管壳式换热器设计和选型31页PPT

② ①
特性
适用范围
ϕ25×2.5
325~1Байду номын сангаас00
2，4
3，6
ϕ19×2 ϕ25×2.5
△
浮头 式
GB/T 28712.1 —2012
325~1900
2，4， 3， 4.5， 6， ϕ19×2 6 9
◇
ϕ25×2.5
3.1 管壳式换热器的特点

管壳式换热器的主要组合部件
TEMA标准中规定的管壳式换热器的主要组合
图3-3 GB/T 151-1999 管壳式 换热器中的主要部件和部件代号图
⑤ F型壳体用于需要多壳体的工况，它可起到两台或多 台串联换热器的作用，并允许换热器温度交叉的出现。
3.1 管壳式换热器的特点

前端管箱和后端管箱
前端管箱有封头管箱和平盖管箱两种基本型式。封头管箱（B）最常用，一 般是在管侧流体较清洁的情况下使用。平盖管箱可以是可拆式（A）也可以与 管板做成一个整体（C）。对于水冷却器，当管侧需要定期清洗且管侧设计压 力小于1 MPa时，前封头可选A型，对于高压换热器前封头宜选择D型。各管箱 详细介绍见书p6~p7。 可参考的一般选型指导：

（a）竖缺形折流板
（b）横缺形折流板
图3-11 折流板缺口方向
3.2 管壳式换热器结构参数选择

折流板换热器间隙 折流板管孔与管壁之间的间隙 根据TEMA标准，对于未受支承的管子的最大长度为36 in（914.4 mm）
或更小，或者对于外径大于1.25 in（31.8 mm）的管子，该孔隙为1/32 in （0.80 mm）；对于未受支承的长度超过36 in，外径为1.25 in或更小的 管子，该孔隙为1/62 in（0.40 mm）。

滚 柱 胀 杆
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⑴胀接
要求管板硬度大于管子硬度，否则将管端退火后再胀接。
管板孔内开一个或两个环形槽，当胀管时管子产生塑性变 形，管壁被嵌入小槽内，可以提高连接强度和紧密性。 若管子用20钢， 则管板可选用什 么材料？ 10、20、35、 Q235、Q255、 16Mn
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胀接时管板上的孔可以是光孔，也可开槽。
FL t Et At FL s E S As
12
温差应力的产生
温差轴向力 F
t (t t ห้องสมุดไป่ตู้t 0 ) s (t s t 0 )
1 1 Et At E S AS
F 管壁内温差应力: t At F 壳壁内温差应力： s As
13
22
管箱与管程分程
管程分程常用的有1、2、4、6、8、10、12等。
23
三、管束
1.换热管的尺寸规格及材料
换热管管径越小，换热器单位体积的传热面积就越大，设 备就越紧凑，但制造麻烦。洁净的流体可取小管径；常用 的规格有Φ19×2、Φ25×2.5、Φ38×2.5、 Φ57×3.5等 规格。 管子材料，应根据设计压力、温度、介质腐蚀等选择，有 10 、 20、1Cr18Ni9Ti、Cu、Al等。对于低压、强腐蚀性 介质的换热器可选用石墨、聚四氟乙烯。 管子长度，推荐管长有1.0，1.5，2.0，2.5，3.0，4.5， 6.0，7.5，9.0，12.0m，其中以3m和6m最为普遍。
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⑵焊接
优点： ①管板孔表面粗糙度要不高，管端不需退火和磨光。
②强度高，抗拉脱力强，气密性好。应用广泛。 缺点：①管子破漏需拆卸更换困难，一般堵死。 ②管子、管板间存在间隙，易出现缝隙腐蚀。

