蜂窝、半管、全夹套容器设计

夹套内常用的介质有蒸汽、导热油、冷却水、真空绝热介质等。

使用夹套的目的一般是加热或冷却容器及其内部介质，也可作为容器的密封绝热室。

根据夹套结构的情况，夹套容器分为：

1）整体夹套容器

2）通道式夹套容器—型钢夹套

3）蜂窝夹套容器—短管支撑或蜂窝板

4）半管夹套容器—半管缠绕

5）搭接夹套容器—弧形板搭接

对比下各种夹套结构的特点：

一、半管夹套的特点

1. 由于内筒和下封头的设计不考虑夹套外压的影响，对于直径较大和夹套压力较高的设备，可以大大的减少内筒和封头的计算厚度，节约成本。

2. 需要特别注意的一点， 采用半管夹套结构时，内筒由于需要焊接整圈半管，焊接变形量较大，需要根据搅拌器的选型要求，内筒厚度需要考虑一定的刚度，比如刮板薄膜蒸发器对筒体椭圆度要求极高，所以要综合考虑成本。

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刮板薄膜蒸发器

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半管夹套图（耳座搭桥连接）

半管夹套图（耳座处树管连接）

二、搭接夹套的特点：

1. 由于内筒和下封头的设计不考虑夹套外压的影响，对于直径较大和夹套压力较高的设备，可以大大的减少内筒和封头的计算厚度，节约成本。

2. 由于搭接夹套全覆盖容器，传热效率近乎半管夹套的2倍。

3. 缺点是夹套焊接量较大，无损检测成本也更高。

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筒体上搭接夹套图

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封头上夹套图（足球瓣式）

三、整体夹套的特点

夹套分段设置结构所示，采用这种结构时，外压计算长度为较长一段夹套长度或夹套与封头组合的计算外压长度。这是一种简便的减少内筒外压计算长度的方法，但是夹套分段不宜过多，以两段多见。因为过多的分段不仅增加了夹套与筒体的焊缝，增加了制造和检验成本，同时由于接口增多，需要配套的工艺接口就相应增加，增加了工艺负担。

四、通道式夹套的特点

内筒体圆环形加强圈与夹套筒体相焊结构

由于加强圈与夹套筒体相焊，因此夹套筒体也可看作加强圈的一部分，可将加强圈截面看作T型钢，这样加强圈的惯性矩大大增加。然而这种结构使得蒸汽及其冷凝液的通道被堵塞了。因此需要在环板上开孔，开孔后的结构如图所示，开孔的总面积应大于蒸汽入口接管的横截面面积。但开孔后加强圈的刚度被削弱，且蒸汽通道有限，增大了蒸汽的压降，不利于其顺畅流动，也不利于冷凝液的排出。

  

螺旋形加强圈与夹套筒体相焊结构

螺旋形加强圈即螺旋导流板结构如图所示，它能够很好地解决蒸汽通道受限的问题。对螺旋导流板，当其螺距未超过0.3Di1时，可将其看作圆环型加强圈与与夹套筒体相焊结构，且计算外压长度为螺距。但是这一结构的缺点是它的制造有一定困难。

         

一、整体夹套的设计

在设计中如果遇到夹套与容器材料不同，或容器要求热处理，应当选用与夹套筒体焊接的带圆弧过渡的封闭件，且封闭件材料尽可能与容器一致。带圆弧过渡的封闭件受力好，适用范围广，设计中通常优先考虑，锥角一般取45°。

为避免介质进入时对内筒外壁产生冲刷腐蚀，应在内筒外壁正对夹套介质入口处设置防冲板，焊于容器外壁上；当容器和夹套的空间间距大于75mm时也可以设置入口挡板。

为排泄夹套内的空气和不凝性气体，使夹套介质充满整个夹套空间，需在夹套顶部设置排气口，排气口直径dN不小于10mm。

过渡段与内筒体连接处的焊缝应采用全焊透结构，且当容器内为极度或高度危害介质时，此处焊缝应进行100%射线探伤检查。

为避免支座处的局部应力与夹套过渡段处的局部应力重叠，支座离过渡段应有一定的距离。

二、半管夹套的设计

1. 筒体半管采用板材压制成型，封头半管采用管材剖切成型。

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2. 半盘管与筒体焊接开内坡口，根部熔焊，焊接时根部间隙2~3mm。若采用外坡口焊接，夹套内壁容易挂瘤。   

3. 水压试验：设备整体制作完成后，容器充水保压，对夹套进行试压，观察夹套焊缝和容器内壁焊缝；夹套试完压后，容器继续充水试压。

  对于反应釜来说其难点就是半管夹套结构的设计。由于设备上需要布置支座、管口等附件，如何避免半管夹套与这些附件发生干涉尤为重要。

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三、蜂窝夹套的设计

蜂窝夹套是采取折边或者短管等加强措施，提高筒体的刚度和夹套的承压能力，减少流道面积，从而减薄筒体厚度，强化传热效果。

01

蜂窝的几何形状和焊接接头

蜂窝几何形状优化的目的是 改善其应力分布状况，提高蜂窝夹套的承载能力。以蜂窝中间点的应力降至最小为目标，并综合考虑焊接接头处和蜂窝拐角处的受力情况，确定较佳的焊接接头连接形式、蜂窝锥度和蜂窝拐角半径尺寸 。

