换热器管板设计计算
管析是管壳式换热器的主要部件。管板的设计是否合理对确保换热器的安全运行、节约金属材料，降低制造成本是至关重要的。在此采用GB151标准中管板计算方法来设计计算管板。
（1）管板采用延长部分兼作法兰的管板形式。结构如图2.2所示，
图2-2 管板结构图
结构尺寸数据列表2－6：
DN
D
1D 2D 3D 4D
5D C
d 2 螺柱（栓） b f b
规格 数
量
600 730 690 655 597 642 600 12.5 23
M20
32
25
35
（2）计算
A ——壳程圆筒内直径横截面积，2mm ；
2
22i 0.785800502654.84
π=
=?=D A mm
s δ——壳程圆筒的厚度，mm ；
s A ——圆筒壳壁金属横截面积，2mm ；
2i () 3.148(8008)20307.3πδδ=+=??+=s s s A D mm
t δ——换热管壁厚，mm ；
a ——单根换热管管壁金属横截面积，2mm ；
2o () 3.14 2.5(25 2.5)176.6πδδ=-=??-=t t a d mm
2220176.638857.5=?=na mm
l A ——管板开孔后的面积，2mm ；
对于固定管板式换热器
2
2
23.1425502654.8220394662.644
π?=-=-?=o l d A A n
mm
d A ——在布管区范围内，因设置隔板槽和拉杆结构的需要，面未能被换热
管支承的面积，2mm ；
对于三角形排列
2'(0.866)1832(600.86632)18598=-=??-?=d n A n S S S mm
t A ——管板布管区的面积，2mm ；
对于多管程，三角形排列的换热管
2220.8660.8662203218598213690.5=+=??+=t d A nS A mm
t D ——管板布管区当量直径，mm ；
708.9===t D mm
t E ——换热管材料的弹性模量，MPa ；
L ——换热管有效长度（两管板内侧间距）
，mm ； t K ——管束模数，MPa ；
对于固定式32061038877.2
3842.6(300060)708.9
??===-?t t t E na K MPa LD
i ——换热管的回转半径，mm ；
0.258===i mm
cr l ——换热管受压失稳当量长度，mm ；
按GB151图32，确定为320=cr l mm
[]σcr ——换热管稳定许用应力，MPa ；
r C ——系数
127.9r C ππ===
因
32040127.98
==<=cr r l C i 故有
/1140[]12451103.362222128σσ????=
-=??-=???????
??t cr cr s r l i MPa C λ——系数
394662.6
0.785502654.8
λ=
==l A A Q ——换热管束与圆筒刚度比，当壳体不带波形膨胀节时
20638877.2
1.8920920307.3
?=
==?t s s E na Q E A β——系数
38877.20.098394662.6
β=
==l na A s ∑——系数
0.6
0.6
0.4(1)0.4(1 1.89) 2.60.785
λ
∑=+
+=+
+=s Q t ∑——系数
1
1
0.4(1)(0.6)0.4(10.098)(0.6 1.89) 3.60.785
βλ
∑=++
+=?++
+=t Q t ρ——系数
708.90.886800
ρ=
==t t i D D K ——换热管加强系数
1
2
12
8001.318 6.0530＝[][]=?
=K
k ——管板周边不布管区无量纲宽度
(1) 6.05(10.886)0.69ρ=-=?-=t k K
υ——管板材料泊松比，取0.3υ=
μ——管板强度削弱系数，一般可取0.4μ=
η——管板刚度削弱系数，一般可取μ值
f δ——管板延长部分的法兰（或凸缘）厚度，mm ；
f δ'——壳体法兰（或凸缘）厚度，mm ；
f δ''——管箱法兰（或凸缘）厚度，mm ；
ω'——系数，按//s i f i D D δδ'和查GB151图26，得0.00021ω'=；
ω''——系数，按//h i f i D D δδ''和查文献[3] 图4-24得0.00063ω''=；
f K ——管板边缘旋转刚度参数，MPa ；
对于固定管板其延长部分兼作法兰
f f K K '=
f K '——壳程圆筒与法兰（或凸缘）的旋转刚度参数，MPa ；
333
3221[()]12122091070230[()0.0002120910]12800708004.8δω''''==++????=??+??+=f f f f f s i f i
E b K K E D b D MPa
f K ''——管箱圆筒与法兰（或凸缘）的旋转刚度参数，MPa ；
333
3221
[()]
12122091070230[()0.0006320910]128007080017.7δω''''''''=++????=??+??+=f f f f h i f i
E b K E D b D MPa
f K ——旋转风度无量纲参数； 对于固定式管板 33.14 4.8
9.810441431.2
π-?=
=
=??f
f t
K K K
1m ——管板第一弯矩系数，按f K K 和查GB151图27,得10.13=m 2m ——管板第二弯矩系数，按K Q 和查GB151 图28,得2 2.14=m m ——管板总弯矩系数
120.130.3 2.14
0.6110.3
υυ++?=
==++m m m
1G ——系数
因0m >,所以取11e i G G 与中较大值。 按m K 和查GB151,得10.1=i G 。 而130.40.6
6.05
=3m/K=
=0.12μ??e G ，故取11=0.12=e G G
2G ——系数，按f K K 和查GB151 图29,得2 4.1=G 3G ——系数，按和Q K 查GB151 图30,得30.0045=G
ξ——法兰力矩折减系数
4
43
39.8109.810 4.510==0.16ξ---?=+?+?f
f K K G
a P ——有效压力组合，MPa ；
对于负压圆筒
0.1=a P MPa
m M ——基本法兰力矩，N mm ?；
参看GB150第9章计算得
[]816.436.251133344178.5σ==??=?m m G b M A L N mm
m M ——基本法兰力矩系数，N mm ?；
33443344178.5
0.1060.785 3.148000.1
λπ?=
==????m m i a M M N mm D P
M ?——管板边缘力矩变化系数
1
1 2.34.80.1617.7
ξ?=
=
='+
+
''
f f M K K
f M ?——法兰力矩变化系数
4.8
2.30.617.7
'?=
?=
?=''
f f f K M M K 1M ——系数
31120.13
1.79102()2 6.05(4.1 1.89)
-=
==?+??+m M K Q G
r σ——管板径向应力系数
312(1)11(10.3)0.12
6.51044 1.89 4.1
υσ-++?=?
