第二章换热设备.docx

《过程设备设计》
教案

6—换热设备

课程名称：过 程 设 备 设 计
专 业：过程装备与控制工程
任课教师： 贺 华

第6章 换热设备
§6-1 概述
主　要　教　学　内　容
授课方式
授课时数
1、换热设备的应用
2、换热设备的基本要求和分类
3、间壁式换热器
讲授
自学
2
教学目的和要求
1、了解换热设备的基本要求
2、了解换热设备的分类方法
3、了解换热设备的主要类型及结构
教学重点和难点
间壁式换热器的主要类型及结构
课外作业
思考题

一、换热设备应满足的基本要求
1、换热设备的设计内容
（1）工艺尺寸的设计和计算
（2）零部件结构的设计和计算
2、换热设备应满足的基本要求
（1）满足化工工艺要求（工艺过程所要求的温度、压力、流量、传热量等）
（2）流体流动阻力小，压力降小，传热效率高
（3）安全可靠
（4）便于安装、操作和维修
（5）经济合理
二、换热设备的分类及特点
（1）混合式换热器
（2）蓄热式换热器
（3）间壁式换热器 *
（4）中间载热体式换热器

§6-2 管壳式换热器
主　要　教　学　内　容
授课方式
授课时数
1、管壳式换热器的种类
2、管壳式换热器的结构设计
（管束分程；壳体分程；换热管的排列；管板的结构；换热管与管板的连接；管板与壳体的连接；折流板与折流杆等）
讲授
自学
5
教学目的和要求
1、了解管壳式换热器的种类
2、掌握管壳式换热器的结构设计方法
教学重点和难点
管壳式换热器的结构设计
课外作业
思考题；课外综合练习题；