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现有蜂窝夹套冲压模具结构类型有二种， 一种是带折边结构（塞焊连接），一种是非折边结构（填角焊连接） ，具体详见蜂窝夹套附图一

夹套蜂窝与内筒间焊接接头型式不仅涉及了焊接工作量的多少，还极大地影响了应力分布，决定了接头的抗拉断强度。有人对蜂窝夹套二种结构类型的焊接接头型式进行分析比较，如下图所示。

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为了便于比较，夹套的蜂窝间距均取50mm，夹套壁厚均取2mm，但焊接接头型式不同。

第一种为塞焊连接：冲压成型后的蜂窝凹坑底冲有直径小于凹坑底直径的塞焊孔，蜂窝与内筒为塞焊连接，因而每一蜂窝在锥底及锥顶均有转折，蜂窝底部直径为16mm，蜂窝塞焊孔径为12mm，夹套与内筒间间隙为6.4mm，如图1所示。

第二种为填角焊连接：蜂窝锥底直径与冲孔直径相等，斜边段与蜂窝夹套表面转角的圆角半径较大。蜂窝冲孔直径亦增至14mm，夹套冲孔处与内筒间采用填角焊，夹套与内筒间间隙为8mm，如图2所示。经过大量实验和有限元分析计算，得到如下结论：

1）填角焊接头的抗拉断强度优于塞焊接头。

2）填角焊接头蜂窝夹套的应力远低于塞焊接头的。

02

蜂窝夹套结构特点

夹套壳上有许多按正方形排列的压制成型的圆台状凹坑蜂窝，全部（或部分）蜂窝底部冲有圆孔，在圆孔处将夹套与筒体焊接起来，形成蜂窝状结构。蜂窝点与内筒体连接为一个整体，由于蜂窝夹套焊在筒体上，将夹套内部分成一个个以相临近的相焊点为界的立方体的小压力容器。夹套内的压力对夹套及内筒的作用相当于承受均布载荷周边固支方形板，板的边长等于相焊点的间距。故夹套壁厚与直径无关，不需按一般内压容器进行强度计算，可大大降低壁厚的要求，而夹套介质压力对内筒壁厚的要求与相焊点间距有关，与容器直径无关，不会发生一般外压圆筒失稳的失效模式，内筒体不需要考虑夹套中的压力引起失稳而进行外压设计。在承受筒体内压和夹套压力时，筒体和夹套的强度和刚度相互得到明显的加强。这样，所需内筒和夹套壁厚都可明显减薄，降低制造成本。

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03

蜂窝夹套传热特点

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蜂窝夹套一般是用2mm、3mm钢板用模具冲压成正方形排列的形状，它的腔高常为6.4mm, 8mm, 蜂窝间距常用为50mm，60mm。因此蜂窝夹套的间隙比普通夹套的间隙要小，流通面积较小，流体在腔内流速显著增加（比整体夹套高3-10倍），并且与蜂窝点多次相撞形成局部小涡流，大量的蜂窝在夹套内起着干扰流体的作用，流体在流经蜂窝时就要扰流，流体不断改变流动方向和流动速度，形成紊流，破坏或减薄了原来的层流层，使热（冷）交换加速，大大的增强了其传热效果。

但是由于流体在夹套的流速是不均匀的，未能克服流体在夹套内中间流速大，而在边角位置流速小的弊端，存在流动死角，也存在传热的死角区，且设备越大，这种传热死角的情况就越严重。

04

蜂窝夹套预防短路的结构设计要领

1.必须明确蜂窝夹套工艺流程，介质特性情况及工况要求，如果介质粘度较大，或存在温差和压差变化频繁（设备有疲劳倾向）的情况，可能就不能用蜂窝夹套的结构形式，而采用整体夹套或半管夹套等。

2. 尽量使蜂窝夹套中进、出管口错开，距离越远越好。若进、出管口较近，最好布置分隔板。

3. 为了防止蜂窝夹套里的介质短路，使其充分传热，应在夹套介质入口处增加扩散结构，比如采用一圈半管结构或方管结构等，制作简单、方便，设计人员优先选择方案。

4. 为消除传热死角，可以设想在夹套内加设导流条，可以设计为横条或竖条，但由于反复折流会增加阻力，增大流体的压力降，降低其流速，需要设计人员综合全面考虑。

5. 当流体自上而下情况时，在蜂窝夹套内可设置螺旋导流圆钢条，迫使流体在夹套内螺旋流动，可以消除流动死角的，提高流体的流动速度，强化传热。但加工制作较困难，设计人员慎重选择，虽然导流条和夹套及筒体之间不能完全密封，但短路流动很有限，并无大碍。

尾注：大周末的从早晨7点写到现在，连早饭都没来得及吃。创作不易，大家不妨一键点赞、分享一下。