管壳式换热器讲座 - 图文

管壳式换热器讲座

第一节 管壳式换热器总体结构

管壳式换热器的型式主要有固定管板式、浮头式、U型管式，填料函式及釜式等几种。根据其使用场合又分为Ⅰ、Ⅱ两级，Ⅰ级换热器采用较高级冷拔换热管，适用于无相变传热和易产生振动的场合。Ⅱ级换热器采用普通级冷拔换热管，适用于重沸、冷凝传热和无振动的一般场合。换热器的设计、制造、检验必须遵循国家标准GB151-1999《钢制管壳式换热器》的规定。管壳式换热器可卧置也可立置，几种典型结构如图1-图4所示。

图1 固定管板式换热器 图2 浮头式换热器

图3 U型管换热器 图4 填料函式换热器

一、固定管板式换热器

固定管板式换热器（图1）两端管板采用焊接方法与壳体连接固定，其结构简单，紧凑，排管多，制造成本低，管程可以分成多程。缺点是管外清洗困难，管壳间有温差应力。它适用于壳体与管子温差小，或温差稍大但壳程压力不高以及壳程介质不易结垢，或结垢后能用化学方法清洗的场合。当壳体与管子温差大时可在壳体上设置膨胀节，或采取其它型式换热器。 二、浮头式换热器

浮头式换热器（图2）的一端管板是固定的，另一端管板可在壳体内移动，因而管子与壳体不产生温差应力，管末可以抽出，便于清洗。但浮头换热器结构复杂，金属消耗量大，选价高，浮头盖外发生汇漏不便检查，管束与壳体间隙大，影响传热。 三、U型管式换热器

U型管式换热器（图3）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。缺点是管内不便清洗，管板上布管少，结构不紧溱，管外介质易短路，影响传热效果，内层管子损坏后不易更换。U管式换热器适用于管、壳壁温差较大的场合，尤其是管内介质清洁不易结垢的高温、高压、腐蚀性较强的场合。 四、填料函式换热器

填料函式换热器是浮头式换热器的又一种改形结构，它把原置于壳程内部的浮头移至体外，并用填料函来密封壳程内介质的外泄。结构上的这种改动，除保留了管束可以抽出，热应力可以消除的优点外，还省去了浮头式换热器的外头盖，而且免除了内泄露不易发现之忧。填料函式换热器适用于介质的压力和温度不宜过高，而且介质应无毒、不易燃、不易爆等。 第二节 管壳式换热器的主要零部件 一、壳体

由于壳体与管束通过管板刚性连接在一起，所以它与一般容器壳体不同之处 是，在确定其厚度时要验算其轴向应力。通过分析可知，管壳式换热器的壳体，在承受介质内压时，由于有管束的帮助，其轴向应力比一般容器还要小，主要需要考虑的是由于管束与壳体的温差引起的热应力。热应力的计算详见教科书（16-12）式、（16-13）式。一般情况下，当管、壳程温差超过50?C时，应考虑设置膨胀节或选择U型管式换热器。

壳体壁厚计算仍按薄膜应力确定。换热器壳体的最小壁厚远大于一般容器，其规定列于表1中。

表1 碳素钢或低合金钢圆筒的最小厚度 （mm）

公称直径 浮头式、U型管式 固定管板式 400~700 8 6 800~1000 10 8 1100~1500 12 10 1600~2000 14 12 注：表中数据包括厚度附加量（C2按1mm考虑）。

表2 高合金钢圆筒的最小厚度（mm） 公称直径 最小厚度 400~700 4.5 800~1000 6 1100~1500 8 1600~2000 10 二、管箱

换热器的封头称为管箱。它由封头、短节、法兰和分程隔板等零件构成。增加短节的目的是保证管箱有必要的深度安置接管和改善流体分布。图1是单管程

的，管箱中没有分程隔板。图2至图4均是双管程结构，前管箱中有一块分程隔板，分程隔板与管箱之间是借助密封垫片压紧密封，密封垫片置于管板的隔板槽中。分程隔板与管箱之间采用焊接，当管箱采用平板形封头时，分程隔板与封头之间也可采用密封垫片密封。 三、管束

（1）换热管

换热管的直径与长度尺寸主要根据工艺计算确定。其长度与筒体直径之比常取3~10，立式换热器取4~6。根据标准管材，换热管的长度推荐采用：1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、6.0、7.5、9.0、12.0m。U型管弯管段的弯曲半径R应不小于两倍换热管外径。

