《管壳式换热器机械设计》
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孙兰义教授新作《换热器工艺设计》第3章 管壳式换热器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）。
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）。
GB151-1999《管壳式换热器》宣贯资料
15
三. GB151-1999《管壳式换热器》
3总则（参见GB150）
与GB150相同的内容略去，只介绍换热 器因有管、壳程而造成的特殊要求。
16
三. GB151-1999《管壳式换热器》
注意 GB151《管壳式换热器》分类与GB150一样，是遵循“容 规”的规定，但因其是二腔容器（管程和壳程），故分类、 设计与制造应遵守下列规定： a) 二腔应分别按各腔的设计参数进行划类，并分别提相应 的设计、制造、检验与验收的要求； b) 换热器总类别,应以两腔中高的类别确定； c) 换热器的机械设计 按照管、壳程不同的类别分别进行设 计时，对同时受管、壳程介质作用的受压元件及用同一螺柱 连接的管、壳程法兰，应给予特别的考虑。
14
三. GB151-1999《管壳式换热器》
超出适用参数范围的处理办法
超出GB151适用参数范围除可以按照 力分析法进行设计外，GB151还规定了可以 按照GB150用“验证性液压试验”和“用可 比的已投入使用的结构进行对比经验设计” 方法来进行设计，但这必须要由全国锅炉压 力容器标委会审定认可。
7
二.国内换热器及相关标准概况
换热器用管材标准
1)GB/T1527《銅及铜合金拉制管》 2)GB/T3625《热交换器及冷凝器用钛及钛合金管》 3)GB/T3639-2009《冷拔或冷轧精密无缝钢管》（代替2000年版，10、20、16Mn可作换 热管，其外径允差可达到国外标准同类水平） 4)GB5310《高压锅炉用无缝钢管》［2008版冷拔（轧）无髙精度管，但其普通级外径精度 已达95版高级的要求］ 5)GB6479《化肥设备用高压无缝钢管》 6)GB/T6893《铝及铝合金拉（轧）制无缝管》 7)GB/T8163《输送流体用无缝钢管》 8)GB/T8890《热交换器用铜合金无缝管》（无纯銅） 9)GB/T9948《石油裂化用无缝钢管》 10)GB13296《锅炉、热交换器用不锈钢无缝钢管》 11)GB/T14976《流体输送用不锈钢无缝钢管》 12)GB/T××××《锅炉、热交换器用焊接奥氏体钢管》-报批中 13）GB/T××××《髙效换热器用特型管》（含：T型槽管、波纹管、内波外螺纹管、内 槽管）-报批中 14)JB/T××××《锅炉、热交换器用管订货技术条件》正在制订中
三. GB151-1999《管壳式换热器》
3总则（参见GB150）
与GB150相同的内容略去，只介绍换热 器因有管、壳程而造成的特殊要求。
16
三. GB151-1999《管壳式换热器》
注意 GB151《管壳式换热器》分类与GB150一样，是遵循“容 规”的规定，但因其是二腔容器（管程和壳程），故分类、 设计与制造应遵守下列规定： a) 二腔应分别按各腔的设计参数进行划类，并分别提相应 的设计、制造、检验与验收的要求； b) 换热器总类别,应以两腔中高的类别确定； c) 换热器的机械设计 按照管、壳程不同的类别分别进行设 计时，对同时受管、壳程介质作用的受压元件及用同一螺柱 连接的管、壳程法兰，应给予特别的考虑。
14
三. GB151-1999《管壳式换热器》
超出适用参数范围的处理办法
超出GB151适用参数范围除可以按照 力分析法进行设计外，GB151还规定了可以 按照GB150用“验证性液压试验”和“用可 比的已投入使用的结构进行对比经验设计” 方法来进行设计，但这必须要由全国锅炉压 力容器标委会审定认可。
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二.国内换热器及相关标准概况
换热器用管材标准
