第二章?lián)Q熱設(shè)備

1、過程設(shè)備設(shè)計教案6換熱設(shè)備課程名稱：過 程 設(shè) 備 設(shè) 計 專 業(yè)：過程裝備與控制工程任課教師： 賀 華 第6章 換熱設(shè)備§6-1 概述主要教學(xué)內(nèi)容授課方式授課時數(shù)1、換熱設(shè)備的應(yīng)用2、換熱設(shè)備的基本要求和分類3、間壁式換熱器講授自學(xué)2教學(xué)目的和要求1、了解換熱設(shè)備的基本要求2、了解換熱設(shè)備的分類方法3、了解換熱設(shè)備的主要類型及結(jié)構(gòu)教學(xué)重點和難點間壁式換熱器的主要類型及結(jié)構(gòu)課外作業(yè)思考題一、換熱設(shè)備應(yīng)滿足的基本要求1、換熱設(shè)備的設(shè)計內(nèi)容（1）工藝尺寸的設(shè)計和計算（2）零部件結(jié)構(gòu)的設(shè)計和計算 2、換熱設(shè)備應(yīng)滿足的基本要求（1）滿足化工工藝要求（工藝過程所要求的溫度、壓力、流量、傳熱量等

2、）（2）流體流動阻力小，壓力降小，傳熱效率高（3）安全可靠（4）便于安裝、操作和維修（5）經(jīng)濟(jì)合理二、換熱設(shè)備的分類及特點（1）混合式換熱器（2）蓄熱式換熱器（3）間壁式換熱器 *（4）中間載熱體式換熱器 §6-2 管殼式換熱器 主要教學(xué)內(nèi)容授課方式授課時數(shù)1、管殼式換熱器的種類2、管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計（管束分程；殼體分程；換熱管的排列；管板的結(jié)構(gòu)；換熱管與管板的連接；管板與殼體的連接；折流板與折流桿等）講授自學(xué)5教學(xué)目的和要求1、了解管殼式換熱器的種類2、掌握管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法教學(xué)重點和難點管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計課外作業(yè)思考題；課外綜合練習(xí)題；一、管殼式換熱器的類型管殼式

3、換熱器由殼體、管束、管箱等結(jié)構(gòu)組成，根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點的不同可分為兩大類：一類時剛性結(jié)構(gòu)，如不帶膨脹節(jié)的固定管板式換熱器；另一類是具有溫差補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的管殼式換熱器，如帶膨脹節(jié)的固定管板式換熱器、浮頭式、U型管式換熱器等。1、固定管板式換熱器優(yōu)點：（1）結(jié)構(gòu)簡單緊湊，制造成本低 （2）與其它類型換熱器相比，在相同殼體直徑下，排管數(shù)目最多 （3）管內(nèi)便于清洗缺點：（1）殼程不能用機(jī)械方法清洗，應(yīng)走清潔流體 （2）不設(shè)膨脹節(jié)時，管、殼程可能產(chǎn)生較大的溫差應(yīng)力2、浮頭式換熱器優(yōu)點：（1）殼體和管束熱變形自由，不產(chǎn)生熱應(yīng)力 （2）管束可從殼體中抽出，便于殼程的檢修和清洗缺點：（1）結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價高。 （2）為

4、使一端管板浮動，需增加一個浮頭蓋及相關(guān)連接件以保證殼程密封，操作時，如果浮頭蓋連接處泄漏將無法發(fā)現(xiàn)，所以應(yīng)嚴(yán)格保證其密封性能 （3）為使浮頭管板和管束檢修時能夠一起抽出，在管束外緣與殼壁之間形成寬度為1622mm的環(huán)隙，這樣不僅減少了排管數(shù)目，而且增加了旁路流路，降低了換熱器的熱效率。3、填料函式換熱器優(yōu)點：（1）結(jié)構(gòu)比浮頭式換熱器簡單，殼體和管束熱變形自由，不產(chǎn)生熱應(yīng)力 （2）管束可從殼體中抽出，殼程的檢修和清洗方便缺點： 填料函處形成動密封，殼程介質(zhì)易泄漏，要求殼程介質(zhì)溫度和壓力不能過高，且無毒、非易燃和易爆 4、U形管式換熱器優(yōu)點：（1）結(jié)構(gòu)簡單，省去一塊管板和一個管箱，造價低 （2）管