一、管壳式换热器的类型
管壳式换热器由壳体、管束、管箱等结构组成，根据其结构特点的不同可分为两大类：一类时刚性结构，如不带膨胀节的固定管板式换热器；另一类是具有温差补偿结构的管壳式换热器，如带膨胀节的固定管板式换热器、浮头式、U型管式换热器等。
1、固定管板式换热器
优点：（1）结构简单紧凑，制造成本低
（2）与其它类型换热器相比，在相同壳体直径下，排管数目最多
（3）管内便于清洗
缺点：（1）壳程不能用机械方法清洗，应走清洁流体
（2）不设膨胀节时，管、壳程可能产生较大的温差应力
2、浮头式换热器
优点：（1）壳体和管束热变形自由，不产生热应力
（2）管束可从壳体中抽出，便于壳程的检修和清洗
缺点：（1）结构复杂，造价高。
（2）为使一端管板浮动，需增加一个浮头盖及相关连接件以保证壳程密封，操作时，如果浮头盖连接处泄漏将无法发现，所以应严格保证其密封性能
（3）为使浮头管板和管束检修时能够一起抽出，在管束外缘与壳壁之间形成宽度为16~22mm的环隙，这样不仅减少了排管数目，而且增加了旁路流路，降低了换热器的热效率。
3、填料函式换热器
优点：（1）结构比浮头式换热器简单，壳体和管束热变形自由，不产生热应力
（2）管束可从壳体中抽出，壳程的检修和清洗方便
缺点： 填料函处形成动密封，壳程介质易泄漏，要求壳程介质温度和压力不能过高，且无毒、非易燃和易爆
4、U形管式换热器
优点：（1）结构简单，省去一块管板和一个管箱，造价低
（2）管束和壳体分离，热膨胀时互不约束，消除热应力
（3）管束可以从壳体中抽出，管外清洗方便
缺点：（1）弯管必须保持一定曲率半径，管束中央会存在较大的空隙，流体易走短路，对传热不利
（2）管内不能用机械方法清洗，易走清洁流体
（3）管子泄漏损坏时，只有最外层管子可以更换，其他管子只能堵死，会减小换热面积
二、结构设计
1、管束分程
管束分程的作用：提高管程流速；改善传热效果；增大传热效率
管束分程的方法：在一端或两端的管箱中设置一定数目的分程隔板，使流体依次流过各个管程。
注意：
（1）管程数目不能太多，否则会使管箱结构复杂，给制造带来困难，同时流体阻力也会增大。
（2）管程数目一般为偶数程（单程除外），这样可以使管程的进出口设置在同一端管箱上，便于制造、操作和维修。
（3）尽可能使各程换热管数目大致相等，以减小流体阻力。
（4）相邻管程流体间温度差不宜过大（不超过28℃），以避免产生过大热应力。
分程隔板布置方式
2、壳程分程
壳程分程的形式：E型、F型、G型、H型
3、换热管的排列方式
（1）我国管壳式换热器标准规定采用无缝钢管作为换热管，主要规格有（外径×壁厚）：φ19×2.0；φ25×2.5；φ38×3.0；φ57×3.5；
（2）换热管长度可根据工艺计算确定，当应考虑管材的合理使用。我国轧制管材长度一般为6m，为避免材料浪费，国内推荐换热管长度系列为：1.5m、2.0m、3.0m、6.0m。
（3）换热管排列方式考虑原则：使换热管在换热器横截面上均匀而紧凑地分布，同时应考虑流体的性质及结构设计等方面的问题，如管束是否分程、是否有纵向隔板等。
（4）管子在管板上要保证一定的管间距
管子和管板焊接时：P=1.25d0
管子和管板胀接时：P≥1.25d0
4、管板的结构
高温高压换热器中的薄管板
薄管板的结构型式
椭圆形管板
双管板结构
5、管子和管板的连接
要求：换热管和管板连接处不被拉脱
换热管和管板连接处不发生介质泄漏
（1）胀接
优点：操作方便
缺点：胀接依靠管孔收缩昌盛的残余应力，这一应力会随着温度上升而减小，所以胀接温度和压力受到一定的限制（P≤4Mpa，t≤350℃）
（2）焊接
优点：胀连接强度和抗拉强度好
缺点：①管子和管板焊接后存在残余应力，运行中可能产生应力腐蚀或疲劳破坏。
②管子和管板间的间隙会产生间隙腐蚀
（3）胀焊并用
①强度胀加密封焊：胀接承受拉脱力，焊接保证密封性能
②强度焊加贴胀：焊接承受拉脱力，贴胀消除管子与管孔间的缝隙
操作顺序：先焊后胀
注意：先焊后胀可能在胀接时出现焊缝开裂，所以胀接时要仔细控制操；距离焊缝15mm内通常不胀，以免损坏焊缝
6、管板与壳体的连接
① 兼作法兰的管板
② 不兼作法兰的管板
③ 管板的可拆式连接结构
7、折流板和折流杆
① 折流板结构
② 折流板连接结构
③ 壳程流体分布图
④ 折流杆结构示意图
8、膨胀节的设计（补充）
设置膨胀节的作用：
（1）膨胀节是挠性构件，其轴向柔度大，在不大的轴向力作用下，可产生较大的轴向变形，可以有效地减小壳体和管子由于温差产生的热应力。
（2）防止管子与管板连接处不被拉脱
温差产生的轴向力：
设壳体和管子安装温度为θ0，壳体和管子操作温度分别为θS和θt，则管子和壳体的自由伸长量为：
δt=αt（θt-θ0）L
δS=αS（θS-θ0）L
设θt>θS
δe=δt-δS=[αt（θt-θ0）-αS（θS-θ0）] L
由于管子和壳体刚性连接在一起，管子和壳体的实际伸长量相等，所以，管子和壳体间会产生变形协调，管子中会产生压应力，壳体中会产生拉应力，显然，管子和壳体所受到的轴向力大小相同，称为温差轴向力（F1）
设壳体的拉伸及管子的压缩变形均在弹性范围内，则：

其中：δe=δt-δS=[αt（θt-θ0）-αS（θS-θ0）] L
介质压力产生的轴向力：
由介质压力引起的总的轴向力：

壳体所受的轴向力为F2，管子所受的轴向力为F3
由静力平衡条件得：F2+ F3=Q

应力评定：
（1）管子和壳体的轴向应力校核

（2）管子和管板连接处的拉脱力校核
管子和管板连接处的拉脱力
其中：a----单根换热管的横截面积
l----管子与管板的胀接深度
（3）管子轴向稳定性校核
要求：σt<[σ]cr
管子和壳体的轴向应力、管子和管板连接处的拉、管子轴向稳定性均应满足强度要求，其中只要有一项条件不能满足要求，就必须设置膨胀节。