1)GB/T1527《銅及铜合金拉制管》 2)GB/T3625《热交换器及冷凝器用钛及钛合金管》 3)GB/T3639-2009《冷拔或冷轧精密无缝钢管》（代替2000年版，10、20、16Mn可作换 热管，其外径允差可达到国外标准同类水平） 4)GB5310《高压锅炉用无缝钢管》［2008版冷拔（轧）无髙精度管，但其普通级外径精度 已达95版高级的要求］ 5)GB6479《化肥设备用高压无缝钢管》 6)GB/T6893《铝及铝合金拉（轧）制无缝管》 7)GB/T8163《输送流体用无缝钢管》 8)GB/T8890《热交换器用铜合金无缝管》（无纯銅） 9)GB/T9948《石油裂化用无缝钢管》 10)GB13296《锅炉、热交换器用不锈钢无缝钢管》 11)GB/T14976《流体输送用不锈钢无缝钢管》 12)GB/T××××《锅炉、热交换器用焊接奥氏体钢管》-报批中 13）GB/T××××《髙效换热器用特型管》（含：T型槽管、波纹管、内波外螺纹管、内 槽管）-报批中 14)JB/T××××《锅炉、热交换器用管订货技术条件》正在制订中
管壳式换热器的设计及计算
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。
管壳式换热器毕业设计简介
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。
化工设备机械基础第七章习题解答
《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。
第六章 管壳式换热器
2、管子材料的选择（Choice of pipe material） 管子材料应根据设计压力、温度、介质的腐蚀等条件来选择，在满足以上条件的前提下，尽量选 择导热性能好的材料，对于一般介质，可选用普通碳素钢，特别是10、20号无缝钢管。
3、管子长度的选择（Choice of pipe length） 管子长度主要根据工艺计算和整个换热器的几何尺寸的布局来确定，管子越长，换热器单位材料 消耗越低。但管子不能太长，否则对流体产生较大阻力，维修、清洗、运输、安装都不方便，管 子本身受力也不好。常用管长规格为1.5、2、2.5、3、4.5、5、6、7.5、9、12m等。
6.2.3 管板结构（Tube Plate Structure）
1、 管子在管板上的排列（Arrangement of tube） 管壳式换热器的管子在管板上的布置不单只考虑设备的紧凑性，还要考虑流体的性质、结构设计 以及加工制造方面的情况。常用正三角形排列、转角三角债排列、正方形排列、转角正方形排列。
1、管箱与分程隔板 换热器管内流体进出口的空间称为管箱。管箱位于换热器的两端，将介质均匀地分布到各换热管 中，或将管内流体汇集后输送出来。为了便于清洗、检修管子，管箱应采用可拆结构。
固定管板换热器是利用管箱来实现管束分程。在换热器一端或两端管箱内分别安置一定数量的隔 板，将换热器做成多管程。分程隔板有单层和双层两种。
（4）折流板的选择与计算； （5）管子拉脱力的计算； （6）温差应力计算。
6.2 管壳式换热器的结构设计（Shell and Tube Heat Exchanger Design）
6.2.1 管子的选用（Selection of pipe）
1、管子直径的选择（Choice of pipe diameter） 换热管直径的确定要考虑管内介质的物性和管内流速、流量。为了提高传热效率，通常要求管内 流体呈湍流，故一般要求管径较小；而且采用小直径的管子，换热器单位体积的换热面积大些， 设备较紧凑。但制造较麻烦，容易结垢，不易清洗，适用于较清洁的流体。粘度大或污浊的流体， 宜选用大直径的管子。 常用的碳钢和低合金钢无缝钢管的规格有Ø19×2、 Ø25×2.5、 Ø32×3、 Ø38×3、不锈钢常采用 Ø25×2、 Ø38×2.5。
管壳式换热器的机械设计
第七章管壳式换热器的机械设计本章重点：固定管板式换热器的基本结构本章难点：管、壳的分程及隔板建议学时：4学时第一节概述一、定义：换热器是用来完成各种不同传热过程的设备。
二、衡量标准：1.先进性—传热效率高，流体阻力小，材料省；2.合理性—可制造加工，成本可接受；3.可靠性—强度满足工艺条件。
