管壳式热交换器设计全解

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1、第二章第二章 管壳式热交换器管壳式热交换器与换热系数有关的几个问题与换热系数有关的几个问题 定性温度取法取法流体的平均温度流体的平均温度壁面温度壁面温度流体和壁面的平均温度流体和壁面的平均温度油类高粘度流体卡路里卡路里温度温度流体进出口的流体进出口的算数平均温度算数平均温度分段计算卡路里温度特点传热系数可以被视为常量传热系数可以被视为常量传热系数和平均对数平均温差的乘积等于传热系数和平均对数平均温差的乘积等于变化的传热系数和实际温差的乘积。变化的传热系数和实际温差的乘积。卡路里温度公式热流体的平均温度热流体的平均温度冷流体的平均温度冷流体的平均温度卡路里分数卡路里分数FC壳侧流体被冷却时壳侧流

2、体被冷却时Fc=0.3；壳侧流体被管程的水蒸气加热时壳侧流体被管程的水蒸气加热时Fc=0.55壳侧和管侧均为油时壳侧和管侧均为油时Fc0.45粘度在粘度在1010-3-3PasPas以下的低粘性液体以下的低粘性液体Fc=0.5定型尺寸定型尺寸选取原则选取原则对流体运动或传热发生主要影响的尺寸对流体运动或传热发生主要影响的尺寸圆管内的换热过程圆管内的换热过程取管子内径取管子内径d di i圆管管外强迫流动换热圆管管外强迫流动换热管子外径管子外径d d0 0非圆形管道非圆形管道当量直径当量直径d d0 0当量直径当量直径AA流体的流通截面积流体的流通截面积式中式中：UU湿周边或热周边长湿周边或热周

3、边长阻力阻力它是全部湿润周边它是全部湿润周边传热传热参与传热的周边参与传热的周边粘度修正非定温流动热流方向因子修正项因子修正项Pr的不同方次的不同方次加热加热冷却冷却壁温未知壁温未知试差法试差法近似值液体液体冷却冷却气体气体加热加热液体液体加热加热冷却冷却气体气体同时存在对流换热与辐射换热的处理具有辐射能力的气体具有辐射能力的气体温度较高温度较高辐射对流总换热系数辐射C C0 0黑体辐射常数，其值为黑体辐射常数，其值为5.67W/(m5.67W/(m2 2k k4 4) )n n换热系统的组合黑度；换热系统的组合黑度；角系数角系数T T1 1,T,T2 2两辐射物体的绝对温度两辐射物体的绝对温

4、度式中式中：三、壁温的计算放热侧壁温放热侧壁温吸热侧壁温吸热侧壁温式中式中：r rs,1s,1,r,rs,2s,2分别为放热侧、吸热侧污垢热阻分别为放热侧、吸热侧污垢热阻K K，应在同一基准表面计算应在同一基准表面计算注意注意：试算法壁温换热系数步骤假定一侧壁温假定一侧壁温( (如如t tw1w1) )求这侧的换热系数（求这侧的换热系数（1 1）计算另一侧壁温（计算另一侧壁温（t tw2w2）算另一侧的换热系数算另一侧的换热系数2 2算另一侧的单位面积传热量（算另一侧的单位面积传热量（q q2 2）假定壁温正确假定壁温正确q1=q2q1q2结束结束重新假定壁温重新假定壁温( (如如t tw1w

5、1) )注意假设壁温时，假设值应接近假设壁温时，假设值应接近值大的那种流体的温度。值大的那种流体的温度。如果要考虑污垢热阻时，应该加入污垢热阻的因素。如果要考虑污垢热阻时，应该加入污垢热阻的因素。牛顿迭代法牛顿迭代法。作图作图方法在某一钢制立式管壳式热交换器中用饱和温度在某一钢制立式管壳式热交换器中用饱和温度t ts s=111.38=111.38的蒸汽加热某种溶液，已知其管径为的蒸汽加热某种溶液，已知其管径为322mm322mm，管高，管高l=1.5ml=1.5m，材料的导热系数材料的导热系数=52w/(m ),=52w/(m ),管内溶液的平均温度管内溶液的平均温度t t2 2=68 ,=