5、束和殼體分離，熱膨脹時互不約束，消除熱應(yīng)力 （3）管束可以從殼體中抽出，管外清洗方便缺點：（1）彎管必須保持一定曲率半徑，管束中央會存在較大的空隙，流體易走短路，對傳熱不利 （2）管內(nèi)不能用機(jī)械方法清洗，易走清潔流體 （3）管子泄漏損壞時，只有最外層管子可以更換，其他管子只能堵死，會減小換熱面積二、結(jié)構(gòu)設(shè)計1、管束分程管束分程的作用：提高管程流速；改善傳熱效果；增大傳熱效率管束分程的方法：在一端或兩端的管箱中設(shè)置一定數(shù)目的分程隔板，使流體依次流過各個管程。注意：（1）管程數(shù)目不能太多，否則會使管箱結(jié)構(gòu)復(fù)雜，給制造帶來困難，同時流體阻力也會增大。（2）管程數(shù)目一般為偶數(shù)程（單程除外），這樣可以使

6、管程的進(jìn)出口設(shè)置在同一端管箱上，便于制造、操作和維修。（3）盡可能使各程換熱管數(shù)目大致相等，以減小流體阻力。（4）相鄰管程流體間溫度差不宜過大（不超過28），以避免產(chǎn)生過大熱應(yīng)力。分程隔板布置方式2、殼程分程殼程分程的形式：E型、F型、G型、H型 3、換熱管的排列方式（1）我國管殼式換熱器標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定采用無縫鋼管作為換熱管，主要規(guī)格有（外徑×壁厚）：19×2.0；25×2.5；38×3.0；57×3.5；（2）換熱管長度可根據(jù)工藝計算確定，當(dāng)應(yīng)考慮管材的合理使用。我國軋制管材長度一般為6m，為避免材料浪費(fèi)，國內(nèi)推薦換熱管長度系列為：1.5m、2.0

7、m、3.0m、6.0m。（3）換熱管排列方式考慮原則：使換熱管在換熱器橫截面上均勻而緊湊地分布，同時應(yīng)考慮流體的性質(zhì)及結(jié)構(gòu)設(shè)計等方面的問題，如管束是否分程、是否有縱向隔板等。（4）管子在管板上要保證一定的管間距管子和管板焊接時：P=1.25d0管子和管板脹接時：P1.25d04、管板的結(jié)構(gòu)高溫高壓換熱器中的薄管板薄管板的結(jié)構(gòu)型式橢圓形管板雙管板結(jié)構(gòu) 5、管子和管板的連接要求：換熱管和管板連接處不被拉脫換熱管和管板連接處不發(fā)生介質(zhì)泄漏（1）脹接優(yōu)點：操作方便缺點：脹接依靠管孔收縮昌盛的殘余應(yīng)力，這一應(yīng)力會隨著溫度上升而減小，所以脹接溫度和壓力受到一定的限制（P4Mpa，t350）（2）焊接優(yōu)點：

