发布时间 : 星期四 文章GBT 151-2014 热交换器讲解更新完毕开始阅读847e91bba45177232e60a22d
槽宽a2宜为8 mm～14 mm，当分程隔板厚度大于10mm时， 图23 图24 密封面处应削至10mm。
分程垫片转角处一定要有R（图25），不然垫片很易断裂。
确定分程隔板槽两侧相邻管中心距Sn
（见图26）。
若在布管限定圆中不能布下要求换热器管管数，则按图27排列方法。图中S1、S2小于U形管最小弯曲半径Rmin，这样布置可
排列较多的换热管，在最靠近管板中心线两 图25 图26 侧的交叉排列可增大弯管曲率半径。
13.4.3中心距
换热管中心距不小于1.25倍的换热管外径，主要考虑到管孔间小桥在胀接时有足够强度和便于焊接。换热管外需要清洗时，应采用正方形排列。
图27 S1、S2小于U形管最小弯曲半径时的几种排列方法
14.分程
14.1管程分程
分程目的：当用增加管数来增加换热面积时，流体在管束中流速随着换热管数的增加而下降，造成流体的给热系数的下降，故仅采用增加换热管数是不行，则在保证流体在管束中保持较大流速，则可将管束分成若干程数。
管程分程应考虑下列几方面（以四程为例图28）：
1）应尽量使各管程的换热管数大致相等，其相对误差（ΔN）应控制在10％以内，最大不得超过20％。 ΔN=[ Ncp-Nmin(max) /Ncp]×100％ （2）
2）分程隔板槽形状简单以利加工，密封面长度较短，减少泄漏。 3）程与程之间的温度相差不易过多，一般温差不超过10℃（50℉）。 14.2壳程分程 分程目的同上，不同的是一个保持壳程流速。壳程一般只分二程。 15. 管板
15.1管板计算的理论基础
管壳式换热器结构复杂，影响管板强度的因素很多，特别固定管板热交换器的管板受力最为复杂，各国设计规范基本上都是把管板作为承受均布载荷，放置在弹性基础上，且受管孔均匀消弱的当量圆平板来考虑（图29）。
由于影响管板强度的因数很多，因此正确地进行管板强度分析是较困难、较复杂，所以各国对管板厚度计算公式都对管板作一定地简化、假定而得到地近似公式。
引起管板应力的载荷有压力（管程压力Pt、壳程压力Ps）、管壳热膨胀差及法兰力矩。换热
器的管板计算方法的力学模型见图30。 图28
15.1.1各国设计规范对于管板均不同程度地考虑了以下因素： 1）把实际的管板简化为受到规则排列的管孔削弱、同时又被管子加强的等效弹性基础上的均质等效圆平板，
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已为现今大多数国家的管板规范所采用。
2）管板周边部分较窄的不布管区按其面积简化为圆环形实心板。 3）管板边缘可以有各种不同型式的连接结构，各种型式可能包 含有壳程圆筒、管箱圆筒、法兰、螺栓、垫片等多种元件。规范按各元件对于管板边缘的实际弹性约束条件进行计算。
4）考虑法兰力矩对于管板的作用。 图29 5）考虑换热管与壳程圆筒间的热膨胀差所引起的温差应力，还应考虑管板上各点温度差所引起的温度应力。 6）计算由带换热管的多孔板折算为等效实心板的各种等效弹性
常数与强度参数。
15.1.2 GB151管板计算的理论基础
力学模型是将管板近似地视为轴对称结构，并假设：热交换器两端的管板具有同样的材料和相同的厚度；对于固定管板热交换器两块管板还应具有相同的边界支承条件。
1）管束对管板的支承作用
把管板视为均匀削弱的、放置在弹性基础上的当量圆平板。这是由于管壳式换热器结构中在绝大多数管子直径相对管板直径足够小，而管子的数量又足够多，假定在管板上是均匀分布的，因而离散的各个换热管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少管板的挠度和降低管板中的应力。管束对管板转角又约束作用，对实际参数的分析计算，发现管束对管板转角的
约束作用对管板强度的影响是很小的，完全可以忽略不计，因此本 规范不考虑管束对管板转角的约束作用，只考虑管束对管板挠度的约束作用，对于固定管板换热器的管板，以管子加强系数K表示。
开孔后管板的抗弯刚度为ηD
管束的弹性基础系数N，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。
2Etna （3） 图30 N?LA引入管子加强系数K，代入D，N表达式，令νp= 0.3：
