《管壳式换热器机械设计》参考资料
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 。
换热器的结构设计- 2
3.1.2 管板
3.1.3 管箱 3.1.4 管束分程 3.1.5换热管与管板连接
3.1.1 管束（ tube bundle ）
光管
换热管型式 翅片管（在给热系数低侧 螺旋槽管 螺纹管 φ19×2、φ25×2.5和φ38×2.5mm无缝钢管
强化传热管
换热管尺寸
φ25×2和 φ38×2.5mm不锈钢管 标准管长1.5、2.0、3.0、4.5、6.0、9.0m等
换热管材料
碳素钢
低合金钢
石墨
金属材 料
不锈钢 铜 铜镍合金 铝合金 钛等
非金属 材料
陶瓷
聚四氟乙烯等
二、横向流中的管束
在管束中，通常管子按左
图所示的正三角形，转角正
三角形、正方形、转角正方
形等四种形式排列。其排列
角依次为３０°、６０°、 ９０°与４５°。正方形排 列的管束也称顺列管束，其
小管径
单位体积传热面积增大、结构紧凑 金属耗量减少、传热系数提高 阻力大，不便清洗，易结垢堵塞 用于较清洁的流体
大管径
粘性大或污浊的流体
在可以允许的范围内，优先选用较小管径；
管子数目的选择取决于流体流量和允许的压 力降；应该 将管内的流速处于推荐的速度范围内
正确选择高压换热器用换热管标准 建议采用JB/T10523-2005（管壳式换热器用横槽换热管 ）标准，不选择GB6479-2000（高压化肥设备用无缝钢 管）标准。因为进行设备水压试验时，如果其试验水压超 过20MPa时，所采用的换热管能够承受设备水压试验压力 值的压力，如果依据GB6479-2000 标准而采购换热管时 ，如果没有特殊的说明，则会使采购的换热管虽然在说明 上能够符合该试验的最大压力，但是在实际使用的过程中 ，由于换热管无法承受试验水压最大压力值致使事故现象 屡屡发生。因此，在设计时不建议选择GB6479-2000标 准。
GB151-1999《管壳式换热器》宣贯资料
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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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
管壳式换热器结构基础知识
管壳式换热器结构基础知识
质管部
2020/7/14
管壳式换热器结构基础知识
1 概述 2 管子的选用及其与管板的联接 3 管板结构 4 折流板、支撑板、旁路挡板及拦
液板的作用与结构
5 温差应力 6 管箱与壳程接管 7 管壳式换热器的机械设计举例
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管壳式换热器结构基础知识
加工成规则的长条状，长度等于折流板或支承板的板间距，两端焊在折流板或支承 板上。
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4 折流板、支撑板、旁路挡板及拦液板的作用于结构
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4 折流板、支撑板、旁路挡板及拦液板的作用于结构
4.3 拦液板 作用：立式冷凝器中起 到截拦液膜作用。在立 式冷凝器中为减薄管壁 上的液膜而提高传热膜 系数。
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3 管板结构
2、分程原则 ① 各程换热管数应大致相等； ② 相邻程间平均壁温差一般不应超过28℃； ③ 各程间的密封长度应最短； ④ 分程隔板的形状应简单。 3、分程隔板
分为单层和双层两种。 双层隔板具有隔热空间， 可防止热流短路。
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3 管板结构
3.4 管板与壳体的连接结构 1、不可拆的焊接式（应用于固定管板式换热器管板与壳体的连接） （图7-21）兼做法兰 ；（图7-22）不兼做法兰
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3 管板结构
2、正方形和转角正方形排列
