典型化工设备设计_温差应力.
化工设备设计
Yi b i n U n i v e r s i t y设计说明书题目用水冷却煤油产品的列管式换热器的设计系别化学与化工学院专业应用化工技术学生姓名雷静学号110706028 年级2011级6班2013 年 6 月13 日化工11级6班 雷静 110706028- - - 1 -化工设备设计基础课程设计设计题目：用水冷却煤油产品的列管式换热器的设计 一、 设计任务及条件(1) 使煤油从140℃冷却到40℃，压力1bar ；处理量为21万吨/年(2) 冷却剂为水，水压力为3bar 。
二、 设计内容1. 主体设备和零部件材料选择；2. 主体设备尺寸和零部件尺寸计算及选择规格；3. 设备壁厚以及封头壁厚的计算和强度校核；4. 各种接管以及零部件的设计选型；5. 设备支座的设计选型；6. 法兰的设计选型；7. 设备开孔及开孔补强计算；8. 设计图纸一张，包括设备总装配图，至少画三个重要构件的局部图；技术特性表，接管表和总图材料明细表。
要求比例适当，字体规范，图纸整洁。
三、 设计成果 （1） 设计说明书一份；（2） A 1设计图纸包括：换热器的设备尺寸图及机械设计。
化工11级6班 雷静 110706028- - - 2 -目 录设计任务........................................................................................................................................... 1 第1章 绪论 . (4)1．1 概述 ................................................................................................................................. 4 1.2 换热器设计依据 .............................................................................................................. 4 1.3 几种管式换热器的介绍 . (4)1.3.1 固定管板式换热器 ............................................................................................... 4 1.3.2 浮头式换热器 ........................................................................................................ 4 1.3.3 U 形管式换热器 ..................................................................................................... 4 1.3.4 外填料函式换热器 ............................................................................................... 5 1.3本文研究的主要内容 ....................................................................................................... 5 第2章 确定设计方案 . (5)2.1 换热器类型的选择 .......................................................................................................... 5 2.2 管程安排 ........................................................................................................................... 5 2.3 流向的选择 ..................................................................................................................... 6 第3章 确定物性参数 ................................................................................... 错误！未定义书签。
化工设备设计全部教案
第一章概述第一节绪言一、本课程的任务了解压力容器的基础知识；掌握压力容器的一般设计方法，重点掌握设计的基本原理与思路。