=?=?++r G Q G
r σ'——管板布管区周边处径向应力系数
23m(1)30.6(10.3)
0.0164()4 6.05(1.89 4.1)
υσ+??+'=
==+??+r K Q G
p τ——管板布管区周边剪切应力系数
211110.3
0.05444 1.89 4.1υτ++=?
=?=++p Q G ws M ——壳体法兰力矩系数
壳程压力作用工况下
1()0.160.1060.60.00180.016ξ=-?=?-?=ws m f M M M M
Y ——系数，按K 查GB150图9-8得 1.04=Y
（3）管板应力校核
[]t r σ——设计温度时，管板材料的许用应力，MPa ；
r σ——管板径向应力，MPa ；
2320.785800() 6.5100.1()0.90.430
λσσμδ-==????=i r r a
D p MPa 1.5[]t r r σσ≤，满足
r σ'——管板布管区周边处的径向应力，MPa ；
22
22
[1)]()20.7850.10.690.698000.016[10.6)]()0.40.620.6300.386λσσμδ
''=-+?=??-+??=a
i r r p D k k m m m MPa
1.5[]t r r σσ'≤，满足
管壳式换热器的工艺设计 芮胜波李峥王克立李彩艳 兖矿鲁南化肥厂 芮胜波：（1974-），山东枣庄人，工程师，工程硕士，从事煤化工项目研发及建设工作。第一作者联系方式：山东滕州木石兖矿鲁南化肥厂项目办（277527），电话：0632-2363395 摘要：管壳式换热器在各种换热器中应用最为广泛，为了使换热器既能满足工艺过程的要求，又能从结构、维修、造价等方面比较合理，在设计中要从各个方面综合考虑。本文着重从换热器程数的选择以及如何降低换热器的压力降方面进行了比较详细的论述，对于换热器的工艺设计起到一定的指导作用。 关键词：管壳式换热器，程数，压降 在化工、石油、动力、制冷以及食品等行业中，换热器都属于非常重要的工艺设备，占有举足轻重的地位。随着我国工业的不断发展，对能源利用、开发和节约的要求不断提高，因而对换热器的要求也日益加强，特别是换热器的设计必须满足各种特殊工况和苛刻操作条件的要求。大致说来，随着换热器在生产中的地位和作用不同，对它的要求也不同，但都必须满足下列一些基本要求：首先是满足工艺过程的要求；其次，要求在工作压力下具有一定的强度，但结构又要求简单、紧凑，便于安装和维修；第三，造价要低，但运行却又要求安全可靠。 许多新型换热器的出现，大大提高了换热器的传热效率。比如板式换热器和螺旋板式换热器具有传热效果好、结构紧凑等优点，在温度不太高和压力不太大的情况下，应用比较有利；板翅式换热器是一种轻巧、紧凑、高效换热器，广泛应用于石油化工、天然气液化、气体分离等部门中；此外，空气冷却器以空气为冷却剂在翅片管外流过，用以冷却或冷凝管内通过的流体，尤其适用于缺水地区，由于管外装置了翅片，既增强了管外流体的湍流程度，又增大了传热面积，这样，可以减少两边对流传热系数过于悬殊的影响，从而提高换热器的传热效能。 尽管各种各样的新型换热器以其特有的优势在不同领域得以应用，但管壳式换热器仍然在各种换热器中占有很大的比重，虽然它在换热效率、设备的体积和金属材料的消耗量等方面不占优势，但它具有结构坚固、操作弹性大、可靠程度高、使用范围广等优点，所以在工程中仍得到普遍使用。 目前我们在各种工程中应用最多的换热器就是管壳式换热器，其中又以固定管板式为最常见，除了波纹管换热器等可选用标准系列产品外，其它光管换热器都由工艺专业自行设计，尽管专用计算软件HTFS的应用使设计人员从繁琐的手工设计计算中解脱出来，但是为了使设计出来的换热器能更好的满足各种要求，仍然有许多方面需要在设计时充分加以考虑。 首先，程数的选择。 管程程数的选择：关键要比较管程与壳程的给热系数，如果单管程时管程流体的给热系数小于壳程流体给热系数，则可选用双管程，管程给热系数会因此显著增大，并且总传热系数也会有大幅提高。例如，有一台单管程换热器，管程给热系数为990W/(m2.℃), 壳程给热系数为5010 W/(m2.℃),总传热系数为794 W/(m2.℃)，在换热器的外形尺寸保持不变的情况下改为双管程后，管程给热系数变为1680 W/(m2.℃)，增大了70%，，总传热系数变为1176 W/(m2.℃)，增大了48%，显然此时选用双管程换热器有利。反之，如果单管程时管程的给热系数大于壳程给热系数，虽然改用双管程时，管程给热系数也会显著增大，但是总传热系数则增幅不明显，例如，一单管程换热器，管程给热系数为2276 W/(m2.℃), 壳程给热系数为2104 W/(m2.℃),总传热系数为1040 W/(m2.℃)，在换热器的外形尺寸保持不变的情况下
管壳式换热器工艺设计说明书 1.设计方案简介 1.1工艺流程概述 由于循环冷却水较易结垢，为便于水垢清洗，应使循环水走管程，甲苯走壳程。如图1，苯经泵抽上来，经管道从接管A进入换热器壳程；冷却水则由泵抽上来经管道从接管C进入换热器管程。两物质在换热器中进行交换，苯从80℃被冷却至55℃之后，由接管B流出；循环冷却水则从30℃升至50℃，由接管D流出。 图1 工艺流程草图 1.2选择列管式换热器的类型 列管式换热器，又称管壳式换热器，是目前化工生产中应用最广泛
的传热设备。其主要优点是：单位体积所具有的传热面积大以及窜热效果较好；此外，结构简单，制造的材料围广，操作弹性也较大等。因此在高温、高压和大型装置上多采用列壳式换热器。如下图所示。 1.2.1列管式换热器的分类 根据列管式换热器结构特点的不同，主要分为以下几种： ⑴固定管板式换热器 固定管板式换热器，结构比较简单，造价较低。两管板由管子互相支承，因而在各种列管式换热器中，其管板最薄。其缺点是管外清洗困难，管壳间有温差应力存在，当两种介质温差较大时，必须设置膨胀节。 固定管板式换热器适用于壳程介质清洁，不易结垢，管程需清洗及温差不大或温差虽大但壳程压力不高的场合。 固定板式换热器 ⑵浮头式换热器 浮头式换热器，一端管板式固定的，另一端管板可在壳体移动，因