正方形和转角正方形排列，管间小桥形成一条直线通道，便于机械清洗。 要经常清洗管子外表面上的污垢时，多用正方形排列或转角正方形排列。
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3 管板结构
3．组合排列法 多程换热器中。
3.2 管间距： 管间距指两相邻换热管中心的距离。其值的确定需要考虑以下几个因素： ① 管板强度； ② 清洗管子外表面时所需要的空隙； ③ 换热管在管板上的固定方法。 一般要求管间距≥1.25d0，还应符合规定：
管壳式换热器讲义
GB151-1999 管壳式换热器GBl51―1999《管壳式换热器》规定了管壳式换热器在设计、制造、检验要求。
1 GBl51适用范围1.1 适用参数GBl51规定了标准的适用参数范围见表1.1。
表中同时列出了国外常用管壳式换热器的标准。
表1.1 适用参数范围标准DN (mm) PN (MPa) DN·PN 注GB 151 ≤2600 ≤35 ≤17500 （1）TEMA ≤2540（100”）≤20.684（3000psi）≤17500（100000）（2）ASMEⅧⅠ没有具体参数规定，主要提供了U型和固定管板的设计计算规则。
UHX篇API660ISO 16812 没有具体参数规定，体现用户对换热器的要求。
（1）GB 151中1.2：超出上述参数范围的换热器也可参照本标准进行设计与制造。
（2）TEMARCB-1.11 规定这些参数的意图是限定壳壁最厚约为3（76mm）、双头螺栓的最大直径为4″（102mm）。
是对换热器制造商的要求。
（3）上述各标准，均适用于固定、U形、浮头、填函式换热器。
（4）TEMA将换热器按使用场所分为三级，“R”---用于石油及一般工艺过程的严格要求场合；“C”---用于工业及一般工艺过程的中等要求场合；“B”---用于化工过程场合标准限定最大设计参数范围是为了避免过于笨重的、结构上的不合理设计。
对于超出上述参数范围的换热器，特别是工程中可能遇到的中、低压大直径(超过DN2600mm)换热器，作为设备整体在结构尺寸合理设计的前提下完全可以应用标准给出的设计原则。
对于管壳式换热器的关键零部件管板的设计计算，GB 151对管板进行了尽可能详尽的力学分析，从本质上讲可以认为就是一种分析设计方法，只是为了能够利用图表公式进行计算在公式推导过程中作了某些简化和结构参数的限定，完全可以用于更大设计参数的管板设计。
仅对管板等个别零部件进行应力分析计算并不等于对换热器进行“应力分析设计”。
管壳式换热器设计-课程设计
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。
《管壳式换热器机械设计》参考资料全
1前言 (1)1.1概述 (1)1.1.1换热器的类型 (1)1.1.2换热器 (1)1.2设计的目的与意义 (2)1.3管壳式换热器的发展史 (2)1.4管壳式换热器的国内外概况 (3)1.5壳层强化传热 (3)1.6管层强化传热 (3)1.7提高管壳式换热器传热能力的措施 (4)1.8设计思路、方法 (5)1.8.1换热器管形的设计 (5)1.8.2换热器管径的设计 (5)1.8.3换热管排列方式的设计 (5)1.8.4 管、壳程分程设计 (5)1.8.5折流板的结构设计 (5)1.8.6管、壳程进、出口的设计 (6)1.9 选材方法 (6)1.9.1 管壳式换热器的选型 (6)1.9.2 流径的选择 (8)1.9.3流速的选择 (9)1.9.4材质的选择 (9)1.9.5 管程结构 (9)2壳体直径的确定与壳体壁厚的计算 (11)2.1 管径 (11)2.2管子数n (11)2.3 管子排列方式，管间距的确定 (11)2.4换热器壳体直径的确定 (11)2.5换热器壳体壁厚计算及校核 (11)3换热器封头的选择及校核 (14)4容器法兰的选择 (15)5管板 (16)5.1管板结构尺寸 (16)5.2管板与壳体的连接 (16)5.3管板厚度 (16)6管子拉脱力的计算 (18)7计算是否安装膨胀节 (20)8折流板设计 (22)9开孔补强 (25)10支座 (27)10.1群座的设计 (27)10.2基础环设计 (29)10.3地角圈的设计 (30)符号说明 (32)参考文献 (34)小结 (35)2 壳体直径的确定与壳体壁厚的计算2.1 管径换热器中最常用的管径有φ19mm ×2mm 和φ25mm ×2.5mm 。
