【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 bcd螺栓孔數(shù)60073069059864536102328 管板與殼體的連接在固定管板式換熱器中，管板與殼體的連接均采用焊接的方法。由于管板兼作法蘭與不兼作法蘭的區(qū)別因而結(jié)構(gòu)各異，前者的結(jié)構(gòu)見圖44，其中圖44（a）形式是在管板上開槽，殼體嵌入后進(jìn)行焊接，殼體對(duì)中容易，施焊方便，適合于壓力不高、物料危害性不高的場(chǎng)合；如果壓力較高，設(shè)備直徑較大，管板較厚時(shí)，可采用圖44（b）形式，其焊接時(shí)較難調(diào)整。 管板厚度管板在換熱器的制造成本中占有相當(dāng)大的比重，管板設(shè)計(jì)與管板上的孔數(shù)、孔徑、孔間距、開孔方式以及管子的連接方式有關(guān)，其計(jì)算過程較為復(fù)雜，而且從不同角度出發(fā)計(jì)算出的管板厚度往往相差很大。一般浮頭式換熱器受力較小，其厚度只要滿足密封性即可。對(duì)于脹接的管板，考慮脹接剛度的要求。考慮到腐蝕裕量，以及有足夠的厚度能防止接頭的松脫、泄露和引起振動(dòng)等原因，建議最小厚度應(yīng)大于20mm。表45 管板的最小厚度換熱器管子外徑/mm≤25323857管板厚度/mm3/4222532換熱管的外徑為25mm，因而管板厚度取為3/4=，取上述的最小厚度20mm。 換熱管 換熱管的規(guī)格及尺寸偏差 經(jīng)過查表得表46碳鋼、低合金鋼的換熱管的規(guī)格及尺寸偏差材料換熱管標(biāo)準(zhǔn)管子規(guī)格高精度、較高精度偏差外徑，mm厚度，mm外徑偏差，mm壁厚偏差，mm碳鋼GB/TB8163≧14~302~177。+12%低合金鋼GB994810% 傳熱管排列和分程方法管子在管板上的排列方式最常用的為圖45 所示的（a）、（b）、（c）、（d）四種，即正三角形排列（排列角為30176。）、同心圓排列、正方形排列（排列角為90176。）、轉(zhuǎn)角正方形排列（排列角為45176。）。當(dāng)管程為多程時(shí)，則需采取組合排列，圖(e) 為二管程時(shí)管小組合排列的方式之一。正三角形的排列方式可在同樣的管板面積上排列最多的管數(shù)，故用的最為普遍，但管外不易機(jī)械清洗。為了便于清洗管子外表面上的污垢，可采用正方形與轉(zhuǎn)角正方形排列的管束。在小直徑的換熱器中，常用同心圓排列，在相同直徑的管板上所排列的管數(shù)比按正三角形排列還多。 采用組合排列法，即每程均按正三角形排列，隔板兩側(cè)采用正方形排列。 換熱管的中心距經(jīng)查表可得：（mm）換熱管外徑d換熱管中心距分程隔板槽兩側(cè)相鄰管的中心距253244 橫過管束中心線的管數(shù) 布管限定圓 布管限定圓為管束的最外層換熱管中心圓直徑，固定管板式換熱器的布管限定圓如下可得：dm=Di2b3=60028=584 mm式子中，Di——筒體內(nèi)直徑，mm b3——，且大于8mm 分程隔板 分程隔板尺寸 經(jīng)查表，分程隔板的尺寸如下表：表47 分隔板尺寸公稱直徑DN/mm隔板最小厚度/mm碳素鋼6008 管子和分程隔板的連接分程隔板有單層和雙層兩種，單層隔板與管板的密封結(jié)構(gòu)如圖46所示，隔板的密封面寬度最小為（S+2）mm。隔板材料與封頭材料相同。雙層隔板的結(jié)構(gòu)見圖47，雙層隔板具有隔熱空間，可防止熱流短路。 拉桿的直徑與數(shù)量各種換熱器的直徑和拉桿數(shù)，可參見下表選用。表48 拉桿直徑和拉桿數(shù)殼體直徑/mm拉桿直徑/mm最少拉桿數(shù)殼體直徑/mm拉桿直徑/mm最少拉桿數(shù)200～2501041100128273，400，500，600124＞12501210800，1000126經(jīng)查表易得，拉桿數(shù)為為4，直徑為12 連接與尺寸 拉桿示意圖如下所示：經(jīng)查表，拉桿尺寸如下：表49 拉桿尺寸拉桿公稱直徑/mm數(shù)量基本尺寸拉桿直徑d/mm/mm/mm/mm1241215≧50拉桿孔示意圖如下所示：,管子與管板的連接是管殼式換熱器制造中最主要的問題。