而管、壳间不产生温差应力。管束可以抽出，便于清洗。但这类换热器结构较复杂，金属耗量较大；浮头处发生漏时不便检查；管束与壳体间隙较大，影响传热。 浮头式换热器适用于管、壳温差较大及介质易结垢的场合。 ⑶填料函式换热器 填料函式换热器，管束一端可以自由膨胀，造价也比浮头式换热器低，检修、清洗容易，填函处泄漏能及时发现。但壳程介质有外漏的可能，壳程中不宜处理易挥发、易燃、易爆、有毒的介质。 ⑷U形管式换热器 U形管式换热器，只有一个管板，管程至少为两程，管束可以抽出清洗，管子可以自由膨胀。其缺点是管不便清洗，管板上布管少，结垢不紧凑，管外介质易短路，影响传热效果，层管子损坏后不易更换。 U形管式换热器适用于管、壳壁温差较大的场合，尤其是管介质清洁，不易结垢的高温、高压、腐蚀性较强的场合。
固定管板式换热器的注意事项及工作原理 固定管板式换热器在运行中应注意事项有： (1)换热器在新安装或检修完之后必须进行试压后才能使用。 (2)换热器在开工时要先通冷流后通热流，在停工时要先停热流后停冷流。以防止不均匀的热胀冷缩引起泄漏或损坏。 (3)固定管板式换热器不允许单向受热，浮动式换热器管、壳两侧也不允许温差过大。 (4)启动过程中，排气阀应保持打开状态，以便排出全部空气，启动结束后应关闭。 (5)如果使用碳氢化合物，在装入碳氢化合物之前要用惰性气体驱除换热器中的空气，以免发生爆炸。 (6)停工吹扫时，引汽前必须放净冷凝水，并缓慢通气，防止水击。换热器一侧通气时，必须把另一侧的放空阀打开，以免弊压损坏，关闭换热器时，应打开排气阀及疏水阀，防止冷却形成真空损坏设备。 (7)空冷器使用时要注意部分流量均匀，确保冷却效果。 (8)经常注意监视防止泄漏。 固定管板式换热器的工作原理：
图1 [固定管板式换热器]为固定管板式换热器的构造。A流体从接管1流入壳体内，通过管间从接管2流出。B流体从接管3流入,通过管内从接管4流出。如果A流体的温度高于B流体,热量便通过管壁由A流体传递给B流体；反之，则通过管壁由B流体传递给A流体。壳体以内、管子和管箱以外的区域称为壳程，通过壳程的流体称为壳程流体 (A流体)。管子和管箱以内的区域称为管程,通过管程的流体称为管程流体(B流体)。管壳式换热器主要由管箱、管板、管子、壳体和折流板等构成。通常壳体为圆筒形;管子为直管或U形管。为提高换热器的传热效能，也可采用螺纹管、翅片管等。管子的布置有等边三角形、正方形、正方形斜转45°和同心圆形等多种形式，前3 种最为常见。按三角形布置时，在相同直径的壳体内可排列较多的管子，以增加传热面积，但管间难以用机械方法清洗，流体阻力也较大。管板和管子的总体称为管束。管子端部与管板的连接有焊接和胀接两种。在管束中横向设置一些折流板，引导壳程流体多次改变流动方向，有效地冲刷管子，以提高传热效能，同时对管子起支承作用。折流板的形状有弓形、圆形和矩形等。为减小壳程和管程流体的流通截面、加快流速，以提高传热效能，可在管箱和壳体内纵向设置分程隔板，将壳程分为2程和将管程分为2程、4程、6程和8程等。
武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计(论文)外文资料翻译 原文题目：Effectively Design Shell-and-Tube Heat Exchangers 原文来源：Chemical Engineering Progress February 1998 文章译名：管壳式换热器的优化设计 姓名：xxx 学号：62021703xx 指导教师(职称)：王成刚（副教授） 专业：过程装备与控制工程 班级：03班 所在学院：机电学部
管壳式换热器的优化设计 为了充分利用换热器设计软件，我们需要了解管壳式换热器的分类、换热器组件、换热管布局、挡板、压降和平均温差。 管壳式换热器的热设计是通过复杂的计算机软件完成的。然而，为了有效使用该软件，需要很好地了解换热器设计的基本原则。 本文介绍了传热设计的基础，涵盖的主题有：管壳式换热器组件、管壳式换热器的结构和使用范围、传热设计所需的数据、管程设计、壳程设计、换热管布局、挡板、壳程压降和平均温差。关于换热器管程和壳程的热传导和压力降的基本方程已众所周知。在这里，我们将专注于换热器优化设计中的相关应用。后续文章是关于管壳式换热器设计的前沿课题，例如管程和壳程流体的分配、多壳程的使用、重复设计以及浪费等预计将在下一期介绍。 管壳式换热器组件 至关重要的是，设计者对管壳式换热器功能有良好的工作特性的认知，以及它们如何影响换热设计。管壳式换热器的主要组成部分有：壳体 封头 换热管 管箱 管箱盖 管板 折流板 接管 其他组成部分包括拉杆和定距管、隔板、防冲挡板、纵向挡板、密封圈、支座和地基等。 管式换热器制造商协会标准详细介绍了这些不同的组成部分。 管壳式换热器可分为三个部分：前端封头、壳体和后端封头。图1举例了各种结构可能的命名。换热器用字母编码描述三个部分，例如，BFL 型换热器有一个阀盖，双通的有纵向挡板的壳程和固定的管程后端封头。根据结构
河南理工大学课程设计管壳式换热器设计 学院：机械与动力工程学院 专业：热能与动力工程专业 班级：11-02班 学号： 姓名： 指导老师： 小组成员：
目录 第一章设计任务书 (2) 第二章管壳式换热器简介 (3) 第三章设计方法及设计步骤 (5) 第四章工艺计算 (6) 4.1 物性参数的确定 (6) 4.2核算换热器传热面积 (7) 4.2.1传热量及平均温差 (7) 4.2.2估算传热面积 (9) 第五章管壳式换热器结构计算 (11) 5.1换热管计算及排布方式 (11) 5.2壳体内径的估算 (13) 5.3进出口连接管直径的计算 (14) 5.4折流板 (14) 第六章换热系数的计算 (20) 6.1管程换热系数 (20) 6.2 壳程换热系数 (20) 第七章需用传热面积 (23) 第八章流动阻力计算 (25) 8.1 管程阻力计算 (25) 8.2 壳程阻力计算 (26) 总结 (28)
第一章设计任务书 煤油冷却的管壳式换热器设计：设计用冷却水将煤油由140℃冷却冷却到40℃的管壳式换热器，其处理能力为10t/h，且允许压强降不大于100kPa。 设计任务及操作条件 1、设备形式：管壳式换热器 2、操作条件 （1）煤油：入口温度140℃，出口温度40℃ （2）冷却水介质：入口温度26℃，出口温度40℃
