【正文】 第二節(jié) 筒體 換熱器的筒體（包括管箱上的短節(jié)）做強(qiáng)度計(jì)算時(shí)應(yīng)按 GB150 中的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行。 對(duì)于外壓或真空容器，壓力試驗(yàn)時(shí)也用內(nèi)壓進(jìn)行試驗(yàn)，其試驗(yàn)壓力為： 液壓試驗(yàn)： ppT ? 氣壓試驗(yàn)： ppT ? 3．氣密性試驗(yàn)： 主要用于介質(zhì)的毒性程度為極度或高度危害的介質(zhì)的容器，以檢驗(yàn)其密封性能，必須在壓力試驗(yàn)合格后進(jìn)行。 2．設(shè)計(jì)厚度 d? —— 計(jì)算厚度 c? +腐蝕裕量 C2，即： 2Ccd ???? 。它與設(shè)計(jì)溫度一起作為設(shè)計(jì)載荷條件，其值不小于工作壓力。 （ 3）導(dǎo)流筒的設(shè)置： 當(dāng)殼程進(jìn)出口接管距管板較遠(yuǎn)，流體停滯區(qū)過大時(shí)，應(yīng)設(shè)置導(dǎo)流筒，以減少流體停滯區(qū)，增加換熱管的有效長(zhǎng)度。 焊接連接 ：拉桿與管板、折流板均采用焊接，適用于外經(jīng)小于等于 14 mm的管束。該結(jié)構(gòu)具有雙重填料，內(nèi)圈填料主要用密封管、殼程的壓差密封，外圈填料主要起保險(xiǎn)作用，一旦內(nèi)圈填料有泄漏，外圈填料則能阻止漏出的介質(zhì)擴(kuò)散到空間，并能由接管收集漏出的介質(zhì)，一般用于介質(zhì)為易燃、易爆、有毒性介質(zhì)等場(chǎng)合。 安圖 443講述幾種常見固定管箱結(jié)構(gòu) 2．滑動(dòng)管箱 主要指用于填料函式換熱器滑動(dòng)端的管箱。目的是為了保證較高的雷諾數(shù)且 能排除不凝性氣體。 冷凝器形式的確定 立式和臥式放置對(duì)一般換熱器影響不大，但對(duì)冷凝器來講卻不一樣。無成型結(jié)構(gòu)。 缺口高度： 倍的圓筒內(nèi)直徑 （ 4）間距： 折流板間距應(yīng)根據(jù)殼程介質(zhì)的流量、粘度確定。 2． 折流板尺寸 （ 1）厚度：其值取決于它所支撐的重量，即與殼體直徑和板間距相關(guān)。 1． 折流板形式 常見的為弓形和圓盤 圓環(huán)形兩種，以弓形最為常用，此外還有矩形、螺旋形等。（講解機(jī)械滾脹法。但其長(zhǎng)度受到管程清洗、運(yùn)輸、拆裝、管程壓降及支座等因素的影響。注意焊接開坡口和邊緣應(yīng)力） 4．法蘭連接結(jié)構(gòu) ：固定管板式換熱器中，兼作法蘭的管板與管箱的連接基本采用法蘭連接。 Ⅲ 螺栓孔的布置：管板上開螺栓孔 的位置、數(shù)量、直徑應(yīng)與相連接的法蘭上開的螺栓孔一致。（按 GB15198 設(shè)計(jì)） 三、管板的結(jié)構(gòu) 管板的結(jié)構(gòu)包括：管板上開孔的位置、分程隔板槽的位置、密封面的設(shè)計(jì)等。 橢圓形管板 結(jié)構(gòu)：類似于橢圓形封頭，即半個(gè)橢球殼，而不是橢圓形平板。 第四章 管殼式換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 第一節(jié) 管板 一、管板的作用及重要性 作 用： 1．排布 換熱管 2. 與管箱隔板配合分隔管程空間 3. 與殼程隔板配 合分隔殼程空間 4. 避免冷熱流體混合 重要性：其重量在整臺(tái)換熱器重量中占有較大比例，也是換熱器最重要的部件之一。 壓力容器按監(jiān)察要求可分為： 、 和 。（含溫差應(yīng)力計(jì)算） 管子拉脫力的計(jì)算。 管程介質(zhì)和殼程介質(zhì)不允許相混時(shí)，可采用雙管板結(jié)構(gòu)的換熱器。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。 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。（容積式換熱器殼程介質(zhì)一般為水，用于供暖。管束可抽出，管板不兼作法蘭。 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。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。一般為單殼程 ，最多雙殼程。 （ 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。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。 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。 （ 2）換熱 容器 ：完成介質(zhì)的熱量交換。 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）。） 