對(duì)于固定管板換熱器，除要求連接處保證良好的密封性外，還要求接合處能承受一定的軸向力，避免管子從管板中拉脫。管子與管板的連接方法主要是脹接和焊接。脹接是靠管子的變形來達(dá)到密封和壓緊的一種機(jī)械連接方法，如圖410所示。當(dāng)溫度升高時(shí)，材料的剛性下降，熱膨脹應(yīng)力增大，可能引起接頭的脫落或松動(dòng)，發(fā)生泄露。一般認(rèn)為焊接比脹接更能保證嚴(yán)密性。對(duì)于碳鋼或低合金鋼，溫度在300℃以上，蠕變會(huì)造成脹接殘余應(yīng)力減小，一般采用焊接。焊接接口的形式見圖411。圖411（a）的結(jié)構(gòu)是常用的一種；為了減少管口處的流體阻力或避免立式換熱器在管板上方滯留的液體，可采用圖411（b）的結(jié)構(gòu)；為了不使小直徑管子被熔融的金屬堵住管口，則可改成圖411（c）的結(jié)構(gòu)；圖411（d）的形式適用于易產(chǎn)生熱裂紋的材料，但加工量大。脹接和焊接方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，在有些情況下，如對(duì)高溫高壓換熱器，管子與管板的連接處，在操作時(shí)受到反復(fù)熱變形、熱沖擊、腐蝕與流體壓力的作用，很容易遭到破壞，僅單獨(dú)采用脹接或焊接都難以解決問題，如果采用脹焊結(jié)合的方法，不僅能提高連接處的抗疲勞性能，還可消除應(yīng)力腐蝕和間隙腐蝕，提高使用壽命。目前脹焊結(jié)合的方法已得到比較廣泛的應(yīng)用。換熱管規(guī)格外徑壁厚/mm換熱管最小伸出長(zhǎng)度最小坡口深度/mm/mm2. 防沖板或?qū)Я魍驳倪x擇、鞍式支座的示意圖(BI型) 防沖板或?qū)Я魍驳倪x擇因?yàn)樗畊≤，煤油流量 ,所以管程和殼程都不設(shè)防沖板或?qū)Я魍病?管壁溫度的估算由于管壁熱阻一般可以忽略，故可以認(rèn)為管內(nèi)外壁的溫度是相同的，由此可以得到以下的關(guān)系：中，to，ti，tw分別為殼程，管程流體的平均溫度和壁溫。采用試差法最終求得tw=℃ 管子拉脫力本換熱器的管子及殼體均采用10號(hào)碳鋼，由此可得下表：管子殼體操作壓力，Mpa 壁溫，℃35材料1010線膨脹系數(shù)1/℃106106彈性模量，Mpa106106尺寸，mm25260006006管子殼體數(shù)252管間距32脹接長(zhǎng)度，mm29許用拉脫力，Mpa4管子排布方式正三角形在操作壓力下，每平方米脹接周邊所產(chǎn)生的力為：其中，f==，則qp=在溫差應(yīng)力作用下，每平方米脹接周邊所產(chǎn)生的力為：其中， 而同時(shí)， 因而，管子拉脫力在許用范圍之內(nèi)，不許用安裝膨脹節(jié)。換熱器核算 殼程對(duì)流傳熱系數(shù)對(duì)圓缺形的折流板，可采用克恩公式：計(jì)算殼程當(dāng)量直徑，由正三角形排列可得：= =殼程流通截面積：=殼程流體流速為： =雷諾準(zhǔn)數(shù)為 ：普蘭特準(zhǔn)數(shù)為：= 。物料被冷卻，粘度校正取1， 將數(shù)值代入上式：= 管程對(duì)流傳熱系數(shù)=自來水被加熱，代入已得數(shù)值，有：管道流通面積：管程流體流速：雷諾準(zhǔn)數(shù)為普蘭特準(zhǔn)數(shù)為：=2748 W/m2 ℃ 傳熱系數(shù)K根據(jù)冷熱流體的性質(zhì)及溫度，在(GB15199P140141)選取污垢熱阻：污垢熱阻： Rsi=℃/WRso= m2℃/W還有，管壁的導(dǎo)熱系數(shù)： =45 m2℃/W管壁厚度： b=內(nèi)外平均厚度： dm=在下面的公式中，代入以上數(shù)據(jù)，可得==390W/m2 ℃所以，K的裕度為:h==% 傳熱面積S由K計(jì)算傳熱面積=該換熱器的實(shí)際傳熱面積為： =（）（23216） =100 m2 則該換熱器的面積裕度為：H==%因?yàn)闅こ毯凸艹潭加袎毫档囊?