管壳式换热器

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 。

4、确定折流板结构和数量；根据换热管最大无支撑跨距确定折流板间距，从而确定折流板数量（在满足要求的情况下，折流板数量应尽量少）5、核算总传热系数和传热面积，实际传热面积要大于等于计算面积约10～15%为宜； 6.传热工艺流程的确定原则：①不洁净或易于分解结垢的物料应流经易清洗的一侧，对于只管管束，一般是管内。

②具有腐蚀性的物料应走管内。

③压力高的物料走管内。

④温度很高（热媒）或很低（冷媒）的物料走管内，减少热损失。

⑤蒸汽一般走壳程，便于排液，传热系数也大。

⑥被冷却物料走壳程，便于散热。

⑦一般情况下，气体上进下出，液体下进上出。

7. 换热器机械设计：结构设计 :强度、刚度、稳定性计算第二部分 设计中出现的共性问题一、换热管管束级别的确定1、换热管GB/T1527《铜及铜合金拉制管》GB/T3625《换热器及冷凝器用钛及钛合金管》GB/T6893《工业用铝及铝合金拉（轧）制管》GB/T8163《输送流体用无缝钢管》GB/T8890《热交换器用铜合金管》GB9948《石油裂化用无缝钢管》GB13296《锅炉、热交换器用不锈钢无缝钢管》GB/T14976《流体输送用不锈钢无缝钢管》2、换热管束的分级1)采用碳素钢、低合金钢冷拔钢管做换热管时，其管束分为Ⅰ、Ⅱ两级。

Ⅰ级管束:较高级冷拔管，用在较重要的场合，如无相变传热、易产生振动的场合。

Ⅱ级管束：普通级冷拔管，用在重沸、冷凝传热、无振动的一般场合。

2)不锈钢、铝及其合金、铜及其合金、钛及其合金管均为高精度、较高精度管，为Ⅰ级管束。

3)由于管束的分级，造成后续设计上的差别：① 管板上管孔直径的差别（表16～21）。

② 折流板（或支持板）上管孔直径的差别（表35～40）。

③ 管板上钻孔孔桥宽度的差别（表51～52）注：降低换热管束级别使用的问题。

二、设计压力和设计温度1、设计压力—设定的换热器管、壳程顶部的最高压力。

对于同时受管、壳程压力作用的元件，仅在能保证管、壳程同时升、降压时，才可以按压差设计，否则应分别按管、壳程工作压力来确定设计压力，并应考虑可能存在的最苛刻的管、壳程压力组合。

按压差设计时，压差的取值还应考虑在压力试验时可能出现的最大压差值，同时设计者应提出压力试验的步骤。

2、设计温度—换热器在正常工作情况下，设定的元件金属温度（沿元件金属截面积的温度平均值）。

e mQ A K t =⋅∆120111i K R R δααλ=++++在任何情况下，元件金属的表面温度不得超过材料的允许使用温度。

铭牌上的管、壳程设计温度，分别为管程管箱和壳体的设计温度。

对于同时受管、壳程温度作用的元件可按金属温度确定设计温度，也可以取较高侧的设计温度。

三、压力试验（耐压试验和泄漏试验）：1、耐压试验：液压、气压和气液组合压力试验三种，优先选用前者。

进行气压和气液组合试验时，取φ=1.0（1）当管程压力低于壳程压力时，压力试验时，按正常试压就可以。

试验压力的最低值按下述规定，试验压力的上限还应满足应力校核的要求。

钢制或有色金属换热器的试验压力应不小于（注：液压时取1.25，气压和气液组合试验时取1.10，铸铁材料液压试验，系数取2.00，不允许气试）外压和真空换热器： 说明：A 、当换热器铭牌上规定有最大允许工作压力时，试验压力公式中应以该最大工作压力代替设计压力，对在用压力容器为工作压力。

B 、立式换热器卧置压力试验时，试验压力应计入试验介质的液柱静压力。

C 、当各元件所采用材料不同时，修正系数用各元件应力比值中的最小值。

（2）而当管程压力高于壳程压力时，GB151规定：接头试压应按图样规定，或按供需双方商定的方法进行。

出现上述工况时，一般按如下处理方法：1）用0.9ΦReL 的应力值计算壳程的试验压力，以尽量提高壳程试验压力使其达到管程试验压力，但此时必须注意壳程其它元件是否也能承受在此试验压力下的强度及密封性能。

用上述办法不能提高到规定的管程试验压力时，可采取以下办法：① 若差距不大，可以考虑适当增加厚度；② 如仍然相差甚远，则只能以壳程允许的最大试验压力试压，其后，再在壳程用氨渗透、卤素渗透或氦渗透进行补充性试验。

2）对于可抽式管束，可先打管程高压，用窥视镜从管板背面检查泄露情况。

2、泄漏试验：气密性、氨检漏、卤素检漏、氦检漏气密性试验 (PT=p):当符合下述情况时，应在压力试验合格后作气密性试验。

① 介质为（易燃、）易爆；② 介质的毒性程度为极度或高度危害；③ 对真空有较严格要求；④ 管、壳程介质互漏会产生严重危害；⑤ 如有泄漏将危及容器的安全性（如衬里等）和正常操作者。