三、举例1.冷却器(cooler)1)用空气作介质—空冷器aircooler2)用氨、盐水、氟里昂等冷却到0°C〜-20°C—保冷器deepcooler2.冷凝器condenser1)分离器2)全凝器3.加热器(一般不发生相变)heater1)预热器(preheater)—粘度大的液体，喷雾状不好，预热使其粘度下降2)过热器(superheater)—加热至饱和温度以上。
4.蒸发器(etaporater),—发生相变5.再沸器(reboiler)6.废热锅炉(wasteheatboiler)看下图说明其结构及名称图卜1换热器樹件名称1—忖箱〔乩乩口门型〉江一接骨法兰；3设备法兰管扳拓一秃程接管：6—拉杆洛勰胀节芒-売休洱-换热管；10-#气管J1—吊耳；12—封头彳13-顶丝门4—双头螺拄门5-燃母JE--垫片门7—防冲板门8—折流扳或支承板19--定距竹：20—拉杆螺母；21—支座辽2排液世；盟-管箱壳体；24曲程接管25分程隔J®；2G-骨箱盈四、管壳式换热器的分类1、固定管板式换热器：优点：结构简单、紧凑、布管多，管内便于清洗，更换、造价低，应用广泛。
管坏时易堵漏。
缺点：不易清洗壳程，一般管壳壁温差大于50°C，设置膨胀节。
适用于壳程介质清洁，不易结垢，管程需清洗以及温差不大或温差虽大但是壳程压力不大的场合。
2、浮头式换热器：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。
适用于介质易结垢的场合。
3、填料函式换热器：造价比浮头式低检修、清洗容易，填料函处泄漏能及时发现，但壳程内介质由外漏的可能，壳程中不宜处理易挥发、易燃、易爆、有毒的介质。
管壳式换热器的机械设计1
热流体
冷流体
传热效果好，但不能 用于发生反应或有影
响的流体之间
热流体
冷流体
图7-1 直接接触式换热器
2、蓄热式
冷流体
热流体
温度较高的场合， 但有交叉污染，
温度波动大
热流体
冷流体
图7-2蓄热式换热器
3、间壁式
重点
——又称表面式换热器
利用间壁（固体壁面）进行热交换。 冷热两种流体隔开，互不接触，热量 由热流体通过间壁传递给冷流体。
第三篇 典型化工设备的机械设计
换热器
塔设备
搅拌设备
第七章 管壳式换热器的机械设计
教学重点 （1）典型管壳式换热器的选型 （2）固定管板式换热器的基本结构 （3）管子的选用及管板的连接 （4）温差应力产生的原因及补偿措施
教学难点： 管、壳程的分程及隔板
一、定义
第一节 换热器概述
换热器是用来完成各种不同传热过程的设备。
应用最为广泛，形式多种多样， 如管壳式换热器、板式换热器等
对于间壁式换热器，按间壁形状进一步分为
(1)管式 (2)紧凑式
排管、蛇管、套管
螺旋板式、板式、板 翅、伞板等
(3)管壳式
重点
下面我们来看一看管壳式换热器的基本结构
管壳式换热器的结构
接管法兰 容器法兰 管板 管箱
排气管 拉杆
折流板
膨胀节 定距管 换热管
五、管壳式换热器的分类
基本类型
固定管板式换热器
浮头式换热器 U形热器
图7-4 固定管板式换热器
结构三维图
优点：结构简单、紧凑、能承受较高的压力，造价低，管
程清洗方便，管子损坏时易于堵管或更换。
缺点：不易清洗壳程，壳体和管束中可能产生较大的 热应力。
GB151-1999《管壳式换热器》宣贯
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三. GB151-1999《管壳式换热器》
3总则（参见GB150）
与GB150相同的内容略去，只介绍换热 器因有管、壳程而造成的特殊要求。
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三. GB151-1999《管壳式换热器》
注意 GB151《管壳式换热器》分类与GB150一样，是遵循“容 规”的规定，但因其是二腔容器（管程和壳程），故分类、 设计与制造应遵守下列规定： a) 二腔应分别按各腔的设计参数进行划类，并分别提相应 的设计、制造、检验与验收的要求； b) 换热器总类别,应以两腔中高的类别确定； c) 换热器的机械设计 按照管、壳程不同的类别分别进行设 计时，对同时受管、壳程介质作用的受压元件及用同一螺柱 连接的管、壳程法兰，应给予特别的考虑。