换热管的规格和尺寸偏差按GB8163-87《输送流体用无缝钢管》和GB2270-80 《不锈钢无缝钢管》规定，常用规格见表3。

表3 常用换热管的规格和尺寸偏差 材料 钢管标准 外径×厚度mm 10×1.5 14×2 19×2 25×2 25×2.5 32×3 38×3 45×3 57×3.5 10×1.5 14×2 19×2 25×2 32×2 38×2.5 45×2.5 57×2.5 Ⅰ级换热器 外径偏差mm 壁厚偏差 ±0.16 Ⅱ级换热器 外径偏差mm 壁厚偏差 ±0.20 ±0.20 +12% -10% ±0.30 ±0.40 +15% -10% ±0.45 碳 钢G B 8163-87 ±0.8% ±0.15 ±0.20 ±0.10% ±1% ±0.20 ±0.40 +12%,-10% 不 锈钢GB 2270-80 +12% -10% ±0.30 ±0.45 ±15% ±0.8% ±1%

(2) 管子在管板上的排列形式与管心距

管子排列形式要考虑排列紧凑，流体性质（粘度、洁净程度等），结构设计及制造方面的问题。换热管标准排列形式由图5所示。

图5 换热管排列

在管间距和布管区均相同的条件下，三角形排列的布管数较多。三角形排列适用于壳程介质污垢少，且不需要机械清洗的场合，而正方形排列适用于用机械方法清洗管间，一般用于能抽出管束的场合。

管心距为两根换热管的中心距离。管间距的选取一般根据管子与管板连接形式，采用焊接法取管心距s=1.25d(D为换热管外径)，胀接法取管心距s≥1.25d.常用换热器中心距见表4。

表4 换热管中心距 （mm） 换热管外径d 换热管中心距s 分程隔板两侧相邻管中距离 10 28 14 32 19 25 38 25 32 44 32 40 52 38 48 60 45 57 68 57 72 80 13~14 19 （3）最大布管圆直径

DL= Di-2b3

——固定管板、U形管板 最外层管外表至圆筒内壁距0.25d0，且≦8mm ——浮头管板 Di-2(b1+b2+b)

b1—浮头管板与圆筒间隙 b2—密封垫片台阶宽 b—台阶与管外表距离

(4) 换热管与管板的连接

管子与管板的连接形式常用的有胀接、焊接、胀焊结合三种。 ① 强度胀接（一般称胀接）

强度胀接是为保证换热管的密封性能及抗拉强度的胀接。胀接是利用机械的，液压或爆炸的方法，将管板孔中的管子直径，胀大产生塑性变形，而管板只达到弹性变形，籍助于胀后管板的弹性收缩箍紧管子，从而达到密封与紧固的目的。胀接一般适用于：设计压力小于等于4Mpa；设计温度小于等于300℃；操作中应无剧烈的振动，无过大的温度变化及无严惩的应力腐蚀。

管板上的孔有开槽和不开槽（光孔）两种。管孔开槽可以增加连接强度和紧密性，因为胀管后，管子产生塑性变形，管壁便嵌入槽中，同时若将管端胀成圆锥形，管端翻边了提高抗拉肢力。但当管束受压应力，则不必采用翻边的结构形式。

表5 胀接管的伸出长度及管孔槽深 换热管外径d 伸出长度l1 槽深k 不开槽 14 19 3+2 0.5 25 32 4+2 0.6 38 45 5+2 0.8 57 胀接时的最小胀接长度应取下列三者的最小值： a． 管板的名义厚度减mm； b． 50mm；

c． 两倍的换热管外径

选用胀接一般要求换热管的材料硬度值低于管板的硬度值，以保证管子产生塑性变形，管板仅产生弹性变形。当由于工艺对材料要求的限制，满足不了上述要求时，可将管子端部局部退火降低其硬度，有应力腐蚀时不应采用这种方法。对于换热管外径小于14mm时，不宜采用胀接。

② 强度焊接

强度焊接是指保证换热管与管板连接的密封性能及抗拉肢强度的焊接。焊接可适用于设计压力小于等于35Mpa的工况，但不适用于有较大振动及有间隙腐蚀的场合。表6列出了强度焊管端伸出长度。