（说明： 由于工业生产中约10%~40%的设备为换热设备，而换热设备中最为常见、普遍的是管壳式换热器，故在本课程中我们将以管壳式换热器为例，学习压力容器的具体设计方法，包括选择材料、结构设计，受压元件的强度计算，以及设计、制造、检验中的相关要求等。
）二、本课程的要求通过这门课程的学习，要求同学们掌握如下的内容：1、掌握压力容器的类型与总体结构；2、了解管壳式换热器的形式与总体结构；3、掌握管壳式换热器的结构设计的相关知识；4、了解管壳式换热器各元件的强度设计（掌握筒体及封头的设计）；5、了解管壳式换热器中的振动与防振；6、了解管壳式换热器的设计以、制造、检验中的相关要求。
第二节化工容器概述一、压力容器的概念1．化工设备——工艺过程中静止设备的总称。
2．容器——化工设备外壳的总称。
3．压力容器——承受压力载荷作用的容器。
（由于化工容器几乎都承受压力载荷，通常直接称其为压力容器。
化工容器的特点：为高温、高压，介质易燃易爆、有毒。
）二、化工容器的结构组成化工容器一般由筒体、封头、支座（基本件）、接管、法兰（对外连接件）、人孔、手孔、液面计（附件）以及一些内构件等零部件组成。
1．筒体、封头：就如同房子四周的墙，它是构成容器空间的主要部件（属主要受压元件）。
壳体按形状的不同，可以分为圆筒壳体、圆锥壳体、球壳体、椭圆壳体、矩形壳体等等。
而封头有椭圆形封头、半球形封头、碟形封头、锥形封头及平板封头等。
2．接管：是介质进出容器的通道。
3．法兰：是容器及接管的可拆连接装置，分为设备法兰和管法兰（属主要受压元件）。
4．支座：是用于支承容器的部件。
5．人孔、手孔：是为便于制造、检验和维护管理而设置的部件（属主要受压元件）。
6．液面计：用于观察或监控液位的部件（属安全附件，此外还有安全阀、压力表等）。
典型化工设备设计_温差应力
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膨胀节结构及设置
——装在固定管板式换热器上 的挠性元件。 1.膨胀节的作用： 作用：对管子与壳体的膨胀变 形差进行补偿，以消除或减 小温差应力； 2.结构形式： 1）平板焊接膨胀节； 2）波形膨胀节；
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3）夹壳式膨胀节
4）波纹管
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3.必须设置膨胀节的条件： 满足下述条件之一者：
t 1) 壳壁应力 2 s ;
第四节 温差应力
一.管壁与壳壁温度差引起的温差应力
t t (t t t o ) L S S (t s t 0 ) L
FL t Et At FL s E S As
1
温差轴向力
F
t (t t t 0 ) s (t s t 0 )
1 1 Et At E S AS
F 管壁内温差应力: t At F 壳壁内温差应力： s As
2
二. 管子拉脱力的计算 ——限于管子与管板胀接情况。
1.介质压力和温差力对管板的作用： 假设 管壁温度＞壳壁温度
3
2.拉脱力的计算
计算的目的：保证胀接接头的牢固连接和良好的密封性。 拉脱力定义：管子每平方米胀接周边上所受的力，单位为 帕。 引起拉脱力的因素为：操作压力和温差力。 （1）操作压力引起的拉脱力qp: 介质压力作用的面积 f 如图示
4
பைடு நூலகம்
介质压力p，取管程压力和壳程压力两者中的较大者。
管子外径为d0 ；管子胀接长度为l。 则拉脱力为： q p
pf d 0 l
（2）温差力引起的拉脱力 qt ：
每根管承受温差力为 σt×at 。
则拉脱力为：
t at t (d d ) qt d 0 l 4d 0 l
换热器产生温差应力的原因
换热器产生温差应力的原因一、前言换热器是工业生产中常用的设备之一，其主要功能是将热量从一种介质传递到另一种介质中。
在使用过程中，换热器会产生温差应力，这对于设备的安全性和使用寿命都有着重要的影响。
本文将从物理原理、材料性能以及设计因素等方面分析换热器产生温差应力的原因。
二、物理原理当介质在换热器内部流动时，由于不同介质的热传导系数不同，会形成温度梯度。
而材料的线膨胀系数也会随着温度变化而变化。
当材料受到高温区域和低温区域的影响时，就会发生线膨胀不均匀的现象，导致产生应力。
三、材料性能在选择换热器材料时，需要考虑其线膨胀系数和强度等性能。
如果材料的线膨胀系数过大或强度过低，则容易发生应力集中现象，导致设备损坏或事故发生。
四、设计因素除了物理原理和材料性能外，换热器的设计也是产生温差应力的重要因素。
设计时需要考虑介质流动的速度、方向以及管道连接方式等因素，以减少温度梯度和应力集中的发生。
五、温差应力的影响换热器产生的温差应力会对设备的安全性和使用寿命造成影响。
长期受到应力作用可能导致设备损坏或事故发生，严重时甚至会危及人身安全。
六、缓解温差应力的方法为了缓解换热器产生的温差应力，可以采取以下措施：1.选择合适的材料，使其具有较小的线膨胀系数和较高的强度。
2.设计合理的结构，减少温度梯度和应力集中现象。