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二.国内换热器及相关标准概况
产品标准
1)GB151-1999《管壳式换热器》 2)JB/T4751《螺旋扳式换热器》 3)NB/T 47004-2009 (JB/T4752)《板式换热器》 4)NB/T 47005-2009 (JB/T4753)《板式蒸发装置》 5)NB/T 47006-2009 (JB/T4757)《铝制板翅式换热器》 6)JB/T4758《空冷式换热器》（即将出版，改行标） 7)HG/T2650《钢制管式换热器》（单套管换热器） 8)SH/T3119《石油化工钢制套管式换热器设计规范》（单、 多套管）
TEMA标准在其适用参数后面有如下说明： “规定这 些参数的目的是限定壳壁最厚约为3英尺寸（76mm）和双 头螺栓的直径最大为4英寸（102mm）”。 无论是TEMA还是GB151限制这些参数的目的是避免 因采用常规设计趋于保守，而造成过大的浪费；这就是说超 出这些参数范围，可采用更为精确更省材料的应力分析设计 方法来进行设计，但分析设计及其对材料、制造、检验的高 要求，使得如何确定使用常规与分析设计的界限成为很大的 难题，一般可用经济性杠杆作评判标准。
三. GB151-1999《管壳式换热器》
3总则（参见GB150）
与GB150相同的内容略去，只介绍换热 器因有管、壳程而造成的特殊要求。
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三. GB151-1999《管壳式换热器》
注意 GB151《管壳式换热器》分类与GB150一样，是遵循“容 规”的规定，但因其是二腔容器（管程和壳程），故分类、 设计与制造应遵守下列规定： a) 二腔应分别按各腔的设计参数进行划类，并分别提相应 的设计、制造、检验与验收的要求； b) 换热器总类别,应以两腔中高的类别确定； c) 换热器的机械设计 按照管、壳程不同的类别分别进行设 计时，对同时受管、壳程介质作用的受压元件及用同一螺柱 连接的管、壳程法兰，应给予特别的考虑。
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二.国内换热器及相关标准概况
产品标准
1)GB151-1999《管壳式换热器》 2)JB/T4751《螺旋扳式换热器》 3)NB/T 47004-2009 (JB/T4752)《板式换热器》 4)NB/T 47005-2009 (JB/T4753)《板式蒸发装置》 5)NB/T 47006-2009 (JB/T4757)《铝制板翅式换热器》 6)JB/T4758《空冷式换热器》（即将出版，改行标） 7)HG/T2650《钢制管式换热器》（单套管换热器） 8)SH/T3119《石油化工钢制套管式换热器设计规范》（单、 多套管）
TEMA标准在其适用参数后面有如下说明： “规定这 些参数的目的是限定壳壁最厚约为3英尺寸（76mm）和双 头螺栓的直径最大为4英寸（102mm）”。 无论是TEMA还是GB151限制这些参数的目的是避免 因采用常规设计趋于保守，而造成过大的浪费；这就是说超 出这些参数范围，可采用更为精确更省材料的应力分析设计 方法来进行设计，但分析设计及其对材料、制造、检验的高 要求，使得如何确定使用常规与分析设计的界限成为很大的 难题，一般可用经济性杠杆作评判标准。
管壳式换热器的设计及计算
总之，为了适应工艺发展的需要，今后在强化பைடு நூலகம்热过程和换热设备方面，还将继续探索新的途径。
