7.管壳式换热器的机械设计

管壳式换热器（GB151-1999）1.管壳式换热器的结构组成：a 受压元件：壳体、膨胀节、设备法兰、换热管、管箱、管板、接管及法兰（DN250）设备主螺柱（M36）b 非受压元件：支座、折流板、拉杆c 管程：与换热管相连通的空间d 壳程：换热管外部、壳体内部的连通空间2管壳式换热器的设计：a 工艺设计：A 、Δp换热器直径、换热管规格、材料、数量、长度、排列方式、程数、折流板结构和数量； b 机械设计：换热管束级别确定，结构设计，强度、刚度、稳定性计算第一部分 传热和换热器基本知识列管式换热器的工艺设计步骤：1、计算传热量、平均温差，估计总传热系数K ，估算传热面积；（1）传热量的计算：两流体无相变热量衡算式： 可知：要想计算传热量，需要知道4个温度和2个流量。

（2）传热温差的计算： （3）传热面积的估算：2、设定换热管规格和管内流体流速，计算换热管数和长度，确定管程数；管束分程： 在满足流量和压降的前提下，采用多管程可提高流速，达到强化传热的目的，管程数一般有1、2、4、6、8、10、12等7种，布管原则为：① 应尽可能使各管程的换热管数大致相等； ②分程隔板槽形状简单，密封面长度较短。

3、根据换热管数量和排列形式，确定换热器壳体直径；（1）换热管的排列形式：三角形、正方形排列（2）换热管中心距：宜不小于1.25d0，常用管间距详见GB151表12筒体直径估算值：（3）布管限定范围： 固定管板式换热器或U 形管换热器管束最外层换热管外表面至壳体内壁的最短距()()2112e c pc c c h ph h h Q W c T T W c T T ζ=⋅-=⋅⋅-∆-∆∆=∆∆1212,ln()m t t t t t 122m t t t ∆+∆∆=或e m Q A K t =⋅∆2,0.785i V n d u =A l dn π=1.05n D t η=离为0.25d0，一般不小于8mm 。