第二章管壳式换热器简介 管壳式换热器是在石油化工行业中应用最广泛的换热器。纵然各种板式换热器的竞争力不断上升，管壳式换热器依然在换热器市场中占主导地位。目前各国为提高这类换热器性能进行的研究主要是强化传热，提高对苛刻的工艺条件和各类腐蚀介质适应性材料的开发以及向着高温、高压、大型化方向发展所作的结构改进。 强化传热的主要途径有提高传热系数、扩大传热面积和增大传热温差等方式，其中提高传热系数是强化传热的重点，主要是通过强化管程传热和壳程传热两个方面得以实现。目前，管壳式换热器强化传热方法主要有：采用改变传热元件本身的表面形状及表面处理方法，以获得粗糙的表面和扩展表面；用添加内物的方法以增加流体本身的绕流；将传热管表面制成多孔状，使气泡核心的数量大幅度增加，从而提高总传热系数并增加其抗污垢能力；改变管束支撑形式以获得良好的流动分布，充分利用传热面积。 管壳式热交换器（又称列管式热交换器）是在一个圆筒形壳体内设置许多平行管子（称这些平行的管子为管束），让两种流体分别从管内空间（或称管程）和管外空间（或称壳程）流过进行热量交换。 在传热面比较大的管壳式热交换器中，管子根数很多，从而壳体直径比较大，以致它的壳程流通截面大。这是如果流体的容积流量比较小，使得流速很低，因而换热系数不高。为了提高流体的流速，可在管外空间装设与管束平行的纵向隔板或与管束垂直的折流板，使管外流体在壳体内曲折流动多次。因装置纵向隔板而使流体来回流动的次数，称为程数，所以装了纵向隔板，就使热交换器的管外空间成为多程。而当装设折流板时，则不论流体往复交错流动多少次，其管外空间仍以单程对待。 管壳式热交换器的主要优点是结构简单，造价较低，选材范围广，处理能力大，还能适应高温高压的要求。虽然它面临着各种新型热交换器的挑战，但由于它的高度可靠性和广泛的适应性，至今仍然居于优势地位。 由于管内外流体的温度不同，因之换热器的壳体与管束的温度也不同。如果两流体温度相差较大，换热器内将产生很大的热应力，导致管子弯曲、断裂或从管板上拉脱。因此，当管束与壳体温度差超过50℃时，需采取适当补偿措施，
软件批准号：CSBTS/TC40/SC5-D01-1999 DATA SHEET OF PROCESS EQUIPMENT DESIGN
工程名： PROJECT 设备位号： ITEM 设备名称：原料气压缩机一级冷却器EQUIPMENT 图号：FXLSZ-02-00 DWG NO。 设计单位：抚顺新纪元炼化设备有限公司DESIGNER
固定管板换热器设计计算计算单位抚顺新纪元炼化设备有限公司 设计计算条件 壳程管程 设计压力p s 0.5MPa设计压力p t 1.8MPa 设计温度t s 50?C设计温度t t 150?C 壳程圆筒内径D i450mm管箱圆筒内径D i450mm 材料名称Q345R材料名称Q345R 简图 计算内容 壳程圆筒校核计算 前端管箱圆筒校核计算 前端管箱封头(平盖)校核计算 后端管箱圆筒校核计算 后端管箱封头(平盖)校核计算 管箱法兰校核计算 开孔补强设计计算 管板校核计算
前端管箱筒体计算 计算单位 计算所依据的标准 GB 150.3-2011 计算条件 筒体简图 计算压力 P c 1.80 MPa 设计温度 t 150.00 C 内径 D i 450.00 mm 材料 Q345R ( 板材 ) 试验温度许用应力 189.00 MPa 设计温度许用应力 189.00 MPa 试验温度下屈服点 s 345.00 MPa 钢板负偏差 C 1 0.30 mm 腐蚀裕量 C 2 2 mm 焊接接头系数 0.85 厚度及重量计算 计算厚度 = P D P c i t c 2[]σφ- = 2.54 mm 有效厚度 e =n - C 1- C 2= 9.7 mm 名义厚度 n = 12.00 mm 重量 123.05 Kg 压力试验时应力校核 压力试验类型 液压试验 试验压力值 P T = 1.25P [][]σσt = 2.2500 (或由用户输入) MPa 压力试验允许通过 的应力水平 T T 0.90 s = 310.50 MPa 试验压力下 圆筒的应力 T = p D T i e e .().+δδφ 2 = 71.39 MPa 校核条件 T T 校核结果 合格 压力及应力计算 最大允许工作压力 [P w ]= 2δσφ δe t i e []() D += 5.95649 MPa 设计温度下计算应力 t = P D c i e e () +δδ2= 48.55 MPa t 160.65 MPa 校核条件 t ≥ t 结论 筒体名义厚度大于或等于GB151中规定的最小厚度8.20mm,合格
管壳式换热器简介及分类 概述 换热器是在具有不同温度的两种或两种以上流体之间传递热量的设备。在工业生产中，换热器的主要作用是使热量从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流程规定的指标，以满足过程工艺条件的需要。换热器是化工、炼油、动力、食品、轻工、原子能、制药、航空以及其他许多工艺部门广泛使用的一种通用设备。在华工厂中，换热器的投资约占总投资的10%-20%；在炼油厂中该项投资约占总投资的35%-40%。 目前，在换热器中，应用最多的是管壳式换热器，他是工业过程热量传递中应用最为广泛的一种换热器。虽然管壳式换热器在结构紧凑型、传热强度和单位传热面的金属消耗量无法与板式或者是板翅式等紧凑换热器相比，但管壳式换热器适用的操作温度与压力范围较大，制造成本低，清洗方便，处理量大，工作可靠，长期以来人们已在其设计和加工方面积累了许多经验，建立了一整套程序，人么可以容易的查找到其他可靠设计及制造标准，而且方便的使用众多材料制造，设计成各种尺寸及形式，管壳式换热器往往成为人们的首选。 近年来，由于工艺要求、能源危机和环境保护等诸多因素，传热强化技术和换热器的现代研究、设计方法获得了飞速发展，设计人员已经开发出了多种新型换热器，以满足各行各业的需求。如为了适应加氢装置的高温高压工艺条件，螺纹锁紧环换热器、Ω密封环换热器、金属垫圈式换热器技术获得了快速发展，并在乙烯裂解、合成氨、聚合和天然气工业中大量应用，可达到承压35Mpa、承温700℃的工艺要求；为了回收石化、原子能、航天、化肥等领域使用燃气、合成气、烟气等所产生的大量余热，产生了各种结构和用途的废热锅炉，为了解决换热器日益大型化所带来的换热器尺度增大，震动破坏等问题，纵流壳程换热器得到飞速的发展和应用；纵流壳程换热器不仅提高了传热效果，也有效的克服了由于管束震动引起的换热器破坏现象。另外，各种新结构的换热器、高效重沸器、高效冷凝器、双壳程换热器等也大量涌现。 管壳式换热器按照不同形式的分类 工业换热器通常按以下诸方面来分类：结构、传热过程、传热面的紧凑程度、所用材料、
