管壳式换热器管板设计中若干重要参数的确定

■ 了1_j5- 圯嫡 6 管壳式换热器管板 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 中 若干重要参数的确定 Determination of Some Parimeters in Design of Heat Exehanger Tubesheets 北京石油化：EI程公司 全国容标委设计分委员会 墼 1K。7 · 3l· tube~h 关 ee 键 t e 调 xc ： ha 萱 ng 壹 er 塞 is also give 璧 in 量 thi ， s 金 pap _ er 温 ． 度设计沮度膨胀节 季岛 关键调：萱壹塞!叁宣 萱塑，金■温度设计沮度膨胀节 授叶，季 管壳式换热器在工业装置的换热设备中占 有相当太的比重，管板是管壳式换热器的主要 零件之一，管板的合理设计对于正确选用和节 约材料、减少加工制造困难、降低成本，、确保 使用安全都具有重要意义。 GB151《镛制管壳式换热器》为管壳式换热 器的设计、制造 、检验与验收规定了一整套必 须遵循的技术要求。作为一个整体．规定了该 标准适用的换热器参数 (觅 GB151第 1．1．2 条)，但是，就标准中给出的管板计算 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 (第 3．7条)，可以适用于 PN≤35MPa的一切压力、 直径参数的管壳式换热器。 不同结构型式的换热器管板，由于载荷情 况、支承条件、边界约束条件的不同，其强度 计算方法也各不相同。 u型管换热器仅有一块管板 ，通常是以螺 CPVT Vo1．11 No．4 1594 栓、垫片夹紧在壳程法兰和管箱法兰之间，其 计算模型是把管板作为承受均布载荷，周边为 简支且受管孔均匀削弱的普通圊平板 。 对于浮头式换热器和填函式换热器．其固 定端的一块管板太多是以螺栓、垫片夹持在壳 程法兰和管箱法兰之间。其计算模型是把管板 的布管区视为弹性基础上受管孔均匀削弱的圆 平板，管板外周不布管部分视为环板，整个管 板周边为偷支，承受均l布载荷。 在 u型管换热器和浮头式、填函式换热器 中．其延长部分兼作法兰的管板 ，与壳程圆筒 和 (或)管箱圆筒连成一体的管板．其边缘约 束条件当然不同于目前GB151中所给出的简 支条件，现在正在组织力量开发这种型式管板 的强度计算方法，拟引入即将发布的新版 GB151中。 ·3O1· 维普资讯 http://www.cqvip.com · 32· 管壳式换热器管板设计中若干重要参数的确定 固定管板式换热器(或称固定式换热器)中 两块管板与壳程圆筒固定地连接在一起，这种 固定管板的周边可以延伸作为壳程法兰，形成 “延长部分兼作法兰的管板 也可以直接与壳 程圆筒和管箱圆筒连在一起，形成 不带法兰 的管板 ，根据壳程圆筒和管束热膨胀差的条件 要求，固定管板换热器可能要设置膨胀节。对 于固定式换热器，不管是什么样的具体结构，换 热器的几乎所有结构元件的尺寸和材料性能都 直接或间接地影响着管板的强度，因此管板的 强度分析和计算过程非常复杂，大多数国家规 范的管板厚度计算 公式 小学单位换算公式大全免费下载公式下载行测公式大全下载excel公式下载逻辑回归公式下载 都是对实际管板作了不 同程度的简化和假设，把管板看作是承受均布 载荷，放置在弹性基础上且受管孔削弱的当量 圆平板。 