【正文】 數(shù)。 支座的計算。 （講述過程中舉例具體說明） 第五節(jié) 管殼式換熱器的設計內(nèi)容 管殼式換熱器的設計包括下面五個方面的內(nèi)容，這五方面相互交叉，不斷調(diào)整。（例溫差應力的考慮、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狀態(tài)，經(jīng)濟上較合理。 C—— 對于鋼制換熱管， I級管束時為 I， II級管束時為 II。） 四、管殼式換熱器的型號表示方法 管殼式換熱器型號的組成： CNsNtBdLNAPsPtDNX Y Z ???? X—— 前端管箱形式代號（如表 11所示） Y—— 殼體形式代號（如表 11所示） Z—— 后端結構形式代號（如表 11所示） DN—— 換熱器的公稱直徑（ mm），對卷制圓筒為其內(nèi)直徑，對鋼制圓筒為鋼管的外徑，對釜式重沸器，用分數(shù)表示，分子為管箱內(nèi)徑、分母為殼體內(nèi)徑。 優(yōu)點：填料函結構較浮頭簡單，檢修清洗方便；無溫差應力，（具備浮頭式換熱器的優(yōu)點，消除了固 定管板式換熱器的缺點）。 結構特點：只有一個管板和一個管箱，殼體與換熱管之間不相連，管束能從殼體中抽出 或插入。 優(yōu)點：結構簡單，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。（說明多折流板不表示多殼程，強調(diào)軸向往返次數(shù)） 幾點說明： 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。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。它按傳熱面形狀可分為管式換熱器、板面式換熱器、擴展表面換熱器等。 容器標準化的基本參數(shù)是：公稱壓力 PN、公稱直徑 DN。如：熱交換器、加熱器、冷卻器、冷凝器、廢熱鍋爐等。 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)、結構材料、設計壓力高低及安全監(jiān)察要求分。 1．筒體、封頭 ： 就如同房子四周的墻，它是構成容器空間的主要部件（屬主要受壓元件）。 （說明： 由于工業(yè)生產(chǎn)中約 10%~40%的設備為換熱設備，而換熱設備中最為常見、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，學習壓力容器的具體設計方法，包括選擇材料、結構設計，受壓元件的強度計算，以及設計、制造、檢驗中的相關要求等。 （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。 4．支座 ： 是用于支承容器的部件。 按設計壓力高低分類： 內(nèi)壓容器按其設計壓力高低，可分為：低壓容器、中壓容器、高壓容器、超高壓容器 容器分類 設計壓力 (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：反應容器、換熱容器、分離容器和儲存容器四種 （ 1）反應 容器 ：完成介質(zhì)的物理、化學反應。 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。換熱器的種類劃分方法很多，方法也各不相同。 （ 1）前端管箱 —— 是指有管程入口的那一則的管箱。一般為偶數(shù)，主要有 12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。 優(yōu)點：不會產(chǎn)生溫差應力，浮頭可拆分，管束易于抽出或插入，便于檢修和清洗。 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。 ） 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，結構上留有一定的蒸發(fā)空間。 d—— 換熱管的外直徑（ mm） 。 1．選型時要考慮的因素有 ：材料、介質(zhì)、壓力、溫度、溫差、壓降、結垢情況、檢修清理方法等各種因素。 高溫高壓時，可選用 U形管式換熱器。 換熱器封頭的選擇及厚度計算。