所谓提高换热器性能，就是提高其传热性能。狭义的强化传热系指提高流体和传热面之间的传热系数。其主要方法归结为下述两个原理，即使温度边界层减薄和调换传热面附近的流体，前者采用各种间断翅片结构，后者采用泡核沸腾传热[2]。最近还兴起一种EHD技术，即电气流体力学技术，又称为电场强化冷凝传热技术，进一步强化了对流、冷凝和沸腾传热，特别适用于强化冷凝传热，并适用于低传热性介质的冷凝，因而引起人们的普遍关注[3]。其原理是，对某些不导电液体的表面施以相垂直的电场，使液体表面变得很不稳定，借冷凝液表面的张力作用和在静电场下液膜的不稳定现象使液膜厚度减薄，从而强化冷凝传热。其所需电场耗用的电力很小。人们想尽各种办法实施强化传热，归结起来不外乎两条途径，即改变传热面的形状和在传热面上或传热流路径内设置各种形状的湍流增进器或插入物。
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。
第一章
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。
所谓提高换热器性能，就是提高其传热性能。狭义的强化传热系指提高流体和传热面之间的传热系数。其主要方法归结为下述两个原理，即使温度边界层减薄和调换传热面附近的流体，前者采用各种间断翅片结构，后者采用泡核沸腾传热[2]。最近还兴起一种EHD技术，即电气流体力学技术，又称为电场强化冷凝传热技术，进一步强化了对流、冷凝和沸腾传热，特别适用于强化冷凝传热，并适用于低传热性介质的冷凝，因而引起人们的普遍关注[3]。其原理是，对某些不导电液体的表面施以相垂直的电场，使液体表面变得很不稳定，借冷凝液表面的张力作用和在静电场下液膜的不稳定现象使液膜厚度减薄，从而强化冷凝传热。其所需电场耗用的电力很小。人们想尽各种办法实施强化传热，归结起来不外乎两条途径，即改变传热面的形状和在传热面上或传热流路径内设置各种形状的湍流增进器或插入物。
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。
第一章
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。
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设计的目的与意义管壳式换热器的发展史管壳式换热器的国内外概况壳层强化传热管层强化传热提高管壳式换热器传热能力的措施设计思路、方法1.8.2换热器管径的设计1.8.3换热管排列方式的设计1.8.4 管、壳程分程设计1.8.5折流板的结构设计1.8.6管、壳程进、出口的设计选材方法1.9.1 管壳式换热器的选型1.9.3流速的选择1.9.4材质的选择1.9.5 管程结构2壳体直径的确定与壳体壁厚的计算1管径1管子数n1管子排列方式，管间距的确定1换热器壳体直径的确定1换热器壳体壁厚计算及校核13换热器封头的选择及校核4容器法兰的选择55管板管板结构尺寸6管板与壳体的连接管板厚度66管子拉脱力的计算8 7计算是否安装膨胀节0 8折流板设计29开孔补强510支座7群座的设计7基础环设计9地角圈的设计0符号说明2参考文献4小结2 壳体直径的确定与壳体壁厚的计算管径换热器中最常用的管径有φ19mm ×2mm 和φ25mm ×。
小直径的管子可以承受更大的压力，而且管壁较薄；同时，对于相同的壳径，可排列较多的管子，因此单位体积的传热面积更大，单位传热面积的金属耗量更少。
所以，在管程结垢不很严重以及允许压力降较高的情况下，采用φ19mm ×2mm 直径的管子更为合理。
如果管程走的是易结垢的流体，则应常用较大直径的管子。
标准管子的长度常用的有1500mm ，2000mm ，2500mm ，3000m,4500,5000,6000m,7500mm,9000m 等。
换热器的换热管长度与公称直径之比一般为4—25,常用的为6—10选用Φ25×的无缝钢管，材质为20号钢，管长。