6、68 ,换热系数换热系数2 2=3348w/(m2 ) =3348w/(m2 ) 求蒸汽侧的管壁温度求蒸汽侧的管壁温度t tw1w1。溶液侧单位传热面的传热量溶液侧单位传热面的传热量解凝结液膜的平均温度凝结液膜的平均温度蒸汽与壁面温差蒸汽与壁面温差蒸汽凝结的换热系数蒸汽凝结的换热系数蒸汽侧单位面积的传热量蒸汽侧单位面积的传热量比较比较q q1 1与与q q2 2是否相等是否相等最终求得壁温最终求得壁温t tw1w1=98 =98 ,q89000w/m2q89000w/m2第四节第四节 管壳式热交换器的流动阻力计算管壳式热交换器的流动阻力计算黏性流动阻力产生的根源流动阻力产生的条件固体壁面流动阻

7、力大小的决定因素物理性质流动状况壁面因素热交换器流动阻力分类摩擦阻力局部阻力管壳式热交换器的阻力管程阻力壳程阻力阻力不允许超过允许范围一、管程阻力的计算沿程阻力沿程阻力PPi i回弯阻力回弯阻力Pr进出口连接管阻力进出口连接管阻力PN沿程阻力沿程阻力PPi i莫迪圆管摩擦系数莫迪圆管摩擦系数w wt t管内流体流速管内流体流速式中式中：i管内流体粘度校正因子管内流体粘度校正因子当当Re2100 Re2100 i i（/w w）-0.14-0.14当当Re2100 Re壳程的压降壳程的压降管程的压降管程的压降 壳程的压降壳程的压降管程的压降管程的压降雷诺数相雷诺数相同同光滑管光滑管圆管圆管错流R

8、e=1025*104顺列管束顺列管束错列管束错列管束式中式中：NN表示流体横掠过管排的数目表示流体横掠过管排的数目w wmaxmax最窄流通截面处的流速，最窄流通截面处的流速，m/sm/s弓形折流板的壳程阻力贝尔法理想管束的摩擦系数图查取理想管束的摩擦系数理想管束的摩擦系数图查取理想管束的摩擦系数fk计算每一理想错流段阻力计算每一理想错流段阻力PPbkbkMs壳程流体质量流量，壳程流体质量流量，Kg/s.计算每一理想缺口阻力计算每一理想缺口阻力PPwkwk当当Re100Re100时时ReRe100100折流板泄漏折流板泄漏旁路旁路进出口段折流板间距进出口段折流板间距校正校正折流板泄漏折流板泄漏

9、旁路旁路折流板泄漏对阻力的影响校正系数折流板泄漏对阻力的影响校正系数图2.37旁路对阻力的影响的校正系数旁路对阻力的影响的校正系数图2.38进出口段折流板间距进出口段折流板间距当当Re100Re100时，时，n=1.6n=1.6当当ReRe100100时，时，n=1n=1壳程的总阻力埃索法埃索法计算壳程压降计算壳程压降 p p0 0 的公式：的公式： p1 流体横过管束的压力降，流体横过管束的压力降，N/mN/m2 2；p2 流体通过折流板圆缺时的压力降，流体通过折流板圆缺时的压力降，N/mN/m2 2； Fs 壳程压力降的结垢修正系数，壳程压力降的结垢修正系数， 对于液体取对于液体取1.5,

10、 1.5, 对于气体或可凝蒸汽取对于气体或可凝蒸汽取1.01.0。式中式中：F 管子排列方法对压力降的修正系数，管子排列方法对压力降的修正系数， 对于正三角形排列对于正三角形排列 F F = 0.5= 0.5， 对于正方形排列对于正方形排列 F F = 0.3= 0.3， 对于正方形斜转对于正方形斜转 45 45 度度 F F = 0.4= 0.4；f f0 0 壳程流体的摩擦系数；壳程流体的摩擦系数；n nC C 横过管束中心线的管子数；横过管束中心线的管子数；N NB B 折流挡板数；折流挡板数； h h 折流板间距；折流板间距；u u0 0 按壳程流通截面积计算的流速，按壳程流通截面积计