（ ） (a) 固定管板式換熱器 (b) 填料函式換熱器 (c)U形管式換熱器 (d)浮頭式換熱器 有某型號為： I42592 0 0 0 0B E M ???? 的換熱器，其中的 1000為（ ） （ a） 公稱換熱面積 (b)換熱器的公稱長度 (c)換熱器公稱直徑 (d) 管程壓力為 1000Kg/m2 二、填空題 管殼式換熱 器的主要元件有： 、 、 、 、 等。 四、問答題： 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。（均簡要講解） 薄管板 由于機械應力與溫差應力相互矛盾，因此希望在滿足強度條件下管板越薄越好（溫差應力小）。（即便管子與殼程連接處泄漏，殼程介質(zhì)不會污染管程介質(zhì)） 雙管板保持合適間距的原因：雙管板孔錯位及雙管板溫差均會在管束上引起彎曲應力和剪切應力，通過設置一定的間距，可使彎曲應力和剪切應力限定在許可范圍之內(nèi)。（按圖 410介紹式 4 44的意義，強調(diào)換熱管外表面在 Di范圍內(nèi)） Ⅱ 拉桿孔的布置：拉桿孔位置根據(jù)拉桿位置確定，一般應均勻布置于管束的外邊緣。 3．兼作法蘭 ：筒體與管板的端面（凹槽或凸臺）進行焊接。 換熱管層數(shù)過多會影響直管段的長度。 1．脹接 ⅰ 適用范圍（各國要求不同，我國以 GB151為準） GB1511999中規(guī)定強度脹接的應用范圍為：設計壓力小于等于 4MPa；設計溫度小于等于 300℃ ；操作中無劇烈振動，無過大溫度變化及明顯的應力腐蝕。（我國標準推薦 427） 簡單介紹其他焊接方法 3．脹焊并用 ⅰ 適用范圍 密封性要求高的場合； 承受振動或疲勞載荷的場合；有間隙腐蝕的場合；采用復合管板的場合 ⅱ 連接 方法 強度脹 +密封焊；貼脹 +強度焊；對密封要 求較高時可用強度脹 +貼脹 +密封焊；強度焊 +強度脹 +貼脹 ⅲ 連接次序 一般先焊后脹（說明原因，先脹后焊將影響焊接質(zhì)量。 （ 3）螺旋形：用于殼程流體含有固體顆粒的場合， 如圖 437 所示。間隙小則裝配困難，間隙大又影響傳熱，折流板自身強度降低，但加工方便，穿管方便。 三、 折流 桿 一種新型結構，尚在研發(fā)中。 冷凝介質(zhì)粘度大或流量小 此時讓冷凝介質(zhì)走殼程可提高滯動程度，增大雷諾數(shù)以提高傳熱系數(shù)。 冷凝蒸汽走管程 為使冷凝液膜能快速流走而不堆積需采用立式結構。 1．固定端管箱 主要用于固定管板式換熱器及 U形管式換熱器。在管板上焊一短節(jié)，將填料函設在殼體法蘭內(nèi)，填料填在短節(jié)和填料函之間，用管箱法蘭兼作填料壓蓋。（強調(diào)：分程隔板端 面屬于密封面，在與管箱整體焊后進行精加工） 二、其它結構 1. 拉桿與定距管 安裝拉桿與定距管的目的是為了固定折流板或支持板，使兩板保持一固定的距離。 （ 2）防沖板的設置： 防沖板外表面到圓筒內(nèi)壁的距離，應不小于接管外徑的 1/4； 防沖板的直徑或邊長，應大于接管外徑 50 mm； 防沖板 的最小厚度：碳鋼 mm，不銹鋼 3 mm； 防沖板可采用三種固定形式：焊在定距管或拉桿上；焊在圓筒上；螺栓固定。 工作壓力 Pw—— 指在正常工作情況下，容器頂部可能達到的最高壓力。 試驗溫度 —— 進行壓力試驗時，殼體的金屬溫度。一般為液壓試驗，以水、油等為試驗介質(zhì)，特殊情況下作氣壓試驗，以 N惰性氣體為試驗介質(zhì)。即在應力分析中只考慮兩向薄膜應力 ????, 而不考慮彎曲應力和剪切應力得到的理論。工藝參數(shù)為：換熱器內(nèi)徑 mmDi 600? ，殼程工作壓力為MPapw ? ，工作溫度為 CCt ??? 95~60 ，殼程介質(zhì)為水。 [例 2]內(nèi)壓容器強度校核 有一臺擱置的舊換熱器，其材料為 Q235B，實測外徑為 Do=800mm，最小壁厚為 mmn ?? 。 一、強度計算 1．平蓋封頭 當平蓋封頭與筒體焊接時，按圓平板承受均布載荷考慮，用系數(shù) K 保證周邊支撐對強度的影響，其厚度計算式為： p? =Dc178。 4．碟形封頭 厚度按式（ 56）計算： ttit PDPM ][2 ???? ??? mm (56) 式中： iR ──碟形封頭球面內(nèi)半徑， mm； ir ──碟形封頭過渡區(qū)半徑， mm； M──應力增強系數(shù)： M= 41 （ 3+ii rR ）。 