表6 强度焊管端伸出长度

换热管规格 外径×壁厚 伸出长度l1 10×1.5 0.5+0.5 14×2 19×2 25×2.5 1.5+0.5 32×3 38×3 2.5+0.5 45×3 57×3.5 3+0.5 1+0.5 焊接结构管孔不需开槽，而且管孔的粗糙度要求不高， 管子端部不需退和磨光，因此制造加工简便，焊接结构强度高，抗拉肢力强。但由于焊接接头处产生的残余应力可能产生应力腐蚀，同时管子与管板间存在间隙，间隙中流体不流动，容易造成间隙腐蚀，因此对有间隙腐蚀及其它要求高的场合采用胀焊并用。

③ 胀焊并用

胀焊并用的连接形式有强度胀和密封焊和强度焊加贴账两种。密封焊是指保证换热管与管板连接密封性能的焊接。而贴胀是为消除换热管与管孔之间缝隙的轻度胀接。胀焊并用适用于密封性能要求较高；承受振动或疲劳载荷；有间隙腐蚀；采用复合管板的场合。

胀焊并用的结构型式及尺寸见图6，同时还应遵守强度胀与强度焊的有关规定。

图6 换热管与管板间的强度胀加密封焊

四、管板

1、管板受力的定性分析

管板结构和受力具有一些特点： （1）

它是一个被密布的管孔所削弱了的圆型平板，在这个平板的两侧均作用有均布载荷（管、壳程压力），要考虑管孔对板的强度与刚度的削弱。

（2） （3）

管板是被支承在由管束所构成的弹性基础上。

管板不但与管束而且与壳体均是刚性连接，壳壁的热变形及由壳程压力、管程压力引起的壳壁轴向伸缩会受到管束和管板的约束，从而在管板上就要受到壳壁作用给它的力和力矩。这些因素也都将影响管板的强度计算结果。

（4）

当管板兼作法兰时，管板对法兰除有加强作用外，法兰力矩反过来对管板应力也有影响，因而凡决定法兰力矩的参数都会影响管板尺寸的确定。

2、管板厚度表

换热器管板的计算十分复杂，一般均采用软件计算，教科书表16-8列出了管板厚度参照表。

3、管板与筒体的焊接连接

管板与壳体的连接方式与换热器的型式有关，固定管板换热器中常采用不可拆连接，换热器两端管板直接焊在壳体上。不可拆连接有两种结构形式：一种是管板兼作法兰，如图7所示；另一种是管板不兼作法兰，可参阅GB150附录G。管板兼作法兰的结构应用较多，因为卸箱即可对换热管与管板连接处检修，同时清洗管子也比较方便。

图7 兼作法兰的管板与筒体连接的焊接接头

4、管板与管箱法兰的密封连接

固定管板式换热器管板与管箱法兰的连接密封示为图8。浮头式、U形管、填料函式换热器管板与筒体法兰、管箱法兰的连接密封示于教科书图16-16。

图8 固定管板式换热器管板与管箱法兰的连接密封

五、波形膨胀节 1、设置条件

当固定管板换热器中热应力达到很大值时，需设置波形膨胀节。

具体地说，当换热器壳体和管束的轴向应力不能满足强度条件，或壳体和管束的轴向压缩应力不能满足稳定条件，或强度胀时，管板与换热管间的拉脱力超过许可值，需设置膨胀节。

2、波形膨胀节的结构与尺寸

结构示于图9。尺寸见教科书表16-9。

图9 波形膨胀节

3、波形膨胀节的补偿量

为了保证膨胀节在完全弹性的条件下安全工作，它的补偿量是有限的。表16-11列出了标准尺寸膨胀节的允许补偿量[?l]。可按式（16-16）计算换热器所需要的热变形补偿量?ltc，若?ltc<[?l]，用一个单波膨胀节。

若?ltc>[?l]，则需用多个膨胀节 六、折流板和支持板及其固定结构

折流板的作用是提高壳程介质流速，强化传热。对于卧式换热器折流板还具有支承管束的作用。但在冷凝器中，由于冷凝给热系数与蒸汽在壳程中的流动状态无关，因此不需装设折流板。可是当换热管无支撑跨距超过规定时，此时所装设的折流板就称为支持板，支持板是用来支撑换热管，以防止换热管产生过大的挠度。对于浮头式换热器浮头须设置支持板，支持板可采用加厚的环板。