8、脹連接強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度好缺點：管子和管板焊接后存在殘余應(yīng)力，運(yùn)行中可能產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕或疲勞破壞。管子和管板間的間隙會產(chǎn)生間隙腐蝕（3）脹焊并用強(qiáng)度脹加密封焊：脹接承受拉脫力，焊接保證密封性能強(qiáng)度焊加貼脹：焊接承受拉脫力，貼脹消除管子與管孔間的縫隙 操作順序：先焊后脹 注意：先焊后脹可能在脹接時出現(xiàn)焊縫開裂，所以脹接時要仔細(xì)控制操；距離焊縫15mm內(nèi)通常不脹，以免損壞焊縫 6、管板與殼體的連接 兼作法蘭的管板 不兼作法蘭的管板 管板的可拆式連接結(jié)構(gòu) 7、折流板和折流桿 折流板結(jié)構(gòu) 折流板連接結(jié)構(gòu) 殼程流體分布圖 折流桿結(jié)構(gòu)示意圖8、膨脹節(jié)的設(shè)計（補(bǔ)充）設(shè)置膨脹節(jié)的作用：（1）膨脹節(jié)是撓性構(gòu)件，其軸向

9、柔度大，在不大的軸向力作用下，可產(chǎn)生較大的軸向變形，可以有效地減小殼體和管子由于溫差產(chǎn)生的熱應(yīng)力。（2）防止管子與管板連接處不被拉脫溫差產(chǎn)生的軸向力：設(shè)殼體和管子安裝溫度為0，殼體和管子操作溫度分別為S和t，則管子和殼體的自由伸長量為：t=t（t-0）LS=S（S-0）L設(shè)t>Se=t-S=t（t-0）-S（S-0） L由于管子和殼體剛性連接在一起，管子和殼體的實際伸長量相等，所以，管子和殼體間會產(chǎn)生變形協(xié)調(diào)，管子中會產(chǎn)生壓應(yīng)力，殼體中會產(chǎn)生拉應(yīng)力，顯然，管子和殼體所受到的軸向力大小相同，稱為溫差軸向力（F1）設(shè)殼體的拉伸及管子的壓縮變形均在彈性范圍內(nèi)，則： 其中：e=t-S=t（t-0

10、）-S（S-0） L介質(zhì)壓力產(chǎn)生的軸向力：由介質(zhì)壓力引起的總的軸向力： 殼體所受的軸向力為F2，管子所受的軸向力為F3由靜力平衡條件得：F2+ F3=Q 應(yīng)力評定： （1）管子和殼體的軸向應(yīng)力校核 （2）管子和管板連接處的拉脫力校核 管子和管板連接處的拉脫力 其中：a-單根換熱管的橫截面積 l-管子與管板的脹接深度 （3）管子軸向穩(wěn)定性校核 要求：t<cr 管子和殼體的軸向應(yīng)力、管子和管板連接處的拉、管子軸向穩(wěn)定性均應(yīng)滿足強(qiáng)度要求，其中只要有一項條件不能滿足要求，就必須設(shè)置膨脹節(jié)。9、U形膨脹節(jié)的設(shè)計計算（補(bǔ)充）（1）膨脹節(jié)的軸向剛度-在保證膨脹節(jié)處于完全彈性條件下，膨脹節(jié)產(chǎn)生單位軸向位

11、移（即膨脹節(jié)的單位補(bǔ)償量）所需要的軸向力。K=Fex/ex由美國膨脹節(jié)制造商協(xié)會（EJMA）的經(jīng)驗公式： 膨脹節(jié)承壓較大的時候，可采用多層膨脹節(jié)，多層膨脹節(jié)的層數(shù)一般為24層，每層厚度為0.51.5mm。多層膨脹節(jié)的軸向剛度： （2）膨脹節(jié)的補(bǔ)償量 為保證膨脹節(jié)在完全彈性條件下安全工作，膨脹節(jié)的補(bǔ)償量是有一定限度的，可以從手冊上查到不同材料制作的、具有標(biāo)準(zhǔn)尺寸的單波捧場節(jié)的允許補(bǔ)償量l換熱器工作時需要的膨脹節(jié)的熱補(bǔ)償量為：lc= t（t-0）-S（S-0） L如果lcl，則需要一個單波膨脹節(jié)如果lcl，則需要兩個或更多的單波膨脹節(jié) （3） 膨脹節(jié)的應(yīng)力計算及校核a、內(nèi)壓引起的周向薄膜應(yīng)力1 b