9、U形膨胀节的设计计算（补充）
（1）膨胀节的轴向刚度----在保证膨胀节处于完全弹性条件下，膨胀节产生单位轴向位移（即膨胀节的单位补偿量）所需要的轴向力。
K=Fex/δex
由美国膨胀节制造商协会（EJMA）的经验公式：

膨胀节承压较大的时候，可采用多层膨胀节，多层膨胀节的层数一般为2~4层，每层厚度为0.5~1.5mm。
多层膨胀节的轴向刚度：

（2）膨胀节的补偿量
为保证膨胀节在完全弹性条件下安全工作，膨胀节的补偿量是有一定限度的，可以从手册上查到不同材料制作的、具有标准尺寸的单波捧场节的允许补偿量[△l]
换热器工作时需要的膨胀节的热补偿量为：
△lc= [αt（θt-θ0）-αS（θS-θ0）] L
如果△lc〈[△l]，则需要一个单波膨胀节
如果△lc〉[△l]，则需要两个或更多的单波膨胀节
（3） 膨胀节的应力计算及校核
a、内压引起的周向薄膜应力σ1

b、内压引起的经向薄膜应力σ2

c、内压引起的经向弯曲应力σ3

d、轴向力引起的经向薄膜应力σ4

e、轴向力引起的经向弯曲应力σ5
（4）应力评定：
薄膜应力：σ1≤[σ]t
σ2≤[σ]t
弯曲应力：σ2+σ3≤1.5σst
经向计算应力：σR=（0.7σP+σd）
其中：σP=σ2+σ3
σd=σ4+σ5
三、 管板设计
要求：了解管板的基本假设和受力分析；了解固定管板式换热器管板的计算方法和计算步骤；
1、基本考虑
（1）管束对管板的支承作用
（2）管孔对管板的削弱作用
（3）管板外缘的固定型式
2、管板强度的计算原则
（1）把管板当作周边支承、承受均布载荷作用的实心圆平板，应用平板理论得到园平板最大弯曲应力，加入修正系数考虑管孔的削弱作用。
这种设计方法对管板作了很大程度的简化，是一种半径验公式，应用较少。
（2）把管板当作承受管束支承的固定圆平板，管板厚度取决于无管子支承区域的管板面积。
这种方法适用于各种薄管板的强度校核及厚度计算。
（3）把管板使为放置在弹性基础上、承受均布载荷作用的多孔圆平板，根据载荷大小、管束刚度和周边支承情况来确定管板的弯曲应力。
这种方法考虑校全面且接近实际情况，因此计算比较精确，但计算公式多且计算复杂。
目前我国换热器计算采用这种方法。
3、管板受力分析
（1）危险工况的组合
（2）管板中的最大应力
环形不布管区的应力
圆形布管区的应力
薄管板厚度的计算
4、应力计算及校核
5、按计算程序进行固定管板式换热器管板的计算（了解）
（1）计算程序框图及计算程序
（2）浮头式换热器管板的计算
（3）U形管式换热器管板的计算