，所以要?duì)殼程和管程的壓力降分別進(jìn)行核算。 管程壓力降的計(jì)算公式為：Rei=13670（前面已求），為湍流。取關(guān)閉粗糙度查 另外，式子中：殼程數(shù)Ns=1管程數(shù)Np=2代入公式中，有： =（+）12=100kpa 殼程流動(dòng)阻力 由于殼程流體的流動(dòng)狀況比較地復(fù)雜，所以計(jì)算殼程流體壓力降的表達(dá)式有很多，計(jì)算結(jié)果也相差很大。下面以埃索法計(jì)算殼程壓力降：殼程壓力降埃索法公式為：式中 ——流體橫過管束的壓力降，Pa；——流體通過折流擋板缺口的壓力降，Pa；Fs——?dú)こ虊毫档墓笇有Ｕ禂?shù)，無因次，；Ns——?dú)こ虜?shù)；而=，nc=19，NB=29,uo=。F——管子排列方法對(duì)壓力降的校正系數(shù)，對(duì)正三角形排列，F(xiàn)=，對(duì)正方形斜轉(zhuǎn)45o排列，F(xiàn)=，正方形排列，F(xiàn)=。fo——?dú)こ塘黧w的摩擦系數(shù)，當(dāng)Re﹥500時(shí)，nc——橫過管束中心線的管子數(shù)，對(duì)正三角形排列ncNB——折流擋板數(shù)代入數(shù)值得：而，其中h=，d=，NB=29,式中 D——?dú)剑琺h——折流擋板間距，mdo——換熱器外徑，muo——按殼程流通截面積S計(jì)算的流速，而S=h（Dncdo）代入數(shù)值得： =29（） =1380Pa對(duì)于液體=，于是我們有：=1（1380+）=2317Pa＜100kpa經(jīng)過以上的核算，我們發(fā)現(xiàn)，管程壓力降和殼程壓力降都符合要求。管束振動(dòng)的計(jì)算隨著工業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展和生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，管殼式換熱器逐漸趨于大型化，并且，由于換熱器尺寸和管束支撐間距的增大，以及流體流速的增大、運(yùn)行工況不穩(wěn)定等因素影響，經(jīng)常引起換熱器管束發(fā)生流體誘導(dǎo)振動(dòng)，造成換熱器的局部失效甚至整體報(bào)廢，所以應(yīng)想法預(yù)防振動(dòng)。只有當(dāng)流體誘發(fā)振動(dòng)的頻率與傳熱元件的固有頻率一致或相當(dāng)接近時(shí),傳熱元件的振幅激增,才導(dǎo)致破壞。通常,傳熱管是換熱器中撓性最大的部件,對(duì)振動(dòng)也最敏感。在管殼式換熱器的殼程中，流體橫向流過管束時(shí)，流體誘發(fā)震動(dòng)的主要原因是:卡門漩渦（有聲震動(dòng)或無聲震動(dòng)）、紊流抖動(dòng)（有聲震動(dòng)或無聲震動(dòng)）、流體彈性不穩(wěn)定。大多數(shù)振動(dòng)破壞都是換熱器管束的機(jī)械損壞，主要的有以下幾點(diǎn): 撞擊破壞當(dāng)管子振動(dòng)的振幅大到足以使相鄰管子互相撞擊,或邊緣管不斷擊打殼體,在管子的撞擊部位將產(chǎn)生特有的菱形磨損形式,管壁不斷減薄而至最后開裂。 擋板損傷　　為了便于安裝,一般擋板開孔較管子直徑略大,當(dāng)擋板較薄時(shí),管子振動(dòng)會(huì)在管壁與擋板孔邊緣之間產(chǎn)生較高的接觸力,對(duì)管子有一種鋸割作用,短時(shí)間內(nèi)即可將管子切開發(fā)生局部失效。 接頭泄漏管子與管板的連接處是換熱器中十分重要的結(jié)構(gòu),然而在工程實(shí)際中,由于管子振動(dòng)使管子與管板連接處受力較大,從而導(dǎo)致脹接或焊接點(diǎn)的損壞,造成泄漏。 