12、、內(nèi)壓引起的經(jīng)向薄膜應(yīng)力2 c、內(nèi)壓引起的經(jīng)向彎曲應(yīng)力3 d、軸向力引起的經(jīng)向薄膜應(yīng)力4 e、軸向力引起的經(jīng)向彎曲應(yīng)力5（4）應(yīng)力評定：薄膜應(yīng)力：1t 2t 彎曲應(yīng)力：2+31.5st 經(jīng)向計算應(yīng)力：R=（0.7P+d） 其中：P=2+3 d=4+5三、 管板設(shè)計要求：了解管板的基本假設(shè)和受力分析；了解固定管板式換熱器管板的計算方法和計算步驟；1、基本考慮（1）管束對管板的支承作用（2）管孔對管板的削弱作用（3）管板外緣的固定型式2、管板強(qiáng)度的計算原則（1）把管板當(dāng)作周邊支承、承受均布載荷作用的實心圓平板，應(yīng)用平板理論得到園平板最大彎曲應(yīng)力，加入修正系數(shù)考慮管孔的削弱作用。這種設(shè)計方法對管板作

13、了很大程度的簡化，是一種半徑驗公式，應(yīng)用較少。（2）把管板當(dāng)作承受管束支承的固定圓平板，管板厚度取決于無管子支承區(qū)域的管板面積。這種方法適用于各種薄管板的強(qiáng)度校核及厚度計算。（3）把管板使為放置在彈性基礎(chǔ)上、承受均布載荷作用的多孔圓平板，根據(jù)載荷大小、管束剛度和周邊支承情況來確定管板的彎曲應(yīng)力。這種方法考慮校全面且接近實際情況，因此計算比較精確，但計算公式多且計算復(fù)雜。目前我國換熱器計算采用這種方法。3、管板受力分析（1）危險工況的組合（2）管板中的最大應(yīng)力環(huán)形不布管區(qū)的應(yīng)力圓形布管區(qū)的應(yīng)力薄管板厚度的計算4、應(yīng)力計算及校核5、按計算程序進(jìn)行固定管板式換熱器管板的計算（了解）（1）計算程序框圖

14、及計算程序（2）浮頭式換熱器管板的計算（3）U形管式換熱器管板的計算四、管束的振動和防止換熱器流體振動導(dǎo)致的結(jié)果：a、聲振動（通常是大于150分貝的噪音）b、機(jī)械失效（管子發(fā)生嚴(yán)重彎曲；管子跨中處相互碰撞導(dǎo)致破壞；管子在支持板處由與自踞作用導(dǎo)致破壞等）c、管子發(fā)生疲勞破壞d、管子與管板連接處發(fā)生泄漏（一）、換熱器流體振動的激振機(jī)理1、卡曼渦街的產(chǎn)生（1）和風(fēng)橫向吹過塔設(shè)備一樣，流體橫向沖刷換熱管束，也會在管束后面產(chǎn)生卡曼渦街。 漩渦脫落頻率：fV=St×v/d0當(dāng)fV與管子的自振頻率相等時，管子將發(fā)生共振。（2） 換熱管束的卡曼渦街和單個塔體產(chǎn)生的卡曼渦街有所不同，St不僅是Re的函

15、數(shù)，還與管子的節(jié)徑比及排列角有關(guān)。對于大節(jié)徑比的管束，每根換熱管后都可能產(chǎn)生卡曼渦街，而對于小節(jié)徑比的管束，不是每根換熱管后都產(chǎn)生卡曼渦街，而是在整個換熱管束后共同形成卡曼渦街。這時，只有管束外緣的管子要考慮卡曼渦街產(chǎn)生的振動，大多數(shù)管子的振動是由其它激振機(jī)理引起的。2、紊流抖振（湍流抖動） 為提高換熱器的傳熱系數(shù)，殼程流體大多是在紊流（即湍流）狀態(tài)下流動，湍流本身是一個具有主導(dǎo)頻率的頻帶振動，而且頻帶范圍很寬，當(dāng)頻帶中某一頻率與管子的自振頻率相等時，管子降發(fā)生共振，這種振動稱為紊流抖振。 紊流抖振主頻率： L、T分別表示縱向和橫向管間距3、聲振動（聲共鳴）當(dāng)高速氣流向大容積空間沖射時，將會產(chǎn)

