管壳式换热器的机械设计讲义.pptx
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1、1典型化工设备的机械设计典型化工设备的机械设计换热器换热器搅拌设备搅拌设备塔设备塔设备2教学重点教学重点(1)典型管壳式换热器的选型)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)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)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)温差应力产生的原因及补偿措施教学难点:教学难点:管、壳程的分程及隔板管、壳程的分程及隔板管壳式换热器的机械设计管壳式换热器的机械设计 3 概述概述 一、定义一、定义 换热器是用来完成各种不同传热过程的设备。换热器是用来完成各种不同传热过程的设备。3.3.可靠性可靠性满满足足操操作作条条件件,强强
2、度度足足够够,保保证证使使用用寿命寿命二、衡量标准二、衡量标准 2.合理性合理性 1.1.先进性先进性 可制造加工,成本可接受可制造加工,成本可接受 传热效率高,流体阻力小,材料省传热效率高,流体阻力小,材料省 4相关概念 换热器传热效率换热器传热效率换热器传热效率换热器传热效率 定义为实际传热速率定义为实际传热速率定义为实际传热速率定义为实际传热速率QQ和和和和理论理论理论理论上的最大传上的最大传上的最大传上的最大传热速率热速率热速率热速率QmaxQmax之比:之比:之比:之比:=Q/Qmax=Q/Qmax 当忽略换热器的热损失时,实际的传热速率等于冷流体吸当忽略换热器的热损失时,实际的传热
3、速率等于冷流体吸当忽略换热器的热损失时,实际的传热速率等于冷流体吸当忽略换热器的热损失时,实际的传热速率等于冷流体吸收热量的速率,或者是热流体放出热量的速率。收热量的速率,或者是热流体放出热量的速率。收热量的速率,或者是热流体放出热量的速率。收热量的速率,或者是热流体放出热量的速率。无论何种型式的换热器,其最大可能的传热速率应遵循由无论何种型式的换热器,其最大可能的传热速率应遵循由无论何种型式的换热器,其最大可能的传热速率应遵循由无论何种型式的换热器,其最大可能的传热速率应遵循由热力学所规定的极限。热力学所规定的极限。热力学所规定的极限。热力学所规定的极限。5三、不同目的的换热器三、不同目的的
4、换热器 冷却器(冷却器(cooler)冷凝器(冷凝器(condenser)蒸发器(发生相变)(蒸发器(发生相变)(evaporator)加热器(一般不发生相变)(加热器(一般不发生相变)(heater)再沸器(再沸器(reboiler)废热锅炉(废热锅炉(waste heat boiler)6四、换热器的基本类型四、换热器的基本类型按传热方式或工作原理分类按传热方式或工作原理分类1、直接接触式、直接接触式传热效果好,但不能传热效果好,但不能用于发生反应或有影用于发生反应或有影响的流体之间响的流体之间图图7-1 直接接触式换热器直接接触式换热器热流体热流体冷流体冷流体热流体热流体冷流体冷流体72
5、、蓄热式、蓄热式温度较高的场温度较高的场合,但有交叉合,但有交叉污染,温度波污染,温度波动大动大图图7-2蓄热式换热器蓄热式换热器冷流体冷流体冷流体冷流体热流体热流体热流体热流体83、间壁式、间壁式又称表面式换热器又称表面式换热器 利用间壁(固体壁面)进行热交换。利用间壁(固体壁面)进行热交换。冷热两种流体隔开,互不接触,热量冷热两种流体隔开,互不接触,热量由热流体通过间壁传递给冷流体。由热流体通过间壁传递给冷流体。应用最为广泛,形式多种多样,应用最为广泛,形式多种多样,如管壳式换热器、板式换热器等如管壳式换热器、板式换热器等9对于间壁式换热器,按间壁形状进一步分为对于间壁式换热器,按间壁形状
6、进一步分为(3)管壳式管壳式(1)管式管式(2)紧凑式紧凑式螺旋板式、螺旋板式、板式板式、板、板翅、伞板等翅、伞板等排管、蛇管排管、蛇管、套管套管重点重点10板式换热器板式换热器板式换热器是由一系列具有一定波纹形状的金属板式换热器是由一系列具有一定波纹形状的金属片叠装而成的一种新型高效换热器。各种板片之片叠装而成的一种新型高效换热器。各种板片之间形成薄矩形通道,通过半片进行热量交换。间形成薄矩形通道,通过半片进行热量交换。板式换热器是液板式换热器是液液、液液、液汽进行热交换的理想汽进行热交换的理想设备。设备。它具有换热效率高、热损失小、结构紧凑轻巧、它具有换热效率高、热损失小、结构紧凑轻巧、占
7、占地面积小、安装清洗方便、应用广泛、使用寿地面积小、安装清洗方便、应用广泛、使用寿命长等特点。命长等特点。在相同压力损失情况下,其传热系数比管式换在相同压力损失情况下,其传热系数比管式换热热器高器高3-5倍,占地面积为管式换热器的三分之一,倍,占地面积为管式换热器的三分之一,热回收率可高达热回收率可高达90%以上。以上。11板式换热器板式换热器12螺旋板式换热器螺旋板式换热器13板式换热器板式换热器14新型换热器新型换热器15管壳式换热器管壳式换热器 1617图图7-3换热器构件名称换热器构件名称1-1-管箱管箱(A,B,C,D(A,B,C,D型型);2-);2-接管法兰接管法兰;3-;3-设