換熱器的實際應用中 ，封頭承受外壓情況較為少見。（具體計算不作要求） 例題講解 [例 4]內(nèi)壓容器封頭壁厚的確定 試確定內(nèi)壓容器封頭厚度。 三、有一承受內(nèi)壓的圓筒形容器， mmDi 20xx? ，最高工作壓力 MPap 2? 。 管程壓力 Pt為正，殼程壓力 Ps為負時 按 （ 1） 計算浮頭蓋厚度，取計算壓力值為 Pt與 Ps 之和。 管板的受力分析 將換熱器各部件假想地分解開后，其各部件之間內(nèi)力 作用如圖 512 所示，共存在 14 個未知內(nèi)力：作用在封頭與法蘭之間的彎矩 hM 、徑向剪力 hH ，軸向力 hV ；作用在管板的圓形布管區(qū)與環(huán)形不布管區(qū)之間即半徑為 tR 處的彎矩 tM ，徑向力 tH ，軸向剪力 tV ；作用在環(huán)形的不布管區(qū)與殼 體法蘭之間即半徑為 R 處的彎矩 RM ，徑向剪力 RH ，軸向力 RV ；作用在殼體法蘭與殼體之間的彎矩 SM 、徑向剪力 SH ，軸向力 SV ；作用在墊片上的軸向內(nèi)力 GV 與作用在螺栓圓上的螺栓力 bV 。 3．應力評定 對殼壁應力 s? ，管壁應力 t? ,管子與管板連接處的拉脫力 q 應滿足： s? =sAFF 21? ≤ ? ? ?? ?ts2 (533) t? = naFF 31 ?? ≤ ??tt?2 (534) 當 t? 0 時，還要求 | t? | cr][? q = ][qldat ??? ??? 當應力評定中有一項或幾項不能滿足要求時，就需要設置膨脹節(jié)或調(diào)節(jié)有關尺寸。設計溫度與設計壓力一起作為設計載荷條件。時，應采用 帶過渡段的折邊 結構。 （ a） 14 mm (b) 13 mm (c) mm (d) 前三項選擇都不對 17．外壓容器設置加強圈的目的是為了 （ d） 。 11．外壓容器的臨界壓力式指 外壓容器剛剛失穩(wěn)時所對應的壓力 。 7．設計厚度指 計算厚度 與 腐蝕裕量 之和。 2．設計壓力指 設定的 容器頂部的最高壓力，與相應的設計溫度一起作為設計載荷條件，其值 不低于 工作壓力。 二、管板的設計計算 （摘自 GB1511999） 1．管板的名義厚度應不小于下列三者之和 ： (1) 管板的計算厚度或最小厚度（按表 56 選?。┲械淖畲笾?； (2) 殼程腐蝕裕量或結構開槽深度中的最大值； (3) 管程腐蝕裕量或分程隔板槽深度中的最大值。 二、鉤圈的設計計算 鉤圈分 A型與 B 型兩種，其設計方法各不相同，當采用如圖 510 所示的 A 型鉤圈時，計算步驟為： （ 1）計算直徑比fifo DDK?； （ 2）計算系數(shù) )(11 22 ????? K KKKY ； （ 3）計算 :GL )]([ fiebG DDDL ??? ； （ 4）計算力矩 M： GLWM ?? ； 式中： W的計算值同上。試驗算容器的強度夠不夠。 所以本題可以選用標準橢圓形封頭。目前外壓封頭的穩(wěn)定性計算建立在球形殼體承受均布外壓的彈性失穩(wěn)分析基礎上，并結合實驗數(shù)據(jù)給出半經(jīng)驗的臨界壓力計算公式，但將它們直接用于設計還欠成熟，因此，設計中仍采用類同外壓圖算法的一些近似方法。 ?cos1 mm (57) 式中： ? ──錐殼半頂角，（176。 當平蓋封頭與筒體用螺栓連接時：（相對于 1 式，要考慮法蘭力矩的作用，用系數(shù) K 進行調(diào)節(jié)） ① 對管道內(nèi)無隔板的平蓋厚度按式（ 52）計算： p? = DG178?，F(xiàn)想使用這臺換熱器，其殼程工狀為：使用溫度為常溫，工作壓力為 ，介質(zhì)為水，問這臺舊換熱器的殼體是否滿足強度要求？如強度不夠，該殼體的最大工作壓力是多少？ 【解】 （ 1）確定參數(shù) ,1 1 3][,8 0 0,4 ????? ??? M P ammmmDM P ap no mmCmmCCC ne ,11021 ?????????? ?? （ 2）強度校核： M P aDp e eo )(42 )( ??? ????? ?? ?? 因為 11 3][ 7 ??? ?? ，所以 該殼體不滿足強度要求，須降低使用壓力。 【解】 （ 1）選材：由于水對鋼材的腐蝕不大，溫度在 C?95~60 ，壓力為中壓，故選用材料為 16MnR。 筒 體