（3） ）
（4） ）
（2）计算管程的压降和传热系数
a、参考表选定流速 参考表选定流速，确定管程数目，计算管程压降 参考表选定流速
l ρu 2 （ ∑ ∆pi = (∆p1 + ∆p2 )Ft N s N p = λ d + 3） 2 Ft N s N p
若管程允许压降已经有规定，可由上式计算管程数Ns. b、计算管内传热系数hi< K估则应增加管壳数，重新） 则应增加管壳数，重新） 计算。若改变管程不能同时满足h 和 计算。若改变管程不能同时满足 i> K估,和 ∑ ∆pi < ∆p允 ,则应重新估计 估(减小 ，另选一台换热器 则应重新估计K 减小 减小)， 则应重新估计 型号进行试算。 型号进行试算。
(2) BIU 600--1.6--90--6/25-2 II
封头管箱，公称直径600mm， 封头管箱，公称直径600mm，管、壳程压力均为 1.6MPa，公称换热面积90平方米 普通级冷拔换热管， 1.6MPa，公称换热面积90平方米，普通级冷拔换热管， 平方米， 外径25mm，管长6m， 管程，单壳程的U 外径25mm，管长6m，2管程，单壳程的U形管式换热 器。
⑦流量小或粘度大的流体宜走壳程，因流体在有 流量小或粘度大的流体宜走壳程， 折流挡板的壳程中流动， 折流挡板的壳程中流动，由于流速和流向的不断 改变，在低Re（Re>100）下即可达到湍流， 改变，在低Re（Re>100）下即可达到湍流，以 提高传热系数。 提高传热系数。 若两流体温差较大， ⑧若两流体温差较大，宜使对流传热系数大的流 体走壳程，因壁面温度与α大的流体接近， 体走壳程，因壁面温度与α大的流体接近，以减 小管壁与壳壁的温差，减小温差应力。 小管壁与壳壁的温差，减小温差应力。 以上原则并不是绝对的，对具体的流体来说， 以上原则并不是绝对的，对具体的流体来说， 上述原则可能是相互矛盾的。因此， 上述原则可能是相互矛盾的。因此，在选择流体 的流径时，必须根据具体的情况， 的流径时，必须根据具体的情况，抓住主要矛盾 进行确定。 进行确定。

kf Ai 1 hi hoo Ao 1 1 1 hi hoo 1
t fi t f 0
所以，只要 o 1 就可以起到强化换热的效果。 由于β值常常远大于1，而使η0β的值总是远大于1，这就
使肋化侧的热阻显著减小，从而增大传热系数的值。
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ln( d o d i ) 2 l
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上面三式相加

l t fi t fo
do 1 1 1 ln hi d i 2 d i ho d o
对外侧面积而言得传热系数的定义式由下式表示：
k ko 1 do d d 1 o ln o hi di 2 di ho
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1 构造和工作原理
翅片管热交换器可以仅由一根或若干根翅片管组成，如室内取 暖用翅片管散热器；也可再配以外壳、风机等组成空冷器型式 的热交换器。
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主要换热元件是翅片管，由基管和翅片组成。
翅片管的类型和选择
对翅片管的要求：良好的传 热性能、耐温性能、耐热冲 击能力（如介质热负荷不稳 定）及耐腐蚀能力，易于清 除尘垢，压降较低。
13
常见的翅片管形式
•
14
翅片管因制造方法不同而使其在传热性能、机械性能等方面有一定的 差异。按制造方法分有整体翅片、焊接翅片、高频焊翅片和机械连接 翅片。
整体翅片：由铸造、机械加工或轧制而成，翅片与管子一体，无接触 热阻，强度高，但要求翅片与管子同种材料。如低压锅炉的省煤器就 是采用整体翅片。 焊接翅片：用钎焊或氩弧焊等工艺制造，可使用与管子不一样的材料。 由于它制造简单、经济且具有较好的传热和机械性能，故已广泛应用， 主要问题是焊接工艺的质量。 高频焊翅片：利用高频发生器产生的高频电感应，使管子表面与翅片 接触处产生高温而部分熔化，同通过加压翅片与管子连成一体而成。 这种连接方法无焊剂、焊料，制造简单，性能优良。

（2）根据不同的目的，换热器可以是热交换器、加热器、 冷却器、蒸发器、冷凝器等。
（3）衡量一台换热器好坏的标准。
a.先进性 传热效率高，流体阻力小，材料省
b.合理性 可制造加工，成本可接受
c.可靠性 满足操作条件 ,强度足够,保证使用寿命
化工生产对换热设备提出的要求是： 传热效率高，流体阻力小； 强度、刚度、稳定性足够； 结构合理，节省材料，成本较低； 制造、装拆、检修方便等。
第一节 管壳式换热器的总体结构
一、概述
（4）任何一种换热器不可能十全十美。 板式换热器传热效率高、金属消耗量低，但流体阻力大、强度 和刚度差，制造、维修困难。 列管式换热器虽在传热效率、紧凑性、金属消耗量等方面均不 如板式换热器，但其结构坚固、可靠程度高、适应性强、材料 范围广，因而目前仍是石油、化工生产中，尤其是高温、高压 和大型换热器的主要结构型式。
二、管壳式换热器的种类及其结构
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：管内通道及与其相贯通的管箱，称为 管程空间；换热管外的通道及与其贯通的部分，称为壳程空间。
1 列管式换热器的主要结构： 横 向
壳体、管板、管束、顶盖（封头）、挡板 纵 向
2 列管式换热器的工作原理：
3）、缺点：填料处易泄漏。 4）、适用场合： 4MPa 以下，且不适用于易挥发、易
燃、易爆、有毒及贵重介质，使用温度受填料的物性 限制。
列管式换热器 种类
优点
缺点
固定管板式
管外清洗困难； 结构较简单，造价较低，相对 管壳间有温差应力存在； 其 它 列 管 式 换 热 器 其 管 板 最 薄 。当两种介质温差较大时必须
1-管箱(A,B,C,D型);2-接管法兰;3-设备法兰;4-管板;5-壳程接管;6-拉杆;7-膨胀 节;8-壳体;9-换热管;10-排气管;11-吊耳;12-封头;13-顶丝;14-双头螺柱;15-螺 母;16-垫片;17-防冲板;18-折流板或支承板;19-定距管;20-拉杆螺母;21-支 座;22-排液管;23-管箱壳体;24-管程接管;25-分程隔板;26-管箱盖