在管壳式换热器的设计计算中，不少设计 人员对于某些设计参数的意义和计算方法不太 明确甚至错误混用，为此本文就几个重要参数 分述如下 ： 1 金属温度 _ 根据定义，金属温度系指容器受压元件沿 截面厚度的平均值。对于换热器的壳程圆筒和 换热管来讲，其金属温度是沿轴向变化的，在 换热器的设计计算中，所谓壳程圆筒金属温度 或是换热管金属温度是指该元件精其轴向长度 的金属温度平均值。该温度不仅取决于圆筒或 换热管两侧的流体介质 (或环境)的温度，而 且还与两侧闻的总传热系数，即每侧的给热系 数，污垢热阻和金属热阻等参数有关，一般讲， 应该通过传热计算确定。 ， 在固定式换热器的设计条件中，作为基本 设计参数之一的壳程圆筒和换热管的金属温 度，与其他基本设计参数一样、，如操作压力、操 作温度、公称直径、换热管规格 数量、排列 等，都应该是由工艺专业提供并负责的基本设 计条件。 壳程圆筒金属温度和换热管金属温度对于 固定式管板的设计具有重要影响，它们与壳程 · 302· 圆筒和换热管材料的膨胀系数一起共同决定了 圆筒与换热管之间的热膨胀差太小 占L而影响 着管板的计算应力和厚度，圆筒和换热管的轴 向应力，管板与换热管的连接拉脱力，并据此 判断该换热器是否需要设置膨胀节。 一 般情况下，如果换热器有良好的保温层， 或虽无保温但壳程介质温度接近环境温度，则 壳程 圆筒金属温度可以取壳程流体的平均温 度。 2 设计温度 GB1 51规定，壳程设计温度即指壳程圆筒 的设计温度}管程设计温度则是管箱 (指管箱 圆筒和封头)的设计温度。上述设计温度不得 低于该元件可能达到的最高金属温度，对于 0℃以下的金属温度，则设计温度不得高于该元 件可能达到的最低金属温度。 联系到关于金属温度的概念，很显然，对 于换热器壳程 ，其壳程圆筒的设计温度不可能 等同于壳程圆筒的金属温度，因为前者 (对于 O℃以上)要不低于整个嚼筒中可能达到的最高 金属温度，而后者则是指沿轴向的金属温度平 均值。同样，对于换热器管程，管箱的设计温 度一般情况下也不同于管箱的金属温度 ，更不 能混同于换热管的金属温度。 由于元件材料的许用应力取决于该元件的 设计温度 ，而在确定设计温度时，是以元件的 最高金属温度为基础的，固此要注意在确定设 计温度时，应该考虑到其金属表面的最高温度 不能超 过 GB150第 2章中所规定的钢材 的允 许使用温度界限。 图 1归纳了换热器的操作温度、金属温度 和设计温度之间的区别和关系。 3 管板布管区当量直径 换热管在管板上的布置不可能以同样的密 度延伸到壳程圆筒的内壁，实际上，在通常情 况下管板周边部分都存在着一个较窄的不布管 区，该区域的存在使管板边缘的应力下降。 压力容器 第 l1卷第 4期 维普资讯 http://www.cqvip.com 匮匝至 匡 查 篓 ’33’ 1工艺传热计算 ’ [ 垂巫 妇 』 l沿轴 平均值 喜耄： 或封头}设计温度 管箱圆筒或封头J⋯’⋯ (≥最高金l属温度l 或低于 0c时 ≤最低金属温度) 圈 I 布管区一般是一个不 规则 编码规则下载淘宝规则下载天猫规则下载麻将竞赛规则pdf麻将竞赛规则pdf 的多边形，现以 当量圆形布管区去代替多边形布管区，当量圆 直径 n的取值应使管子对管板的支承作用面 积相等。不论是哪一种型式的管壳式换热器，在 计算管板布管区面积时，都假定在布管区范围 内，均匀地布满着管子。 假设有 根换热管，管间距为s，对于管孔 为三角形排列的布管，每根管子对管板的支承 作用面积是以管孔圆心为中心、以 s为其内切 圆 直 径 的 正 六 角 形 面 积，即 一 0．866W}对于管孔为正方形排列的布管，每根 管子对管板的支承作用面积则是以管孔圆心为 中心， 以 s为边长的正方形面积 ．