11、算的流速，通常，液体流经换热器的压力降为通常，液体流经换热器的压力降为0.10.11atm, 1atm, 气体为气体为0.010.010.1atm, 0.1atm, 设计时，换热器的工艺尺寸应在压力降与传热面积设计时，换热器的工艺尺寸应在压力降与传热面积之间予以权衡，使既能满足工艺要求，又经济合理。之间予以权衡，使既能满足工艺要求，又经济合理。 式中式中：第五节第五节 管壳式热交换器的合理设计管壳式热交换器的合理设计一、一、流体在热交换器内流动空间的选择流体在热交换器内流动空间的选择 原则1、提高传热系数受到限制的那一侧的换热、提高传热系数受到限制的那一侧的换热系数，使传热面两侧的传热条件尽量

12、接近。系数，使传热面两侧的传热条件尽量接近。2、节省金属材料、节省金属材料3、清洗污垢方便、清洗污垢方便4、减少热量，冷量损失、减少热量，冷量损失5、减少壳体和管子因受热不同而产生的温差应力、减少壳体和管子因受热不同而产生的温差应力6、在高压下工作的热交换器，使密封简单可靠、在高压下工作的热交换器，使密封简单可靠7、便于流体的流入，分配和排出、便于流体的流入，分配和排出流体流动通道的选择流体流动通道的选择1、不清洁或易结垢的物料应当流过易于清洗的一侧，对、不清洁或易结垢的物料应当流过易于清洗的一侧，对于直管管束，一般通过管内，直管内易于清洗；于直管管束，一般通过管内，直管内易于清洗；2、需通过

13、增大流速提高、需通过增大流速提高 对流换热系数的对流换热系数的 的流体应选的流体应选管程，因管程流通截面积小于壳程，且易采用多程来管程，因管程流通截面积小于壳程，且易采用多程来提高流速；提高流速；3 3、腐蚀性流体宜走管程，以免管束和壳体同时受腐蚀；、腐蚀性流体宜走管程，以免管束和壳体同时受腐蚀；4 4、压力高的流体宜选管程，以防止壳体受压、压力高的流体宜选管程，以防止壳体受压5 5、饱和蒸汽宜走壳程，冷凝液易于排出，其、饱和蒸汽宜走壳程，冷凝液易于排出，其与流速无关；与流速无关；6 6、被冷却的流体一般走壳程，便于散热、被冷却的流体一般走壳程，便于散热7 7、粘度大、流量小的流体宜选壳程，因

14、壳程的流道截面、粘度大、流量小的流体宜选壳程，因壳程的流道截面和流向都在不断变化，在和流向都在不断变化，在 Re100 Re100 即可达到湍流。即可达到湍流。不可能同时满足，应抓住主要矛盾进行选择不可能同时满足，应抓住主要矛盾进行选择从流体的压力、腐蚀性及清洗等方面的要求来考虑，从流体的压力、腐蚀性及清洗等方面的要求来考虑，再考虑满足其他方面的要求。再考虑满足其他方面的要求。 二、流体温度和终温的确定二、流体温度和终温的确定 流动方式流动方式传热面积传热面积已知已知平均温差平均温差传热单元数法传热单元数法顺流顺流逆流逆流可以参考数据选择流体度和换热终温可以参考数据选择流体度和换热终温: 热端

15、温差不小于热端温差不小于2020冷端温差不小于冷端温差不小于55冷却器冷却器冷凝器冷凝器冷流体的初温应冷流体的初温应高于高于热流体的凝固点热流体的凝固点含有不凝结气体冷凝，冷流体的终温要求含有不凝结气体冷凝，冷流体的终温要求低于被冷凝气体的露点以下低于被冷凝气体的露点以下5空冷式热交换器空冷式热交换器热流体出口和空气进口之间的温差不低于热流体出口和空气进口之间的温差不低于20多管程热交换器多管程热交换器尽量避免温度交叉，必要时可将较小一端温尽量避免温度交叉，必要时可将较小一端温差加大到差加大到2020以上以上三、管子直径的选择三、管子直径的选择小管径小管径优点：优点：增强传热增强传热增大单位体