3.采用隔热材料或散热装置，降低设备表面温度。
4.加强设备维护和检测，及时发现并处理问题。
七、总结换热器产生温差应力是由于物理原理、材料性能以及设计因素等多种因素共同作用所致。
为了保证设备安全性和使用寿命，需要在材料选择、设计和维护等方面加以重视。
通过采取合适的缓解措施，可以有效降低温差应力的影响，提高设备的可靠性和安全性。
化工设备机械基础第七章习题解答
《化工设备机械基础》习题解答第三篇: 典型化工设备的机械设计第七章管壳式换热器的机械设计一、思考题1．衡量换热器好坏的标准大致有哪些？答：传热效率高，流体阻力小，强度足够，结构可靠，节省材料；成本低；制造、安装、检修方便。
2．列管式换热器主要有哪几种？各有何优缺点？3．列管式换热器机械设计包括哪些内容？答：①壳体直径的决定和壳体壁厚的计算；②换热器封头选择，压力容器法兰选择；③管板尺寸确定；④管子拉脱力的计算；⑤折流板的选择与计算；⑥温差应力计算。
此外还应考虑接管、接管法兰选择及开孔补强等。
4．我国常用于列管式换热器的无缝钢管规格有哪些？通常规定换热管的长度有哪些？答：我国管壳式换热器常用无缝钢管规格（外径×壁厚），如下表2所示。
换热管长度规定为：1500mm, 2000mm, 2500mm, 3000mm, 4500mm, 5000mm, 6000mm, 7500mm, 9000mm, 12000mm。
换热器的换热管长度与公称直径之比，一般在4~25之间，常用的为6~10。
立式换热器，其比值多为4~6。
表 2 换热管规格（mm）5．换热管在管板上有哪几种固定方式？各适用范围如何？答：固定方式有三种：胀接、焊接、胀焊结合。
胀接：一般用在换热管为碳素钢，管板为碳素钢或低合金钢，设计压力不超过4.0MPa，设计温度在350℃以下，且无特殊要求的场合。
焊接：一般用在温度压强都较高的情况下，并且对管板孔加工要求不高时。
胀焊结合：适用于高温高压下，连接接头在反复的热冲击、热变形、热腐蚀及介质压力作用，工作环境极其苛刻，容易发生破坏，无法克服焊接的“间隙腐蚀”和“应力腐蚀”的情况下。
6．换热管胀接于管板上时应注意什么？胀接长度如何确定？答：采用胀接时，管板硬度应比管端硬度高，以保证胀接质量。
这样可避免在胀接时管板产生塑性变形，影响胀接的紧密性。
如达不到这个要求时，可将管端进行退火处理，降低硬度后再进行胀接。
化工原理课程设计——换热器设计
化工原理课程设计——换热器设计本课题研究的目的要紧是针对给定的固定管板式换热器设计要求，通过查阅资料、分析设计条件，以及换热器的传热运算、壁厚设计和强度校核等设计，差不多确定固定管板式换热器的结构。
通过分析固定管板式换热器的设计条件，确定设计步骤。
对固定管板式换热器筒体、封头、管板等部件的材料选择、壁厚运算和强度校核。
对固定管板式换热器前端管箱、后端管箱、传热管和管板等结构进行设计，对换热器进行开孔补强校核。
绘制符合设计要求的固定管板式换热器的图纸，给出相关的技术要求；在固定管板换热器的结构设计过程中，要参考相关的标准进行设计，比如GB-150、GB151……，使设计能够符合相关标准。
同时要是设计的结构满足生产的需要，达到安全生产的要求。
通过设计过程达到熟悉了解换热器各部分结构特点及工作原理的目的。
关键词：换热器；固定管板；设计；强度名目摘要 ....................................................... 错误!未定义书签。
1绪论 (1)1.2固定管板换热器介绍 (2)1.3本课题的研究目的和意义 (3)1.4换热器的进展历史 (4)2产品冷却器结构设计的总体运算 (6)2.1 产品冷却器设计条件 (6)2.2前端管箱运算 (8)2.2.1前端管箱筒体运算 (8)2.2.2前端管箱封头运算 (10)2.3后端管箱运算 (11)2.3.1后端管箱筒体运算 (11)2.3.2后端管箱封头运算 (12)2.4壳程圆筒运算 (13)3各部分强度校核 (15)3.1开孔补强运算 (15)3.2壳程圆筒校核 (18)3.3管箱圆筒校核 (19)4换热管及法兰的设计 (20)4.1换热管设计 (20)4.2管板设计 (21)4.3管箱法兰设计 (22)4.4壳体法兰设计 (25)4.5各项系数运算 (27)5 产品冷却器制造过程简介 (34)5.1 总则 (34)5.2零部件的制造 (34)结论 (43)参考文献: (44)致谢 (44)1绪论1.1换热器的作用及分类在工业生产中，换热设备的要紧作用是使热量由温度较高的流体传递给温度较低的流体，使流体温度达到工艺过程规定的指标，以满足工艺过程上的需要。
化工设备-温差应力_图文
一、温差应力计算
1.温差应力：仅由管壁与壳壁温差引起的应力。
2.产生原因 1)结构因素：即换热器的管束与壳体是刚性连接; 2)温差因素：即换热器的管壁温度与壳壁温度差; 3)材质因素：即换热器的管束与壳体材料的线膨胀系数大小的影响.
3.产生后果： 1)管子的弯曲变形; 2)造成管子与管板连接部分泄漏; 3)使管子从管板上拉脱.