• 1990年后热管在理论、实验、结构、应用等方面长足 发展,尤其今天,节能减排中发挥巨大作用。
• 1973年德国斯图加特(Stuttgart)第一届国际热管会议, 以后分别在不同国家举行,现已召开十五次,其中两次在 中国举行。
• 2010年4月,第十五届国际热管会议(15thInternational Heat Pipe Conference)在美国南卡罗来纳州召开。本 届会议论文大会报告:1、环路热管;2、芯结构和工质;3、 环路热管得建模;4、热虹吸管;5、热管得基础和建模;6、 空间热管和技术;7、小型热管;8、平板热管和蒸汽腔;9、 特殊热管和技术;10、脉动热管;11、热管得工业应用。
大家有疑问的，可以询问和交流
可以互相讨论下，但要小声点
• 在上述过程中,存在11种传热热阻,热阻用R表示
• R1: 热源与热管外表面得传热热阻 • R2: 蒸发段管壁径向传热热阻 • R3: 蒸发段毛细芯径向传热热阻 • R4: 汽—液交界面蒸发传热热阻 • R5: 蒸汽轴向流动传热热阻 • R6: 汽—液交界面冷凝传热热阻 • R7: 冷凝段毛细芯径向传热热阻 • R8: 冷凝段管壁径向传热热阻 • R9: 管壁外表面与热汇传热热阻 • R10:管壁轴向传热热阻 • R11:吸液芯轴向传热热阻 • R10、R11与R1—R9相比很大,通常看作断路。 • 总热阻:R=R1+…、+R9 • 从热源到热汇得总温降△T也就是这9个温降得总和, △T= △T1 +… +
热管虽然就是一种传热性能极好得元件,但也不可能无限加大热负荷, 其传热能力得上限值会受到一种或几种因素得限制,如毛细力、声速、 携带、冷冻启动、连续蒸气、蒸气压力及冷凝等,因而构成热管得传 热极限(或叫工作极限)。这些传热极限与热管尺寸、形状、工作介质、 吸液芯结构、工作温度等有关,限制热管传热量得级限类型就是由该 热管在某种温度下各传热极限得最小值所决定得。具体来讲,这些极 限主要有(如图所示):

管外纵流条件下，管外传热系数为光管的1.6倍.
传递热量相同，泵功率相同，取代光管，节约材 料30%-50%
螺旋槽

主要用于强化管内气体或液体的传热，强化管内液
体的沸腾或管内外蒸气的冷凝，管内传热系数为光管 传热系数的1.5-2.0倍；管外传热系数为光管传热系数 的1.5倍.
缩放管
波纹管


波纹管优点
（4）填料函式换热器
填料函式换热器 1.纵向隔板；2.浮动管板；3.活套法兰；4.部分剪切环；5.填 料压盖；6.填料；7.填料函
填料函式密封
缺点：填料处易泄漏。 优点：结构简单，加工制造方便，造价低，管内和管
间清洗方便 适用场合：4MPa 以下，且不适用于易挥发、易燃、易 爆、有毒及贵重介质，使用温度受填料的物性限制。

带膨胀节的固定管板式换热器 图7-3 带补偿器的固定管板式换热器
（2） U形管式换热器
U形管式换热器 1.中间挡板；2.U形换热管；3.排气口；4.防冲板；5.分程隔板
U形管式换热器
U型管式换热器 图7-6 U形管式换热器 优点：结构简单，价格便宜，承受能力强，不会产生热应力。 缺点：布板少，管板利用率低，管子坏时不易更换。 适用场合：特别适用于管内走清洁而不易结垢的高温、高压、 腐蚀性大的物料。
第二章 管壳式热交换器
间壁式热交换器