管壳式换热器设计及软件开发本文主要介绍管壳式换热器设计及软件开发的相关知识。

对管壳式换热器的基本概念、特点及用途进行简要阐述；详细介绍了管壳式换热器的设计要点和计算方法；探讨了管壳式换热器软件开发的流程和模块功能。

关键词：管壳式换热器、设计、软件开发、计算方法、流程管壳式换热器是一种广泛应用于化工、石油、能源等领域的传热设备，其作用是将热量从一种介质传递到另一种介质。

这种换热器的特点是结构紧凑、传热效率高、适用范围广等，因此备受。

本文将介绍管壳式换热器的设计及软件开发，以期为相关领域的研究和应用提供参考。

管壳式换热器的设计是整个换热器的核心部分。

在设计过程中，需要考虑传热面积、材料选择、结构设计、防腐蚀措施等多种因素。

同时，还需要根据不同的工艺条件和实际需求进行优化，以获得最佳的传热效果和经济效益。

具体来说，管壳式换热器设计的要点包括以下几个方面：工艺计算：根据实际工艺条件，进行传热面积、流速、压力等工艺参数的计算，以确定换热器的规格和型号。

材料选择：根据实际需求和使用环境，选择合适的材料，以保证换热器的耐腐蚀、耐高温、耐高压等特性。

结构设计：根据实际工艺条件和材料特性，设计换热器的结构，以获得最佳的传热效果和机械强度。

防腐蚀措施：针对不同的工艺条件和使用环境，采取相应的防腐蚀措施，以保证换热器的使用寿命。

在管壳式换热器的软件开发方面，需要结合实际需求进行流程设计和模块开发。

一般来说，管壳式换热器软件开发的流程包括以下几个步骤：需求分析：根据实际需求，明确软件的功能和性能要求，以及用户界面设计等。

数据输入：根据需求分析结果，设计数据输入界面，以方便用户输入相关工艺参数和技术要求。

计算及优化：利用相关算法和模型，对输入数据进行计算和优化，以获得最佳的换热器设计方案。

结果输出：将计算和优化结果以图表或报告的形式输出，以便用户进行评估和选择。

用户反馈及维护：根据用户反馈，不断完善软件功能和性能，确保软件的稳定性和可靠性。

生意社08月13日讯
1、工艺计算:
1>按流体种类、冷却流体的流量、进出口温度、工作压力等计算出需要传递的热量。

2>根据流体的腐蚀性及其它特性选择管子和壳体的材料。

并根据材料加工特性,流体的流量、压力、温度,换热管与壳体的温度,需要传递热量的多少,造价的高低及检修清洗方便等因素,决定采用哪一种类型的管壳式换热器。

3>确立流体的流动空间,即确定管程与壳程内分别是什么介质
4>确定参与换热器的两种流体的流向,使并流、逆流还是错流。

并计算出流体的有效平均温差.
5>根据经验初选传热系数K,并估算所需传热面积A。

6>根据计算出传热面积A,参照我国管壳式换热器标准系列，初步确定换热器的基本参数(管径、管程数、管子根数、管长、管子排列方式、折流元件等的型式及布置、壳体直径等结构参数)。

7>根据确定的标准系列尺寸，进行传热系数的校核和阻力降的计算。

最后按标准选用换热器或者进行机械设计。

2、机械设计计算
机械设计计算包括：
(1)壳体和管箱壁厚的计算
(2)管子与管板连接结构设计
(3)壳体与管板连接结构设计
(4)管板厚度计算
(5)折流板、支持板等零部件的结构设计
(6)换热管与壳体在温差和流体压力联合作用下的应力计算
(7)管子拉脱力和稳定性校核
(8)判断是否需要膨胀节，如需要，则选择膨胀节结构形式，并进行有关的计算。

(9)接管、接管法兰、容器法兰、支座等的选择及开孔补强设计。

第一章换热器简介及发展趋势1.1 概述在化工生产中，为了工艺流程的需要，常常把低温流体加热或把高温流体冷却，把液态汽化或把蒸汽冷凝程液体，这些工艺过程都是通过热量传递来实现的。

进行热量传递的设备称为换热设备或换热器。

换热器是通用的一种工艺设备，他不仅可以单独使用，同时又是很多化工装置的组成部分。

在化工厂中，换热器的投资约占总投资的10%——20%，质量约为设备总质量的40%左右，检修工作量可达总检修工作量的60%以上。

由此可见，换热器在化工生产中的应用是十分广泛的，任何化工生产工艺几乎都离不开它。

在其他方面如动力、原子能、冶金、轻工、制造、食品、交通、家电等行业也有着广泛的应用。

70年代的世界能源危机，有力地促进了传热强化技术的发展，为了节能降耗，提高工业生产经济效益，要求开发适用于不同工业过程要求的高效能换热设备[1]。

这是因为，随着能源的短缺(从长远来看，这是世界的总趋势)，可利用热源的温度越来越低，换热允许温差将变得更小，当然，对换热技术的发展和换热器性能的要求也就更高[2]。

所以，这些年来，换热器的开发与研究成为人们关注的课题，最近，随着工艺装置的大型化和高效率化，换热器也趋于大型化，向低温差设计和低压力损失设计的方向发展。

同时，对其一方面要求成本适宜，另一方面要求高精度的设计技术。

当今换热器技术的发展以CFD(Computational Fluid Dynamics)、模型化技术、强化传热技术及新型换热器开发等形成了一个高技术体系[3]。

当前换热器发展的基本趋势是：继续提高设备的传热效率，促进设备结构的紧凑性，加强生产制造的标准化系列化和专业化，并在广泛的范围内继续向大型化的方向发展。

各种新型高效紧凑式换热器的应用范围将得到进一步扩大。

在压力、温度和流量的许可范围内，尤其是处理强腐蚀性介质而需要使用贵重金属材料的场合下，新型紧凑式换热器将进一步取代管壳式换热器。

总之，为了适应工艺发展的需要，今后在强化传热过程和换热设备方面，还将继续探索新的途径。

管壳式换热器（过热蒸汽0.65MPa,295℃;水0.8MPa,50℃）摘要本设计说明书是关于固定管板是换热器的设计，设计依照GB151-1999《钢制管壳式换热器》进行，设计中对换热器进行化工计算、结构设计、强度计算。