当管子呈三角形排列时:
当管子呈正方形排列时:
(当 qp 力与 qt 力作用方向相同时 , 两力符号相同,拉脱力 方向与两力方向一致。若 qp力与qt力作用方向相反时，两力 符号相异，拉脱力方向则与 qp与qt两者中较大者一致)
换热管的许用拉脱力要根据实验测定。常见的许用拉脱力 [q]见下表。
换热管与管板连接结构形式
在操作压力和温差应力共同作用下,每平方毫米胀接周边受到的拉脱力为:
式中 ：q:管子受到的拉脱力,MPa, Qp :在操作压力下,管子每平方毫米胀接周边所受到的力,MPa; qt :在温差应力下,管子每平方毫米胀接周边所受到的力,MPa, P:设计压力,取管程压力和壳程压力两者中的较大值 ,MPa d0为管子外径 ,mm2; L:管子胀接部位长度 mm; σt :管子上的温差应力,MPa; α t :每根管子的横截面积 mm2; di ：管子内径 ,mm,f ：相邻四根管子之间的面积 mm2
以上3个条件相对应的公式: 其中管子与管板焊接时 :
若上述3个条件中有任1个不满足 , 就需设置膨胀节。 另外,可根据设计经验来确定,即当管壁与壳壁间温差 tt -ts > 50 ℃ 时,就要设置膨胀节 。
（二）膨胀节的形式 a. U膨胀节 b.夹壳式膨胀节
c.平板膨胀节
应力分析在化工设备设计上的应用
应力分析在化工设备设计上的应用摘要：化工厂的设备必须严格按照设计标准进行设计。
请考虑从材料、变更、容器类型等多个因素中选择相关设计标准，以选择适合设备运行具体条件的设计标准讨论和信息，并在保质保量的情况下节约设备产品成本。
由于在应力分析和设计的具体情况下，对信息实体模型、设计工期、材料应用和设备生产制造的要求相对较高，因此设备的厚度可以适度减薄，因此设备的具体制造过程可以节省材料成本和工程投资。
关键词：应力分析；化工设备设计；应用11应力分析技术应该是模拟事物的响应。
应力分析可以采用解析法或有限元原理。
对于简单的圆柱截面和其他结构，采用分析方法更为方便，但对于复杂的结构，如穿孔接头、焊接内应力的危害、空位断裂力学分析等，采用分析方法越来越复杂；对于复杂工况的计算，如地震灾害荷载的反应谱分析和车辆碰撞试验的模拟，更容易依靠有限元软件的分析来建立特定结构的模型，进行有限元分析拓扑优化，设置初始条件，增加适当的荷载，并让分析系统进行计算。
与静态分析相比，振动分析的计算，如瞬态响应分析，依赖于手机软件设置响应的计算参数，并让手机软件进行数值模拟，而不是简单地使用分析方法。
应力分析技术在各个领域都有充分的发展趋势。
为了减少厚度和降低原材料成本，从最初的基本设计到当前的分析设计，许多设计人员都采用了应力分析技术。
根据初步分析计算，由于产品配置和系统节点数量的限制，应力分析只能在小范围内使用。
随着技术的不断营销和推广以及设计和生产的快速发展，应力分析技术越来越受到人们的认可。
智能计算软件系统使设计者不再陷入手机软件的预处理。
由于系统的不断更新和升级，它变得越来越个性化，这使得设计人员能够投入更多的时间和精力进行后期研究。
应力分析技术在化工机械设备中的应用越来越完善、越来越方便，并克服了许多实际问题，使设计不仅绿色可靠，而且具有更广泛的应用范围。
随着ASMEviii-2中应力分析技术的逐步改进和计算方法的改进，发现的问题不断改进，困难立即得到解决。
温差应力对大型石化立式设备耳式支座的影响
大型石化立式设备的支撑方式大致分为裙座支撑、耳式支座支撑、支承性支座和腿式支座几类。
由于耳式支座具有结构简单，成本较低，安装方便等优势[1]。
目前，对于需要安装在钢结构上的大型设备，例如环氧乙烷反应器和PTA 反应器，大都采用耳式支座支撑的方式。
通常在设计普通立式容器支座的时候采用的是NB/T 47003.1-2009《钢制焊接常压容器》中的计算方法，采用此种方法时不需要校核支座本身的结构和参数，只需对支座和筒体相连接处应力和弯矩进行校核即可。
但是针对一些大型设备或者薄壁容器等特殊结构的容器，标准支座可能无法满足强度校核等要求，因此需要选择一些非标准的耳式支座来满足容器支撑的要求。
又由于石化设备的材料存在一定的特殊性，由此对耳式支座结构的选择也会产生一定的影响。
此外，由于石化设备大都是一些反应温度高、压力高、介质条件苛刻的大型反应器，而且在设计的过程中采用传统的解析计算方法对耳式支座进行设计校核往往会忽略温差应力对设备的影响，所以对反应温度较高的容器应采用应力分析方法对设备的耳式支座进行设计校核。
本文以某PTA 反应器为例，分别对反应器耳式支座的工况1（压力+重力）和工况2（温差应力+压力+重力）进行应力分析，进而设计校核反应器的耳式支座结构。
1耳式支座的模拟计算该PTA 容器的耳式支座是一种带有顶板的结构（见图1）[2]。
该支座的底板、两边支撑的肋板、顶板与壳体都采用全焊透的焊接形式。
因此，可以把耳式支座与壳体看成一个整体。
此种结构不仅对耳式支座的轴向刚性有一定的辅助作用，而且可以减小由于附件焊接在壳体上对壳体产生的局部应力。
目前大型石化装备的耳式支座设计中大都采用此种结构。
该耳式支座采用三块间距相同的肋板结构，这样也有助于力的均分。
