15南京工业大学备课笔记第六章换热设备HeatExWord下载.docx
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优:
结构牢固,可靠,适应性强,易于制造,能承受较高压力和强度。
不足:
换热效率、结构紧凑、金属消耗(单位传热面积)不如其他换热器。
[1]蛇管式换热器Pipecoil
将管子(金属、非金属)按需要弯成所需的形状,如圆盘形、螺旋形等。
A.沉浸式submerged
使用时将蛇管浸在被加热(冷却)介质的容器中。
结构简单,造价低,管子可承受较大流体压力。
缺:
管外流体流速小,传热系数较低,效率低。
高压流体的冷却等。
B.喷淋式sprayed
冷却水由喷淋装置均匀淋下。
传热系数大,便于检修,清洗。
缺:
体积大,冷却水用量大,效果不理想。
[2]套管式换热器double-pipe
两种直径不同的管子组装成同心管,一种流体走内管,另以种流体走内、外管之间。
结构简单,工作适应X围大,传热面积可增减。
单位传热面的金属消耗量大,检修、清洗较麻烦。
适:
高温、高压、小流量,传热面不大的场合。
[3]管壳式换热器shell-and-tube
结构坚固,适应性广,易制造,生产成本低。
不足:
传热效率、结构紧凑性等不如新型高效换热器。
[4]缠绕管式换热器
传热管按螺旋线形状交替缠绕,相邻两层螺旋形传热管的螺旋方向相反。
管内可通一种介质(单通道型),也可分别通过几种不同的介质(多通道型)。
适用:
同时处理多种介质,小温差传递较大热量。
(2)板面式换热器plate
通过板面进行传热。
优:
传热性能比管式好,强化了传热,生产成本较低。
缺:
耐压性能不如管式。
A。
螺旋板式换热器spiral
由二X卷成螺旋状金属板作为传热面。
结构紧凑,传热效率高,制造简单,材料利用率高。
高粘度流体、含有固体颗粒的悬浮液的唤热。
B。
板式换热器plateandframe
由许多薄金属板组成传热面,类似板框式压滤机。
板表面制成波纹形或槽形,以增大流体湍流程度,二板间边缘用垫片夹紧,以防泄漏。
结构紧凑,使用方便,便于清洗,较高的传热效率。
密封周边长,易渗漏,承压能力低,流通狭窄,处理量小,阻力大。
经常需清洗,环境要求紧凑的。
C。
板翅式换热器plate-fin
在二块平行金属板之间放置一种波纹状金属翅片,若干板束组装在一起。
结构紧凑,单位体积内传热面积大,传热系数大,适应性广。
结构复杂,难以清洗和检修,造价高,流道小。
低温或超低温的场合,多种不同的流体在同一设备中操作。
D.板壳式换热器shell-andplate
由若干板束放在一壳体中组成,介于管壳式和板式之间的一种换热器。
传热效率高于管壳式,结构紧凑,易清洗。
制造复杂,焊接要求高。
E.伞板式换热器bevel-plate
伞形板代替平形板。
制造相对简单,成本低,板间易密封,传热效率较高,结构紧凑。
流道小,易堵塞,不易处理较脆介质。
(3)其他型式换热器
指一些特殊结构换热器,
A.石墨换热器graphite
用一种不渗透性石墨制造的换热器,
良好的耐腐蚀性和传热性能
石墨抗拉,抗弯强度较低,易脆裂,结构中采用实替块。
适用:
腐蚀性强的液体和气体。
有管壳式,块式,板式等。
B.聚四氟乙烯换热器Teflon
有管壳式和沉浸式两种,
结构紧凑,耐腐蚀
机械强度和导热性能差
温度<
1500C,压力<
1.5MPa.
C.热管换热器heatpipe
热管的管子内部有用特定材料制的多孔毛细结构和载热介质.
将管内抽成一定负压后,充以适量的工作液体,使紧贴管内壁的吸液芯毛细多孔材料中充满液体后,加以密封.
当热管一端受热时,毛细芯中液体蒸发汽化,蒸汽在微小压差下流向另一端放出热量凝结成液体.液体再沿多孔材料靠毛细力的作用流向蒸发段.
优:
结构简单,重量轻,极小温差下,较高的传热能力,输送效率高(90%)
缺:
适用:
工业尾气余热回收.
6.1.3换热器选型Selectionofheatexchangertypes
考虑因素:
流体性质,腐蚀性,热敏性,
清洗,维修的要求
材料价格
使用寿命
6.2管壳式换热器Shell-and-TubeHeatExchanger
特点:
结构坚固,操作弹性大,适应性强
处理能力大,可靠程度高,应用广泛.
6.2.1基本类型
分五类
(1)固定管板式换热器fixedtubesheet
二端管板采用焊接方法与壳体连接固定.
优:
结构紧凑简单,制造成本低,承受较高压力.
缺:
壳程难清洗,产生较大热应力.
壳体与管子温差小,壳程不易结垢,
温差大时,壳体中设置膨胀节等挠性元件.