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。 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。化工容器的特點(diǎn)：為高溫、高壓，介質(zhì)易燃易爆、有毒。 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）。如：合成塔、反應(yīng)釜、聚合釜、反應(yīng)器、發(fā)生器等。（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。 （ 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。 （ 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)。 殼程數(shù) —— 指介質(zhì)在殼程內(nèi)沿殼體軸向往返的次數(shù)。 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：管板與殼體之間采用焊接連接。 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。 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。類似于現(xiàn)在的容積式換熱器。（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。 2．安全因素 —— 是換熱器選型時(shí)最主要因素。 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)，不宜采用填料函式換熱器。 管板強(qiáng)度計(jì)算及尺寸的確定。 2 、按壓力容器在生產(chǎn)工藝過程中的作用原理 , 可以將壓力容器分為： 、 、 、 。 (1）殼體直徑的確定和殼體壁厚的計(jì)算 (2）換熱器封頭、容器法蘭的選擇 (3）管板尺寸的確定 (4）管子拉脫力的計(jì)算 (5)折流板的選擇與計(jì)算 (5)溫差應(yīng)力的計(jì)算 (7)接管、接管法蘭及開孔補(bǔ)強(qiáng)的計(jì)算等。德國(guó)AD 規(guī)范按固定支撐假設(shè)認(rèn)為換熱管為綱性支撐，計(jì)算得到的板厚較薄，一般小于 15mm. 其主要載荷由管壁和殼壁溫差決定。（要求理解間距公式各符號(hào)含義） 總結(jié)：現(xiàn)設(shè)計(jì)中一般采用平管板，橢圓形管板（包括蝶形管板）雙管板應(yīng)用于有特殊要 求的場(chǎng)合，而薄管板我國(guó)一般不采用。 拉桿與管板焊接時(shí)，拉桿孔深等于孔直徑；螺紋連接時(shí)，螺紋深度為螺紋孔直徑的 。如圖 417 所示。（根據(jù)圖 420 具體講述） 管子的長(zhǎng)度 長(zhǎng)度越長(zhǎng)，單位傳熱面積材料消耗量越低，制造成本也就越低，同時(shí)因流通截面減少而提 高流速，K 值增大。 ⅱ 脹接 方法 常用方法為機(jī)械滾脹法，此外還有爆破脹接發(fā)、液壓脹管法、液袋脹管法等。要求學(xué)生了解原因來記住次序） 第三節(jié) 折流板與支持板 一、折流板 在殼程設(shè)置折流板目的：為了延長(zhǎng)殼程介質(zhì)的流道長(zhǎng)度，增加管間流速，增加湍流程度，達(dá)到提高換熱器的傳熱效果的目的。殼程流體在折流板間螺旋形流動(dòng)，固體顆粒不易沉淀，利于傳熱。故管孔應(yīng)綜合考慮， GB151給出具體尺寸。與 折流板相比阻力降小，無傳熱死區(qū)，換熱管不易振動(dòng)，固定效果好，加工不易。 要求冷凝介質(zhì)壓 降小 因?qū)ο嗤橘|(zhì)，通常殼程流阻小于管程流阻，故對(duì)冷凝介質(zhì)壓降有特殊要求時(shí)可讓冷凝介質(zhì)走殼程。 二、冷凝器設(shè)計(jì)中的其他問題 保證蒸汽流速 即防止隨蒸汽冷凝，蒸汽量的減少而導(dǎo)致流速降低。（填料函式、浮頭式換熱器物料進(jìn)口也為固定端管箱） 組成： 容器法蘭、圓筒短節(jié)、封頭、及進(jìn)出口的接管與法蘭組成．有時(shí)還設(shè)有放空口、放凈口、儀表接口、分程隔板等。（僅管板滑動(dòng)） （ 3）雙填料函滑動(dòng)管板式： 如圖 446 所示。 （ 1）拉桿形式： 螺紋連接 ：拉桿與管板采用螺紋連接，折流板靠定距管固定間距，適用于外經(jīng)大于等于 19 mm的管束。以焊在筒體較為常見，簡(jiǎn)介其常見形狀。 設(shè)計(jì)壓力 Pd—— 指設(shè)定的容器頂部的最高壓力。 （標(biāo)志在設(shè)備銘牌上的設(shè)計(jì)溫度應(yīng)是殼體設(shè)計(jì)溫度） 三、厚度 （單位為 mm） 1．計(jì)算厚度 c? —— 按公式計(jì)算得到的厚度。 