由于很多石化设备都是高温容器，采用解析法计算无法考虑温差应力对设备的影响，所以为了准确考虑耳式支座的受力1.一重集团大连工程技术有限公司工程师，辽宁大连1166002.克诺尔制动系统（大连）有限公司工程师，辽宁大连1166003.海洋石油工程股份有限公司设计院高级工程师，辽宁大连116600温差应力对大型石化立式设备耳式支座的影响车媛媛1，刘庆源2，于国杰3摘要：以某PTA 反应器为例，设计分析该反应器在工况1（压力+重力）和工况2（温差应力+压力+重力）耳式支座的受力情况。
半管夹套设备设计方法及温差应力讨论
与 评 述 !A"&石 油 化 工 设 备 技 术 %I % @ (%L '&@' #@?I&
!%" 丁伯民&对 !" @'%(压力容器)有关内容的商榷$ $$法兰 !!#" 梁 瑞 %陈 斐 %郭 一 帆 %等&确 定 法 兰 螺 栓 预 紧 力 的 ;N 法
刚 度 校 核 要 求 和 其 他 !A"&化 工 设 备 与 管 道 %)%@(%'@
与 EF5.2/ 法对比研究 !A"& 润滑与密封%)%)@%(C&@'#
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法 兰 设 计 刚 度 计 算 法 的 分 析 比 较 !A"&石 油 化 工 设 备 技
摘 要 介 绍 了 带 半 管 夹 套 设 备 的 计 算 方 法 对 标 准 规 格 的 半 管 可 以 按 照 -./0,"*%(""*!! 钢制化工容器强度计算规定 求取系数 进行半管夹套设备的强度核算 对非标规格的半管 可以采用有限元分析软件 12343 求取 值 半管内为负压时 壳体的应力值与半管内为等值正 压时的应力值相同 仅方向相反 不考虑温差应力时 最大应力位置为半管和壳体焊缝的内根 部 在按照 -./0,"*%(""*!! 计算的半管极限载荷下 该部位应力裕量小 若半管中为高温加 热介质 该部位应力校核甚至不合格 从而使设备极限载荷能力降低 当壳体内介质温度与半管 内介质温度相差过大时 温差应力的影响不能忽略 最大应力出现在靠近筒壁下缘的半管进出口 位置 在按照 -./0,"*%(""*!! 计算的半管极限载荷下 此处应力校核不合格 故应避免温差 过大的工况出现 关键词 半管夹套* 设备* 设计* 温差应力* 有限元分析 中图分类号 05*%*+#*",,,,,,文献标志码 1,,,,!*+#)&)/6+7889+!***'$&&+"*"!+*&+**'
b型管板与筒体温差应力的分析计算和评定
b型管板与筒体温差应力的分析计算和评定刘丹（江苏中圣压力容器装备制造有限公司，江苏南京211100）摘要:b型管板采用常规方法计算的时候，通常不考虑管板两侧温差对管板及筒体的影响。
当温差较大时，管板及管板两侧焊接连接的筒体会产生较大的径向膨胀差，当温差应力与压力载荷产生的应力之和超过3倍许用应力值时，该处就会发生塑性变形，此时采用传统计算方法是不保守的。
文章采用有限元分析方法，对一种热联合换热器固定端进行计算。
结果表明，当管板两侧温差较大时，必须考虑温差应力的影响。
为了防止这种塑性变形的发生,文章还对改善温差应力提出了解决办法。
关键词:b型管板;高温差；温差应力；有限元分析中图分类号:TQ05文献标志码:A文章编号:1008-4800(2021)07-0134-02DOI:10.19900/ki.ISSN1008-4800.2021.07.064Analysis,Calculation and Evaluation of Temperature Difference Stress betweenb-type Tubesheet and ShellLIU Dan(Jiangsu Sunpower Heat Exchanger &Pressure Vessel Co.,Ltd.,Nanjing211100,China)Abstract:The influence of temperature difference on tubesheet and shell is usually not considered when b-type tubesheet is calculated by conventional method.When the temperature difference is large,the tubesheet and the shell which are welded on both sides of the tubesheet will produce a large radial expansion difference.When the total stress generated by the temperature difference and the pressure load exceeds3times of the allowable stress,plastic deformation will occur at this place.It is not conservative to use the traditional calculation method