浅谈换热器管板与换热管胀焊并用连接的制造工艺 GB151－1999标准中规定，强度胀接适用于设计压力≤4MPa、设计温度≤300℃、无剧烈振动、无过大温度变化及无应力腐蚀的场合；强度焊接适用于振动较小和无间隙腐蚀的场合；胀、焊并用适用于密封性能较高、承受振动或疲劳载荷、有间隙腐蚀、采用复合管板的场合。由此可见，单纯胀接或强度焊接的连接方式使用条件是有限制的。胀、焊并用结构由于能有效地阻尼管束振动对焊口的损伤，避免间隙腐蚀，并且有比单纯胀接或强度焊具有更高的强度和密封性，因而得到广泛采用。目前对常规的换热管通常采用“贴胀＋强度焊”的模式；而重要的或使用条件苛刻的换热器则要求采用“强度胀＋密封焊”的模式。胀、焊并用结构按胀接与焊接在工序中的先后次序可分为先胀后焊和先焊后胀两种。 1 先胀后焊 管子与管板胀接后，在管端应留有15mm长的未胀管腔，以避免胀接应力与焊接应力的迭加，减少焊接应力对胀接的影响，15mm的未胀管段与管板孔之间存在一个间隙。在焊接时，由于高温熔化金属的影响，间隙内气体被加热而急剧膨胀。据国外资料介绍，间隙腔内压力在焊接收口时可达到200～300MPa的超高压状态。间隙腔的高温高压气体在外泄时对强度胀的密封性能造成致命的损伤，且焊缝收口处亦将留下肉眼难以觉察的针孔。目前通常采用的机械胀接，由于对焊接裂纹、气孔等敏感性很强的润滑油渗透进入了这些间隙，焊接时产生缺陷的现象就更加严重。这些渗透进入间隙的油污很难清除干净，所以采用先胀后焊工艺，不宜采用机械胀的方式。由于贴胀是不耐压的，但可以消除管子与管板管孔的间隙，所以能有效的阻尼管束振动到管口的焊接部位。但是采用常规手工或机械控制的机械胀接无法达到均匀的贴胀要求，而采用由电脑控制胀接压力的液袋式胀管机胀接时可方便、均匀地实现贴胀要求。采用液袋式胀管机胀接时，为了使胀接结果达到理想效果，胀接前管子与管板孔的尺寸配合在设计制造上必须符合较为严格的要求。只有这样对于常规设计的“贴胀＋强度焊”可采用先胀后焊的方式，而对特殊设计的“强度胀＋强度焊”则可采用先贴胀，再强度焊，最后强度胀的方法。 2 先焊后胀 在制造过程中，一台换热器中有相当数量的换热管，其外径与管板管孔孔径之间存在着较大的间隙，且每根换热管其外径与管板管孔间隙沿轴向是不均匀的。当焊接完成后胀接时，管子中心线必须与管板管孔中心线相重合。当间隙很小时，上端15mm的未胀管段将可以减轻胀接变形对焊接的影响。当间隙较大时，由于管子的刚性较大，过大的胀接变形将越过15mm未胀区的缓冲而对焊接接头产生损伤，甚至造成焊口脱焊。所以对于先焊后胀工艺，控制管子与管板孔的精度及其配合为首要的问题。当管子与管板腔的间隙小到一定值后，胀接过程将不至于损伤到焊接接头的质量。有关资料显示，管口的焊接接头承受轴向力的能力是相当大的，即使是密封焊，焊接接头在做静态拉脱试验时，管子拉断了，焊口将不会拉脱。然而焊口承受切向剪力的能力相对较差，所以强度焊后，由于控制达不到要求，可能造成过胀失效或胀接对焊接接头的损伤。 3 合理的制造工艺 3.1 管子与管孔的公差控制 (1)换热管 在采购换热管时要求每台换热器所使用的换热管在冷拔加工时应采用同一坯料(炉批次)的原料，并在同一台经校验试验合格的拉管机上生产，这样才能保证每根换热管具有相同的材质、规格与精度。换热管外径的均匀一致能保证管子与管板管孔的间隙，内径的均匀一致能保证与液袋式胀管机胀头的匹配性，从而延长胀头的使用寿命。一般管子与管板管孔间隙要求控制在(0.3±0.05)mm范围内，而液袋式胀管机胀头外径与管子内径的公差也应控制在 (0.3±0.05)mm范围内。 (2)管板 为使换热器管板管孔与管子外径在同一公差范围内，首先必须根据到货换热管外径的实际精度尺寸决定管板管孔的加工精度，如上所述，管板管孔与已到货换热管实际均匀外径间隙仍应控制在(0.3土0.05)mm范围内。 3.2换热管与管板的加工及验收
固定管板式换热器的设计 学生：库勇智，化学与环境工程学院 指导教师：王小雨，江汉大学 摘要 换热器是用来在流体间交换热量的装置，在化学专业中具有非常重要的地位，被使用于化工各行业中。由于其中固定管板式换热器管板和壳体是一体构造，具有结构简单、造价十分便宜的优点，所以被普遍的使用。 这篇设计说明书上面着重说明了换热器的换热面积、各个设计压力和设计温度以及接管等数据参数。根据上面所给的数据和换热器类型来对换热器的各个零部件，即换热管根数，尺寸、排列方式，壳体和管箱、封头等等，最后校核、压力试验，根据工艺结构选出材料，最后作图。 本设计说明书的每一部分都是完全参照GB150-2011《压力容器》和GB151-2014《热交换器》中固定管板式换热器的有关标准来计算、校核和选型的。 关键词 管壳式换热器；固定管板式换热器；加热器
Abstract Heat exchanger is a device for exchanging heat between the fluids and in chemistry has a very important position, is used in the chemical industry. Because of the fixed tube plate heat exchanger tube plate and the shell is an integral structure, with has the advantages of simple structure, low cost advantages, so be widely use. The design specification above illustrates the change of the heat