管子数n L F n d 均π=(2-1)其中安排拉杆需减少6根，故实际管数n=503-6=497根 管子排列方式，管间距的确定采用正三角形排列，由《化工设备机械基础》表7-4查得层数为12层，对角线上的管数为25，查表7-5取管间距a=32mm. 换热器壳体直径的确定l b a D i 2)1(+-= (2-2)其中壁边缘的距离为最外层管子中心到壳l取d l 2=，()m m 8682522)125(32=⨯⨯+-⨯=i D ， 查表2-5，圆整后取壳体内径9=i D 00mm 换热器壳体壁厚计算及校核 材料选用20R计算壁厚为：ct ic p D p -=φσδ][2,(2-3)式中:p c 为计算压力，取p c =；=i D 900mm;φ=;[σ]t =92Mpa （设壳壁温度为 350°C ）将数值代入上述厚度计算公式，可以得知： 查《化工设备机械基础》表4-11取2.12=C mm ； 查《化工设备机械基础》表4-9得25.01=C mm ++= mm圆整后取0.7=n δ mm复验25.042.0%6>=⨯n δ mm ，最后取25.01=C mm 该壳体采用20钢7mm 厚的钢板制造。
1、液压试验应力校核see i T T D P φσδδσ9.02)(≤+=(2-4)[][]MpaPP tT 15.1115.115.1=⨯==σσ(2-5)55.525.02.17=--=-=C n e δδmm(2-6)查《化工设备机械基础》附表6-3Mpa s 245=σMpa T 82.9355.52)55.5900(15.1=⨯+⨯=σ，可见sT φσσ9.0≤故水压试验强度足够。
2、强度校核设计温度下的计算应力Mpa D p e e i c t 58.8155.52)55.5900(0.12)(=⨯+⨯=+=δδσMpa t 8.829.092][=⨯=φσ﹥t σ最大允许工作压力MpaD P e i e t w 02.155.590055.59.0922][2][=+⨯⨯⨯=+=δφδσ(2-7)故强度足够。
3 换热器封头的选择及校核上下封头均选用标准椭圆形封头，根据JB/T4746-2000标准，封头为DN900×7，查《化工设备机械基础》表4-15得曲面高度1501=h mm ，直边高度402=hmm ，材料选用20R 钢标准椭圆形封头计算厚度：mm45.50.15.09.09229000.15.0][2=⨯-⨯⨯⨯=-=c ti c p D p φσδ(3-1)MpaKD p e i e t w 02.155.55.0900155.59.09225.0][2][=⨯+⨯⨯⨯⨯=+=δφδσ(3-2)所以，封头的尺寸如下图：图3-1 换热器封头尺寸4 容器法兰的选择材料选用16MnR 根据JB/T4703-2000 选用DN900，的榫槽密封面长颈对焊法兰。
查《化工设备机械基础》附表14得法兰尺寸如下表：表4-1 法兰尺寸公称直径DN/mm 法兰尺寸/mm螺柱d规格数量900106010159769669635527M2428所以，选用的法兰尺寸如下图：图4-1 容器法兰5 管板管板除了与管子和壳体等连接外，还是换热器中的一个重要的受压器件。
管板结构尺寸查（《化工单元设备设计》P25-27）得固定管板式换热器的管板的主要尺寸：表5-1 固定管板式换热器的管板的主要尺寸公称直D b c d螺栓孔数径900 1060 1015 966 963 58 44 27 24管板与壳体的连接在固定管板式换热器中，管板与壳体的连接均采用焊接的方法。
由于管板兼作法兰与不兼作法兰的区别因而结构各异，有在管板上开槽，壳体嵌入后进行焊接，壳体对中容易，施焊方便，适合于压力不高、物料危害性不高的场合；如果压力较高，设备直径较大，管板较厚时，其焊接时较难调整。
管板厚度管板在换热器的制造成本中占有相当大的比重，管板设计与管板上的孔数、孔径、孔间距、开孔方式以及管子的连接方式有关，其计算过程较为复杂，而且从不同角度出发计算出的管板厚度往往相差很大。
一般浮头式换热器受力较小，其厚度只要满足密封性即可。
对于胀接的管板，考虑胀接刚度的要求，其最小厚度可按表5-2选用。
考虑到腐蚀裕量，以及有足够的厚度能防止接头的松脱、泄露和引起振动等原因，建议最小厚度应大于20mm 。