管式热交换器
管壳式、套管式、螺旋管式等

板式热交换器


延伸表面热交换器
蓄热式热交换器
管壳式换热器
2.1 管壳式换热器的分类
基本类型 固定管板式换热器
U形管式换热器 浮头式换热器 填料函式换热器
（1）固定管板式换热器

N
B
3.5
2B D
fs
u02 2
45.7kPa
s 1.0at ，可行
传热面积校核
查表，取 Ri 0.00021m2 C W， R0 0.00018m 2 C W
K计
1
1 0.00021 0.0025 0.00018
1
685W m2 C
2317
45
1717
A计
Q
Ktm
9.54105 4186.8 685 3600 0.97 43.7
①流向的选择 一般逆流优于并流
②确定冷却介质出口温度 t2，求对数平均推动力
tm逆
T1
t1 T2
ln T1 t1
t2
T2 t2
③对 tm逆 进行 修正
R T1 T2 t1 t2
P t2 t1 T2 t1
查图得到
tm tm逆
Ⅲ.根据经验估计传热系数 K，估 计算传热面积 A qm1Cp1 T1 T2 K估 A估tm逆
f0 : 壳程流体摩擦系数
Ps P允 可增大挡板间距
Ⅵ.计算传热系数 校核传热面积
根据流体的性质选择适当的 垢层热阻 R
1 1 R 1
K估 i
0
Q
A计 Ktm
A NTd0l
A A计 1.10 ~ 1.20
否则重新估计 K估 ，重复以上计算
• 冷却介质的选择是一个经济上的权衡问题，按设 备费用和操作费用的最低原则确定冷却介质的最优出 口温度 t2opt
38.2m 2
根据所选换热器 A NTd0l 124 3.14 0.025 4.5 43.8m2
∴
A 43.8 1.15
A计 38.2

优化设计策略
探讨了如何通过改进换热器结构、优化运行参数等方式，提高换热器的传热效率、降低 能耗和减少投资成本。
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学员心得体会分享
知识体系建立
通过本次课程，我对管壳式换热器的设计原理 和方法有了更系统、深入的理解，形成了完整 的知识体系。
2024/1/24
实践能力提升
课程中的案例分析、实验操作等环节，让我能够将理 论知识应用于实际工程问题，提高了我的实践能力。
性能分析
1
2
在分析区域中选择性能分析工具；
3
输入分析参数，如热负荷、压降等；
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21
典型操作流程演示
01
查看分析结果，如效率、温度分布等。
02
保存和导出设计
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03
选择“文件”菜单中的“保存项目”；
22
典型操作流程演示
可以选择导出设计数据为Excel或其他格式文件； 导出结果可用于报告或进一步分析。
(完整版)HTRI管壳式换热器设计 基础教程讲解
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1
目录
2024/1/24
• 绪论 • 管壳式换热器结构与设计原理 • HTRI软件操作入门指南 • 管壳式换热器设计步骤详解 • 案例分析：应用HTRI进行实际项目设计 • 总结与展望
2
01
绪论
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3
换热器基本概念与分类
6
02
管壳式换热器结构与设计原理
2024/1/24
7
管壳式换热器基本结构组成
管束
由多根换热管组成，管内走一 种流体，管外走另一种流体， 实现热量交换。
管板
连接换热管与壳体，同时起到 密封和支撑作用。

