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换热器在生产中应用很实现传热过程基本设备
作者:管板 来源: http://www.ni-base.com 发布时间:2016-06-29 08:33:56
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换热器在生产中应用很广,它是实现传热过程的基本设备。它的类型很多,其中以管壳式换热器应用最为广泛。它具有单位体积传热面积大、传热效果好、结构简单、制造材料范围广、操作弹性较大等优点。它的基本型式有固定管版式、U型管式、浮头式和填料函式。

铜管—管壳式换热器作为管壳式换热器,是因铜管具有良好的导热性和塑性及黄铜对大气、海水和氨以外的碱性溶液的耐蚀性高等优点,在电力、化工等行业应用较多,如电厂凝汽器和热网加热器等。然而,目前我国只有钢制的管壳式换热器设计标准GB 151-89《钢制管壳式换热器》,还没有关于铜管换热器的设计标准。下面就有关铜管换热器设计过程中遇到的一些问题进行分析和讨论。

1·铜管与管板的连接

在钢制管壳式换热器中,换热管与管板的连接主要有强度胀接、强度焊接和胀焊并用三种型式。而在铜管—管壳式换热器中,铜管与管板的连接,一般均采用胀接型式。其原因是:

(1)铜合金与钢的可焊性较差,焊接时存在下列问题:①熔点差别较大,当铜合金熔化时,钢还处于与其熔点相差甚远的温度上;②收缩率相差悬殊,由于铜和钢的线膨胀系数差别较大,使得铜—钢过渡区产生相当大的热应力;③导热系数相差较大,造成两者对热功率要求的差别,并使熔合困难;④铜对氧的化学亲和力很大,易产生夹渣和热裂纹;⑤铜具有较强的吸气能力,易产生气孔。由于氢在铜合金焊接熔池中的溶解量极大,加之铜焊缝凝固结晶过程太快,极易形成扩散气孔;另外氢和铜的氧化物反应生成水蒸气,而形成反应气孔;⑥近缝区渗透裂纹倾向大,在高温下钢与铜合金焊接处,液态铜合金会渗透到钢中微观裂口处,再与拉伸热应力的共同作用下,产生渗透裂纹。它可单独存在,也可沿晶界网状分布。

(2)胀接是采用胀管器将伸入管板孔中的管子端部直径扩大,使管子产生一定的塑性变形,同时管板孔产生弹性变形对管子产生一定的回弹力来保证连接处的强度和严密性的方法。在铜管—管壳式换热器中管板的硬度高,在胀接时管板不易产生塑性变形而影响胀接的强度和严密性,能保证胀接质量。

(3)换热器管子与管板的胀接目前常使用电动自动控制式胀管器。这种胀管器可使管子与管板之间的胀紧度实现自动控制,消除了由于欠胀造成渗漏或过胀而产生的残余应力所引起的裂痕和管板的翘曲变形等弊病,胀接质量和强度比较可靠。

在设计铜管—管壳式换热器时,铜管与管板之间的具体胀接结构,是参照GB 151-89《钢制管壳式换热器》中强度胀接结构进行设计的。

2·管板的设计

管板是换热器的重要零件。管壳式换热器管板一般为平管板,板上开孔装设管束,管板又与壳体相连(法兰连接或焊接)。管板所受的载荷除管程和壳程压力外,还承受管壁和壳壁温差引起的变形和不协调作用。管板受力情况比较复杂,影响管板应力大小的主要因素有:①管束对管板的支承作用。管束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小管板中的应力。如果管板的直径与管子直径相比足够大,而管子数量又足够多,则管子可简化为均匀连续支撑管板的弹性基础。②管孔对管板的削弱作用。由于管板上管孔的存在,不仅使管板的整体刚度和强度减小,而且在管孔边缘还产生局部的应力集中。③管板的周边固定形式。实际上,管板周边有各种不同的固定结构,如周边固定、周边简支和周边半固定等,它们对管板强度有直接影响。④壳壁和管壁的温度差。由于壳壁和管壁的温度差而产生的温差应力,不仅使管子和壳体的应力显著增加,而且使管子的应力也有很大增加。另外,还有当管板作为法兰使用时产生的法兰弯矩以及折流板间距等等对管板强度也均有影响。

由于上述影响管板强度的因素很多,要想精确地计算管板强度,既困难又复杂。目前,各国使用的管板强度计算公式均为在某种假定条件下的近似计算公式,概括起来主要有两种:第一种是先将管板作为受均布载荷的实心园板,根据弹性理论计算园平板最大应力,然后再计入适当的修正系数,以考虑开孔对管板的影响。这种方法对管板作了很大简化,对管束的支承作用考虑不够,属于半经验公式。第二种是将管束视为弹性支承,而管板则作为弹性基础上的园平板,然后根据载荷大小、管束刚度、周边固定情况及孔的削弱影响来确定管板的最大弯曲应力。这种方法比较全面地考虑了管束的支承和温差的影响,较接近实际情况,比较精确。我国GB 151-89和大多数国家都是以此法为依据进行管板设计的。在我国GB 151-89中基于第二种方法分别根据固定管板式、U型管式、浮头式和填料函式换热器的受力情况分别给出了相应的管板应力计算公式和校核公式。

铜管—管壳式换热器,除其换热管材质为铜管外,其结构、受力模式和影响管板强度的主要因素均同一般管壳式换热器一样,虽然GB 151-89《钢制管壳式换热器》规定它只适用于钢制的管壳式换热器,实际上在其管板推导过程中并未限制管子和管板的材质,所以说GB 151-89标准中管板的强度设计公式同样适用于铜管—管壳式换热器,设计时只需把与换热管材质有关的值换为铜管材料相应的值即可。

另外,需要说明的一点是铜管与管板连接的许用拉脱力[q]的取值。当管子与管板采用胀接时,管子端部产生塑性变形,管板孔产生弹性变形,因铜管与钢管的屈服极限和弹性模数不同,胀管时它们的胀压力和胀管后在管子与管板间产生的胀紧力也不同,即它们的许用拉脱力[q]的值亦应不同,一般铜管较软,易发生塑性变形,铜管—管壳式换热器的[q]值应比钢制管壳式换热器的[q]值大。但实际设计中,考虑它目前只是根据一些经验确定的,还没有一个较为合理的推导公式,我们近似的按GB 151-89中规定的许用拉脱力[q]的取值,这是比较保守的,偏于安全的。

3·铜管的受压失稳 铜管较软,其稳定许用压应力比钢管小,易受压失稳。在进行铜管—管壳式换热器设计时,为避免铜管的受压失稳,常采用一些减小折流板间距,即减小换热管受压失稳当量长度和在管板间增加刚性支撑等方法来提高铜管的稳定性。如:太原第一电厂设计的热网加热器,采用的是在两管板间增加刚性支撑的结构;原苏联设计的热网加热器采用的是在管箱封头上设置拉杆与管板连接和在两管板间增加刚性支承的双重加强结构。

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