應(yīng)力疲勞　　管子振動(dòng)的振幅較大時(shí),管子反復(fù)彎折的扭彎應(yīng)力較高,長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)振動(dòng)會(huì)使管子斷裂。這種損傷還會(huì)由于腐蝕作用而加速。 冶金失效　　振動(dòng)使換熱管產(chǎn)生交變應(yīng)力,導(dǎo)致管子表層的氧化層脫落,管子表面留下坑點(diǎn)。在坑點(diǎn)處引起應(yīng)力集中,導(dǎo)致管子失效,縮短了管子壽命。 材料缺陷擴(kuò)展　振動(dòng)所引起的應(yīng)力脈動(dòng)會(huì)使管材中的微觀缺陷擴(kuò)展,以致產(chǎn)生大裂紋,最終使管子受到破壞。另外，橫流流動(dòng)與激振機(jī)理與流體介質(zhì)還有一定的關(guān)系，具體見下表：表61 橫流流動(dòng)與激振機(jī)理與流體介質(zhì)關(guān)系表流動(dòng)情況漩渦分離湍流抖振流體彈性不穩(wěn)定性聲共振液流中可能發(fā)生可能發(fā)生重要?dú)饬髦胁荒馨l(fā)生可能發(fā)生重要重要兩相流中不可能發(fā)生不重要重要不大可能 因?yàn)樗婕暗氖敲河团c冷卻水，均是液體，和湍流抖振漩渦分離、湍流抖振、流體彈性不穩(wěn)定性這三者相關(guān)性較大，便主要從這三方面進(jìn)行分析。管殼式換熱器管束振動(dòng)主要是由殼程流體流動(dòng)所引起的,而管程流體流動(dòng)的影響可忽略不計(jì)。產(chǎn)生振動(dòng)的振源為流體穩(wěn)定流動(dòng)產(chǎn)生的振動(dòng),流體速度的波動(dòng),通過管道或其它連接件傳播的動(dòng)力機(jī)械振動(dòng)等,橫向流是流體誘導(dǎo)管束振動(dòng)的主要根源。 漩渦脫落誘導(dǎo)振動(dòng)卡門漩渦頻率按下面的公式確定：式中 fV——卡門漩渦頻率，HzSt——斯特羅哈數(shù)，無因次，對(duì)于按正三角形與正方形排列的管束，可根據(jù)節(jié)徑比xp=S/do計(jì)算，St=1/，經(jīng)計(jì)算，所設(shè)計(jì)的換熱器的St =式中 V——橫流速度，m/sdo——換熱管外徑，mS——換熱管的中心距，m由此可見，當(dāng)管束直徑一定時(shí)，流速越大，流體誘導(dǎo)頻率越大，當(dāng)漩渦脫落頻率接或等于管束的固有頻率時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動(dòng)。 紊流抖振　　紊流抖振是一個(gè)由隨機(jī)力作用的衰減振動(dòng),管子僅在其固有頻率附近產(chǎn)生響應(yīng),振動(dòng)的峰值出現(xiàn)在脈動(dòng)力的主頻率與管子的固有頻率重合之處。脈動(dòng)力的主頻率fb為：式中 fb———紊流脈動(dòng)的頻率，Hz　　 U———相鄰兩管間的流體平均速度， m/s　　 d0———管子的外徑，m　　 T———管束的橫向管間距，m　　　 L———兩個(gè)連續(xù)管排間的中心線距離，m紊流脈動(dòng)的頻率范圍較寬且具有很強(qiáng)的隨機(jī)性。由紊流抖振而誘發(fā)的振動(dòng)不很規(guī)律,較少導(dǎo)致大范圍的共振響應(yīng)。紊流抖振不是導(dǎo)致管子破壞的主要原因,而是產(chǎn)生流體彈性激振的重要因素。通常認(rèn)為，當(dāng)管子間距較小時(shí)，由于沒有足夠的空間產(chǎn)生漩渦分離，紊流的影響是主要的。，漩渦分離一般不會(huì)引起管子大幅度振動(dòng)。 流體彈性激振 換熱器內(nèi)密集的管束中,任何一根管子的運(yùn)動(dòng)都會(huì)改變周圍的流場(chǎng)。流場(chǎng)的改變則使作用在相鄰管子上的流體發(fā)生相應(yīng)的改變,從而使受力作用的管子發(fā)生振動(dòng),從而進(jìn)一步改變了作用在其中的流體力。一根管子的