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《化工设备机械基础》*题解答 3

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《化工设备机械基础》*题解答 化工设备机械基础》
第三篇: 第三篇: 典型化工设备的机械设计 第七章 管壳式换热器的机械设计
一、思考题 1. 衡量换热器好坏的标准大致有哪些? 答:传热效率高,流体阻力小,强度足够,结构可靠,节省材料;成本低;制造、安装、 检修方便。 2. 列管式换热器主要有哪几种?各有何优缺点? 答:如下表 1 所示: 表 1 列管式换热器 种类 优 点 缺 点

固定管板式

结构较简单,造价较低,相对其 它列管式换热器其管板最薄。 一端管板固定,另一端管板可在 壳体内移动;管壳间不产生温差 应力;管束可抽出,便于清洗。 管束一端可自由膨胀;造价比浮 头式低;检修、清洗容易;填函 处泄漏能及时发现。

管外清洗困难; 管壳间有温差应力存在; 当两种介质温差较大时必须 设置膨胀节。 结构较复杂,金属耗量较大; 浮头处发生内漏时不便检查; 管束与管体间隙较大,影响传热。 壳程内介质有外漏的可能; 壳程中不宜处理易挥发、易燃、 易爆、有毒的介质。

浮头式

填料函式

U 型管式

管内不便清洗; 只有一个管板;管程至少为两程; 管板上布管少,结构不紧凑, 管束可以抽出清洗;管子可自由 管外介质易短路,影响传热效果; 膨胀。 内层管子损坏后不易更换。

3. 列管式换热器机械设计包括哪些内容? 答:①壳体直径的决定和壳体壁厚的计算; ②换热器封头选择,压力容器法兰选择; ③管板尺寸确定; ④管子拉脱力的计算; ⑤折流板的选择与计算; ⑥温差应力计算。 此外还应考虑接管、接管法兰选择及开孔补强等。 4. 我国常用于列管式换热器的无缝钢管规格有哪些?通常规定换热管的长度有哪些? 答:我国管壳式换热器常用无缝钢管规格(外径×壁厚) ,如下表 2 所示。换热管长度规定 为: 1500mm, 2000mm, 2500mm, 3000mm, 4500mm, 5000mm, 6000mm, 7500mm, 9000mm, 12000mm。 换热器的换热管长度与公称直径之比,一般在 4~25 之间,常用的为 6~10。立式换热器,其 比值多为 4~6。 表 2 换 热 管 规 格(mm) 碳钢低合金钢 不 锈 钢 ¢19×2 ¢19×2 ¢25×2.5 ¢25×2 ¢32×3 ¢32×2.5 ¢38×3 ¢38×2.5
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5. 换热管在管板上有哪几种固定方式?各适用范围如何? 答:固定方式有三种:胀接、焊接、胀焊结合。 胀接:一般用在换热管为碳素钢,管板为碳素钢或低合金钢,设计压力不超过 4.0MPa,设计温度在 350℃以下,且无特殊要求的场合。 焊接:一般用在温度压强都较高的情况下,并且对管板孔加工要求不高时。 胀焊结合:适用于高温高压下,连接接头在反复的热冲击、热变形、热腐蚀及介质压 力作用,工作环境极其苛刻,容易发生破坏,无法克服焊接的“间隙腐蚀” 和“应力腐蚀”的情况下。 6. 换热管胀接于管板上时应注意什么?胀接长度如何确定? 答:采用胀接时,管板硬度应比管端硬度高,以保证胀接质量。这样可避免在胀接时管板 产生塑性变形,影响胀接的紧密性。如达不到这个要求时,可将管端进行退火处理, 降低硬度后再进行胀接。另外,对于管板及换热器材料的线膨胀系数和操作温度与室 温的温差△t,必须符合表 3 的规定。 表 3 线 膨 胀 系 数 和 温 度 10%≤△α/α≤30% △t≤155℃ 30%≤△α/α≤50%
△α/α>50% △t≤128℃ △t≤72℃