(2)浮头式换热器floating-head
二端管板中,一端管板与壳体的筒体固定,另一端可相对壳体自由移动.
管间,管内可清洗,无热应力
结构复杂,造价高,材料消耗多,密封要求高.
温差较大,壳程介质易结垢.
(3)U形管式换热器U-tube
只有一块管板,管束由多根U形管组成.
结构比较简单,承压能力强,不产生热应力,
最内层管间距较大,管板利用率低
温差较大,壳程介质易结垢需清洗,不宜采用浮头式和固定管板式.
(4)填函式换热器outside-packed
与浮头式相似,只是浮头露在壳体以外,与壳体之间用填料函式密封.
结构较浮头式简单,加工方便,造价较低,管内外都可清洗.
填料处易泄漏
4MPa以下工作条件,现已很少采用
(5)釜式重沸器kettlereboiler
管束可以是:
浮头式,U形管式,固定管板式
特:
壳体上都设置一个蒸发空间.
6.2.2管壳式换热器结构structure
通道:
管程-流体流经管内的通道及其相连部分
壳程-流体流经管外的通道及其相连部分
6.2.2.1管程结构structureoftubeside
(1)换热管tube
[1]型式:
光管,翅片管,螺旋槽管,螺纹管
[2]尺寸:
外径*壁厚
无缝钢管:
19*2,25*2.5,38*2.5
不锈钢管;
25*2,38*2.5
管长标准(m):
1.5,2.0,3.0,4.5,6.0,9.0.
[3]材料:
material
碳素钢,低合金钢,不锈钢,铜
非金属管:
石墨,聚四氟乙烯
[4]排列形式及中心距arrangementandpitch
排列形式:
正三角形,转角正三角形,正方形,转角正方形
中心距:
保证管间有足够强度和宽度,留有清洗通道
常用中心距;
不小于1.25倍换热管的外径.
(2)管板;
tubesheet用来排布换热管,隔开管程与壳程的流体.
[1]材料
[2]结构
(3)管箱channel
位于换热器两端,起到均匀分布和汇集的作用.
多管程中,还可以改变流体的流向.
结构形式:
(4)管束分程tubesidepasses
流体从管子的一端流到另一端,称为一个管程.
加大换热面积的途径:
增加管长,受加工、运输、安装等限制
增加管数,但流速下降,使传热系数降低
管束分程,增加流速,提高传热系数。
管程布置图
(5)换热管与管板连接tubetotubesheetjoints
分强度胀,强度焊和胀焊并用:
[1]强度胀expansion
保证换热管与管板连接的密封性能和抗拉脱强度的胀接。
结构型式和尺寸:
胀接方法:
非均匀胀接—机械滚珠胀接
均匀胀接—液压胀接,液袋胀接,橡胶胀接,爆炸胀接
设计压力〈4。
0MPa,设计温度〈3000C,无振动与应力腐蚀
[2]强度焊welding
保证换热管与管板连接的密封性能和抗拉脱强度的焊接。
结构型式:
加工简单,结构强度高,抗拉脱力强,
存在残余热应力与应力集中,易产生应力腐蚀,缝隙腐蚀
[3]胀焊并用
形式:
强度胀+密封焊
强度焊+贴胀
强度焊+强度胀
顺序:
先焊后胀为宜。
胀管时用润滑油,胀后难以洗净,在焊接时易产生气体,导致气孔。
密封性能要求高,承受振动和疲劳载荷,有缝隙腐蚀。
6.2.2.2壳程结构structureofshellside
组成:
壳体,折流板,拉杆,纵向隔板,防冲挡板等,
(1)壳体shell
防冲挡板:
在进口接管处,防止进口流体直接冲击管束
导流筒:
在进出口附近。
(2)折流板baffle
目的:
提高壳程流体流速,增加湍流程度,改善传热,增大壳程流体穿热系数。
形式:
弓形,圆盘—圆环形。
弓形折流板缺口取0.25壳体内直径,
卧式换热器折流板设置缺口,
开在最低处,气体中含少量液体
开在最高处,液体中含少量气体
间距:
等间距布置
最小间距
最大间距
连接:
折流板用拉杆,定距管连接在一起
当换热管外径小于14mm,折流板与拉杆点焊,不用定距管。
多弓形折流板,为了减少穿热死区,提高传热效率。
(3)折流杆
折流杆支撑结构:
由折流圈和焊在折流圈上的支撑杆所组成,以避免折流板中传热死区,降低流体阻力。
(4)防短路结构
防止壳程流体流动出现短路。
[1]旁路挡板
根据壳体直径大小决定挡板多少,
嵌入折流板槽内,与折流板焊接
[2]挡管
多管程时,为按安排管箱分程隔板,相应部位不能排换热管,故在隔板槽背面设置两端堵死的管子,即挡管。
[3]中间挡板
U形管束中心间隙较大,设置中间挡板,使流体不能走短路。
(5)壳程分程shellsidepasses
在壳程设隔板longitudinalbaffle分程,以增大壳程流体传热系数。
6.2.3管板设计tubesheetdesign
换热器主要部件之一,结构与其他部件相连接,正确强度分析较困难.