16、积传热面积增大单位体积传热面积缺点：缺点：流动阻力增大流动阻力增大管子与管板连接处的泄漏的可能性增大管子与管板连接处的泄漏的可能性增大容易积垢容易积垢管长与管径的比例关系：管长与管径的比例关系：单管程单管程流速一定，流通截面积流速一定，流通截面积At，管子数为，管子数为传热面积传热面积F,F,管长管长L L应为应为略去内径与计算直径的差别略去内径与计算直径的差别四、流体流动速度的选择四、流体流动速度的选择流体的流动速度要尽量使流体呈湍流状态流体的流动速度要尽量使流体呈湍流状态避免产生过大压降避免产生过大压降考虑机械条件与结构要求考虑机械条件与结构要求机械条件限制机械条件限制流速的提高应当避免发

17、生水力冲击，流速的提高应当避免发生水力冲击，振动以及冲蚀等现象振动以及冲蚀等现象 提高流速时，管数少，为保证所需要的传热面积提高流速时，管数少，为保证所需要的传热面积必须增大管子的长度，增加程数。但是要考虑到清必须增大管子的长度，增加程数。但是要考虑到清洗和拆换的不便。洗和拆换的不便。实际选用的流速低于最佳流速，但流速的低限应该实际选用的流速低于最佳流速，但流速的低限应该保持在湍流范围内。保持在湍流范围内。五、管壳式热交换器的热补偿问题五、管壳式热交换器的热补偿问题热交换器所受的应力热交换器所受的应力周向力周向力轴向力轴向力温差应力温差应力拉脱力拉脱力周向力、轴向力产生原因：周向力、轴向力产生

18、原因：热交换器热交换器内压内压外压外压壳壁壳壁管壁管壁周向力周向力轴向力轴向力内压薄壁圆筒内压薄壁圆筒周向力周向力pD/2s0D D为平均直径为平均直径s s0 0为计算壁厚为计算壁厚s s0 0为计算壁厚为计算壁厚pp筒体的设计压力，筒体的设计压力，papaD Di i筒体的内径，筒体的内径，m mss筒体的壁厚，筒体的壁厚，m m焊缝系数；焊缝系数；【】在设计温度下筒体材料的许用应力，在设计温度下筒体材料的许用应力，PaPa； 式中式中：轴向力轴向力压力引起的轴向力值为压力引起的轴向力值为p ps s 、p pt t壳侧压力、管侧压力，壳侧压力、管侧压力，papad di i,d,d0 0

19、管子的内外径，管子的内外径，m mnn管子的根数管子的根数壳程流体压力作用于管板的净表面上壳程流体压力作用于管板的净表面上管程压力作用于两端封头和包括管截面在内的管板上管程压力作用于两端封头和包括管截面在内的管板上式中式中：轴向力轴向力壳体壳体管子管子F 1和壳体与管子的应力分配与弹性模数成正比壳体与管子的应力分配与弹性模数成正比壳体应力壳体应力管子应力管子应力式中式中：f-f-截面积，截面积，m m2 2E-E-弹性模数，弹性模数，PaPa温差应力温差应力定义定义由温差引起的力称为由温差引起的力称为温差应力温差应力或或热应力热应力、温差轴向应力温差轴向应力。产生原因产生原因固定管板式热交换器

20、的温差应力固定管板式热交换器的温差应力假定假定管子与管板都没有发生挠曲变形，每根管子所受力相同管子与管板都没有发生挠曲变形，每根管子所受力相同；管壁的平均温度和壳壁的平均温度作为各个壁面的计算温度。管壁的平均温度和壳壁的平均温度作为各个壁面的计算温度。在安装温度下在安装温度下, ,它们的长度均为它们的长度均为L;L;当进行热交换时当进行热交换时, ,壳体壳体和管子的温度都升高和管子的温度都升高, ,若管壁温度高于壳壁温度若管壁温度高于壳壁温度, ,则管子则管子自由伸长量自由伸长量t t和壳体自由伸长量和壳体自由伸长量s s分别为：分别为：t t，s s分别为管子和壳体材料的温度膨胀系数，分别为