表5-2 管板的最小厚度换热器管子外径0d /mm≤2532 38 57管板厚度/mm 3d/4222532综上，管板的尺寸如下图：图5-1 管板6 管子拉脱力的计算计算数据按表6-1选取表6-1项目管子壳体操作压力/Mpa材质20钢20R线膨胀系数弹性模量许用应力/Mpa10192尺寸管子根数497管间距/mm32管壳壁温差/℃管子与管板连接开槽胀接方式胀接长度/mm =l 50许用拉脱力/Mpa1、在操作压力下，每平方米胀接周边所产生的力p qld pfq p 0π=(6-1) 其中39625432866.04866.022202=⨯-⨯=-=ππd a f()mm 2(6-2)Mpa p 82.0=, 50=l mm2、温差应力引起的每平方米胀接周边所产生的拉脱力t qld d d q o i t t 4)(220-=σ(6-3)其中sts t t A A t t E +-=1)(ασ(6-4)9.199********.3n =⨯⨯==δπ中D A s()mm 2(6-5).687782497)2025(414.3)(422220=⨯-⨯=-=n d d A i t π()mm 2(6-6)由此可知p q ，t q 作用方向相同，都使管子受压，则管子的拉脱力： q=p q +t q =+=Mpa ﹤Mpa(6-7)因此拉脱力在许用范围内。
7 计算是否安装膨胀节管壳壁温差所产生的轴向力为：10666101.26.877829.199356.877829.199********.0108.11)(⨯=⨯⨯+⨯⨯⨯⨯=+-=-ts ts s t A A A A t t E F α（N）(7-1)压力作用于壳体上的轴向力：t S sA A QA F +=2(7-2)其中])2()[(420202t t s i p d n p nd D Q δπ-+-=(7-3)=]82.0)5.2225(49778.0)25497900[(4222⨯⨯-⨯+⨯⨯-π压力作用于管子上的轴向力为：则MpaA F F s s 8.1049.199351008.01001.26621=⨯+⨯=+=σ(7-4)根据GB １５１——１９９９《管壳式换热器》q ﹤［ｑ］＝Mpa ，条件成立，故本换热器不必要设置膨胀节。
8 折流板设计设置折流板的目的是为了提高流速，增加湍动，改善传热，在卧式换热器中还起支撑管束的作用。
常用的有弓形折流板和圆盘-圆环形折流板，弓形折流板又分为单弓形[图8-1（a ）]、双弓形[图8-1（b ）]、三重弓形[图8-1（c ）]等几种形式。
图8-1 弓形折流板和圆盘-圆环形折流板单弓形折流板用得最多，弓形缺口的高度h为壳体公称直径Dg的15%～45%，最好是20%，见图8-2（a）；在卧式冷凝器中，折流板底部开一90°的缺口，见图8-2（b）。
高度为15～20mm，供停工排除残液用；在某些冷凝器中需要保留一部分过冷凝液使凝液泵具有正的吸入压头，这时可采用带堰的折流板，见图8-2（c）。
图8-2 单弓形折流板在大直径的换热器中，如折流板的间距较大，流体绕到折流板背后接近壳体处，会有一部分液体停滞起来，形成对传热不利的“死区”。
为了消除这种弊病，宜采用双弓形折流板或三弓形折流板。
从传热的观点考虑，有些换热器（如冷凝器）不需要设置折流板。
但为了增加换热器的刚度，防止管子振动，实际仍然需要设置一定数量的支承板，其形状与尺寸均按折流板一样来处理。
折流板与支承板一般均借助于长拉杆通过焊接或定距管来保持板间的距离，其结构形式可参见图8-3。
图8-3 折流板安装图由于换热器是功用不同，以及壳程介质的流量、粘度等不同，折流板间距也不同，其系列为：100mm，150mm，200mm，300mm，450mm，600mm，800mm，1000mm。
允许的最小折流板间距为壳体内径的20%或50mm，取其中较大值。
允许的最大折流板间距与管径和壳体直径有关，当换热器内流体无相变时，其最大折流板间距不得大于壳体内径，否则流体流向就会与管子平行而不是垂直于管子，从而使传热膜系数降低。
折流板外径与壳体之间的间隙越小，壳程流体介质由此泄漏的量越少，即减少了流体的短路，使传热系数提高，但间隙过小，给制造安装带来困难，增加设备成本，故此间隙要求适宜。
折流板厚度与壳体直径和折流板间距有关，见表8-1所列数据。
表8-1 折流板厚度/ mm壳体公称内径/mm相邻两折流板间距/mm≤300300～450450～600600～750＞750200～2503561010400～70056101012700～100068101216＞1000 6 10 12 16 16支承板厚度一般不应小于表8-1(左)中所列数据。