【正文】 第一章 概述 第一節(jié) 緒言 一、本課程的任務(wù) 了解壓力容器的基礎(chǔ)知識(shí)；掌握壓力容器的一般設(shè)計(jì)方法，重點(diǎn)掌握設(shè)計(jì)的基本原理與思路。 （說明： 由于工業(yè)生產(chǎn)中約 10%~40%的設(shè)備為換熱設(shè)備，而換熱設(shè)備中最為常見、普遍的是管殼式換熱器，故在本課程中我們將以管殼式換熱器為例，學(xué)習(xí)壓力容器的具體設(shè)計(jì)方法，包括選擇材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，受壓元件的強(qiáng)度計(jì)算，以及設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)中的相關(guān)要求等。） 二、本課程的要求 通過這門課程的學(xué)習(xí)，要求同學(xué)們掌握如下的內(nèi)容： 掌握壓力容器的類型與總體結(jié)構(gòu)； 了解管殼式換熱器的形式與 總體結(jié)構(gòu)； 掌握管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的相關(guān)知識(shí)； 了解管殼式換熱器各元件的強(qiáng)度設(shè)計(jì)（掌握筒體及封頭的設(shè)計(jì)）； 了解管殼式換熱器中的振動(dòng)與防振； 了解管殼式換熱器的設(shè)計(jì)以、制造、檢驗(yàn)中的相關(guān)要求。 第二節(jié) 化工容器概述 一、壓力容器的 概念 1．化工設(shè)備 —— 工藝過程中靜止設(shè)備的總稱。 2．容器 —— 化工設(shè)備外殼的總稱。 3．壓力容器 —— 承受壓力載荷作用的容器。 （由于化工容器幾乎都承受壓力載荷，通常直接稱其為壓力容器?；と萜鞯奶攸c(diǎn)：為高溫、高壓，介質(zhì)易燃易爆、有毒。） 二、化工容器的結(jié)構(gòu) 組成 化工容器一般由 筒體、封頭、支座 （基本件）、 接管、法蘭 （對(duì)外連接件）、 人孔、手孔、液面計(jì) （附件）以及一些內(nèi)構(gòu)件等零部件組成。 1．筒體、封頭 ： 就如同房子四周的墻，它是構(gòu)成容器空間的主要部件（屬主要受壓元件）。 殼體按形狀的不同，可以分為圓筒殼體、圓錐殼體、球殼體、橢圓殼體、矩形殼體等等。而封頭有橢圓形封頭、半球形封頭、碟形封頭、錐形封頭及平板封頭等。 2．接管 ： 是介質(zhì)進(jìn)出容器的通道。 3．法蘭 ： 是容器及接管的可拆連接裝置，分為設(shè)備法蘭和管法蘭（屬主要受壓元件）。 4．支座 ： 是用于支承容器的部件。 5．人 孔、手孔 ： 是為便于制造、檢驗(yàn)和維護(hù)管理而設(shè)置的部件（屬主要受壓元件）。 6．液面計(jì) ： 用于觀察或監(jiān)控液位的部件（屬安全附件，此外還有安全閥、壓力表等）。 三、化工容器的分類 容器的分類方法很多，可以按生產(chǎn)過程中的 作用原理 分，也可以按容器形狀、承壓性質(zhì)、結(jié)構(gòu)材料、設(shè)計(jì)壓力高低及安全監(jiān)察要求分。 按材料分類：金屬容器、非金屬容器、復(fù)合材料容器等 . 按容器形狀分類：矩形容器、球形容器、圓筒形容器等。 按承壓性質(zhì)分類：內(nèi)壓容器和外壓容器兩種。 （ 1）外壓容器是指容器外部壓力大于內(nèi)部壓力的情況，特別地，當(dāng)外壓為常 壓時(shí)的外壓容器，又稱為真空容器。 （ 2）內(nèi)壓容器是指容器內(nèi)部的壓力大于外部壓力的容器。 按設(shè)計(jì)壓力高低分類： 內(nèi)壓容器按其設(shè)計(jì)壓力高低，可分為：低壓容器、中壓容器、高壓容器、超高壓容器 容器分類 設(shè)計(jì)壓力 (Mpa) 低壓容器 中壓容器 高壓容器 超高壓容器 ≤ P＜ ≤ P＜ 10 10≤ P＜ 100 P≥ 100 按照在生產(chǎn)過程中的作用原理分類：反應(yīng)容器、換熱容器、分離容器和儲(chǔ)存容器四種 （ 1）反應(yīng) 容器 ：完成介質(zhì)的物理、化學(xué)反應(yīng)。如：合成塔、反應(yīng)釜、聚合釜、反應(yīng)器、發(fā)生器等。 （ 2）換熱 容器 ：完成介質(zhì)的熱量交換。如：熱交換器、加熱器、冷卻器、冷凝器、廢熱鍋爐等。 （ 3）分離 容器 ：完成介質(zhì)的壓力平衡和氣體凈化等。