即 。 管板布管区是将管板最外圈管子的支承作 用面积连接起来所包 围的区域，包括最外圈管 子本身的支承作用面积。 CPVT Vo1 No．4 1994 对于管子均匀分布的单管程换热器管板 ， 全部 n根管子对管板的总支承作用面积即是布 管区面积。即： 对于三角形排列 A 一0．8668 对于正方形排列 A—n 对于多管程换热器，其管板布管区面积应包括 两部分 ： (1)全部 根换热管的总支承面积f (2)在布管区范围内，由于隔板槽的存在 而未计八 (1)部分内的所谓 “隔板槽面积”，其 计算方法如下，见图 2中的阴影面积。 一 图 2 假设 ；换热管中心距为 s 隔板槽两侧相邻管中心距为 ＆ 抬隔板槽一侧的排管报数为 求解 ：隔板槽面积 解：对于三角形排列 ^ 一 册 。一 3 s ／2 = (最 一 0．8668) 对于正方形排列 A 一 (＆ 一 ) 不论是单管程换熟嚣，还是多管程换热器， ·3O3· 维普资讯 http://www.cqvip.com · 34· 壳式换热器管板设计中若干重要参数的确定 当壳体直径较大时，有可能在布管区范围内设 置有拉杆、定距管 ，从而按上述计算方法得到 的布管区面积则会小于我们定义的管板布管区 面积。因此，还应再加入布管区范围内拉杆所 占据的管子 “支承作用”面积作为总的布管区 面积，一般情况下 ，略去这部分面积也不会带 来很大影响 4 警子加强系数 我国管板强度计算公式的基本简化假定之 一 就是：把管板视为均匀削弱的、放置在弹性 基础上的当量圆平板 这是由于在绝大多数实 际的管壳式换热器结构中，管子直径相对管板 直径足够小，而管子的数量叉足够多，假定管 板上管子是均匀分布的，因而离散的各个管子 对管板的支承作用可以认为是均匀连续的，管 板承受的载荷也认为是均匀分布的。 管柬对管板在外载荷作用下的挠度和转角 都有约束作用 ，管束的约束作用可以减少管板 的挠度和降低管板中的应力，在 GB151的计算 中只考虑管柬对管板挠度的约束作用，对于固 定式换热器的管板 ，以管子加强系数 眉表示， 其意义如下： 开孔后管板的抗弯刚度为 其中 ——开孔后管板刚度削弱系数 D——管板未开孔前的抗弯刚度， N ·mm 肛 式中 日，——管板材料的弹性模量，MPa — — 管板材料的泊橙比 d——管板厚度 ，mm 管束的弹性基础系数 Ⅳ，MPa／mm，表示为 使管束在轴向产生单位长度的变形 (伸长或缩 短)，在管板表面所需施加的压力载荷 。 一 2五；2tl 一百 式中 ——壳程圆筒内径横截面积一曲}／4， m m 2 日 ——管子材料的弹性模量，MPa · 304· ． L—— 管柬的有效长度，mm — — 管束 根管子)的总金属横截面 积 ，mm。 引入管子加强系数 眉，代入 D、N表达式 ， 令 =0．3： 一 r ——一 1I／2 一 -s j 该系数反应了弹性基础强弱相对于管板自 身抗弯刚度的大小，．即管柬对管板承载能力的 加强作用 这是表征管柬对管板加强作用的一 个十分重要的参数。如果管板的弹性基础很弱 ， 则管子的加强作用很小，即 眉值很小，此时管 板的挠度与弯矩等分布情况接近于无弹性基础 的普通圆板，眉一0，即是普通圆平板。‘ 在一定的边界支承条件下，当 值逐渐增 大时，管板的挠度、弯矩等自周边向中心呈衰 减、波状分布，当 眉值越大时，则衰减越快 ，波 数越多。在 眉值增大过程中，当经过某一确定 的分界 值时，分布曲线会出现新的波，同时 在板中心处，曲线从上凹 (或下凹)转变为下 凹 (或上凹)，求解分布曲线的导数方程，即可 得到曲线波数增加的 分界值。 