8、备法兰设备法兰;4-;4-管板管板;5-;5-壳程接管壳程接管;6-;6-拉杆拉杆;7-;7-膨膨胀节胀节;8-;8-壳体壳体;9-;9-换热管换热管;10-;10-排气管排气管;11-;11-吊耳吊耳;12-;12-封头封头;13-;13-顶丝顶丝;14-;14-双头螺柱双头螺柱;15-;15-螺母螺母;16-;16-垫片垫片;17-;17-防冲板防冲板;18-;18-折流板或支承板折流板或支承板;19-;19-定距管定距管;20-;20-拉杆螺母拉杆螺母;21-;21-支座支座;22-;22-排液管排液管;23-;23-管箱壳体管箱壳体;24-;24-管程接管管程接管;25-;25-分程隔
9、板分程隔板;26-;26-管箱盖管箱盖18列管式换热器列管式换热器是目前化工生产上应用最广的一种换热器。它主要由壳体、管板、换热管、封头、折流挡板等组成。所需材质,可分别采用普通碳钢、紫铜、或不锈钢制作。在进行换热时,一种流体由封头的连结管处进入,在管流动,从封头另一端的出口管流出,这称之管程;另-种流体由壳体的接管进入,从壳体上的另一接管处流出,这称为壳程 19固定管板式换热器固定管板式换热器 浮头式换热器浮头式换热器U形管式换热器形管式换热器填料函式换热器填料函式换热器五、管壳式换热器的分类五、管壳式换热器的分类 基本类型基本类型20(一(一)固定管板式换热器固定管板式换热器优点:优点:结
10、构简单、紧凑、能承受较高的压力,造价低,管结构简单、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。程清洗方便,管子损坏时易于堵管或更换。缺点:缺点:不易清洗壳程,壳体和管束中可能产生较大的不易清洗壳程,壳体和管束中可能产生较大的热应力。热应力。图图7-4固定管板式换热器固定管板式换热器动画动画221为减少热应力,通常在固定管板式换热器中设置柔性元为减少热应力,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。件(如膨胀节、挠性管板等),来吸收热膨胀差。图图7-3带膨胀节的固定管板式换热器带膨胀节的固定管板式换热器适适用用场场合合:适适用用于
11、于壳壳程程介介质质清清洁洁,不不易易结结垢垢,管管程程需需清清洗以及温差不大或温差虽大但是壳程压力不大的场合。洗以及温差不大或温差虽大但是壳程压力不大的场合。22(二)浮头式换热器(二)浮头式换热器优点:优点:管内和管间清洗方便,不会产生热应力。管内和管间清洗方便,不会产生热应力。缺点:缺点:结构复杂,设备笨重,造价高,浮头端小盖在结构复杂,设备笨重,造价高,浮头端小盖在 操作中无法检查。操作中无法检查。适用场合:适用场合:壳体和管束之间壁温相差较大,或介质易壳体和管束之间壁温相差较大,或介质易 结垢的场合。结垢的场合。图图7-4浮头式换热器浮头式换热器fts1.rm23(三)(三)U形管式换
12、热器形管式换热器图图7-6U型管式换热器型管式换热器优点:优点:结构简单,价格便宜,承受能力强,不会产生热应力。结构简单,价格便宜,承受能力强,不会产生热应力。缺点:缺点:布管少,管板利用率低,管子坏时不易更换。布管少,管板利用率低,管子坏时不易更换。适用场合: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。性大的物料。24(四)填料函式换热器(四)填料函式换热器优点:优点:结构简单,加工制造方便,造价低,管内和管间清洗方便。结构简单,加工制造方便,造价低,管内和管间清洗方便。缺点:缺点:填料处易泄漏。填料处易泄漏。适用场
13、合:适用场合:4MPa 4MPa 以下,且不适用于易挥发、易燃、易爆、有毒及以下,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。贵重介质,使用温度受填料的物性限制。填料函式密封填料函式密封图图7-5填料函式换热器填料函式换热器25管子的选用及其与管板的连接管子的选用及其与管板的连接一、管子的选用一、管子的选用(一(一)直径直径 粘性大或污浊的流体粘性大或污浊的流体大管径大管径单位体积传热面积增大、单位体积传热面积增大、结构紧凑、结构紧凑、金属耗量减少、传热系数提高金属耗量减少、传热系数提高阻力大,不便清洗,易结垢堵塞阻力大,不便清洗,易结垢堵塞用于较清洁的流体用于较
14、清洁的流体小管径小管径26(二(二)规格规格(外径(外径壁厚),长度按规定决定壁厚),长度按规定决定 换热管尺寸换热管尺寸192、252.5和和382.5mm无缝钢管无缝钢管252和和382.5mm不锈钢管不锈钢管标准管长标准管长1.5、2.0、3.0、4.5、6.0、9.0m等等 换热器的换热管长度与公称直径之比,一般在换热器的换热管长度与公称直径之比,一般在4 42525之之间,常用的为间,常用的为6 61010。立式换热器,其比值多为。立式换热器,其比值多为4 46 6。27(三(三)结构型式结构型式 换热管型式换热管型式光管光管强化传热管强化传热管螺旋槽管螺旋槽管螺纹管螺纹管翅片管(在
15、给热系数低侧)翅片管(在给热系数低侧)多用光管,因为结构简单,制造容易,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。为强化传热,也采用强化传热管。28图图7-10 几种异形管几种异形管(a)扁平管)扁平管 (b)椭圆管)椭圆管 (c)凹槽扁平管()凹槽扁平管(d)波纹管)波纹管29图图7-8 纵向翅片管纵向翅片管(a)焊接外翅片管)焊接外翅片管 (b)整体式外翅片管)整体式外翅片管 (c)镶嵌式外翅片管)镶嵌式外翅片管 (d)整体式内外翅片管)整体式内外翅片管30(四(四)材料材料由压力、温度、介质的腐蚀性能决定。主要有碳素由压力、温度、介质的腐蚀性能决定。主要有碳素钢、合
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