21、管子和壳体材料的温度膨胀系数，1/1/；t t0 0安装时的温度，安装时的温度，t tt t ，t ts s分别为操作状态下管壁温度和壳壁温度，分别为操作状态下管壁温度和壳壁温度，; 管子管子与壳体是刚性连接，所以管子和壳体的实际伸长量必与壳体是刚性连接，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，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。这就是温差应力产产生压应力。此拉、压应力就是温差应力。这就是温差应力产生的原因。生的原因。温差应力产生的原因温差应力产生的原因温差应力的计算温差应力的计算温差轴向力温差轴

22、向力F F 由于温差而使壳体被拉长的总拉伸力应等于所有由于温差而使壳体被拉长的总拉伸力应等于所有管子被压缩的总压缩力，总拉伸力（或总压缩力）就管子被压缩的总压缩力，总拉伸力（或总压缩力）就是温差轴向力。符号规定是温差轴向力。符号规定F F为为+ +，表壳体被拉，管子被，表壳体被拉，管子被压；反之则反之。压；反之则反之。虎克定律虎克定律 管子被压缩的量为管子被压缩的量为壳体被拉伸的量为壳体被拉伸的量为t t, , s s分别为管子与壳体材料的弹性模数，分别为管子与壳体材料的弹性模数，PaPa；f ft t, f, fs s 分别为所有管子、壳体的断面积，分别为所有管子、壳体的断面积，m m2 2

23、；F F2 2管子所受的压缩力与壳体所受到的拉伸力，管子所受的压缩力与壳体所受到的拉伸力，N N；合并，整理合并，整理温差应力温差应力管壁所受到的压应力为管壁所受到的压应力为壳壁所受到的拉应力为壳壁所受到的拉应力为温差产生的轴向应力温差产生的轴向应力性质性质影响温差应力的因素影响温差应力的因素TT愈大愈大. .则温差应力愈大则温差应力愈大fft t/f/fc c愈大愈大, ,则温差应力愈大则温差应力愈大工程上常采用的措施工程上常采用的措施减少壳体与管束间的温度差减少壳体与管束间的温度差装设挠性构件：膨胀节装设挠性构件：膨胀节使壳体和管束自由热膨胀使壳体和管束自由热膨胀双套管温度补偿双套管温度补

24、偿消除温差应力的方法消除温差应力的方法目的是解决目的是解决 壳体与管束膨胀的不一致性壳体与管束膨胀的不一致性消除壳体与管束间的刚性约束。消除壳体与管束间的刚性约束。使壳体与管束都能自由胀、缩。使壳体与管束都能自由胀、缩。压力与拉力的联合作用下，管子中所产生的应力为压力与拉力的联合作用下，管子中所产生的应力为t t拉脱力拉脱力管子每平方米胀接周边上所受到的力管子每平方米胀接周边上所受到的力破坏性破坏性对于对于焊接焊接接头，拉脱力不足以引起接头的破坏。接头，拉脱力不足以引起接头的破坏。对于对于胀接胀接接头，拉脱力则可能引起接头处密封接头，拉脱力则可能引起接头处密封性的破坏或使管子松动。性的破坏或使

25、管子松动。计算计算在在温差应力温差应力作用下，管子每平方米作用下，管子每平方米胀接胀接周边所产生的力周边所产生的力q qt t为为t t管子的合成应力，管子的合成应力，PaPaa a 单根换热管管壁的横截面积，单根换热管管壁的横截面积，m m2 2ll胀接深度或焊接高度，胀接深度或焊接高度，m m式中式中：在在操作压力操作压力下，每平方米胀接周边所受到的力下，每平方米胀接周边所受到的力q qp p为：为：式中式中：pp设计压力，取管程压力设计压力，取管程压力p pt t和壳程压力和壳程压力p ps s二者二者 中较大值，中较大值，MpaMpa；ff每四根管子之间的面积每四根管子之间的面积管子拉

26、脱力管子拉脱力由由温差温差产生的管子产生的管子周边力周边力与与压力压力产生的管子产生的管子周边力周边力可能是可能是作用在同一方向的，也由可能是作用在相反方向的。若两作用在同一方向的，也由可能是作用在相反方向的。若两者作用于管子周边力方向相同，管子的拉脱力为者作用于管子周边力方向相同，管子的拉脱力为q qp pq qt t；反之，管子拉脱力为反之，管子拉脱力为|q|qt tq qp p| |，方向同，方向同q qp p和和q qt t两者中较大者。两者中较大者。校核校核如果所计算出的拉脱力超过允许范围，则需如果所计算出的拉脱力超过允许范围，则需要采取相应措施以减少拉脱力要采取相应措施以减少拉脱力