11
保证紧密性的方法： •管板孔开槽； •胀接周边保证清洁； •管子硬度低于管板孔周边 硬度。
保证管端硬度较低并且低 于管板硬度的方法： •管端退火处理。 •选材考虑。
12
2.焊接
优点： • 高温高压下能保证连接
的紧密性； • 管板孔加工精度要求不
高，低于胀接； • 焊接工艺简单； • 压力不高时可用薄管板。 缺点： • 存在焊接热应力——应
1)
壳壁应力
2
t s
;
2)
管壁应力
2
t
t
;
3)壳壁应力 0 且 B ;
4)管子拉脱力q q。
3.膨胀节的选用及安装
依据标准：GB16749-1997《压力容器波形膨胀节》
安装注意：1）与壳体对接焊，保证焊透；
2）要进行无损探伤；
3）最低点设置排液孔。
49
点 ——无温差应力；
2.管束可以抽出，清洗；
3.结构复杂，浮头内漏不便检查；
4.管束与壳体间隙较大——影响传热。.
3
特点： 1.一端可自由伸缩— 不产生热应力； 2.管束可以抽出，管内外均易清洗； 3.填料将壳程介质与外界隔开，易外 漏，介质受限制；
4
U型管式换热器的二维图
1.只有一个管板，结构简单；
力腐蚀； • 管与孔间有间隙——形
成介质死区，间隙腐蚀。
13
管与管板焊接形式：
14
3.胀焊并用 克服了单纯的焊接及胀接的缺点，
主要优点是： • 连接紧密，提高抗疲劳能力； • 消除间隙腐蚀和应力腐蚀； • 提高使用寿命。 施工方式：先胀後焊；先焊後胀。
胀接——贴胀；强度胀。 焊接——密封焊，强度焊。 根据不同情况具体制定施工工艺。

管壳式换热器传热机理课件pptx
contents
目录
• 引言 • 管壳式换热器基本结构 • 传热基本原理 • 管壳式换热器传热过程分析 • 强化传热措施及优化设计
contents
目录
• 管壳式换热器性能评价与选型 • 实验与仿真技术在管壳式换热器研究中
的应用 • 总结与展望
01
引言
目的和背景
管壁热阻、流体热阻、污垢 热阻
传热系数计算
传热系数定义
单位时间内、单位面积上热量传递的速率
传热系数计算公式
K = (1/R1 + 1/R2 + … + 1/Rn)^-1
各部分热阻计算
管壁热阻、流体热阻、污垢热阻
温度场分布与影响因素
温度场分布
沿流动方向温度逐渐降低，径向温度梯度较小
影响因素
流体物性、流速、管壁厚度、热负荷、污垢状况 等
通过测量管壳式换热器进出口流体的温度和 流量，计算热负荷和传热系数，评估其传热 性能。
压力降实验
测量进出口流体的压力差，分析流体在管壳式换热 器内的流动阻力，为优化设计提供依据。
流场可视化实验
利用粒子图像测速仪（PIV）等技术，观察 管壳式换热器内部流场分布，揭示流动与传 热之间的相互作用。
仿真模型建立及求解过程阐述
案例分析：某管壳式换热器优化设计实践
案例背景介绍
某化工企业需要对现有管壳式换热器进行优化设计，以提高传热效率、降低能耗。
优化设计方案
通过对换热器进行流场模拟分析，发现原有设计中存在流动死区、流速分布不均等问题。针对这些问题，提出了增加 折流板数量、优化折流板结构、改变进出口管径等优化设计方案。
优化效果评估
接管类型

类型与结构
类型
根据结构特点和使用要求，管壳式换热器可分为固定管板式 、浮头式、U形管式、填料函式等类型。
结构
主要由壳体、管束、管板、封头等组成，其中管束是换热器 的核心部件，通过两端固定在管板上，与壳体形成封闭空间 。
02
管壳式换热器的工作原理
传热原理
热传导
管壳式换热器中的传热过程主要 以热传导为主，热量从高温介质 传递到低温介质，通过管壁和壳
适用范围与限制
适用范围
管壳式换热器适用于高温高压的工况， 以及需要承受较大压力和温度变化的场 合。此外，由于其结构简单、可靠性强 ，管壳式换热器也常用于工业生产中的 加热、冷却和冷凝等操作。
VS
限制
管壳式换热器的传热效率较低，因此不适 用于需要高效传热的场合。此外，由于其 体积较大，管壳式换热器也不适用于空间 受限的场合。
在石油化工领域，管壳式换热器的优点包括高可靠性、耐高温高压、良好的热效 率以及适应性强等，使其成为该领域不可或缺的设备之一。
能源工业领域
能源工业是另一个管壳式换热器得到广泛应用的重要领域。在火力发电、核能发电、水力发电等过程中，管壳式换热器都扮 演着重要的角色。
在能源工业中，管壳式换热器被用于加热和冷却各种流体，如水、蒸汽、油等，以实现能量的转换和回收。其高效可靠的运 行对于提高能源利用效率和降低能源成本具有重要的作用。
维护方便
管壳式换热器的结构简单，拆装方便，便于进行维修和清 洗。
缺点
01
02
03
传热效率较低
相比于其他类型的换热器 ，管壳式换热器的传热效 率相对较低。这是由于其 结构特点所决定的。
体积较大
管壳式换热器的体积较大 ，需要占用较多的空间。