16、生頻率與空間尺寸有關(guān)的聲振動，形成噪音。當(dāng)換熱器殼程介質(zhì)為氣體時，可能產(chǎn)生頻率在40150Hz的低頻振動。聲學(xué)駐波頻率：fa=nC/2Dn-聲學(xué)駐波的階數(shù)D-特性長度C-聲音在殼程介質(zhì)中的傳播速度z-壓縮性系數(shù)，理想氣體z=1.0-定壓比熱與定容比熱的比值，對于氣體=1.4Ps-殼程氣體壓力s-殼程氣體密度由于聲振強(qiáng)度隨殼程流體流速的增大而增大，但達(dá)到共振點以后，會隨殼程流體流速的增大而減小，所以聲振強(qiáng)度不會無限制地增大。殼程流體的物理性質(zhì)決定聲速，殼程流體為液體時，由于聲音在液體中傳播速度很高，很少會發(fā)生聲振動。聲振動在順排管中比在錯排管中更容易發(fā)生，在轉(zhuǎn)角正方形排列的管束中最容易發(fā)生。4、

17、流體彈性激振流體彈性激振的條件：* 殼程流體的流速達(dá)到或超過臨界流速 * 有其它的激振機(jī)理存在流體彈性激振的特點：自激性振動流體彈性激振的臨界橫流速度：5、射流轉(zhuǎn)換 只有當(dāng)流體的橫流速度很高時，才會出現(xiàn)因射流轉(zhuǎn)換引起的管子振動。（二）管子振動破壞的力學(xué)模型（1）對于兩端簡支的中間跨，換熱管在激振力作用下，在跨中處將發(fā)生管子與管子、管子與殼體之間的碰撞破壞。管子在折流板支承處將發(fā)生剪切破壞。（2）對于一端簡支、一端固定的邊緣跨，碰撞破壞降發(fā)生在管子的最大撓度點，剪切破壞將發(fā)生在折流板處，疲勞破壞及泄漏將發(fā)生在管子與管板連接處。（3）管自的振動將產(chǎn)生聲強(qiáng)大于150分貝的噪音。（三）管子的自振頻率（

18、了解）管子將在其自振頻率下發(fā)生共振。在管子所有自振頻率中最小的是第一振型的自振頻率，稱為基頻。（1）單跨管的自振頻率當(dāng)跨矩比k1=l1/l，k2=l2/l均小于2.5時 C1-頻率常數(shù)（圖2-75）（3）U形管的自振頻率： CU-U形管的頻率常數(shù)（四）振動判據(jù)1、殼程流體是氣體或液體時：當(dāng) fv / f1>0.5，管子振動是可能的2、殼程流體是氣體或蒸汽時：當(dāng) ft / f1>0.5，管子振動是可能的3、殼程流體是氣體或蒸汽時：當(dāng) 0.8<fv / fa<1.2 0.8<ft / fa<1.2管子可能振動產(chǎn)生聲振動4、殼程流體是氣體或液體時：當(dāng) V>V