27、管子拉脱力必须小于许用拉脱力，即管子拉脱力必须小于许用拉脱力，即q qqq胀接法的胀接法的许用拉脱力许用拉脱力管端不卷边，管板孔不开槽胀接管端不卷边，管板孔不开槽胀接管端卷边，管板孔开槽胀接管端卷边，管板孔开槽胀接q=0.2MPaq=0.2MPaq=0.4MPaq=0.4MPa焊接法的焊接法的许用拉脱力许用拉脱力q=0.5tttt t管子材料的许用应力，管子材料的许用应力，PaPa；热补偿措施热补偿措施考虑热补偿的条件考虑热补偿的条件 当管子与壳体用同种材料，在壳壁与管壁的温差大于当管子与壳体用同种材料，在壳壁与管壁的温差大于5050时，就要考虑热补偿以解决膨胀的差异。时，就要考虑热补偿以解决

28、膨胀的差异。方法方法减小管子与壳体的温差减小管子与壳体的温差 管壁的温度总是接近于换热系数大的流体温度，管壁的温度总是接近于换热系数大的流体温度，让换热系数大的流体通过壳程，如果壳体温度低于管让换热系数大的流体通过壳程，如果壳体温度低于管束温度时可以对壳体进行保温以减小与壳体的温差。束温度时可以对壳体进行保温以减小与壳体的温差。采用膨胀节采用膨胀节 设置膨胀节的作用设置膨胀节的作用：（1 1）膨胀节是挠性构件，其轴向）膨胀节是挠性构件，其轴向柔度大，在不大的轴向力作用下，柔度大，在不大的轴向力作用下，可产生较大的轴向变形，可以有可产生较大的轴向变形，可以有效地减小壳体和换热管由于温差效地减小壳

29、体和换热管由于温差产生的热应力。产生的热应力。（2）防止管子与管板连接处不被拉脱。）防止管子与管板连接处不被拉脱。膨胀节的形式膨胀节的形式各种膨胀节的特点及用途各种膨胀节的特点及用途 （1 1）平板焊接式）平板焊接式 特点：简单，制造方便特点：简单，制造方便 用途：常压、低压用途：常压、低压 （2 2）U U形节形节 特点：特点： 简单，用量大，可制成单波、多波简单，用量大，可制成单波、多波. . 用途：广泛用途：广泛 （3 3）夹套式）夹套式 特点：特点： 复杂，具有加强性能复杂，具有加强性能 用途：高压用途：高压判断是否需要设置膨胀节1、温差引起的轴向力、温差引起的轴向力F12、介质压力引

30、起的轴向力、介质压力引起的轴向力F2和和F33、应力评定、应力评定壳壁应力壳壁应力管壁应力管壁应力拉脱力拉脱力管子稳定性管子稳定性s s 、t t壳体、管子的轴向总应力，壳体、管子的轴向总应力，PaPa；s s 、t t壳体、管子材料的许用应力，壳体、管子材料的许用应力，PaPa；当一个波不能满足需要时，可以用多波膨胀节当一个波不能满足需要时，可以用多波膨胀节膨胀节的波数膨胀节的波数n nexex1 1一个波的最大补偿量一个波的最大补偿量LL管子有效长度（即两管板内侧间的距离）。管子有效长度（即两管板内侧间的距离）。式中式中：式中式中： 焊缝系数焊缝系数qq许用拉脱力，许用拉脱力，PaPa使管

31、束和壳体均能自由膨胀使管束和壳体均能自由膨胀浮头式热交换器浮头式热交换器U U形管式热交换器形管式热交换器填料函式热交换器填料函式热交换器弹性管板补偿弹性管板补偿椭圆管板椭圆管板在管板上开了若干管孔的椭圆形盖在管板上开了若干管孔的椭圆形盖过程设备设计过程设备设计椭圆形管板椭圆形管板以椭圆形封头作为管板，与换热器壳体焊接在一起。以椭圆形封头作为管板，与换热器壳体焊接在一起。受力情况比平管板好得多，可以做得很薄，有利于降受力情况比平管板好得多，可以做得很薄，有利于降低热应力；适用于高压、大直径的换热器。低热应力；适用于高压、大直径的换热器。挠性管板挠性管板 膨胀差管板与壳膨胀差管板与壳体之间有一个