设计第一步是对换热器进行化工计算，主要根据给定的设计条件估算换热面积，初定换热器尺寸，然后核算传热系数，计算实际换热面积，最后进行阻力损失计算。

设计第二步是对换热器进行结构设计，主要是根据第一步计算的结果对换热器的各零部件进行设计，包括管箱、定距管、折流板等。

设计第三步是对换热器进行强度计算，并用软件SW6进行校核。

最后，设计结果通过图表现出来。

关键词：换热器，固定管板，化工计算，结构设计，强度计算。

AbtractThe design statement is about the fixed tube sheet heat exchanger .In the design of the heat exchanger ,the chemical calculation,the structure design and the strength calculation must according to GB151-1999“Steel System Type Heat exchanger ”.The first step of the design is the chemical calculation .Mainly according to the given design conditions to estimate the heat exchanger area and select heat exchanger size.Then check the heat transfer coefficient, calculate the actual heat transfer area,and finally calculate the resistance loss.The second step of the design of heat exchanger is the structural design of the heat exchanger. The design of heat exchanger parts mainly according to the first step of calculation.such as tube boxes , the distance control tube, baffled plates .The third step of the design of heat exchanger is the strength calculation and using SW6 software to check. Finally, the design results are shown in figures.Key words: heat changer, fixed tude plate, chemical calculation,structure design, strength calculation.一、前言管壳式换热器是目前应用最广的换热设备，它具有结构坚固、可靠性高、适用性强、选材广泛等优点。

《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。

第十七章管壳式换热器（shellandtubeheatexchange）本章重点讲解内容：（1）熟悉管壳式换热器的整体结构及其类型；（2）熟悉主要零部件的作用及适用场合；（3）熟悉膨胀节的功能及其设置条件。