如：分離器、過濾器、緩沖器、洗滌器、吸收塔等。 （ 4）儲(chǔ)存 容器 ：盛裝生產(chǎn)生活用的原料氣體、液體、液化氣體等。如：各種貯槽、貯罐、高位槽、槽車等。 按安全監(jiān)察要求分類： 根據(jù)容器承受的壓力、介質(zhì)危害程度、 P*V乘積及生產(chǎn)過程中的重要性，可以分為：一、二、三類容器。（展開講述） 四、化工容器機(jī)械設(shè)計(jì)的 基本 要求 容器的設(shè)計(jì)，包括零部件的機(jī)械設(shè)計(jì)，應(yīng)該滿足下面八個(gè)方面的基本要求： 強(qiáng)度 —— 元件能抵抗外力破壞的能力； 剛度 —— 構(gòu)件抵抗外力使其不發(fā)生變形的能力； 穩(wěn)定性 —— 容器在外力作用下維持其原有形狀的能力； 耐久性 —— 滿足容器的使用年限的要求； 密封性 —— 保證安全和維持正常的操作條件； 節(jié)省材料和便于加工制造； 方便操作和便于運(yùn)輸； 技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)合理。 五、容器零部件的 標(biāo)準(zhǔn)化 所謂標(biāo)準(zhǔn)化 ，就是為了提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制造質(zhì)量及效率、增加互換性、便于維修、降低成本而人為規(guī)定將零部件按參數(shù)等級(jí)而系列化的行為。 容器標(biāo)準(zhǔn)化的基本參數(shù)是：公稱壓力 PN、公稱直徑 DN。 容器的公稱直徑 對(duì)于鋼板卷制的筒體和及其封頭 —— 內(nèi)徑 對(duì)于無縫鋼管制作的筒體及其封頭 —— 外徑 法蘭的公稱直徑 —— 是指與它相配的筒體或管子的公稱直徑。 法蘭的公稱壓力 —— 為法蘭的標(biāo)準(zhǔn)化而人為等級(jí)化了的壓力系列。（簡(jiǎn)述標(biāo)準(zhǔn)法蘭選取 :類型、密封面、PN與 DN、允許最高無沖擊工作壓力。） 管子的公稱直徑 —— 是指與管子外徑相對(duì)應(yīng)的值 . 第三節(jié) 管殼式換熱器的形式和總體結(jié)構(gòu) 一、換熱器的分類 換熱器是用于將高溫流體的熱量向低溫流體傳輸?shù)膫鳠嵩O(shè)備的總稱，它廣泛用于石油、化工、電力、食品等工業(yè)部門，并且占有相當(dāng)重 要的地位。換熱器的種類劃分方法很多，方法也各不相同。 （ 1）按其用途： 可將換熱器分為加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器、再沸器等； （ 2）按其傳熱方式和作用原理： 可分為混合式換熱器、蓄熱式換熱器、間壁式換熱器等。其中間壁式換熱器為工業(yè)應(yīng)用最為廣泛的一種換熱器。它按傳熱面形狀可分為管式換熱器、板面式換熱器、擴(kuò)展表面換熱器等。這其中又以管殼式換熱器應(yīng)用最為廣泛，它通過換熱管的管壁進(jìn)行傳熱。具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單牢固、制造簡(jiǎn)便、使用材料范圍廣、可靠程度高等優(yōu)點(diǎn)，是目前應(yīng)用最為廣泛的一種換熱器。 （在著重介紹管殼式換熱器后，簡(jiǎn)要 介紹其他類型換熱器：混合式；蓄熱式；板式；管翅式；套管式；螺旋管式等） 二、管殼式換熱器的總體結(jié)構(gòu) 管殼式換熱器的主要元件 ：殼體、前后管箱、管板、管束、折流板或支持板、接 管、法蘭、（包括管法蘭與容器法蘭）支座及附件等組成。 管殼式換熱器的總體結(jié)構(gòu) 一般由前端管箱、殼體和后端結(jié)構(gòu)三部分組成。 （ 1）前端管箱 —— 是指有管程入口的那一則的管箱。 （ 2）后端結(jié)構(gòu) —— 是指與前端管箱相應(yīng)的另一則的管箱結(jié)構(gòu)。 （ 3）殼體 —— 是指處于前端管箱和后端結(jié)構(gòu)之間、由鋼管或金屬板焊接而構(gòu)成的 筒體。換熱管置于由殼體圍成的空間中，兩端與管板相連，管板與殼體及管箱相連，把換熱器分為兩大部分空間，即殼程和管程。 管程與殼程 分程的目的：提高流速以提高傳熱系數(shù)，但程數(shù)不宜太多。 管程 —— 換熱器中的換熱管內(nèi)及與換熱管相通的空間，稱為管程。 殼程 —— 換熱器中的換熱管外及與其相通的空間，稱為殼程。 