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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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概 述
7.1 概 述
　　热交换器是一种广泛应用于各种行业的通用工艺设备 。 在化工行业中 , 热交换设备的投资通常约占总投资的 11% 以上 。 尤其是在石油化工领域 , 其投资约占全部工艺设备投资的 40%。 可见热交换器设计的先进性 、 合理性 、 运行的可靠性和热量回收的经济性等将直接影响产品的质量 、 数量和成本 。
　　热交换器的类型是按照不同的分类方式进行划分 。 按作用原理和实现传热的方式分为直接接触式热交换器 、 蓄热式热交换器 、 间壁式热交换器 ; 按使用目的分类为冷却器 、 加热器 、 再沸器 、 冷凝器 、 过热器 、 废热锅炉等 ; 按传热面的形状分类为管壳式热交换器 、 板式热交换器 、 热管式热交换器等 。 在生产中 , 热交换器有时是一个单独的设备 , 有时则是某一工艺设备的组成部分 。
7.1 概 述
　　一台好的热交换器应具有以下性能 : 传热效率高 、 流体阻力小 、 强度足够 、 结构合理 、 安全可靠 、 节省材料 、 成本低 、 容易制造 、 安装及检修方便 。
　　任何一种热交换器总不可能十全十美 。 例如 , 板式热交换器传热效率高 , 金属消耗量低 , 但流体阻力大 , 强度和刚度差 , 制造 、 维修困难 ; 而管壳式热交换器虽然在传热效率 、 紧凑性 、 金属消耗量等方面均不如板式热交换器 , 但其结构坚固 , 可靠程度高 , 适应性强 , 选用材料范围广 , 因而目前仍然是石油 、 化工生产中 , 尤其是高温 、 高压和大型热交换器采用的主要结构型式 。
7.1.1 管壳式热交换器的结构及主要零部件
7.1.2 管壳式热交换器的分类
1 . 固定管板式热交换器
7.1.2 管壳式热交换器的分类
2 . 浮头式热交换器
7.1.2 管壳式热交换器的分类
2 . 浮头式热交换器
7.1.2 管壳式热交换器的分类
4.U 形管式热交换器
7.1.2 管壳式热交换器的分类
5 . 釜式重沸器
7.1.3 管壳式热交换器总体设计内容
　　管壳式热交换器的总体设计分为工艺设计和机械设计两部分 , 工艺设计是根据用户提供的冷 、 热两种换热流体的进出口温度 、 流量 、 压力等工艺条件 , 完成热交换器的传热计算 、流体阻力计算 、 结构尺寸计算及选型等 。 机械设计是依据工艺设计的结果 , 按 GB/T 151-2014《 热交换器 》 的规定确定热交换器各零部件的结构尺寸 , 并利用 AutoCAD 完成设计图样绘制 。
7.1.3 管壳式热交换器总体设计内容
1 . 工艺设计的内容
　　(1) 根据生产任务和有关要求确定设计方案 ;
　　(2) 确定热交换器类型与主要结构 ;
　　(3) 根据换热量要求 , 计算换热面积 , 确定换热管规格 、 数量 、 管程程数 、 壳程程数等 ;
　　(4) 核算热交换器的传热能力及流体阻力 ;
　　(5) 确定热交换器的工艺结构 , 形成工艺简图 。
7.1.3 管壳式热交换器总体设计内容
2 . 机械设计的内容
　　(1) 热交换器各组成部分材料的选择 ;
　　(2) 壳体直径的确定和壳体厚度的计算 ;
　　(3) 封头 、 管箱的选择及强度计算 ;
　　(4) 管板结构尺寸的确定 ;
　　(5) 管子的排列方式 ;
　　(6) 折流板的布置与间距的确定 ;
　　(7) 换热管强度计算 、 轴向应力计算 ; 管子拉脱力的计算 、 温差应力的计算 ;
　　(8) 编制热交换器的制造 、 检验与验收技术要求 。
　　此外 , 还应考虑接管 、 接管法兰 、 支座结构等 。
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换热管的选用及其与管板的连接
大连理工大学出版社
7.2.1 换热管的选用
　　热交换器的换热管构成热交换器的传热面 , 换热管的尺寸和形状对传热有很大的影响 。 采用小直径的管子时 , 热交换器单位体积的换热面积大一些 , 设备较紧凑 , 单位传热面积的金属消耗量少 , 传热系数也稍高 , 但制造麻烦 。 小直径的换热管容易结垢 , 不易清洗 。 大直径的换热管用于黏性大或污浊的流体 , 小直径的换热管用于较清洁的流体 。
　　我国管壳式热交换器换热管常用的无缝钢管规格 ( 外径 × 厚度 ) 见表 7-1。 标准换热管长度规定为 1500 mm,2 000 mm,2 500 mm,3 000 mm,4 500 mm, 5 000 mm,6 000 mm,7 500 mm,9 000 mm,12 000 mm。热交换器的换热管长度与公称直径之比一般为 4~25,常用的为 6~10。 对于立式换热器 , 其比值多为 4~6 。
7.2.1 换热管的选用
　　热交换器中的换热管一般用光管 , 因为它的结构简单 , 制造容易 。 但它强化传热的性能不足 。 特别是当流体表面传热系数很低时 , 如果采用光管做换热管 , 热交换器传热系数将会很低 。 为了强化传热 , 出现了多种结构型式的强化传热换热管 , 如扁平管 、 波纹管 、 椭圆管等( 如图 7-7 所示 )、 翅片管 ( 如图 7-8、 图 7-9 所示 )、 螺纹管 ( 如图 7-10 所示 ) 等 。