四、饱和蒸汽介质时工作压力与工作温度、设计压力与设计温度的对应问题。

五、筒体设计计算和开孔补强计算时筒体壁厚计算公式中焊接接头系数的取值问题。

六、排气、排液接管对不允许有气体或不凝性气体存在的空间最上方应设置排气管；对停车需要将液体排净的空间最下方应设置排液管。

排气管、排液管的结构： 对卧式换热器： 对立式换热器：[][]1.25(1.10)T t p p σσ=1.25(1.15)T p p =七、 筒体（包括管箱筒体）设计：由强度决定的厚度 由刚度决定的厚度 由稳定性决定的厚度 1、由强度确定的壁厚 2、由刚度确定的壁厚（壳体与管箱筒体的最小厚度） 是指满足制造、运输和安装等刚度要求的厚度3、由稳定性要求确定的厚度八．封头的设计一般采用标准椭圆形封头 1、满足强度要求的厚度：2、满足内压作用下的稳定性要求的厚度K≤1椭圆封头的有效厚度应不小于封头内直径的0.15%，K ＞1时，为0.30%。

九、管板的设计1、管板的有效厚度：对整体管板而言，是指管程分程隔板槽底部的管板厚度减去下列二者之和：a 、管程腐蚀裕量超出管程分程隔板槽深度的部分；b 、壳程腐蚀裕量与管板在壳程侧的结构开槽深度二者中的较大值。

对复合管板而言，复层可计入有效厚度中，当复层材料强度低于基层时，要相应折减。

管板厚度：应不小于下列三者之和：①管板的强度计算厚度或5.6.2规定的最小厚度，取大者；②壳程腐蚀裕量或结构开槽深度，取大者；③管程腐蚀裕量或分程隔板槽深度，取大值。

管板的最小厚度： 是满足结构设计和制造要求、不包括腐蚀裕量的厚度。

视换热管胀接和焊接取不同的厚度。

见GB151第5.6.2.1和5.6.2.2条2、管板计算（1）力学模型：承受均布载荷、放置在弹性基础上、且受管孔均匀削弱的当量圆平板。

（3）设计条件的四种危险组合：如果不能保证ps 和pt 在任何情况下都能同时作用时，则不允许以壳程压力和管程压力的压力差进行管板设计。

如ps 和pt 之一为负压时，还应考虑压差的危险组合。

1）不带法兰的管板：① ps ≠0，pt ＝0，不计膨胀变形差；② ps ≠0，pt ＝0，同时计入膨胀变形差；③ pt ≠0，ps ＝0，不计膨胀变形差；④ pt ≠0，ps ＝0，同时计入膨胀变形差。

2）其延长部分兼作法兰的管板： 除应考虑以上的组合之外，还应考虑到法兰力矩对管板强度的影响（4）管板应力的调整：在设计中，管板应力超过许用应力后，为使其满足强度要求，可采用两种方法调整厚度。

1）增加管板厚度：2[]c i t c p D p δσφ⋅=-2[]0.5c i t c p D p δσφ⋅=-增加管板厚度，可以大大提高管板的抗弯截面模量，有效地降低管板应力，因此一般在压力引起的管板应力超过许用应力时，通常采取增加管板厚度的方法。

2）降低壳体轴向刚度：由于管束和壳体是刚性连接，当管束与壳壁的温差较大时，在换热管和壳体上将产生很大的轴向热应力，从而使管子产生较大的变形量，出现挠曲现象，使管板应力增加。

这时可采取降低壳体轴向刚度的方法，如设置膨胀节。

3、膨胀节的设置设置条件当以下任意一条不能满足时：a、壳体中的轴向应力不能满足强度条件时；b、管子中的轴向应力不能满足强度条件时；c、管子稳定性不够时；d、管子的拉脱力过大时。

4、分程隔板槽：a、槽深宜不小于4mm；b、分程隔板槽的宽度：碳钢12mm，不锈钢11mm；c、分程隔板槽拐角处的倒角一般为45°，倒角宽度近似等于分程垫片的圆角半径。

十、折流板（或支持板）设计（1）弓形折流板的缺口高度：应使流体通过缺口时与横过管束时的流速相近。

单弓形缺口弦高宜取h≈（0.20～0.45）Di，弓形折流板的缺口应切在管排中心线以下，或切于两排管孔的小桥之间。

（2）折流板的间距：折流板最小间距一般≮圆筒内直径的1/5，且不小于50mm；特殊情况也可取更小的间距；折流板最大间距应满足最大无支撑跨距要求。

按换热管的外径和材料查GB151表42确定。

（3）折流板的布置：折流板一般应按等距离布置、管束两端的折流板尽可能的靠近壳程进出口接管。

卧式换热器的壳程为单相清洁流体时，折流板缺口应水平上下布置，若气体中含有少量液体时，则应在缺口朝上的折流板的最低处开通液口；若液体中含有少量的气体时，则应在缺口朝下的折流板最高处开通气口，如下左图（a）、（b）所示。