管程數(shù)與殼程數(shù) 管程數(shù) —— 指介質(zhì)在換熱管內(nèi)沿?fù)Q熱管長(zhǎng)度方向往返的次數(shù)。一般為偶數(shù)，主要有 12等。 殼程數(shù) —— 指介質(zhì)在殼程內(nèi)沿殼體軸向往返的次數(shù)。一般為單殼程 ，最多雙殼程。（說明多折流板不表示多殼程，強(qiáng)調(diào)軸向往返次數(shù)） 幾點(diǎn)說明： 不是所有管殼式換熱器都有后端管箱，如 U形管式換熱器則沒有后端 管箱。 多管程換熱器在后管箱上無物料進(jìn)出口。 管殼式換熱器支座 —— 臥式時(shí)為鞍式支座，而立式時(shí)為耳座（也可為其他類型，但一般不用）。 管箱詳細(xì)結(jié)構(gòu)第四章介紹。 三、管殼式換熱器的形式 （講述時(shí)針對(duì)教材中例圖重點(diǎn)講明各種換熱器的特點(diǎn)及其原因） 管殼式換熱器根據(jù)其結(jié)構(gòu)的不同，可以分為固定管板式換熱器、浮頭式換熱器、 U 形管式換熱器、填料函式換熱器、釜式 重沸器等。 固定管板式換熱器 組成：管箱、管板、換熱管、殼體、折流板或支撐板、拉桿、定距管等。 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：管板與殼體之間采用焊接連接。兩端管板均固定，可以是單管程或多管箱， 管束不可拆，管板可延長(zhǎng)兼作法蘭。 優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便，在相同管束情況下其殼體內(nèi)徑最小，管程分程較方便。 缺點(diǎn)：殼程無法進(jìn)行機(jī)械清洗，殼程檢查困難，殼體與管子之間無溫差補(bǔ)償元件時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的溫差應(yīng)力，即溫差較大時(shí)需采用膨脹節(jié)或波紋管等補(bǔ)償元件以減小溫差應(yīng)力。 浮頭式換熱器 組成：管箱、管板、換熱管、殼體、 折流板或支撐板、拉桿、定距管、鉤圈、浮頭蓋等。 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：一端管板與殼體固定，另一端管板（浮動(dòng)管板）與殼體之間沒有約束，可在殼體內(nèi)自由浮動(dòng)。只能為多管程，布管區(qū)域小于固定管板式換熱器，管板不能兼作法蘭，一般有管束滑道。 優(yōu)點(diǎn)：不會(huì)產(chǎn)生溫差應(yīng)力，浮頭可拆分，管束易于抽出或插入，便于檢修和清洗。 缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，操作時(shí)浮頭蓋的密封情況檢查困難。 U形管式換熱器 組成：管箱、管板、 U形換熱管、殼體、折流板或支撐板、拉桿、定距管等。 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：只有一個(gè)管板和一個(gè)管箱，殼體與換熱管之間不相連，管束能從殼體中抽出 或插入。只能為多管程，管板不能兼作法蘭，一般有管束滑道?？傊剌p于固定管板式換熱器。 優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)較低，不會(huì)產(chǎn)生溫差應(yīng)力，外層管清洗方便。 缺點(diǎn)：管內(nèi)清洗因管子成 U形而較困難，管束內(nèi)圍換熱管的更換較困難，管束的固有頻率較低易激起振動(dòng)。 填料函式換熱器 組成：管箱、管板、管束、殼體、折流板或支撐板、拉桿、定距管、填料函等。 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：一側(cè)管箱可以滑動(dòng)，殼體與滑動(dòng)管箱之間采用填料密封。管束可抽出，管板不兼作法蘭。 優(yōu)點(diǎn)：填料函結(jié)構(gòu)較浮頭簡(jiǎn)單，檢修清洗方便；無溫差應(yīng)力，（具備浮頭式換熱器的優(yōu)點(diǎn)，消除了固 定管板式換熱器的缺點(diǎn)）。 缺點(diǎn)：密封性能較差，不適用于易揮發(fā)、易燃、易爆和有毒介質(zhì)。 （簡(jiǎn)單介紹滑動(dòng)管板式換熱器，它是填料函式換熱器的變形。它把填料函式換熱器中的滑動(dòng)管箱改進(jìn)為滑動(dòng)管板，而管箱部分固定。