各国标准中(TEMA,BS5500,JIS,GB151)都有管板设计计算公式,基本以下面三种前提进行分析计算;
[1]承受均布载荷,周边支承的圆平板,采用平板理论,引入修正系数来考虑管孔削弱,
[2]受管子支撑的平板,厚度取决于不布管区的X围.
[3]在广义弹性基础上承受均布载荷的多孔圆平板,既考虑管子的加强,又考虑管孔的削弱.
(1)管板设计的基本考虑
GB151的思路;
管板看成受均布载荷,放置在弹性基础上,并承受管孔均匀削弱的当量圆平板,还考虑其他一些影响因素.
(2)管板设计思路
[1]管板弹性分析
固定管板式换热器的力学模型:
各元件间的内力共14个:
封头与管箱法兰连接处
壳体与壳体法兰连接处
不布管区与壳体法兰间
布管区与边缘环板连接处
垫片上轴向内力
螺栓圆上螺栓力
[2]危险工况
除了正常的操作工况,有可能出现各种危险工况,需对不同的危险工况组合具体分析,计算出各种应力:
管板布管区应力,环板的应力,壳体法兰应力.
换热管轴向应力,换热管与管板拉脱力.
危险工况有:
Ps不等于零Pt=0,不计热膨胀差
Ps不等于零Pt=0考虑热膨胀差
Ps=0Pt不等于零不计热膨胀差
Ps=0Pt不等于零考虑热膨胀差
[3]应力分类及限制
压力引起管板应力
热膨胀差引起管板应力
法兰预紧力矩作用下管板应力
法兰操作力矩作用下管板应力
[4]管板应力的调整
当管板应力超过许用应力,可用以下方法来调整
增加管板厚度,从而提高抗弯截面模量
降低壳体轴向刚度,如设膨胀节,可使温差较大时,降低热应力.
[5]管板设计计算软件
(3)薄管板设计thintubesheetdesign
主要载荷是管壁与壳壁的温差
中低压力下薄管板的厚度可从表查
薄管板刚度,载荷主要由管子承担,要校核管子稳定性.
6.2.4膨胀节设计expansionjoint
(1)膨胀节的作用function
降低:
由于管束和壳体间热膨胀差引起的管板应力,换热管与壳体上的轴向应力,管板与换热管间拉脱力.
形式:
平板,U形,W形,
(2)是否设置膨胀节的判断
固定管板式换热器设计时,应先根据设计条件下换热器的实际应力状况,来判断是否需要设置膨胀节.
可从由于管束和壳体间热膨胀差引起的管板应力,换热器与壳体上的轴向应力,管板与换热管之间的拉脱力等方面进行判断.
当由于热膨胀差引起的应力过高,可先采取:
改换材料,调整元件尺寸,改变连接方式(胀接改焊接)
采用管束和壳体可自由膨胀的换热器.
如以上不可能,或可能不合理,则考虑设置膨胀节.
6.2.5管束振动与防止preventandvibrationoftubes
(1)流体诱导振动
诱导振动:
换热管束受壳程流体流动的激发所产生的振动.
纵向流诱导振动:
平行于管子轴线流动的诱导振动,振幅下,危害性不大,只有当流速相当高时,才考虑.
横向流诱导振动:
垂直于管子轴线流动的诱导振动,在正常流速下,业会引起很大振幅.
影响:
使管子和壳体磨损、变薄、开裂
管子的疲劳破坏
管子与管板处泄漏
壳程产生噪音
增加壳程压力降。
诱导横向振动的主要原因:
[1]旋涡脱落
[2]流体弹性扰动
[3]湍流颤振
[4]声振动
[5]射流转换
小结:
横向流速较低,易产生卡蔓旋涡,可能产生管子的振动和声振动,
横向流速较高,由流体弹性扰动导致管子振动,但不会产生声振动。
横向流速很高,出现因射流转换引起管子振动。
(2)管子固有频率naturalfrequency
管壳式换热器中,管子是最具弹性的部件,最易引起振动。
为了避免出现共振,必须使激振频率远离固有频率。
固有频率的影响因素:
跨长,管子几何尺寸和材料性能;
管束中间的管子和折流板切口区的管子的跨数和跨长;
折流板有一定厚度,板孔与管子间的间隙;
管程和壳程流体的温差所引起热应力,管子受轴向载荷作用。
计算时的一些假设:
管子是线弹性体,材料是均匀、连续、各向同性的
管子的变形和位移是微小的,满足连续条件;
管子与管板连接处为固定支承,折流板处为简支。
单跨管第一振型的基频为
F1=1/T1=22.4
多跨管的经验公式:
(3)防振措施
[1]改变流速[2]改变管子的固有频率
[3]设置消声隔板
[4]抑制周期性旋涡[5]设置防冲板或导流筒。