(一)胀接
利用胀管器挤压伸入管板孔中的管子端部,使管端发生塑性 变形,管板孔边缘同时产生弹性变形,取去胀管器后,管板 边缘弹性恢复与管子产生一定的挤压力,贴在一起达到密封 紧固连接的目的。
(a)胀管前
(b)胀管后
图7-13 胀管前后示意图
胀接工具:
液压 胀管器
液压胀接
机械胀接
结构三维图
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。 缺点:不易清洗壳程,壳体和管束中可能产生较大的 热应力。
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。 为减少热应力,通常在固定管板式换热器中设置柔性元 件(如膨胀节、挠性管板等),来吸收热膨胀差。
注意:
要求管板硬度大于管子硬度,否则将管端退火 后再胀接。
胀接时管板上的孔可以是光孔,也可开槽(开槽 可以增加连接强度和紧密性)。
为什麽? 如何实现?
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。
图7-3
图7-3 带膨胀节的固定管板式换热器
带补偿器的固定管板式换热器
(二)浮头式换热器
图7-4 浮头式换热器 优点: 管内和管间清洗方便,不会产生热应力。
缺点: 结构复杂,设备笨重,造价高,浮头端小盖在 操作中无法检查,影响传热。 适用场合:壳体和管束之间壁温相差较大,或介质易 结垢的场合。
图7-4 浮头式换热器
废热锅炉(waste heat boiler)
四、换热器的基本类型
按传热方式或工作原理分类
热流体
冷流体
1、直接接触式
热流体
传热效果好,但不能 用于发生反应或有影 响的流体之间
冷流体
直接接触式换热器
2、蓄热式
冷流体
热流体
温度较高的场合, 但有交叉污染, 温度波动大
热流体
冷流体
蓄热式换热器
3、间壁式
浮头结构
(三)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;
填料函式密封
填料函式换热器 优点:结构简单,加工制造方便,造价低,管内和管间清洗方便。 缺点:填料处易泄漏。 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。
(三)材料 由压力、温度、介质的腐蚀性能决定。常用管子材 质有:碳素钢(10,20)、合金钢(1Cr18Ni9Ti)、 低合金钢(16Mn,15MnV)、铜、钛、塑料、石墨等。
碳素钢 低合金钢 不锈钢 金属材料 铜 铜镍合金 非金属材料 石墨 陶瓷 聚四氟乙烯等
铝合金
钛等
(四)结构型式
光管 翅片管(在给热系数低侧) 强化传热管 螺旋槽管 螺纹管
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。 适用范围:换热管为碳素钢,管板为碳素钢 或 低 合 金 钢 , 设 计 压 力 ≤ 4 MPa, 设 计 温 度 ≤300℃,且无特殊要求的场合。
原因:温度升高,残余应力减小,使管子与管板 间的胀接密封性能、紧固性能都下降,故设计温 度≤300℃ 。
管板是管壳式换热器的重要零部件之一。
二、管板材料
管板材料选择既有力学的上考虑,又有耐介质腐蚀的考虑。
三、管板结构
在满足强度要求的前提下,应当尽量减少管板厚度。
四、换热管排列方式 (一)正三角形和转角正三角形排列
流 体 流 动 方 向 流 体 流 动 方 向
正三角形排列
转角正三角形排列
图7-17 正三角形排列的管子
压力容器的常规设计方法
内压、外压(中、低压)
几类常用化工设备
换热设备、塔设备、搅拌设备
第三篇
典型化工设备的机械设计
塔设备 搅拌设备
换热器
第七章 管壳式换热器的机械设计
教学重点 (1)典型管壳式换热器的选型 (2)固定管板式换热器的基本结构 (3)管子的选用及管板的连接 (4)温差应力产生的原因及补偿措施
下面我们来看一看管壳式换热器的基本结构
管壳式换热器
根据我们前面学习的内容,请同学们说说序号 2、3、8、12、21各代表什么零件?
图7-1 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
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