耐壓試驗(yàn)試驗(yàn)壓力 1．液壓試驗(yàn)：tdT pp ][ ][ ??? 2．氣壓試驗(yàn)：tdT pp ][ ][ ??? 注意：以公式計(jì)算的試驗(yàn)壓力 Tp 是指試驗(yàn)壓力的下限值（最低值）。在僅考慮介質(zhì)壓力情況下對(duì)圓筒的應(yīng)力，其結(jié)論簡(jiǎn)化為： 環(huán)向應(yīng)力 ： ???? pRpD ?? 2 軸向應(yīng)力： ???? 24 pRpD ?? 從上面的計(jì)算公式可以看出：內(nèi)壓圓筒殼體的應(yīng)力只與幾何尺寸有關(guān)，而與所用材料無關(guān)。試選擇換熱器殼程材料并確定其壁厚。已知：殼體設(shè)計(jì)溫度為常溫， mmCCM P a 1,0,1 1 3][ 21 ???? ?? 。 ?? ?? tPtK ][ (51) （要求知道： tP 與 ? ?2D? 成正比） 式中： p? ──平蓋的計(jì)算厚度， mm ； tP ──管程設(shè)計(jì)壓力， MPa； t][? ──設(shè)計(jì)溫度下材料的許用應(yīng)力， Mpa； ? ──焊縫系數(shù)； K ──結(jié)構(gòu)特征系數(shù)，見表 51； cD ──封頭的有效直徑，見表 51。 5．無折邊錐形封頭 厚度按式（ 57）計(jì)算： p? = ttit PDP ??? ?? ][2 當(dāng)封頭承受外壓時(shí)，封頭上的主要應(yīng)力為壓應(yīng)力，故封頭與筒體一樣也存在穩(wěn)定性問題，而且封頭形狀、材料等初始缺陷對(duì)其穩(wěn)定性的影響更加顯著，故對(duì)成型封頭失穩(wěn)研究在理論上、實(shí)驗(yàn)上都比圓筒復(fù)雜得多。已知： M P ammCCCtM nR M P apmmmmD tni 170][,2,20~3:,16 ,7,600 ??????????? ??? 工作溫度為材料為 【解】 （ 1）采用半球形封頭時(shí)，厚度為： )(5)( 7 04 6 0 ][4mmCmmppDtic????????? ????????? （ 2）采用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭時(shí)，厚度為： )(7)( ][2mmCmmppDtic?????????? ????????? （ 3）采 用標(biāo)準(zhǔn)碟形封頭時(shí)，厚度為： )(8)( ][2 mmCmmppDtic?????????? ?????????? （ 4）采用平蓋封頭時(shí)，厚度為： )(40)( 7 0 0 0][mmCmmKpDtcc???????????????? 從受力狀況來說，平蓋封頭最差，且它的名義厚度最大，所以不宜采用平蓋封頭； 從制造方面來說，平板封頭容易，橢圓形封頭較易，碟形封頭較難，半球形封頭最難。工作溫度≤ 200℃，壁厚 mme 16?? ，材料為 16MnR，焊接接頭系數(shù) ?? ，壁厚附加量 C=。 (浮頭法蘭設(shè)計(jì)計(jì)算課后自學(xué)，不作要求 ) 2．管程壓力 Pt為負(fù)，殼程壓力 Ps為正時(shí) 按 （ 2） 計(jì)算浮頭蓋厚度，取計(jì)算壓力值為 Pt與 Ps 之 和。 在上述受力分析中，將管板分成兩部分，即環(huán)形不布管區(qū)和圓形布管區(qū)，管板的最大應(yīng)力發(fā)生在這兩個(gè)區(qū)中，對(duì)環(huán)形不布管區(qū)，應(yīng)力沿徑向呈單調(diào)變化，則 max? 發(fā)生在環(huán)形板的內(nèi)緣或外緣；對(duì)圓形布管區(qū)，視作彈性基礎(chǔ)圓板，其應(yīng)力分布由外向內(nèi)衰減變化， max? 發(fā)生在圓板外緣或內(nèi)部具有最大徑向彎矩maxrM 值的半徑 ir 處，要求在各 危險(xiǎn)工況下，上述各 max? 均應(yīng)滿足設(shè)計(jì)準(zhǔn)則要求。 二、 U 形膨脹節(jié)的 設(shè)計(jì)計(jì)算 U 形膨脹節(jié)的計(jì)算內(nèi)容包括軸向剛度計(jì)算、應(yīng)力計(jì)算、應(yīng)力評(píng)定、疲勞壽命核算、外壓核算等五部分，其計(jì)算方式見 P155— 1159 1．膨脹節(jié)軸向剛度計(jì)算 2．應(yīng)力計(jì)算 3．應(yīng)力評(píng)定 4．疲勞壽命核算 5．外壓核算 第五章 強(qiáng)度設(shè)計(jì)練習(xí)題 1．工作壓力是指在 正常工作 情況下，容器 頂部 可能達(dá)到的最高壓力。 6．根據(jù) GB150，標(biāo)志在銘牌上的設(shè)計(jì)溫度應(yīng)是 殼體 設(shè)計(jì)溫度的 最高值或最低值 。 10．介質(zhì)的毒性程度為極度或高度危害介質(zhì)的容器，應(yīng)在 壓力試驗(yàn) 合格后進(jìn)行 氣密性試驗(yàn) 。 （ a） 開