32、弧形体之间有一个弧形过渡连接，薄，有过渡连接，薄，有弹性，能够补偿壳弹性，能够补偿壳体与管束之间的热体与管束之间的热值。值。 圆弧有一个最合适的曲率半径，过大增大壳体半圆弧有一个最合适的曲率半径，过大增大壳体半径，过小不能有效进行热补偿，会造成局部应力集中径，过小不能有效进行热补偿，会造成局部应力集中双套管温度补偿双套管温度补偿管程流体出入口与一个管程流体出入口与一个环形空间相连接，使外环形空间相连接，使外套管内的流体与壳程流套管内的流体与壳程流体的温差减小，具有与体的温差减小，具有与U形管式热交换器相类形管式热交换器相类似的补偿能力，完全消似的补偿能力，完全消除热应力。除热应力。六、管束的振

33、动和防振六、管束的振动和防振纵向流体纵向流体诱导振动诱导振动横向流体横向流体诱导振动诱导振动流体诱发振动的原因流体诱发振动的原因壳侧或管侧流体流动所引起的振动；壳侧或管侧流体流动所引起的振动；流体速度的波动或脉动引起的振动；流体速度的波动或脉动引起的振动；通过管道或支架传播的动力机械振动通过管道或支架传播的动力机械振动振动起因振动起因 热交换器的振动主要是壳侧流体的流动所引热交换器的振动主要是壳侧流体的流动所引起，管侧流体流动所引起的振动常可忽略。起，管侧流体流动所引起的振动常可忽略。在壳侧流体中，与管轴方向平行流动的纵向流在壳侧流体中，与管轴方向平行流动的纵向流所激发的振动的振幅小，由振动造

34、成结构破坏所激发的振动的振幅小，由振动造成结构破坏的概率，也比横向流动要小得多。的概率，也比横向流动要小得多。振动产生的不利后果振动产生的不利后果机械失效噪音噪音管子与管板连管子与管板连接处发生泄漏接处发生泄漏管子发生严重弯曲；交变应力导致管子管子发生严重弯曲；交变应力导致管子发生疲劳破坏；换热管的摩擦和碰撞；发生疲劳破坏；换热管的摩擦和碰撞；管子通过折流板处的自踞作用；壳程流管子通过折流板处的自踞作用；壳程流体压力将增大；体压力将增大；产生强烈的噪产生强烈的噪音（通常大于音（通常大于150150分贝）分贝）激振机理激振机理卡曼涡街卡曼涡街圆柱绕流问题：随着雷诺数的增大边界层首先出现分离，圆柱

35、绕流问题：随着雷诺数的增大边界层首先出现分离，分离点并不断的前移，当雷诺数大到一定程度时，会形分离点并不断的前移，当雷诺数大到一定程度时，会形成两列几乎稳定的、非对称性的、交替脱落的、旋转方成两列几乎稳定的、非对称性的、交替脱落的、旋转方向相反的旋涡，并随主流向下游运动，这就是向相反的旋涡，并随主流向下游运动，这就是卡门涡街卡门涡街流体弹性激振流体弹性激振流体弹性流体弹性激振的特点激振的特点自激性自激性（1 1）壳壳程程流流体体的的流流速速达达到到或或超超过过临临界流速界流速（2 2）有有其其它它的的激振机理存在激振机理存在流体弹性激振的条件流体弹性激振的条件湍流颤振湍流颤振湍流颤振主频率与换

36、热管自振频率湍流颤振主频率与换热管自振频率相等时会引起换热管共振相等时会引起换热管共振一、驻波的产生 驻波驻波驻波驻波两列振幅相同的相干波在同一直线上沿相反两列振幅相同的相干波在同一直线上沿相反两列振幅相同的相干波在同一直线上沿相反两列振幅相同的相干波在同一直线上沿相反 方向传播时形成的叠加波。方向传播时形成的叠加波。方向传播时形成的叠加波。方向传播时形成的叠加波。1. 1.1.驻波的演示驻波的演示驻波的演示驻波的演示驻波的演示驻波的演示2. 2.驻波的形成驻波的形成驻波的形成驻波的形成 驻波驻波驻波驻波-波形不传播，是媒质质元的一种集体振动形波形不传播，是媒质质元的一种集体振动形波形不传播，