7.2.1 换热管的选用
7.2.1 换热管的选用
　　换热管的材料选择应根据压力 、 温度 、 介质的腐蚀性能确定 。 可选用碳钢 、 合金钢 、 铜 、钛 、 塑料 、 石墨等 。
7.2.2 换热管的材料标准
　　换热管 属 于 主 要 受 压 元 件 , 其 采 购 除 应 符 合 TSG 21—2016 的 规 定 还 应 符 合 NB/T 47019.1~47019.9—2021《 锅炉 、 热交换器用管订货技术条件 》 的规定 。 常用的换热管牌号及要求按下列管材标准 。
　　有色金属换热管 :GB/T 1527—2017《 铜及铜合金拉制管 》、GB/T 2882—2013《 镍及镍合金管 》、GB/T 3625—2007《 换热器及冷凝器用钛及钛合金管 》、GB/T6893—2010《 铝及铝合金拉 ( 轧 ) 制无缝管 》、GB/T 8890—2015《 热交换器用铜合金无缝管 》、GB/T 26283—2010《 锆及锆合金无缝管材 》。
7.2.2 换热管的材料标准
　　钢制换热管 :GB/T 5310—2017《 高压锅炉用无缝钢管 》、GB 6479—2013《 高化肥设备用无缝钢管 》、GB 9948—2013《 石油裂化用无缝钢管 》、GB 13296—2013《 锅炉 、 热交换器用不锈钢无缝钢管 》、GB/T 21833.1—2020《 奥氏体 - 铁素体型双相不锈钢无缝钢管第 1 部分热交换器用管 》。
　　强化传热管 :GB/T 24590—2021《 高效换热器用特型管 》、GB/T 28713.1—2012《 管壳式热交换器用强化传热元件第 1 部分 : 螺纹管 》、GB/T 28713.2—2012《 管壳式热交换器用强化传热元件第 2 部分 : 不锈钢波纹管 》、GB/T 28713.3—2012《 管壳式热交换器用强化传热元件第 3 部分 : 波节管 》。
7.2.2 换热管的材料标准
　　焊接换热管 :GB/T 24593—2018《 锅炉和热交换器用奥氏体不锈钢焊接钢管 》 和 GB/T 21832.1—2018《 奥氏体 - 铁素体型双相不锈钢焊接钢管第 1 部分 : 热交换器用管 》, 焊接钢管用于热交换器的适用条件为 : 钢管应逐根进行涡流检测 ,B 级合格 ; 设计压力小于 10 MPa;不得用于毒性程度极度或高度危害的介质 。
7.2.3 换热管与管板的连接
1 . 胀接
　　管端发生塑性变形 , 管板孔同时发生弹性变形 , 当取出胀管器后 , 管板孔弹性收缩 , 管板与换热管间就产生一定的挤紧压力 , 紧密地贴在一起 , 达到密封紧固连接的目的 。 图 7-11 为胀管前和胀管后管径增大和受力的情况 。
7.2.3 换热管与管板的连接
7.2.3 换热管与管板的连接
7.2.3 换热管与管板的连接
7.2.3 换热管与管板的连接
2 . 焊接
　　焊接比胀接有更大的优越性 : 在高温高压条件下 , 焊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 。 焊接的缺点是 : 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 , 换热管与管板之间存在间隙 , 如图 7-13 所示 , 这些间隙内的流体不流动 , 很容易造成 “ 间隙腐蚀 ”。 因此 , 不适用有较大振动 、 有缝隙腐蚀倾向的场合 。
7.2.3 换热管与管板的连接
　　强度焊接的焊缝形式应根据管子的直径与厚度 、 管板的厚度和材料 、 操作条件等因素来确定 , 有如图 7-14 所示的几种型式 。
7.2.3 换热管与管板的连接
3 . 胀焊并用
　　虽然在高温 、 高压条件下采用焊接较胀接可靠 , 但管子与管板之间往往存在间隙腐蚀 ,而且焊接应力也引起应力腐蚀 。 尤其在高温高压下 , 连接接头在反复的热冲击 、 热变形 、 热腐蚀及介质压力的作用下 , 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 。 目前广泛采用的是胀焊并用的方法 , 这种连接方法能提高连接处的抗疲劳性能 ,消除应力腐蚀和间隙腐蚀 , 提高连接接头的使用寿命 。
7.2.3 换热管与管板的连接
有强度焊加贴胀
强度胀加密封焊
7.2.3 换热管与管板的连接
　　强度焊既保证焊缝的严密性 , 又保证有足够的抗拉脱强度 。 贴胀仅为消除管子与管板孔之间的间隙 , 并不承担管子拉脱力 ; 强度胀是满足一般胀接强度的胀接 ; 密封焊不保证强度 , 是单纯防止泄漏而施行的焊接 。
　　究竟在胀焊并用的连接中采用先胀接还是先焊接 , 没有统一的规定 。 主张先焊后胀者认为在高温高压换热器中 , 大多采用厚壁管 。 由于胀接时一般均使用润滑油 , 如果润滑油进入接头缝隙中就会在焊接时生成气体 , 使焊缝产生气孔 , 严重恶化焊缝质量 。 所以 , 只要胀管过程控制得当 , 先焊后胀就没有这一弊病 。 主张先胀后焊者则认为胀接使管壁紧贴于管板孔壁 , 可防止产生焊接裂纹 , 这对焊接性能差的材料尤为重要 , 但关键应采用不需润滑油的胀接方法 。

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