以管板周边简支情况为例，随着管子加强 系数 眉的增大，其径向弯矩分布曲线和出现新 · 渡时的分界 眉值如图 3示意，同时可以看出， 径向弯矩的极值也随 眉值增大而远离管板中 心移向周边 对于浮头式、填函式换热器管板，管柬模 数 臣 与固定管板的弹性基础系数 Ⅳ类似，同 样反应了管柬作为弹性基础对管板 的加强作 用。 5 膨胀节的设置 在固定式换热器中设置膨胀节，作为能够 轴向自由伸缩的弹性补偿元件，能够明显地降 低由于换热管和壳程圆筒间热膨胀差所引起的 管板应力，圆筒和换热管的辅向应力以及管子 压力容器 第 11卷第 d期 维普资讯 http://www.cqvip.com 压 力 容 器 7 ⋯1” 十 L‘ 图 3 和管板闻的拉脱力 进行固定式换热器的设计计算，一般首先 就要判断是否需要设置膨胀节，这完全取决于 在设计条件下 (如设计压力、设计温度、壳程 圆筒和换热管的金属温度等)换热器各元件的 实际应力状况，由于管、壳 (壳程圆筒)间热 嘭胀差引起了各元件或接点的过高应力，则首 · 35 · 先考虑能否调整某些元件尺寸或改变连接方式 (如胀接改为焊接)，从而使之满足许用应力条 件：如果不可能，或是虽然可能但是不经济或 是不合理 ， 则再行权衡考虑设置膨胀节，以便 得到安全、经济合理的换热器设计 在以往的某些教材、参考书或资料中，通 过简单粗略的计算求得圆筒或管子的轴向应力 是否超过某一规定值来判断是否设置膨胀节， 这是不合理的。它们假定管板是绝对刚性的，管 束中的每根管子都处在同样的拉、压状态，这 显然与管板、管束的实际受力情况相差甚远 另 外，有些设计人员甚至更粗略地通过管、壳程 的操作温度差，或是设计温度差是否超过某一 规定值来判断是否需要设置膨胀节，这也是不 对的，有时会带来极大的计算误差，很显然，操 作温度差和设计温度差并不等同于金属温度 差，更不能代替管子和壳程圆筒之间的热膨胀 差，特别是在两种材料不同时 (如管子为不锈 钢，壳程圆筒为碳钢时)，在极端情况下可能会 出现：管、壳之间的金属温度差很大，然而热 膨胀差却很小甚至为零；或管、壳之间的金属 温度差很小或为零，而其热膨胀差很大 正是 这种热膨胀差直接影响着管板的应力大小 ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ 本刊关于开辟 《青年学术园地》专栏的启事 根据中国机械 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 学会压力容器分会 1994年度常务理事扩大会议纪要精神，为便于广大青年 压力容器工作者提高学术水平，本刊从 1994年第 4期开始．在 《压力容器》杂志上开辟 《青年学 术园地》专栏，欢迎广大青年压力容器工作者踊跃投稿。现将有关事项通知如下： 1．《青年学术园地》是专门撤导青年人在从事有关压力容器的研究、设计、试验、翩造、使 用和安全监察等方面的发明创造、专利技术和各种新的理论、新的观点和新的经验； 2．《青年学术园地》的稿件篇幅不得超过6000字，要求论点明确、思路清晰、文字简练、书 写工整，并附中、英文题日 摘要及主题词，本刊不退稿，请自留底稿； 3．《青年学术园地》投稿者要提供作者的简历介绍，包括出生年月、学历、职称、职务、参 加学术团体组织、外语水平和目前从事的具体工作等情况； 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