图10 折流板缺口

1． 折流板布置

a) 两端的尽量靠近壳程进、出口管，缺口位于远离接管方位

b) 等距分布

最小间距≥1/5Di，且≥50mm，最大间距不得超过如下表7规定。

表7 折流板最大间距 换热管外径d 10 14 1100 19 1500 25 1900 32 2200 38 2500 45 2800 57 3200 最大无支撑跨距 800

常见的折流板有弓形和圆环形两种，其中弓形更常用。

c) 缺口方向（卧式换热器）

——水平上下布置：单相清洁液体，若气中含液，下部开切口；若液中含气，上部开切口

——垂直左右布置：冷凝、再沸、气液共存或液中含固体，低处开通液切口

2． 折流板尺寸

为减少壳程流体沿折流板四周或穿过孔隙流动，折流板的外径及其管孔直径均应提出允差要求，详见表8、表9。

表8 折流板外直径及之差 公称直径 DN 折流板名义外直径 折流板外直径允许偏差 ＜400 DN-2.5 400~ ＜500 DN-3.5 -0.5 500~ ＜900 DN-4.5 900~ ＜1300 DN-6 -0.8 1300~ ＜1700 DN-8 -1.2 1700~ ≤2000 DN-10 表9 Ⅱ级换热器折流板管孔尺寸（mm）

换热管外径d 折流板管孔直径 10 10.5 14 14.6 19 19.6 25 25.8 +0.45 32 32.8 38 38.8 +0.50 45 45.8 57 58.0 管孔直径允许偏差 +0.40

表10 折流板的最小厚度 为保证折流板及支持板必要的刚度，其厚度不得小于表10规定。 换 热 管 无 支 撑 跨 距 公称直径DN ≤300 ＞300~≤600 4 5 6 8 10 ＞600~≤900 5 6 8 10 12 ＞900~≤1200 8 10 10 12 16 ＞1200~≤1500 10 10 12 16 20 ＞1500 折 流 板 最 小 厚 度 ＜400 400~700 ＞700~＜900 ＞900~＜1500 ＞1500~＜2000 3 4 5 6 — 10 12 16 16 20 折流板管孔尺寸按表5-24或表5-25规定。

3、固定

折流板和支持板是用拉杆固定的，常用的拉杆形式有两种，见图11。（a）

为拉杆定距管结构，适用于换热管外径大于等于19mm的管束，(b)为拉杆与折流板点焊结构，适用于外径小于等于14mm的管束。

图11 拉杆结构

拉杆应尽量均匀布置在管束的外边缘。对于大直径的换热器，在布管区内部或靠近折流板缺口处应布置适当数量的拉杆，任何折流板应不少于3个支承点。

拉杆的数量与筒体直径及拉杆直径有关，详见表11、12。

表11 拉杆直径 （mm） 换热管外径 拉杆直杆 公称直径 DNmm 拉杆直径mm 10 12 16 10 10 ＜400 14 12 19 12 25 16 ≥700~＜900 32 16 ≥900~＜1300 38 16 ≥1300~＜1500 45 16 ≥1500~＜1800 57 16 ≥1800~＜2000 表12 拉杆数量

≥400~＜700 4 4 4 6 4 4 10 8 6 12 10 6 16 12 8 18 14 10 24 18 12 七、其他结构 1．防冲与导流装置

为防止壳程进口接管处壳程流体对换热管的直接冲刷，可设置壳程的防冲挡板，其结构示于图12。

2、扩大管

若壳程介质是蒸汽，则可采用扩大管以起缓冲作用。在扩大管内应加两块导流板，见图13。

3、排液孔与排气孔

换热器壳程与管程的最高点要设排气孔，以备试压时排除气体。在最低点要设排液孔，以充分排除残液。排液孔结构示于图14。

图12 换热器壳程入口处的防冲挡板

图13 换热器壳程入口管的扩大管

图14 换热器上排气孔与排液孔

第二节 换热器设计计算

“化工设备设计基础” 课程设计，是在完成“化工设备设计基础” 课程的教学考查等环节后进行的。课程设计时间拟定2周。课程设计的题目是：换热器设计。要求完成设备的机械强度设计与设备总装图绘制。具体安排如下：