19、c，管子振動是可能的（六）防振措施1、適當(dāng)降低流速2、改變管束系統(tǒng)的自振頻率 減小跨距 增大管子的強(qiáng)度和剛度（如增大壁厚） 增大管子支承的強(qiáng)度和剛度（如增大折流板的厚度、采用折流桿等）3、設(shè)置消聲隔板4、破壞卡曼渦街的形成 §6-3 余熱鍋爐主要教學(xué)內(nèi)容授課方式授課時數(shù)1、余熱鍋爐的作用2、余熱鍋爐的結(jié)構(gòu)特點3、余熱鍋爐的基本結(jié)構(gòu)講授1教學(xué)目的和要求1、了解余熱鍋爐的結(jié)構(gòu)特點2、了解余熱鍋爐的基本結(jié)構(gòu)教學(xué)重點和難點余熱鍋爐的基本結(jié)構(gòu)課外作業(yè)思考題一、余熱鍋爐的作用1、滿足工藝生產(chǎn)的需要 在化工、石油等工業(yè)中，余熱鍋爐不僅用來回收余熱，而且還是工藝流程中不可缺少的工藝設(shè)備。2、提高熱能

20、總利用率，節(jié)約一次能源消耗 在石油、化工工業(yè)中，存在大量高溫?zé)煔馀c工藝氣余熱，采用余熱鍋爐生產(chǎn)壓力蒸汽用作工廠動力的需要，可取得重大的經(jīng)濟(jì)效益。3、消除環(huán)境污染，減少公害 在工業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生的大量廢氣、廢液等，如果直接排入外界環(huán)境中將會產(chǎn)生嚴(yán)重的污染。而利用余熱鍋爐在回收余熱的同時，可進(jìn)行環(huán)保處理，以達(dá)到消除環(huán)境污染的目的。二、 余熱鍋爐的基本特點(1) 余熱鍋爐的結(jié)構(gòu)形式多種多樣，一般由其工作條件（如溫度、壓力、流量等）和介質(zhì)流動循環(huán)方式?jīng)Q定。(2) 余熱鍋爐的熱源很廣。不僅煙道氣，而且其它氣體也含有腐蝕性很強(qiáng)的組分，或帶有大量粉塵、煙炱等，因而其腐蝕、積灰、堵灰和磨損等問題比較嚴(yán)重。(3)

21、有些余熱鍋爐的主體設(shè)備與輔助設(shè)備分散安裝在工藝流程中的不同部位，互相之間的聯(lián)系要求很高。余熱鍋爐的工作情況變化影響工藝氣的操作條件，會對整個流程產(chǎn)生連鎖反應(yīng)，影響產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量。(4) 余熱鍋爐的操作不穩(wěn)定受到余熱源熱負(fù)荷波動的影響。(5) 有的余熱鍋爐水側(cè)、氣側(cè)均處于高溫、高壓條件下，因而對鍋爐結(jié)構(gòu)有很高的要求。三、 余熱鍋爐的基本結(jié)構(gòu)1、管殼式余熱鍋爐 2、煙道式余熱鍋爐 §6-4 傳熱強(qiáng)化技術(shù)主要教學(xué)內(nèi)容授課方式授課時數(shù)1、傳熱強(qiáng)化的概念2、傳熱強(qiáng)化的方法3、擴(kuò)展表面?zhèn)鳠釓?qiáng)化4、殼程傳熱強(qiáng)化講授自學(xué)2教學(xué)目的和要求1、了解傳熱強(qiáng)化的方法2、了解擴(kuò)展表面?zhèn)鳠釓?qiáng)化和殼程傳熱強(qiáng)化教學(xué)重點和難點傳熱強(qiáng)化的方法和措施課外作業(yè)思考題一、 傳熱強(qiáng)化概述傳熱強(qiáng)化是一種改善傳熱性能的技術(shù)，可以通過改善和提高熱傳遞的速率，以達(dá)到用最經(jīng)濟(jì)的設(shè)備來傳遞一定的熱量。傳熱方程式： 1、 增加平均傳熱溫差 2、擴(kuò)大換熱面積 3、提高傳熱系數(shù) 提高對流傳熱系數(shù)的方法大致可分為有功傳熱強(qiáng)化和無功傳熱強(qiáng)化。（1）有功傳熱強(qiáng)化 有功傳熱強(qiáng)化需要應(yīng)用外部能量來達(dá)到傳熱強(qiáng)化的目的，如攪拌換熱介