四、管束的振动和防止
换热器流体振动导致的结果：
a、声振动（通常是大于150分贝的噪音）
b、机械失效（管子发生严重弯曲；管子跨中处相互碰撞导致破坏；管子在支持板处由与自踞作用导致破坏等）
c、管子发生疲劳破坏
d、管子与管板连接处发生泄漏
（一）、换热器流体振动的激振机理
1、卡曼涡街的产生
（1）和风横向吹过塔设备一样，流体横向冲刷换热管束，也会在管束后面产生卡曼涡街。
漩涡脱落频率：fV=St×v/d0
当fV与管子的自振频率相等时，管子将发生共振。
（2） 换热管束的卡曼涡街和单个塔体产生的卡曼涡街有所不同，St不仅是Re的函数，还与管子的节径比及排列角有关。对于大节径比的管束，每根换热管后都可能产生卡曼涡街，而对于小节径比的管束，不是每根换热管后都产生卡曼涡街，而是在整个换热管束后共同形成卡曼涡街。这时，只有管束外缘的管子要考虑卡曼涡街产生的振动，大多数管子的振动是由其它激振机理引起的。
2、紊流抖振（湍流抖动）
为提高换热器的传热系数，壳程流体大多是在紊流（即湍流）状态下流动，湍流本身是一个具有主导频率的频带振动，而且频带范围很宽，当频带中某一频率与管子的自振频率相等时，管子降发生共振，这种振动称为紊流抖振。
紊流抖振主频率：
L、T分别表示纵向和横向管间距
3、声振动（声共鸣）
当高速气流向大容积空间冲射时，将会产生频率与空间尺寸有关的声振动，形成噪音。当换热器壳程介质为气体时，可能产生频率在40~150Hz的低频振动。
声学驻波频率：fa=nC/2D
n----声学驻波的阶数
D----特性长度
C----声音在壳程介质中的传播速度
z----压缩性系数，理想气体z=1.0
γ----定压比热与定容比热的比值，对于气体γ=1.4
Ps----壳程气体压力
ρs----壳程气体密度
①由于声振强度随壳程流体流速的增大而增大，但达到共振点以后，会随壳程流体流速的增大而减小，所以声振强度不会无限制地增大。
②壳程流体的物理性质决定声速，壳程流体为液体时，由于声音在液体中传播速度很高，很少会发生声振动。
③声振动在顺排管中比在错排管中更容易发生，在转角正方形排列的管束中最容易发生。
4、流体弹性激振
流体弹性激振的条件：* 壳程流体的流速达到或超过临界流速
* 有其它的激振机理存在
流体弹性激振的特点：自激性振动
流体弹性激振的临界横流速度：
5、射流转换
只有当流体的横流速度很高时，才会出现因射流转换引起的管子振动。

（二）管子振动破坏的力学模型
（1）对于两端简支的中间跨，换热管在激振力作用下，在跨中处将发生管子与管子、管子与壳体之间的碰撞破坏。管子在折流板支承处将发生剪切破坏。
（2）对于一端简支、一端固定的边缘跨，碰撞破坏降发生在管子的最大挠度点，剪切破坏将发生在折流板处，疲劳破坏及泄漏将发生在管子与管板连接处。
（3）管自的振动将产生声强大于150分贝的噪音。
（三）管子的自振频率（了解）
管子将在其自振频率下发生共振。在管子所有自振频率中最小的是第一振型的自振频率，称为基频。
（1）单跨管的自振频率

当跨矩比k1=l1/l，k2=l2/l均小于2.5时
C1----频率常数（图2-75）
（3）U形管的自振频率：
CU----U形管的频率常数
（四）振动判据
1、壳程流体是气体或液体时：
当 fv / f1>0.5，管子振动是可能的
2、壳程流体是气体或蒸汽时：
当 ft / f1>0.5，管子振动是可能的
3、壳程流体是气体或蒸汽时：
当 0.8<fv / fa<1.2
0.8<ft / fa<1.2
管子可能振动产生声振动
4、壳程流体是气体或液体时：
当 V>Vc，管子振动是可能的
（六）防振措施
1、适当降低流速
2、改变管束系统的自振频率
① 减小跨距
② 增大管子的强度和刚度（如增大壁厚）
③ 增大管子支承的强度和刚度（如增大折流板的厚度、采用折流杆等）
3、设置消声隔板
4、破坏卡曼涡街的形成

§6-3 余热锅炉
主　要　教　学　内　容
授课方式
授课时数
1、余热锅炉的作用
2、余热锅炉的结构特点
3、余热锅炉的基本结构
讲授
1
教学目的和要求
1、了解余热锅炉的结构特点
2、了解余热锅炉的基本结构
教学重点和难点
余热锅炉的基本结构
课外作业
思考题