on this condition.In this paper,the finite element method is used to calculate the fixed tubesheet of a hot combined heat exchanger.The results show that when the temperature difference between the two sides of the tubesheet is large,the influence of temperature difference stress must be considered.In order to prevent such plastic deformation,this paper also puts forward the solutions to improve the temperature difference stress influence.Keywords:b-type tubesheet;large temperature difference;temperature difference stress;finite element analysis0引言换热器是石油化工行业的重要设备，其中管壳程筒体和管板均采用焊接结构（b型管板）是换热器的一种常见类型。
典型化工设备的机械设计方案
（二）浮头式换热器
图7-4 浮头式换热器
图7-4 浮头式换热器 优点： 管内和管间清洗方便，不会产生热应力。 缺点： 结构复杂，设备笨重，造价高，浮头端小盖在
操作中无法检查，影响传热。 适用场合：壳体和管束之间壁温相差较大，或介质易
三、不同目的的换热器 冷却器（cooler） 冷凝器（condenser） 加热器（一般不发生相变）（heater） 蒸发器（发生相变）（evaporator） 再沸器（reboiler） 废热锅炉（waste heat boiler）
四、换热器的基本类型
按传热方式或工作原理分类
1、直接接触式
热流体
第三篇 典型化工设备的机械设计
换热器
塔设备
搅拌设备
第七章 管壳式换热器的机械设计
教学重点 （1）典型管壳式换热器的选型 （2）固定管板式换热器的基本结构 （3）管子的选用及管板的连接 （4）温差应力产生的原因及补偿措施
教学难点： 管、壳程的分程及隔板
一、定义
第一节 换热器概述
换热器是用来完成各种不同传热过程的设备。
由压力、温度、介质的腐蚀性能决定。常用管子材质有：碳素钢（10，20）、合 金钢（1Cr18Ni9Ti)、低合金钢（16Mn,15MnV)、铜、钛、塑料、石墨等。
金属材料
碳素钢 低合金钢 不锈钢 铜 铜镍合金 铝合金 钛等
非金属材料
石墨 陶瓷 聚四氟乙烯等
（四）结构型式
换热管型式
光管 强化传热管
性大的物料。
六、管壳式换热器设计内容
（一）工艺计算
选型；确定管、壳程；通过化工工艺计算，确定换热器的 传热面积，同时选择管径、管长，决定管数、管程数和壳 程数 。
换热器产生温差应力的原因
换热器产生温差应力的原因介绍换热器是工业领域常见的设备之一，用于传递热量，将热能从一个介质传递到另一个介质。
在换热过程中，温差应力可能产生，这种应力对设备的正常运行和寿命会产生重要影响。
本文将探讨换热器产生温差应力的原因，并对温差应力的影响和解决方法进行讨论。
温差应力的概念温差应力是指由于材料内部发生温度差异而引起的应力。
当换热器的不同部位暴露在不同的温度环境下时，材料会因为温度变化而发生热胀冷缩，从而产生内部应力。
温差应力的原因温差应力产生的原因主要包括以下几点：1. 材料的热膨胀系数差异材料的热膨胀系数是衡量材料对温度变化的敏感程度的指标。
不同材料的热膨胀系数差异会导致在温度变化时产生温差应力。
2. 温度梯度的存在换热器内部由于传热介质的流动，会产生温度梯度。
温度梯度是指不同部位的温度差异。
当温度梯度较大时，材料内部会产生更大的温差应力。
3. 强烈的换热过程换热器在工业生产中通常需要承受高温高压的环境，这种强烈的换热过程会引起大的温差应力。
特别是在频繁的温度变化中，材料容易因温差应力过大而发生损坏。
4. 设计缺陷换热器设计中存在的缺陷，如材料选择不当、结构设计不合理等，都可能导致温差应力的产生。
设计缺陷会使得材料对温度变化的适应性不足，从而产生温差应力。
温差应力的影响温差应力会对换热器产生以下影响：1. 破坏材料结构温差应力会导致材料的变形和破损，严重时甚至会引起裂纹和断裂。
这会直接影响换热器的正常运行和使用寿命，甚至造成设备故障。
2. 降低换热效率受温差应力的影响，换热器内部可能出现渗漏现象，造成能量的损失和换热效率的降低。
此外，温差应力还会影响换热器的传热性能，导致换热效果下降。
3. 增加维修和更换成本由于温差应力对换热器的损坏，会增加设备的维修和更换成本。
换热器的材料选择和维护措施可以一定程度上减少温差应力的产生，从而降低维修和更换成本。
温差应力的解决方法为了减轻换热器产生的温差应力，可以采取以下解决方法：1. 合理选择材料选择热膨胀系数相近的材料可以减少温差应力的产生。