第一节总体结构管壳式换热器又称列管式换热器，是一种通用的标准换热设备。

它具有结构简单、坚固耐用、造价低廉、用材广泛、清洗方便、适应性强等优点，应用最为广泛，在换热设备中占据主导地位。

管壳式换热器是把换热管束与管板连接后，再用筒体与管箱包起来，形成两个独立的空间。

管内的通道及与其相贯通的管箱称为管程（tube-side）；管外的通道及与其相贯通的部分称为壳程（shell-side）。

一种流体在管内流动，而另一种流体在壳与管束之间从管外表面流过，为了保证壳程流体能够横向流过管束，以形成较高的传热速率，在外壳上装有许多挡板。

以下结合不同类型的管壳式换热器介绍其相应的总体结构。

1、固定管板换热器其由壳体、管束、封头、管板、折流挡板、接管等部件组成。

结构特点为：两块管板分别焊于壳体的两端，管束两端固定在管板上。

换热管束可做成单程、双程或多程。

它适用于壳体与管子温差小的场合。

图1固定管板换热器结构示意图优点：结构简单、紧凑。

在相同的壳体直径内，排管数最多，旁路最少；每根换热管都可以进行更换，且管内清洗方便。

缺点：壳程不能进行机械清洗；当换热管与壳体的温差较大（大于50°C）时产生温差应力，需在壳体上设置膨胀节，因而壳程压力受膨胀节强度的限制不能太高。

固定管板式换热器适用于壳方流体清洁且不易结垢，两流体温差不大或温差较大但壳程压力不高的场合。

2、浮头式换热器浮头式换热器适用于壳体和管束壁温差较大或壳程介质易结垢的场合。

结构特点是两端管板之一不与壳体固定连接，可在壳体内沿轴向自由伸缩，称为浮头。

图2浮头式换热器结构示意图优点：当换热管与壳体有温差存在，壳体或换热管膨胀时，互不约束，不会产生温差应力；管束可从壳体内抽出，便于管内和管间的清洗。

管壳式换热器的工作原理及结构随着科技高速发展的今天，换热器已广泛应用国内各个生产领域，换热器跟人们生活息息相关。

换热器顾名思义就是用来热交换的机械设备。

换热器是一种非常重要的换热设备，能够把热量从一种介质传递给另一种介质，在各种工业领域中有很广泛的应用。

尤其在化工、能源、交通、机械、制冷、空调等领域应用更广泛。

换热器能够充分利用工业的二次能源，并且能够实现余热回收和节能。

换热器分为很多类型，管壳式换热器是很普遍的一种。

管壳式换热器的传热强化技术主要包括管程和壳程的传热强化研究。

本文对管壳式换热器的原理进行简单介绍。

一、管壳式换热器的工作原理管壳式换热器由一个壳体和包含许多管子的管束所构成，冷、热流体之间通过管壁进行换热的换热器。

管壳式换热器作为一种传统的标准换热设备，在化工、炼油、石油化工、动力、核能和其他工业装置中得到普遍采用，特别是在高温高压和大型换热器中的应用占据绝对优势。

通常的工作压力可达4兆帕，工作温度在200℃以下，在个别情况下还可达到更高的压力和温度。

一般壳体直径在1800毫米以下，管子长度在9米以下，在个别情况下也有更大或更长的。

工作原理和结构图 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。

一、课程设计题目管壳式换热器的设计二、课程设计内容1．管壳式换热器的结构设计包括：管子数n，管子排列方式，管间距的确定，壳体尺寸计算，换热器封头选择，容器法兰的选择，管板尺寸确定塔盘结构，人孔数量及位置，仪表接管选择、工艺接管管径计算等等。

2. 壳体及封头壁厚计算及其强度、稳定性校核（1）根据设计压力初定壁厚；（2）确定管板结构、尺寸及拉脱力、温差应力；（3）计算是否安装膨胀节；（4）确定壳体的壁厚、封头的选择及壁厚，并进行强度和稳定性校核。

3. 筒体和支座水压试验应力校核4. 支座结构设计及强度校核包括：裙座体（采用裙座）、基础环、地脚螺栓5. 换热器各主要组成部分选材，参数确定。

6. 编写设计说明书一份7. 绘制2号装配图一张，Auto CAD绘3号图一张（塔设备的）。

三、设计条件气体工作压力管程：半水煤气0.75MPa壳程：变换气 0.68 MPa壳、管壁温差55℃，tt ＞ts壳程介质温度为220-400℃，管程介质温度为180-370℃。

由工艺计算求得换热面积为140m2，每组增加10 m2。

四、基本要求1.学生要按照任务书要求，独立完成塔设备的机械设计；2.设计说明书一律采用电子版，2号图纸一律采用徒手绘制；3.各班长负责组织借用绘图仪器、图板、丁字尺；学生自备图纸、橡皮与铅笔；4.画图结束后，将图纸按照统一要求折叠，同设计说明书统一在答辩那一天早上8：30前，由班长负责统一交到HF508。

5.根据设计说明书、图纸、平时表现及答辩综合评分。

五、设计安排六、说明书的内容1.符号说明2.前言（1）设计条件；（2）设计依据；（3）设备结构形式概述。

3.材料选择（1）选择材料的原则；（2）确定各零、部件的材质；（3）确定焊接材料。

4.绘制结构草图（1）换热器装配图（2）确定支座、接管、人孔、控制点接口及附件、内部主要零部件的轴向及环向位置，以单线图表示；（3）标注形位尺寸。

（4）写出图纸上的技术要求、技术特性表、接管表、标题明细表等5.壳体、封头壁厚设计（1）筒体、封头及支座壁厚设计；（2）焊接接头设计；（3）压力试验验算；6.标准化零、部件选择及补强计算：（1）接管及法兰选择：根据结构草图统一编制表格。