一、余热锅炉的作用
1、满足工艺生产的需要
在化工、石油等工业中，余热锅炉不仅用来回收余热，而且还是工艺流程中不可缺少的工艺设备。
2、提高热能总利用率，节约一次能源消耗
在石油、化工工业中，存在大量高温烟气与工艺气余热，采用余热锅炉生产压力蒸汽用作工厂动力的需要，可取得重大的经济效益。
3、消除环境污染，减少公害
在工业生产中产生的大量废气、废液等，如果直接排入外界环境中将会产生严重的污染。而利用余热锅炉在回收余热的同时，可进行环保处理，以达到消除环境污染的目的。
二、 余热锅炉的基本特点
(1) 余热锅炉的结构形式多种多样，一般由其工作条件（如温度、压力、流量等）和介质流动循环方式决定。
(2) 余热锅炉的热源很广。不仅烟道气，而且其它气体也含有腐蚀性很强的组分，或带有大量粉尘、烟炱等，因而其腐蚀、积灰、堵灰和磨损等问题比较严重。
(3) 有些余热锅炉的主体设备与辅助设备分散安装在工艺流程中的不同部位，互相之间的联系要求很高。余热锅炉的工作情况变化影响工艺气的操作条件，会对整个流程产生连锁反应，影响产品的产量和质量。
(4) 余热锅炉的操作不稳定受到余热源热负荷波动的影响。
(5) 有的余热锅炉水侧、气侧均处于高温、高压条件下，因而对锅炉结构有很高的要求。。
三、 余热锅炉的基本结构
1、管壳式余热锅炉 
2、烟道式余热锅炉

§6-4 传热强化技术
主　要　教　学　内　容
授课方式
授课时数
1、传热强化的概念
2、传热强化的方法
3、扩展表面传热强化
4、壳程传热强化
讲授
自学
2
教学目的和要求
1、了解传热强化的方法
2、了解扩展表面传热强化和壳程传热强化
教学重点和难点
传热强化的方法和措施
课外作业
思考题

一、 传热强化概述
传热强化是一种改善传热性能的技术，可以通过改善和提高热传递的速率，以达到用最经济的设备来传递一定的热量。
传热方程式：
1、 增加平均传热温差
2、扩大换热面积
3、提高传热系数
提高对流传热系数的方法大致可分为有功传热强化和无功传热强化。
（1）有功传热强化 有功传热强化需要应用外部能量来达到传热强化的目的，如搅拌换热介质、使换热表面或流体振动、将电磁场作用于流体以促使换热表面附近流体的混合等技术。
（2）无功传热强化 无功传热强化无需应用外部能量来达到传热强化的目的。在换热器设计中，用的最多的无功传热强化法是扩展表面，它既能增加传热面积，又能提高传热系数。下面将预以重点介绍。
二、扩展表面强化传热
1、槽管
(1) 碾轧槽管
(2) 螺旋槽管
(3) 横纹槽管
2、翅片
(1)内翅片圆管
(2)外翅片圆管
(3)板式翅片
(4)槽带板式翅片
(5)穿孔翅片
三、 壳程强化传热技术
1、改变壳程挡板结构
2、改变管束支承结构
杆式支承结构的优点：
（1）使换热器壳程流体的流动方向主要呈轴向流动，消除了弓形折流板造成的传热死区。
（2）由于壳程介质为轴向流动，没有弓形折流板那么多转向和缺口处的节流效应，因而流动阻力比较小。
（3）结垢速率变慢，延长了操作周期。
（4）消除了弓形折流板造成的局部腐蚀和磨损（或切割）破坏，改善了换热管的支撑情况和介质的流动状态，消除或减少了因换热管的振动引起而管子破坏，延长了换热器的使用寿命。

补充：管壳式换热器的机械设及计算步骤
（1） 壳体和管箱的壁厚计算
（2） 换热管与管板连接处的结构设计
（3） 壳体与管板连接结构设计
（4） 管板厚度计算
（5） 折流板、支持板等零部件的结构设计
（6） 换热管与壳体在介质压力和温差联合作用下的应力计算
（7） 管子拉脱力和稳定性校核
（8） 判断是否需要设置膨胀节，如果需要，则选择膨胀节的结构形式及基本尺寸；
（9） 膨胀节的应力计算及校核
（10） 接管、法兰、支座等的选择；开孔补强设及计算等；
（11） 换热器的振动与防振
如果选用换热器，则应进行压力降、传热面积及温差应力校核等方面的计算。