exchange area of the heat exchanger, each design pressure and temperature and over data parameters. According to the data given above and the heat exchanger type heat exchanger parts, i.e. the heat exchange tube number, size, arrangement, shell and tube box, head, and so on, finally checking, pressure test, selected according to process structure materials. Finally, drawing. The design specification is strictly according to GB150-2011< pressure container > and heat GB151-2014< exchanger is > fixed tube plate heat exchanger of the relevant provisions of the calculation, selection and checking. Key words Shell and tube heat exchanger ；fixed tube heat exchanger ；heater
%物性参数 % 有机液体取69度 p1=997; cp1=2220; mu1=0.0006; num1=0.16; % 水取30度 p2=995.7; mu2=0.0008; cp2=4174; num2=0.62; %操作参数 % 有机物 qm1=18;%-----------有机物流量-------------- dt1=78; dt2=60; % 水 t1=23; t2=37;%----------自选----------- %系标准选择 dd=0.4;%内径 ntc=15;%中心排管数 dn=2;%管程数 n=164;%管数 dd0=0.002;%管粗 d0=0.019;%管外径 l=0.025;%管心距 dl=3;%换热管长度 s=0.0145;%管程流通面积 da=28.4;%换热面积 fie=0.98;%温差修正系数----------根据R和P查表------------ B=0.4;%挡板间距-----------------自选-------------- %预选计算 dq=qm1*cp1*(dt1-dt2); dtm=((dt1-t2)-(dt2-t1))/(log((dt1-t2)/(dt2-t1))); R=(dt1-dt2)/(t2-t1); P=(t2-t1)/(dt1-t1); %管程流速 qm2=dq/cp2/(t2-t1); ui=qm2/(s*p2);
%管程给热系数计算 rei=(d0-2*dd0)*ui*p2/mu2; pri=cp2*mu2/num2; ai=0.023*(num2/(d0-2*dd0))*rei^0.8*pri^0.4; %管壳给热系数计算 %采用正三角形排列 Apie=B*dd*(1-d0/l);%最大截流面积 u0=qm1/p1/Apie; de=4*(sqrt(3)/2*l^2-pi/4*d0^2)/(pi*d0);%当量直径 re0=de*u0*p1/mu1; pr0=cp1*mu1/num1; if re0>=2000 a0=0.36*re0^0.55*pr0^(1/3)*0.95*num1/de; else a0=0.5*re0^0.507*pr0^(1/3)*0.95*num1/de; end %K计算 K=1/(1/ai*d0/(d0-2*dd0)+1/a0+2.6*10^(-5)+3.4*10^-5+dd0/45.4); %A Aj=dq/(K*dtm*fie); disp('K=') disp(K); disp('A/A计='); disp(da/Aj); %计算管程压降 ed=0.00001/(d0-2*dd0); num=0.008; err=100; for i=0:5000 err=1/sqrt(num)-1.74+2*log(2*ed+18.7/(rei*sqrt(num)))/log(10); berr=err/(1/sqrt(num)); if berr<0.01 break; else num=num+num*0.01;
换热器设计： 一：确定设计方案： 1、选择换热器的类型 两流体温度变化情况，热流体进口温度130°C，出口温度80°C；冷流体进口温度40°C，出口温度65°C。该换热器用自来水冷却柴油，油品压力0.9MP，考虑到流体温差较大以及壳程压强0.9MP，初步确定为浮头式的列管式换热器。2、流动空间及流速的确定 由于冷却水容易结垢，为便于清洗，应使水走管程，柴油走壳程。从热交换角度，柴油走壳程可以与空气进行热交换，增大传热强度。选用Φ25×2.5 mm 的10号碳钢管。 二、确定物性数据 定性温度:可取流体进口温度的平均值。 壳程柴油的定性温度为 T1=130°C，T2=80°C，t1=40°C，t2=65°C T=(130+80)/2=105(°C) 管程水的定性温度为 t=(40+65)/2=52.5(°C) 已知壳程和管程流体的有关物性数据 柴油105°C下的有关物性数据如下: ρ=840 kg/m3 密度 定压比热容C o=2.15 kJ/（kg·k） 导热系数λo=0.122 W/(m·k) 粘度μo=6.7×10-4N·s/m2 水52.5°C的有关物性数据如下： ρ=988 kg/m3 密度 i C=4.175 kJ/（kg·k） 定压比热容 i λ=0.65 W/(m·k) 导热系数 i