《化工设备机械基础》第一章化工设备材料及其选择一. 名词解释3.弹性模数(E)：材料在弹性范围内，应力和应变成正比，即σ=Eε,比例系数E为弹性模数。

6.泊松比（μ）：拉伸试验中试件单位横向收缩与单位纵向伸长之比。

对于钢材，μ=0.3 。

9.屈服点：金属材料发生屈服现象的应力，即开始出现塑性变形的应力。

它代表材料抵抗产生塑性变形的能力。

2.沸腾钢：沸腾钢在冶炼时用弱脱氧剂Mn脱氧，是脱氧不完全的钢。

其锭模上小下大，浇注后钢液在锭模中发生自脱氧反应，放出大量CO 气体，造成沸腾现象。

沸腾钢锭中没有缩孔，凝固收缩后气体分散为很多形状不同的气泡，布满全锭之中，因而内部结构疏松。

6.碳素钢：这种钢的合金元素含量低，而且这些合金元素不是为了改善钢材性能人为加入的。

1.热处理：钢铁在固态下通过加热,保温和不同的冷却方式，以改变其组织、满足所需要的物理,化学与机械性能，这样的加工工艺称为热处理。

5.化学腐蚀：金属遇到干燥的气体和非电解质溶液发生化学作用引起的腐蚀。

化学腐蚀在金属表面上，腐蚀过程没有电流产生。

6.电化学腐蚀：金属与电解质溶液间产生电化学作用而引起的破坏，其特点是在腐蚀过程中有电流产生。

二. 指出下列钢材的种类、含碳量及合金元素含量B组：第二章容器设计的基本知识二、指出下列容器属于一、二、三类容器的哪一类B组：三、填空题1、钢板卷制的筒体和成型封头的公称直径是指它们的（内）径。

2、无缝钢管做筒体时，其公称直径是指它们的（外）径。

3、查手册找出下列无封钢管的公称直径DN是多少毫米？4、压力容器法兰标准中公称压力PN有哪些等级？5、管法兰标准中公称压力PN有哪些等级？6．目前我国纳入安全技术监察范围的压力容器须同时具备的三个条件是（①最高工作压力pw≥0.1MPa；②内直径Di≥150mm，且容积V≥0.025m3；③介质为气体、液化气或最高工作温度高于标准沸点的液体。

）7．我国现有与压力容器相关的标准与规定有近（300）个。

管壳式换热器的设计计算1．流体流径的选择哪一种流体流经换热器的管程，哪一种流体流经壳程，下列各点可供选择时参考(以固定管板式换热器为例)(1) 不洁净和易结垢的流体宜走管内，以便于清洗管子。

(2) 腐蚀性的流体宜走管内，以免壳体和管子同时受腐蚀，而且管子也便于清洗和检修。

(3) 压强高的流体宜走管内，以免壳体受压。

(4) 饱和蒸气宜走管间，以便于及时排除冷凝液，且蒸气较洁净，冷凝传热系数与流速关系不大。

(5) 被冷却的流体宜走管间，可利用外壳向外的散热作用，以增强冷却效果。

(6) 需要提高流速以增大其对流传热系数的流体宜走管内，因管程流通面积常小于壳程，且可采用多管程以增大流速。

(7) 粘度大的液体或流量较小的流体，宜走管间，因流体在有折流挡板的壳程流动时，由于流速和流向的不断改变，在低Re(Re>100)下即可达到湍流，以提高对流传热系数。

在选择流体流径时，上述各点常不能同时兼顾，应视具体情况抓住主要矛盾，例如首先考虑流体的压强、防腐蚀及清洗等要求，然后再校核对流传热系数和压强降，以便作出较恰当的选择。

2. 流体流速的选择增加流体在换热器中的流速，将加大对流传热系数，减少污垢在管子表面上沉积的可能性，即降低了污垢热阻，使总传热系数增大，从而可减小换热器的传热面积。

但是流速增加，又使流体阻力增大，动力消耗就增多。

所以适宜的流速要通过经济衡算才能定出。

此外，在选择流速时，还需考虑结构上的要求。

例如，选择高的流速，使管子的数目减少，对一定的传热面积，不得不采用较长的管子或增加程数。

管子太长不易清洗，且一般管长都有一定的标准；单程变为多程使平均温度差下降。

这些也是选择流速时应予考虑的问题。

3. 流体两端温度的确定若换热器中冷、热流体的温度都由工艺条件所规定，就不存在确定流体两端温度的问题。

若其中一个流体仅已知进口温度，则出口温度应由设计者来确定。

例如用冷水冷却某热流体，冷水的进口温度可以根据当地的气温条件作出估计，而换热器出口的冷水温度，便需要根据经济衡算来决定。