一、时间安排：

内容 时间

1、 讲课 一天（周一）

1） 换热器专题介绍 2） 化工制图专题介绍

2、 设计计算 一天（周二） 3、设备简图

（方格纸上绘出结构图，要有具体管口位置，换热管布置，尺寸标注）

一天（周三）

4、 CAD绘图

4、 整理说明书、准备质疑 一天半

5、 质疑、结束 一天（20周周五上午） 二、设计绘图： 1、设备的总体设计

按照设备条件设计要求，并根据压差、温差等因素，确定换热器设备的型式(固定管板、浮头、U型管)及程数。

（1）根据换热面积、换热管长度和直径，确定换热管数目①。F?n?d0L， ，对U形管，不包括d0-换热管外径，L-换热管长度（扣除伸入管板内长度）

弯管段面积。

（2） 根据设备直径和换热管直径，确定拉杆数目和直径。

（3）根据管板直径，确定折流板的形状和尺寸；根据换热管直径，确定折 流板间距。

根据介质特性，确定筒体、管箱、法兰、管板、换热管等材料。 2、设备的机械强度设计计算

（1）筒体的强度计算：

根据筒体壁厚计算公式确定计算壁厚；再根据介质的不同特性，考虑壁厚附加量，最终根据板材的实际厚度，将计算壁厚圆整到实际厚度，考虑换热器的最小厚度要求。

（2）封头的强度计算：

根据封头壁厚计算公式确定封头壁厚；再由公称直径、公称压力和壁厚，查阅化工设备设计手册，选用标准椭圆形封头或球形封头。

（3）开孔补强计算：

按等面积补强法进行计算。补强圈或加强管补强也尽可能采用标准件。 （4）法兰的选型或设计：

根据公称直径。公称压力确定设备法兰的标准（JB），若无该标准法兰，应

按有关法兰设计步骤进行设计计算。同样根据公称直径、公称压力选用管道法兰标准（HG），确定法兰尺寸。

（5）支座的选型或设计： 3、完成换热器装配图：

这个阶段要完成换热器的装配图，包括主视图、局部放大图、焊接节点图、管口方位图。编写技术要求、技术特性表、管口表、明细表和标题栏。 4、修改、完整设计计算说明书。 5、设计质疑及考核。

三、设计题目

1、题号1（学号：1-5），结构形式：固定管板，卧式（鞍座），

管程（程数：2）：尾气，壳程：冷冻盐水，管板材料：16MnR, 筒体材料：20R

2、题号2（学号：6-10），结构形式：固定管板，卧式（鞍座），

管程（程数：2）：水，壳程：水，管板材料：Q235-B, 筒体材料：Q235-B 3、题号10（学号：11-15），结构形式：固定管板，

卧式（鞍座），立式（耳座），管程（程数：2）：黑液，壳程：氧化液，管板、筒体及换热管材料：0Cr18Ni10

4、题号11（学号：16-20），结构形式：固定管板，卧式（鞍座），立式（耳座）， 管程：软水，壳程：变换气，管板材料：16MnR, 筒体材料：Q235-B 5、题号13（学号：21-25），结构形式：固定管板，卧式（鞍座），立式（耳座）， 管程（程数：2）：冷却水，壳程：硅甲苯，管板材料：Q235-B, 筒体材料：Q235-B

6、题号9（学号：26-30），结构形式：固定管板，卧式（鞍座），立式（耳座）， 管程：水，壳程：水蒸气，管板材料：Q235-B, 筒体材料：Q235-B

附：化工过程与设备设计计算书内容：

一、 封面

二、 设计条件（含详细设计参数，单线条表示的设备简图） 三、 设计过程 （一）设备总体设计

1、按照设备条件设计要求，确定设备型式；

2、根据换热面积、换热管长度和直径，确定换热管数目； 3、 根据设备直径和换热管直径，确定拉杆数目和直径； 4、 根据管板直径，确定折流板的形状和尺寸；根据换热管直径，

确定折流板间距；

5、 根据介质特性，确定筒体、管箱、法兰、管板、换热管等材料。

（二）设备的机械强度设计计算 1、筒体的强度计算； 2、封头的强度计算； 3、开孔补强计算；

按等面积补强法进行计算。补强圈或加强管补强也尽可能采用标准件。

4、法兰的选型或设计；

根据公称直径、公称压力确定标准设备法兰，同样根据公称直径、公称压力选用管道法兰标准（HG），确定法兰尺寸。

5、支座的选型或设计。

（三）参考文献

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/mfbg.html