另外簡(jiǎn)單介紹雙管板結(jié)構(gòu)。 ） 釜式重沸器 它是固定管板式換熱器、浮頭式換熱器、 U形管式換熱器殼體的變形，主要是將殼程空間加倍增大，結(jié)構(gòu)上留有一定的蒸發(fā)空間。類似于現(xiàn)在的容積式換熱器。（容積式換熱器殼程介質(zhì)一般為水，用于供暖。） 四、管殼式換熱器的型號(hào)表示方法 管殼式換熱器型號(hào)的組成： CNsNtBdLNAPsPtDNX Y Z ???? X—— 前端管箱形式代號(hào)（如表 11所示） Y—— 殼體形式代號(hào)（如表 11所示） Z—— 后端結(jié)構(gòu)形式代號(hào)（如表 11所示） DN—— 換熱器的公稱直徑（ mm），對(duì)卷制圓筒為其內(nèi)直徑，對(duì)鋼制圓筒為鋼管的外徑，對(duì)釜式重沸器，用分?jǐn)?shù)表示，分子為管箱內(nèi)徑、分母為殼體內(nèi)徑。 Ps、 Pt—— 分別表示管程、殼程設(shè)計(jì)壓力（ MPa），當(dāng)管程殼程壓力相等時(shí)只寫 Pt。 A—— 公稱換熱面積（ m2），是經(jīng)圓整后的計(jì)算換熱面積，即以換熱管外徑為基準(zhǔn)，扣除伸入管板內(nèi)的換熱管長(zhǎng)度后，計(jì)算得到的管束外表面積 。 對(duì)于 U形管，一般不包括彎管段的面積。 LN—— 換熱器的公稱長(zhǎng)度（ m），當(dāng)換熱管為直管時(shí)，取直管長(zhǎng)度為其公稱長(zhǎng)度；為 U形管時(shí)，取 U形管直管段長(zhǎng)度為換熱器的公稱長(zhǎng)度。 d—— 換熱管的外直徑（ mm） 。（強(qiáng)調(diào) d不是換熱管公稱直徑） B—— 當(dāng)換熱管為 Al、 Cu、 Ti 管時(shí)分別記為 Al、 Cu、 Ti；當(dāng)換熱管為鋼制管時(shí)，不標(biāo)記。 NT、 NS—— 分別為管程數(shù)和殼程數(shù)，單殼程時(shí)公標(biāo)記 NT即可。 C—— 對(duì)于鋼制換熱管， I級(jí)管束時(shí)為 I， II級(jí)管束時(shí)為 II。 I級(jí)管束是指采用較高級(jí)的高級(jí)冷撥管的管束； II級(jí)管束是指采用普通冷撥管的管 束。 管殼式換熱器標(biāo)記示例： 按教材 P8簡(jiǎn)介。 （重點(diǎn)介紹 DN、 A、 LN、 C的意義） 第四節(jié) 管殼式換熱器的選型 一、選型時(shí)要考慮的因素 換熱器的選型，就是根據(jù)換熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、使用條件、投資與運(yùn)行費(fèi)用等綜合因素來選擇一種相對(duì)合理的換熱器形式。在選型前，必須熟悉各種換熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、工作特性，根據(jù)具體條件做出方案，比較各方案做出最優(yōu)的選擇。 1．選型時(shí)要考慮的因素有 ：材料、介質(zhì)、壓力、溫度、溫差、壓降、結(jié)垢情況、檢修清理方法等各種因素。 2．安全因素 —— 是換熱器選型時(shí)最主要因素。包括強(qiáng)度、剛度足夠，結(jié)構(gòu)可 靠，滿足密封要求，材料與介質(zhì)相容。（例溫差應(yīng)力的考慮、密封性的考慮等） 3．能完成工藝要求 —— 有足夠的傳熱面積、介質(zhì)有良好的有利于傳熱的流動(dòng)狀態(tài)，經(jīng)濟(jì)上較合理。（例能否用 U形管，管、殼程的清洗，是否分程，介質(zhì)的黏度對(duì)流動(dòng)的影響，是否須可拆結(jié)構(gòu)等） 4．利于制造、安裝和維修 —— 制造較簡(jiǎn)單、運(yùn)行性能良好、運(yùn)行費(fèi)用低等。 二、選型的一般原則 溫差不大、殼程介質(zhì)結(jié)垢不嚴(yán)重、殼程能采用化學(xué)清洗時(shí)，選用固定管板式換熱器。 溫差較大時(shí)，可選用浮頭式換熱器、 U形管式換熱器、填料函式換熱器和滑動(dòng)管板式換熱器。 要對(duì)殼程進(jìn)行機(jī) 械清洗時(shí)，可選用管束可可抽出的結(jié)構(gòu)。 高溫高壓時(shí)，可選用 U形管式換熱器。 殼程介質(zhì)為易燃、易爆、有毒或易揮發(fā)，以及使用壓力、溫度較高時(shí)，不宜采