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。
单壳程双管程管壳式换热器设计
本科生通用题目：单壳程双管程管壳式换热器设计（立式）专业：应用化学班级：0703班姓名：肖黎鸿成绩：导师签字：2010年7月11日题目:单壳程双管程管壳式换热器设计（立式）参数:要求要求每位学生在设计的过程中，充分发挥自己的独立工作能力及创造能力，在设计过程中必须做到：（1）及时了解有关资料，做好准备工作，充分发挥自己的主观能动性和创造性。
（2）认真计算和制图，保证计算正确和图纸质量。
（3）按预定计划循序完成任务。
日程安排：1.准备阶段（1天）2.设计计算阶段（3天）3.绘图阶段（4天）4.编写设计说明书（2天）目录1.绪论 (1)2．设计计算 (2)2.1管子数n的计算 (2)2.2管子排列方式，管间距的确定 (2)2.3壳体直径的确定 (2)2.4壳体厚度的计算 (2)2.5壳体液压试验应力校核 (3)2.6分程隔板的选择 (3)2.7封头的选择 (3)2.8法兰,管板的选择 (4)2.9垫片尺寸的确定 (5)2.10管子拉脱力的计算 (5)2.11是否安装膨胀节的计算 (6)2.12折流板设计 (7)2.13拉杆设计 (8)2.14开孔补强 (8)2.15支座 (9)3．设计评述 (10)4.参考文献 (11)附:设计结果一览表 (12)1.绪论热交换器，通常又称作换热器，是化工﹑炼油和食品及其他工业部门的通用设备，在生产中占有重要作用。
化工生产中，换热器可作为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等，应用甚为广泛。
换热器种类很多，但根据冷、热流体热量交换的原理和方式基本上可以分为三大类，及间壁式、混合式和蓄热式。
三类换热器中，间壁式换热器应用最多。
本次设计的管壳式换热器就属于间壁式换热器的一种。
立式固定管板式换热器示意图2．设计计算2.1管子数n 的计算选25 ×2.5的无缝钢管，材质20号钢，管长1.5m 。
因为F =πd 均Ln ，所以根均1045.10225.011=⨯⨯==ππL d F n2.2管子排列方式，管间距的确定本设计物料：管程氮气，壳程水，循环水工作温度90℃较高，不易结垢。
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。
管壳式换热器的设计(化工机械课程设计)资料
北京理工大学珠海学院课程设计任务书2011～2012学年第2 学期学生姓名：专业班级：指导教师：工作部门：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（1）气体工作压力管程：半水煤气（1、0.80MPa；2、0.82 MPa；3、0.85Mpa；4、0.88 MPa ；5、0.90 MPa）壳程：变换气（1、0.75MPa；2、0.78 MPa；3、0.80Mpa；4、0.84 MPa ；5、0.85 MPa）（2）壳、管壁温差50℃，t t＞t s壳程介质温度为320-450℃，管程介质温度为280-420℃。
（3）由工艺计算求得换热面积为120m2，每组增加10 m2。
（4）壳体与封头材料在低合金高强度刚中间选用，并查出其参数，接管及其他数据根据表7-15、7-16选用。
（5）壳体与支座对接焊接，塔体焊接接头系数Φ=0.9（6）图纸：参考图7-52，注意：尺寸需根据自己的设计的尺寸标注。
四、进度安排制图地点：暂定CC405时间安排：从第7周（2012年3月31日）至第10 周（2012年4月20日）序号内容主讲人时间听课班级1 化工设备设计的基本知识唐小勇4月9 日星期一、三、五上午09化工1，24月11日09化工1，24 月13日09化工1，22 管壳式换热器的设计计算唐小勇4月9 日-13日上午：8：30-11：30下午14：00-17：3009化工1，23 管壳式换热器结构设计唐小勇4 月16 日上午：8：30-11：30下午14：00-17：3009化工1，24月17 日09化工1，24 管壳式换热器设计制图唐小勇4 月17 日上午：8：30-11：30下午14：00-17：3009化工1，24 月18 日09化工1，24月19 日09化工1，25 设计说明书的撰写唐小勇4月9日-18日上午：8：30-11：3009化工1，209化工1，209化工1，26 答辩唐小勇4月20日上午：8：30 09化工1 下午14：30 09化工2五、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。
