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　　本篇在第1篇、第2篇的基础上 , 进一步讲述三种典型化工设备的机械设计的方法、步骤 , 直至完成设备的总装配图。本篇主要内容如下：
　　1. 以热交换器为例，在完成工艺设计的基础上，完成列管式热交换器的结构设计，壳体、封头的强度设计，管板、换热管、法兰、折流板、拉杆、定距管、管箱、接管、支座等标准的选用，同时能够对固定管板式热交换器进行温差应力的计算，最后通过一个设计例题进行机械设计的全面训练。
　　2. 以板式塔为例，在完成工艺设计的基础上，完成塔设备壳体、封头的强度设计，详细分析塔设备除操作压力以外的质量载荷、风载荷、地震载荷、偏心载荷等的计算方法，在考虑上述所有载荷的情况下，对塔体和裙座危险截面的强度和稳定性进行校核。讲述了板式塔、填料塔及裙式支座的结构。最后通过一个设计例题进行塔设备机械设计的全面训练。
　　3. 以搅拌器为主要线索，讲述搅拌器的型式及选型、搅拌器的功率、搅拌器结构设计、搅拌器的传动装置及搅拌轴，以及填料密封与机械密封。在第二篇容器设计知识的基础上，再掌握了这些知识，即具备了完成化工常用搅拌反应设备的机械设计的理论基础。
第 3 篇　典型化工设备的机械设计
　　7.1 概 述
　　7.2 换热管的选用及其与管板的连接
　　7.3 管板结构
　　7.4 折流板 、 支承板 、 旁路挡板及拦液板的作用与结构
　　7.5 温差应力
　　7.6 管箱与壳程接管
　　7.7 管壳式热交换器的机械设计举例
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管板结构
7.3.1 换热管的排列形式
　　换热管的排列应在整个换热器的截面上分布均匀 , 要考虑排列方式 、 流体的性质 、 结构设计以及制造等方面的因素 。
7.3.1 换热管的排列形式
7.3.1 换热管的排列形式
7.3.1 换热管的排列形式
7.3.1 换热管的排列形式
7.3.1 换热管的排列形式
7.3.2 管间距
　　管板上两换热管中心的距离称为管间距 。 确定管间距时 , 要考虑管板强度和清洗管子外表面时所需空隙 , 它与换热管在管板上的固定方法有关 。 当换热管采用焊接法固定时 , 相邻两根管的焊缝太近 , 就会相互受到热影响 , 使焊接质量不易保证 ; 而采用胀接法固定时 , 过小的管间距会造成管板在胀接时由于挤压作用而发生变形 , 失去了管子与管板之间的连接力 。 因而 , 换热管中心距宜不小于 1 . 25 倍的换热管外径 , 常用换热管中心距管应符合表 7 - 5的规定 。
　　最外层换热管中心至壳体内表面的距离不应小于换热管外径的一半 +10 mm。
7.3.2 管间距
7.3.3 管板受力及其设计方法简介
　　列管式热交换器的管板 , 一般采用平管板 , 在圆平板上开孔装设管束 , 管板又与壳体相连 。 管板所受载荷除管程与壳程压力之外 , 还有管壁与壳壁的温差引起的变形不协调作用 。
7.3.3 管板受力及其设计方法简介
　　(1) 管板自身的直径 、 厚度 、 材料强度 、 使用温度等对管板应力有显著的影响 。
　　(2) 管束对管板的支承作用 。 管板与许多换热管刚性地固定在一起 , 因此 , 管束起支承作用 , 阻碍管板的变形 。 在进行受力分析时 , 常把管板看作放在弹性基础上的平板 , 列管就起着弹性基础的作用 。
　　(3) 管孔对管板强度和刚度的影响 。 管孔的存在 , 削弱了管板的强度和刚度 , 同时 , 管孔边缘产生峰值应力 。 当管子与管板连接后 , 管板孔内的管子又能增加管板的强度和刚度 , 而且也抵消了一部分峰值应力 。
固定式管板受力情况较复杂 , 影响管板应力大小的因素如下 :
7.3.3 管板受力及其设计方法简介
　　(4) 管板周边支承形式的影响 。 管板边界条件不同 , 管板应力状态也不同 。 管板外边缘有不同的固定形式 , 如夹持 、 简支 、 半夹持等 , 通常以介于简支与夹持之间为多 。 这些不同的固定形式对管板应力产生不同程度的影响 。
　　(5) 温度对管板的影响 。 由于管壁与壳壁温度的差异 , 各自的变形量不同 , 这不仅使管子和壳体的应力显著增加 , 而且使管板应力也显著增加 。 同时 , 由于管板的上下表面接触不同温度的介质使上下表面温度不同 , 亦会在管板内产生温差应力 。
　　(6) 其他因素的影响 。 当管板兼作法兰时 , 拧紧法兰螺栓 , 在管板上会产生附加弯矩 。另外 , 折流板间距 、 最大压力作用位置等也都对管板应力有影响 。
7.3.3 管板受力及其设计方法简介
　　(1) 将管板当作受均布载荷的实心圆板 , 以按弹性理论得到的圆平板最大弯曲应力为主要依据 , 加入适当的修正系数来考虑管板开孔削弱和管束的实际支承作用 。 这种设计方法对管板做了很大简化 , 因而是一种半经验公式 。 但由于公式计算简便 , 同时又有长期使用经验 , 结果比较安全 , 因而不少国家的管板厚度设计公式仍以此作为基础 。
　　目前 , 一些管板厚度设计公式因对各影响因素考虑不同而有较大差异 。 根据不同的设计依据 , 管板厚度的设计方法可概括为如下几类 :
7.3.3 管板受力及其设计方法简介
　　(2) 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平板 , 然后根据载荷大小 、 管束的刚度及周边支承情况来确定管板的弯曲应力 。 由于它比较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 。 在计算机应用十分普及的今天 , 这是一种有效的设计方法 。
　　(3) 取管板上相邻四根管子之间的菱形面积 , 按弹性理论求此面积在均布压力作用下的最大弯曲应力 。 由于此法与管板实际受载情况相差甚大 , 所以仅用于粗略计算 。
　　《 热交换器 》(GB/T 151—2014) 中采用上述第 (2) 种方法进行设计计算 。
7.3.4 管程的分程及管板与隔板的连接
　　当热交换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 。为了把热交换器做成多管程 , 可在流道室 ( 管箱 ) 中安装与管子中心线相平行的分程隔板 。管程数一般有 1,2,4,6,8,10,12 等 7 种 , 分程方法可采用表 7-6 所示的不同组合形式 。
7.3.5 管板与壳体的连接结构
　　管壳式热交换器管板与壳体的连接结构与连接形式有关 , 分为可拆式和不可拆式两大类 。 固定管板式热交换器的管板与壳体间采用不可拆焊接 , 而浮头式 、U 形管式和填料函式热交换器固定端管板与壳体间采用可拆连接 。
7.3.5 管板与壳体的连接结构
1 . 固定管板式热交换器管板与壳体的连接
7.3.5 管板与壳体的连接结构
7.3.5 管板与壳体的连接结构
7.3.5 管板与壳体的连接结构
2.浮头式 、 U 形管式及填料函式热交换器固定端管板与壳体的连接

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