粘度 μi =4.9×10-4 N·s/m 2 三、计算总传热系数 1.热流量 m 0=95000(kg/h) Q 0= m 0C o Δt o =95000×2.15×(130-80)=10212500kJ/h=2836.8(kw) 2.平均传热温差 m t '?=(Δt 1-Δt 2 )/ln(Δt 1/Δt 2)=[(130-65)-(80-40)]/ln[(130-65)/(80-40)]=51.5(°C) 其中Δt 1=T 1-t 2，Δt 2=T 2-t 1。 3.水用量 W c =Q 0/(C i Δt i )=10212500/[4.175×(65-40)]=97844.3kg/h=27.18kg/s 平均温差 1 221t t T T R --= =406580 130--=2 1112t T t t P --= =40 1304065--=0.28 选择卧式冷凝器，冷凝在壳程，为一壳程四管程，查图可得t ??=0.88。 m t m t t '??=???=0.88×51.5=45.32°C 管子规格5.225?φ，L=3m 。 管束排列方式：正三角形排列。 一壳程四管程三角形管束排列方式285.2175.011==n K ，。 四、传热面积初值计算 取总传热系数K=335W/(m 2.°C) 18632 .45335108.28363 =??=?=m t K Q F m 2 一管子面积 3102031???==-ππL d F i =0.1884m 2 管子数 9871884 .01861=== F F N t 管子中心距 o d t 25.1==1.25×25=31.25mm ，取t=32mm
固定管板式换热器的结构设计 摘要 换热器是化工、石油、动力、冶金、交通、国防等工业部门重要工艺设备之一，其正确的设置，性能的改善关系各部门有关工艺的合理性、经济性以及能源的有效利用与节约，对国民经济有着十分重要的影响。 换热器的型式繁多，不同的使用场合使用目的不同。其中常用结构为管壳式，因其结构简单、造价低廉、选材广泛、清洗方便、适应性强，在各工业部门应用最为广泛。 固定管板式换热器是管壳式换热器的一种典型结构，也是目前应用比较广泛的一种换热器。这类换热器具有结构简单、紧凑、可靠性高、适应性广的特点,并且生产成本低、选用的材料范围广、换热表面的清洗比较方便。固定管板式换热器能承受较高的操作压力和温度，因此在高温高压和大型换热器中，其占有绝对优势。 固定管板式换热器主要由壳体、换热管束、管板、前端管箱（又称顶盖或封头）和后端结构等部件组成。管束安装在壳体内，两端固定在管板上。管箱和后端结构分别与壳体两端的法兰用螺栓相连，检修或清洗时便于拆卸。换热器设计的优劣最终要看是否适用、经济、安全、运行灵活可靠、检修清理方便等等。一个传热效率高、紧凑、成本低、安全可靠的换热器的产生，要求在设计时精心考虑各种问题.准确的热力设计和计算，还要进行强度校核和符合要求的工艺制造水平。 关键词：换热器；固定管板式换热器；结构；设计
The Structural Design of Fixed Tube Plate Heat Exchanger Author : Chen Hui-juan Tutor : Li Hui Abstract Heat exchanger is one of the most important equipments which is used in the fields of chemical, oil, power, metallurgy, transportation, national defense industry. Its right setting and the improvements of performance play an important role in the rationality o technology, economy, energy utilization and saving, which has a very important impact on the national economy. The type of heat exchanger is various, the different use occasions and the purpose is are commonly used for the tube shell type structure, because of its simple structure, low cost and wide selection, easy to clean, strong adaptability, the most widely used in various industry departments. Fixed tube plate heat exchanger is a kind of typical structure of tube and shell heat exchanger, also is a kind of heat exchanger is applied more widely. This kind of heat exchanger has simple and compact structure, high reliability, the characteristics of wide adaptability, and the production of low cost, wide range of selection of materials, heat exchange surface cleaning more convenient. Fixed tube plate heat exchanger can operate under high pressure and temperature, therefore, the heat exchanger in high temperature and high pressure and large in its possession of absolute advantage. Fixed tube plate heat exchanger is mainly composed of shell, heat