?121??Etna????Di???1.318Di （4） ???????????LA??2??3??Ep?L??????????Ep????该系数反映了弹性基础强弱相对于管板自身抗弯刚度的大小，即管束对管板承载能力的加强作用，这是表征管束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，则换热管加强作用很小，即K值很小，此时管板的挠度与弯矩等分布情况于无弹性基础的普通圆板，极而言之，K=0，即是普通圆平板。
根据弹性基础圆板理论，管板的挠曲形式不仅取决于管子加强系数K，同时还与管板周边处的支承情况和附加载荷有关，定量地以管板的总弯矩系数m表示。
Di?N?K?????D??2????NMR?m????D?V （5） ??R1?41?4?12Etna?4?2p?1?41?2当管板周边为简支时，MR =0，则m=0；当管板周边为固支时，其管板边缘转角φR=0，由此可求得某一特定的m值（表达式从略）；当管板周边仅承受弯矩的作用，即VR =0时，则m=∞。
在一定的边界支承条件下，当K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K值越大时，则衰减越快，波数越多。在K值增大过程中，当经过某一确定的分界K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），求解分布曲线的的导数方程，即可得到曲线波数增加的K分界值。
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以管板周边简支情况为例，随着管子加强系数K的增大，其径向弯矩分布曲线和出现新波时的分界K值如图31示意，同时可看出，径向的极值也随着K值增大而远离管板中心移向周边。
对于周边固支的弹性基础板，随K值的变化，其径向弯矩分布具有相类似的变化趋势，同样见图31。与简支边界不同的地方是：固支边界支承的弹性基础板其最大径向弯矩始终位于圆板周边，而第二个径向弯矩的极值点则随K增大远离板中心移向周边。
对于浮头式、填函式换热器管板，管束模数K与固定管板的弹性基础系数N类似，同样反映了管束作为弹性基础对管板的加强作用。
2）管孔对管板的削弱作用 管板上是密布着分散的管孔，因此管孔对管板有削
弱作用。管孔对管板的削弱作用有两个方面： 对管板整体削弱作用，使管板整体的刚度与强度都减
少，和管孔边缘有局部的应力集中，只作峰值应力考虑。 图31 弹性基础圆板弯矩图
本规范只考虑开孔对管板整体的削弱作，计算平均的当量应力，作为基本的设计应力，即近似地把管板当作一块均匀连续削弱地当量圆平板来考虑。对管孔边缘地局部应力集中，只作峰值应力考虑。但在疲劳设计中要考虑。
管孔对管板有削弱作用，但也考虑管壁的加强作用，故用刚度削弱系数η和强度削弱系数μ。根据弹性理论分析、实验，本规范规定η和μ＝0.4。
3）管板布管区当量直径
固定管板的管子加强系数计算是假定圆筒直径范围内全部均匀的布管。实际上，在通常情况下管板周边部份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。
布管区一般是一个不规则的多边形，现以当量圆形布管区去代替多边形布管区，当量直径Dt的取值应使管子对管板的支承作用面积相等。该直径大小直接影响着管板的应力大小和分布情况，在GB151固定管板的应力
?则是以全布管的管板在半径为Dt/2处的应力近似取值，因此标准限计算中位于环形板与布管区交界处的应力?r定该计算方法仅适用于周边不布管区较窄的情况，即管板周边不布管区无量纲宽度k较小的情况，k=K（1-ρt）
≤1。
不论是固定管板换热器，还是浮头式或填函式换热器，在计算布管区面积时，都是假定在布管区范围内，均匀的布满着管子。
假设有n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32S?0.866S2；对于管孔为正方形排列的布管，每根2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S2。
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。
对于换热管均匀分布的单管程换热器管板，全部n根换热管对管板的支承作用面积即是布管区面积。 4）考虑管板的弯曲作用，还考虑管板和法兰沿其中心面内的拉伸作用。