37、是媒质质元的一种集体振动形波形不传播，是媒质质元的一种集体振动形 态。态。态。态。 驻驻驻驻 字的第一层含义字的第一层含义字的第一层含义字的第一层含义。声振动声振动 涡流脱落产生噪声，在一定条件下它会激起气室涡流脱落产生噪声，在一定条件下它会激起气室两壁面间有一个即垂直于管子又垂直于流动方向的某两壁面间有一个即垂直于管子又垂直于流动方向的某阶驻波，驻波在管束所处的壁面之间来回反射，不能阶驻波，驻波在管束所处的壁面之间来回反射，不能向外界传播能量，而涡流脱落又不断的输入能量，当向外界传播能量，而涡流脱落又不断的输入能量，当驻波频率和涡流频率耦合时会发生气振，产生很大噪驻波频率和涡流频率耦合时会发

38、生气振，产生很大噪声。声。 关于声振动关于声振动应注意的几点应注意的几点（1 1）由于声振强度随）由于声振强度随壳程流体流速的增大壳程流体流速的增大而增大，但达到共振而增大，但达到共振点以后，会随壳程流点以后，会随壳程流体流速的增大而减小，体流速的增大而减小，所以声振强度不会无所以声振强度不会无限制地增大限制地增大。（2 2）壳程流体的物理）壳程流体的物理性质决定声速，壳程性质决定声速，壳程流体为液体时，由于流体为液体时，由于声音在液体中传播速声音在液体中传播速度很高，很少会发生度很高，很少会发生声振动。声振动。（3 3）声声振振动动在在顺顺排排管管中中比比在在错错排排管管中中更更容容易易发发

39、生生，在在转转角角正正方方形形排排列列的的管管束束中中最最容容易发生易发生。湍流抖振湍流抖振节径比节径比1.5当流体顺流或横向绕管流管外，湍流当流体顺流或横向绕管流管外，湍流的分量向管子传输能量，引起管子的的分量向管子传输能量，引起管子的随机振动随机振动横流速度较低时横流速度较低时卡曼涡街卡曼涡街声振动声振动横流速度较高时横流速度较高时流体弹性激振流体弹性激振横流速度很高时横流速度很高时射流转换射流转换换热管振动破坏的形式换热管振动破坏的形式换换热热管管的的固固有有频频率率单跨管的自振频率单跨管的自振频率多跨管的自振频率多跨管的自振频率U形管的自振频率形管的自振频率振振动动判判据据振动可能振动

40、可能振动可能振动可能振动可能振动可能振动可能振动可能其中：其中：f fv v-漩涡脱落频率漩涡脱落频率 f ft t-湍流颤振主频率湍流颤振主频率 f fa a-声学驻波频率声学驻波频率 f f1 1-换热管基频换热管基频 v - v -流体横流速度流体横流速度 v vc c - -流体弹性激振临界速度流体弹性激振临界速度 （1）适当降低流速适当降低流速（流量（流量，管间距，管间距）。（2）改变管束系统的自振频率。改变管束系统的自振频率。 减小跨距。减小跨距。 管子间插入杆状物或板条。管子间插入杆状物或板条。 增大管子的强度和刚度（如增大壁厚）。增大管子的强度和刚度（如增大壁厚）。 增增 大大 管管 子子 支支 承承 的的 强强 度度 和和 刚刚 度度 （ 如如 增增 大大 折折 流流 板板 的的 厚厚 度、采用折流杆等）。度、采用折流杆等）。 （3 3）设置消声隔板）设置消声隔板。 （4 4）破坏卡曼涡街的形成）破坏卡曼涡街的形成。 （5 5）设置防冲板或导流筒。）设置防冲板或导流筒。防振措施防振措施防振措施防振措施防振措施防振措施防振措施防振措施防振措施防振措施Thank you for attention!