1．设计题目及设计参数 (1) 1.1设计题目：满液式蒸发器 (1) 1.2设计参数： (1) 2设计计算 (1) 2.1热力计算 (1) 2.1.1制冷剂的流量 (1) 2.1.2冷媒水流量 (1) 2.2传热计算 (2) 2.2.1选管 (2) 2.2.2污垢热阻确定 (2) 2.2.3管内换热系数的计算 (2) 2.2.4管外换热系数的计算 (3) 2.2.5传热系数 K计算 (3) 2.2.6传热面积和管长确定 (4) 2.3流动阻力计算 (4) 3．结构计算 (5) 3.1换热管布置设计 (5) 3.2壳体设计计算 (5) 3.3校验换热管管与管板结构合理性 (5) 3.4零部件结构尺寸设计 (6) 3.4.1管板尺寸设计 (6) 3.4.2端盖 (6) 3.4.3分程隔板 (7) 3.4.4支座 (7) 3.4.5支撑板与拉杆 (7) 3.4.6垫片的选取 (7) 3.4.7螺栓 (8) 3.4.8连接管 (9) 4．换热器总体结构讨论分析 (10) 5．设计心得体会 (10) 6．参考文献 (10)
1．设计题目及设计参数 1.1设计题目：105KW 满液式蒸发器 1.2设计参数： 蒸发器的换热量Q 0=105KW ； 给定制冷剂：R22； 蒸发温度：t 0=2℃，t k =40℃， 冷却水的进出口温度： 进口1t '=12℃; 出口1 t " =7℃。 2设计计算 2.1热力计算 2.1.1制冷剂的流量 根据资料【1】，制冷剂的lgp-h 图：P 0=0.4MPa ，h 1=405KJ/Kg ，h 2=433KJ/Kg ， P K =1.5MPa ，h 3=h 4=250KJ/Kg ，kg m 04427.0v 3 1=，kg m v 3 400078.0= 图2-1 R22的lgP-h 图 制冷剂流量s kg s kg h h Q q m 667 .0250 4051054 10=-= -= 2.1.2冷媒水流量 水的定性温度t s =（12+7）/2℃=9.5℃,根据资料【2】附录9，ρ=999.71kg/m 3 ,c p =4.192KJ/(Kg ·K)
换热器管板孔沟槽刀的简易设计 在换热器管束制造过程中，管板与换热管的连接方式主要有胀接、焊接、胀焊并用等方式。为了保证换热管与管板连接的密封性及抗拉脱强度，提高换热管与管板的胀接质量，通常采用在管孔上开槽的形式。原有管板挖槽依靠镗床利用手工摆动装有挖刀的芯轴来控制挖刀挖槽的深度，准确性差，造成槽的深度不一样，且挖槽后圆孔内壁出现很多毛剌难以消除，使管子胀接在管板的圆孔内后连接牢度低，密封性差。这种方式已不能完全满足批量管板沟槽的加工所以根据生产的实际需要我们设计了结构简单、经济耐用的沟槽刀具。 标签：换热管管板开槽沟槽刀简易设计 目前，管壳式热交换器（冷却器、加热器）广泛应用于石油、化工、轻工、制药能源等工业生产中。为了提高换热器的密封性能和增加拉脱力，越来越多的换热器采用了胀接（贴胀或强度胀）的密封形式，即在两端的管板孔内增加密封槽。其中对于薄管板（厚度小于25mm）一般开单槽，对于厚度大于25mm的一般设置两个沟槽，在一些有特殊要求的情况下有些设置三个沟槽。如图一。 其中δ为管板的厚度；K为槽的深度。 1 目前存在的问题 随着换热器的发展，换热器的换热面积及直径越来越大，一台管壳式换热器可能有几百根乃至上千根换热管，相应管板上就有成百上千个管孔。在每个管孔上加工两个沟槽，对机械加工带来很大的挑战。 1.1 用镗床加工如果采用在镗床上加工的方法，加工费用、加工精度以及进度都无法保证。 1.2 使用成型刀具加工如果采用外购的成型刀具，购买刀具的费用大巨大、且这种成型刀具不耐用，对中小型企业是一笔不小的开支。随着生产的换热器数量的增加，这种矛盾则更为突出。我们经过反复研究、试验、实践，设计了一款管板孔开沟槽刀具。该款刀具结构简单，并能保证沟槽的加工质量；操作过程简单，且价格低廉，适用于各种企业。目前我公司已成功用于批量生产。 2 设计原理 使用普通钻床，利用定位装置安装一活动刀头，运用钻床的上、下移动及转动来完成开槽工序。 该沟槽刀如图二所示，其组成分为刀头、刀杆、定心套、定位轴、调整螺栓、锥柄、刀体、限位螺栓、连接套等20个组件。其特点是，首先将刀杆与衬套及刀体三者利用定位轴固定为一体，工作时三者可同时转动；接着穿入定心套、轴
固定管板式换热器 一 换热管 1换热管外径 取换热管外径为25*2.5。 2换热管数量及长度 *(0.1)A n d L π=- A 换热面积 D 换热管外径 l 换热管长度 A=402m 取安全系数1.125，1*1.12546A A == 140*1.125 248*(0.1) 3.14*0.02*(30.1)A n d L π==≈-- n=248 L=3
3布管 （1）换热管排列方式 采用正三角形排列 （2）换热管中心距 查阅课本139页表5-3确定换热管中心距是32mm 。 二换热器壳体 1换热器内径计算 0*(1)(2~3)*D t b d =-+ t 管心距 d 0 换热管外径 D 壳体内径 17.32281b === 0*(1)(2~3)*D t b d =-+ t=32mm 32*(17.322811)2*25572.32992 D =-+= 取D=600mm
2筒体壁厚计算 水蒸气工作压力1.27Mpa ，脱盐水工作压力1.28Mpa 。 材料选16MnR 工作温度T=150/170℃ 查阅课本32页确定设计设计温度T W =170/190℃ 脱盐水走壳程，水蒸气走管程。 *2*[]*c i t c p D p δσφ=- δ 圆筒的计算壁厚 c p 圆筒的计算压力 []t σ 许用应力 φ 焊接接头系数 []t σ 156 查阅课本32页确定c p =1.28+0.18=1.46Mpa GB150规定焊接接头系数容器受压元件焊接接头的工艺特点以及无损检测的抽查率确定，查阅课本38页确定φ=0.85。 * 1.46*600 3.322*[]*2*156*0.86 1.46 c i t c p D mm p δσφ==≈-- d C δδ=+ 查阅课本40也确定C 2=1.5mm 。 查阅课本39页确定C 1=0.3mm C= C 1 + C 2=1.8mm 3.321 1.8 5.121d C mm δδ=+=+= 元整后6n mm δ= (3)布管限定圆 查阅GB15132*L i D D b =-