典型化工设备的机械设计方案
典型化工设备的机械设计方案1. 引言典型化工设备的机械设计方案是指在化工工艺生产过程中，根据设备的特点和工艺要求，进行设备结构、尺寸、材料以及机械连接等方面的设计，并最终制定出一套适用于该设备的机械设计方案。
本文将以典型化工设备为例，介绍机械设计方案的主要内容和步骤。
2. 设备特点和工艺要求分析在进行机械设计方案之前，首先需要对所设计的化工设备的特点和工艺要求进行详细分析。
例如，设备的生产能力、工作温度和压力、物料性质、环境条件等因素都会对机械设计产生影响。
通过充分了解设备的工艺要求，可以为后续的机械设计提供重要的参考依据。
3. 设备结构设计根据设备的特点和工艺要求分析的结果，进行设备结构设计。
设备结构设计涉及到设备的外观形状、内部构造以及部件组成等方面。
例如，在设计一个反响器时，需要考虑到反响器的体积和形状、内部反响器的结构、进出料口的位置和数量等。
通过合理的结构设计，可以保证设备的平安可靠运行，提高生产效率。
4. 尺寸设计在设备的机械设计中，尺寸设计是一个非常重要的环节。
尺寸设计涉及到设备各个部件的尺寸和位置确实定。
在进行尺寸设计时，需要根据设备的特点和工艺要求，结合工程经验和计算分析方法，合理确定各个部件的尺寸，满足设备的功能需求和强度要求。
5. 材料选择材料选择是机械设计中不可无视的一环。
在化工设备的机械设计中，材料的选择必须符合设备的工艺要求和使用环境，具有良好的耐腐蚀性、耐高温性和机械强度等特点。
根据化学物质的性质、温度和压力条件，选用适宜的材料，可以延长设备的使用寿命，提高设备的可靠性。
6. 机械连接设计设备中的各个部件之间需要进行机械连接，以保证设备的整体运行。
机械连接设计包括连接方式、连接件的选型和计算等。
常见的机械连接方式包括焊接、螺栓连接、卡箍连接等。
通过合理的机械连接设计，可以保证设备的结构紧凑，运行平稳，减少故障和泄漏的发生。
7. 总结本文以典型化工设备为例，介绍了机械设计方案的主要内容和步骤。
化工原理课程设计--列管式换热器设计说明书(完整版)
东莞理工学院《化工原理》课程设计说明书题目：列管式换热器的设计学院：班级：学号：姓名：指导教师：时间：目录一．化工原理课程设计任务书 (4)1.1 设计题目：列管式换热器的设计 (4)1.2 前言 (4)1.3 合成氨工业概述 (5)1.3.1 合成氨工业重要性 (5)1.3.2 合成氨的原料及原则流程 (5)1.4 世界合成氨生产技术及进展 (6)1.4.1 国外合成氨技术现状及发展 (6)1.4.2 我国合成氨技术的基本状况 (6)1.5 概述 (7)1.5.1 换热器概述 (7)1.5.2 固定管板式 (8)1.5.3 列管换热器主要部件 (8)1.5.4 设计背景及设计要求 (10)二.热量设计 (11)2.1 设计条件： (11)2.2 初选换热器的类型 (11)2.3 管程安排(流动空间的选择)及流速确定 (12)2.4 初算换热器的传热面积SO (12)三.机械结构设计 (14)3.1 管径和管内流速 (14)3.2 管程数和传热管数 (14)3.3 换热器筒体尺寸与接管尺寸确定 (16)3.4换热器封头选择 (17)3.4.1 封头选型及尺寸确定 (17)3.4.2 封头厚度选取 (18)3.5 管板的确定 (19)3.5.1 管板尺寸 (19)3.5.2 管板与壳体的连接 (19)3.5.3 管板厚度 (20)3.6换热器支座及法兰选定 (20)3.7 换热器核算 (21)3.7.1管、壳程压强降计及校验 (21)3.7.2 总传热系数计算及校验 (23)四.设计结果表汇 (25)五.参考文献 (26)附：化工原理课程设计之心得体会 (26)一．化工原理课程设计任务书1.1 设计题目：列管式换热器的设计系（院）、专业、年级：学生姓名：学号：指导老师姓名：任务起止日期：1.2 前言换热器是实现化工生产过程中热量交换和传递不可缺少的设备。
热量交换中常有一些腐蚀性、氧化性很强的物料，因此，要求制造在换热器的材料具有抗强腐蚀性能。
典型化工设备设计塔设备结构
•液体从中央进料管加到喷淋盘内， 然后从喷淋盘上的降液管溢流
•图6-23 中央进料的盘式分布器
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•图6-24 有升气管的盘式分布器
典型化工设备设计塔设备结构
•槽式分布器
•主要用于DN＞1000mm的塔，其优点是自由截面大，适应性 好，处理量大，操作弹性大，其结构见（图8－52），液体先 加入分配槽，然后再由分配槽的开口处到喷淋槽，喷淋槽上 有堰口，两侧有三角形或矩形的开口，各开口的下缘应位于 同一水平面上，再由此溢流到填料上。
•通道板—— •接近中央处设置，塔内清洗和维修。 •在同一垂直位置上，以利采光和拆卸。 •也可用一块塔盘板代替，见下图
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典型化工设备设计塔设备结构
•3、塔盘的支承
•对直径不大的塔（＜2000mm)，塔盘 的支承一般用焊在塔壁上的支持圈