表中:α=1/2(α1+α2) 1,α2 分别为管板与换热管材料的线膨胀系数,1/℃。 ,α △α=∣α1-α2∣,1/℃。 △t 等于操作温度减去室温(20℃) 。 7. 换热管与管板的焊接连接法有何优缺点?焊接接头的形式有哪些? 答:焊接连接比胀接连接有更大的优越性:在高温高压条件下,焊接连接能保持连接的紧 密性;管板孔加工要求低,可节省孔的加工工时;焊接工艺比胀接工艺简单;在压力 不太高时可使用较薄的管板。 焊接连接的缺点是:由于在焊接接头处产生的热应力可能造成应力腐蚀和破裂;同时 管子与管板间存在间隙,这些间隙内的流体不流动,很容易造成“间隙腐蚀” 。 焊接接头的形式有:①管板孔上不开坡口; ②管板孔端开 60? 坡口; ③管子头部不突出管板; ④孔四周开沟槽。 8. 换热管采用胀焊结合方法固定于管板上有何优点?主要方法有哪些? 答:胀焊结合方法的优点:由于焊接连接产生应力腐蚀及间隙腐蚀,尤其在高温高压下, 连接接头在反复的热冲击、热变形、热腐蚀及介质压力作用下,工作环境极其苛刻, 容易发生破坏,无论采用胀接或焊接均难以满足要求。而胀焊结合法能提高连接处的 抗疲劳性能,消除应力腐蚀和间隙腐蚀,提高使用寿命。 主要方法有:先强度焊后贴胀、先强度焊后强度胀、先强度胀后密封焊等多种。 9. 管子在管板上排列的标准形式有哪些?各适用于什么场合? 答:排列的标准形式有:①正三角形和转角正三角形排列,适用于壳程介质污垢少,且不 需要进行机械清洗的场合。 ②正方形和转角正方形排列,一般可用于管束可抽出清洗管间的 场合。 10. 《钢制管壳式换热器设计规定》中换热器管板设计方法的基本思想是什么? 答:其基本思想是:将管束当作弹性支承,而管板则作为放置于这一弹性基础上的圆*板, 然后根据载荷大小、管束的刚度及周边支撑情况来确定管板的弯曲应力。由于它比较
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全面地考虑了管束的支承和温差的影响,因而计算比较精确。但计算公式较多,计算 过程也较繁杂。但应用计算机进行设计计算,是一种有效的设计方法。 11. 换热管分程原因是什么?一般有几种分程方法?应满足什么条件?其相应两侧的管箱隔板 形式如何? 答:分程原因:当换热器所需的换热面积较大,而管子做得太长时,就得增大壳体直径, 排列较多的管子。此时为了增加管程流速,提高传热效果,须将管束分程,使流体依 次流过各程管子。 分程方法:为了把换热器做成多管程,可在流道室(管箱)中安装与管子中心线相* 行的分程隔板。管程数一般有 1,2,4,6,8,10,12 等七种。 满足条件:①各程换热管数应大致相等;②相邻程间*均壁温差一般不应超过 28℃; ③各程间的密封长度应最短;④分程隔板的形式应简单。 管箱隔板形式有:单层和双层两种。 12.折流板的作用如何?常用有哪些形式?如何定位? 答:在对流传热的换热器中,为了提高壳程内流体的流速和加强湍流强度,以提高传热效 率,在壳程内装置折流板。折流板还起支撑换热管的作用。 常用形式有:弓形、圆盘-圆环形和带扇形切口三种。 折流板的固定是通过拉杆和定距管来实现的。拉杆是一根两端皆有螺纹的长杆,一端 拧入管板,折流板就穿在拉杆上,各板之间则以套在拉杆上的定距管来保持板间距离。 最后一块折流板可用螺母拧在拉杆上予以紧固。 13.固定管板式换热器中温差应力是如何产生的?有哪些补偿温差应力的措施? 答:当操作时,壳体和管子温度都升高,若管壁温度高于壳壁温度,则管子自由伸长量比 壳体自由伸长量大,但由于管子与壳体是刚性连接,所以管子和壳体的实际伸长量必 须相等,因此就出现壳体被拉伸,产生拉应力;管子被压缩,产生压应力。此拉、压 应力就是温差应力,也称热应力。 补偿温差应力的措施有:解决壳体与管束膨胀的不一致性;或是消除壳体与管子间刚 性约束,使壳体和管子都自由膨胀和收缩。 ①减少壳体与管束间的温度差; ②装设侥性构件; ③使壳体和管束自由热膨胀; ④双套管温度补偿。 14.何谓管子拉脱力?如何定义?产生原因是什么? 答:换热器在操作中,承受流体压力和管壳壁的温度应力的联合作用,这两个力在管子与 管板的连接接头处产生了一个拉脱力,使管子与管板有脱离的倾向。 拉脱力的定义:管子每*方米胀接周边上所受到的力,单位为帕。 15.壳程接管挡板的作用是什么?主要有哪些结构形式? 答:在换热器进口处设置挡板(常称为导流筒) ,它可使加热蒸汽或流体导致靠*管板处才 进入管束间,更充分的利用换热面积,目前常用这种结构来提高换热器的换热能力。 三、试验算固定管板式换热器的拉脱力 已知条件如下: 项 目 管 子 壳 0.6 100 16MnR -6 11.8×10
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操作压力 MPa 操作温度℃ 材质 线膨胀系数 1/℃

1.0 200 10 -6 11.8×10

弹性模数 MPa 许用应力 MPa 尺寸 mm 管子根数 排列方式 管间距 mm 管子与管板连接结构: 胀接长度 mm 许用拉脱力 MPa

0.21×10 113 ¢25×2.5×2000 562 正三角形 a=32 开槽胀接 l =30 [q]=4

6

0.21×10 173 ¢1000×8

6

解:在操作压力下,每*方米胀接周边产生的力 q p :

qp =
其中: f = 0.866a ?
2

pf πd l
= 0.866 × 32 2 ?

π

4 4 1.0 × 396 ∴qp = = 0.168( MPa ) 25 × 30 × 3.14

d

2

π

× 25 2 = 396(mm 2 )

在温差应力作用下,管子每*方米胀接周边所产生的力 qt :

qt =
其中:

σ

? at σ = 4d l
t

t

? (d 2 ? d 4d l

2 i

)

σt =

αE (t t ? t s )
1+ At As

=

αE (t t ? t s ) π 2 2
1+ 4

(d ? d i )n

=

πD中 S n

11.8 × 10 ?6 × 0.21 × 10 6 × (200 ? 100) = 50.36( MPa ) (25 2 ? 20 2 ) × 562 1+ 4 × 1008 × 8

∴ qt =

50.36 × (25 2 ? 20 2 ) = 3.777( MPa ) 4 × 25 × 30
又 q p 与 qt 作用方向相同,则:

q = q p + qt = 0.168 + 3.777 = 3.945( MPa )
∵ q < [q] ,故管子拉脱力在许用范围内。

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