5）假设法兰变形时，其横截面的形状不变，而只有绕环截面重心的转动与径向位移。由于这种转动与径向位移造成法兰与管板中心面连接点处地径向位移量，应与管板本身沿着中心面内地径向位移协调一致。
6）由温度膨胀差γ与壳程压力ps及管程压力pt引起的壳壁的轴向位移与管束、管板系统的轴向位移，应在管板周边协调一致。
7）管板边缘的转角受壳体、法兰、管箱、螺栓、垫片系统的约束，其转角在连接部位处应协调一致。
8）当管板兼作法兰时，考虑了法兰力矩的作用对管板应力的影响。为了保证密封，对于其延长部分兼作法兰的管板，规定尚需校核法兰应力。此时在计算法兰力矩时，考虑管板与法兰共同承受外力矩，因而法兰所承受地力矩将有所折减。
孔圆心为中心、以S为其内切圆直径的六角形面积，即
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15.2管板应力
关于固定管板换热器的管板强度计算，目前国外主要的设计规范有四个：美国TEMA方法和ASME方法、英国BS方法及西德AD方法。但由于上述各种计算方法，都对分析前提作了较多的简化，因此都不能说是精确的分析方法。
固定管板换热器的精确应力分析，多采用以板壳理论为基础的弹性分析方法。我国管板计算规范，即GB151中管板计算方法即是这类方法。
我国管板计算方法的力学模型见图30。 15.2.1管板应力的产生
引起管板应力的载荷有压力（管程压力Pt、壳程压力Ps）、管壳热膨胀差及法兰力矩。
15.2.1.1管程压力pt作用情况
有固定式换热器如图32中细线所示（为便于分析以不带法兰，直接与圆筒相连接的管板为例），其载荷为pt。
假设将管板沿周边与圆筒分离，即解除管板与圆筒的相互约束，认为两者可各自自由变形。
pt可对圆筒（包括封头等，可称为壳体系统）的作用分为两方面：
pt沿圆筒轴向作用于封头上，轴向载荷为
?4Di2pt，Di是圆筒内直径。此载荷使
圆筒产生轴向应力。当pt为正压时，使圆筒轴向伸长，其上与管板上表面的连接点a将向上发生轴向移位。
同时，在pt的径向作用下，圆筒产生环向应力，发生径向膨胀。由于轴向应力 图32 作用的泊松效应，虽使圆筒径向发生收缩，但最终圆筒还是发生径向膨胀。即a点在轴向位移的同时还有径向位移，设其最终位移至a′（见图32中虚线）。
pt对管板表面（不包括管孔部分）产生轴向载荷，此载荷由管束来承受，使管束受到轴向压缩而缩短。同时，pt径向作用使换热管产生环向应力，发生径向膨胀，由于柏松效应，使管束在轴向进一步缩短，从而带动管板向下移动。设管板边缘的a，b点位移至a″，b″（见图32中虚线）。 图33
可见，在解除管板周边与圆筒的相互约束时，在pt作用下，它们的“自由变形”是相反的。圆筒上的a点和管板周边的a点将产生不同的移位，由此有位移差Δ（见图32）。
由于a′和a″实际上是同一点，即实际变形后的a′与a″应在同一位置。为此，圆筒的变形与管板变形必须协调。圆筒与管板间要产生边界力，即所谓的边缘力系，最终由圆筒、管束和管板三者的进一步变形使结构趋于连续。于是，圆筒必然要通过对管板周边产生的边缘横剪力Vt（见图33）拉伸管束。反过来管束（包括管板，可称管板管束系统）必然以Vt向下压缩圆筒。其相互作用的结果，使圆筒上的a′向下产生轴向位移Δ1。管板管束系统在自由压缩变形的基础上，在管板周边向上的横剪力Vt作用下被拉伸，产生Δ2的变形。而管板则在周边横剪力Vt作用下，产生挠曲变形Δ3（见图32）。 其三者变形之和Δ1+Δ2+Δ3满足总的自由变形差Δ的要求。Δ1、Δ2、Δ3的值与圆筒、管束的轴向刚度及管板的弯曲刚度有关。刚度大者，相应的变形较小，反之则大。圆筒、管束和管板三者变形协调后形状如图32中粗实线所示。
由于管板在发生挠度时，边缘发生的偏转角尚又须与圆筒的转角相协调，因此在管板周边与圆筒间尚作用有边界力矩Mt，最终管板的受力情况即如图33所示。
于是，管板可视为放置在管束弹性基础上，周边作用有均匀的横剪力Vt和弯矩
Mt的圆平板。 图34
根据弹性基础圆板理论，管板在周边剪力Vt和弯矩Mt作用下，将发生整体弯曲变形（见图33），在管板中产生整体性的弯曲应力，其应力大小与横剪力Vt和弯矩Mt成正比。
管板在发生整体弯曲变形的同时，由于pt在管板的孔带上的作用，使管板产生局部的弯曲变形（如图33中
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