• 对直径较大的塔（＞2000~3000mm）， 需支承梁结构。
典型化工设备设计塔设备结构
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典型化工设备设计塔设备结构
•管式喷洒器
•DN≤300mm，可选用管式喷洒器， 通过填料上的进液管（直、弯或缺口） 进行喷洒，结构简单，但喷淋面积较 小且不均匀。
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•图6-20 管式喷洒器
典型化工设备设计塔设备结构
•环管多孔喷洒器
•DN≤1200mm，可选用单环管多孔喷洒器，结构 简单，制造和安装方便，缺点是喷洒面积小，不 够均匀，而且液体要求清洁，否则小孔易堵塞。 （环管下面开小孔，一般为3~5排）。
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•２ •空气
典型化工设备设计塔设备结构
•一、塔设备的应用 • 塔设备的投资及重量在过程设备中所占的比重
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（3）合拉脱力：两者使管子受力方向相同—取之和；
两者使管子受力方向相反—取之差。 5
（4）拉脱力判据： 计算合拉脱力必须小于许用拉脱力： q＜[q]
许用拉脱力[q]的确定：
管端不卷边，管板孔不开槽
——取2.0MPa。
管端卷边或管板孔开槽 ——取4.0MPa 。
6
三. 温差应力的补偿
目的：解决壳体与管束轴向变形的不一致性。或者说， 消除壳体与管子间的刚性约束，实现壳体和管子自 由伸缩。 补偿方法： 1.减小壳体与管束间的温度差 • 使传热膜系数大的流体走壳程； • 壳壁温度低于管壁温度时，对壳体进行保温。 2.装设挠性构件 • 壳体上安装膨胀节；（见书P170 图7-39） • 将直管制成带S形弯的管。如氨合成塔内的冷管：
第四节 温差应力
一.管壁与壳壁温度差引起的温差应力
t t (t t t o ) L S S (t s t 0 ) L
FL t Et At FL s E S As
1
温差轴向力
F
t (t t t 0 ) s (t s t 0 )
7
膨胀节结构及设置
——装在固定管板式换热器上 的挠性元件。 1.膨胀节的作用： 作用：对管子与壳体的膨胀变 形差进行补偿，以消除或减 小温差应力； 2.结构形式： 1）平板焊接膨胀节； 2）波形膨胀节；
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3）夹壳式膨胀节
4）波纹管
9
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
3.必须设置膨胀节的条件： 满足下述条件之一者：
t 1) 壳壁应力 2 s ;
4
介质压力p，取管程压力和壳程压力两者中的较大者。
管子外径为d0 ；管子胀接长度为l。 则拉脱力为： q p
pf d 0 l
（2）温差力引起的拉脱力 qt ：
每根管承受温差力为 σt×at 。
则拉脱力为：
t at t (d d ) qt d 0 l 4d 0 l
2 0 2 i
（1）填料函式换热器
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填料函结构之三
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（2）浮头式换热器
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浮头式换热器结构之二
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4.套管式结构
如三十万吨合成氨装置中的废热锅炉；
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氨合成塔中双套管式触煤筐冷管结构
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1 1 Et At E S AS
F 管壁内温差应力: t At F 壳壁内温差应力： s As
2
二. 管子拉脱力的计算 ——限于管子与管板胀接情况。
1.介质压力和温差力对管板的作用： 假设 管壁温度＞壳壁温度
3
2.拉脱力的计算
计算的目的：保证胀接接头的牢固连接和良好的密封性。 拉脱力定义：管子每平方米胀接周边上所受的力，单位为 帕。 引起拉脱力的因素为：操作压力和温差力。 （1）操作压力引起的拉脱力qp: 介质压力作用的面积 f 如图示
2) 管壁应力 2 t ;
t
3)壳壁应力 0 且 s B ; 4)管子拉脱力q q 。
4.膨胀节的选用及安装 依据标准：GB16749-1997《压力容器波形膨胀节》
安装注意：1）与壳体对接焊，保证焊透；
2）要进行无损探伤；
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3）最低点设置排液孔。
3.采用壳体与管束自由伸缩的结构