《管壳式换热器》GB151-1999
GB151-1999《管壳式换热器》概况作者资料(这条文章已经被阅读了1530次) 时间：2004/09/12 01:33pm来源：tigerliu521GB151-1999《管壳式换热器》概况兰州石油机械研究所教授级高级工程师朱巨贤管壳式换热器以其对温度、压力、介质的适应性，耐用性及经济性，在换热设备中始终占有约70％的主导地位。
因此管壳式换热器的标准化工作为世界各工业发达国家所重视，也为ISO国际标准化组织的所重视。
因此出现了TEMA、API660、JISB8249等一批管壳式换热器标准，ISO目前也正在与API联手并会同有关国家编ISO管壳式换热器标准。
我国自二十世纪七十年代开始相继编制了JB1147《管壳式换热器制造技术条件》、《钢制管壳式换热器设计规定》及GB151-89《钢制管壳式换热器》，并在历经十年后出现了修改较大、与国际先进标准接轨更好的、但同时由于出版等原因未能按时出版的GB151-1999《管壳式换热器》及其英文版，现就GB151-1999版修订概况介绍如下：一、取消了“钢制”增加了铝、铜、钛有色金属取消“钢制”这在我国压力容器标准体系中是个较大的变化，也是向国际先进标准靠拢迈出的重要一步。
有色金属制管壳式换热器国内过去有着众多的使用业绩，而随着工业向深度发展，石油化工向深加工要效益，有色金属制管壳式换热器今后会有良好的发展前景，但过去一直没有有色金属制管壳式换热器的设计、制造、检验与验收的综合性标准，GB151-1999版解决了这一问题。
下面简要地介绍一下铝、铜、钛的情况： 1.铝及铝合金a.在空气和许多化工介质中有着良好的耐蚀性；b.在低温下具有良好的塑性和韧性；c.有良好的成型及焊接性能； d.设计参数：P≤8MPa，-269oC≤t≤200oC。
2.铜及铜合金a. 有优良的耐蚀性（如海军铜具有良好的耐海水腐蚀性）；b.具有良好的导热性能；c.有良好的低温性能；d.有良好的成型性能，但焊接性能稍差；e.设计参数：纯铜t≤150oC;铜合金t≤200oC;f.有GB8890《热交换器用铜合金管》标准。
管壳式换热器设计说明书
E112 冷却器设计
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换热器和喷淋式蛇管换热器。喷淋式蛇管换热器和沉侵式蛇管换热器相比，具有便于检 修、清洗和传热效果较好等优点。其缺点是喷淋不均匀。
图 1-1 蛇管的形状
套管式换热器是由两种不同直径的标准管子组装成同心圆的套筒， 然后由多段这种 套管连接而成。每一段套筒称为一程，每程的内管用 U 形弯管顺次连接，而外管则以支 管与下一程外管相连接。 由此组成多段同心圆套管换热器， 程数可根据传热要求而增减。 图 1-2 是套管式换热器的结构简图。它的优点是：1、结构简单 2、耐高压 3、传热面积 可根据需要增减 4、适当地选择内管和外管的直径，可使流速大增 5、冷、热流体可作 严格的逆流，传热效果好。缺点是单位传热面金属消耗量太大，检修、清洗和拆卸都比 较麻烦，在可拆连接处容易造成泄露。该类换热设备通常用于高温、高压、小流量流体 和所需传热面积不大的场合。
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1.前言
1.1 常用换热器 换热器是实现热量传递过程的一种设备。在化工、炼油、动力、食品、轻工、原子 能、制药、机械以及航空航天等许多部门广泛应用。在电子产品领域，通过高效换热器 及时将产生的热量散发出去的研究，已经得到许多研究者的关注。在工业生产中，换热 器的主要作用是使热量有温度高的流体传递给温度低的流体， 使流体温度达到工艺过程 所需。此外，比如热管换热器，也是吸收利用低位热能的有效装置。 通常，在某些化工厂建设中，换热设备约占全部工艺设备投资 40%左右，而在炼油 厂的建设中换热设备所占投资比例更高[1]。 由此可见， 换热设备的设计， 选型在技术上， 经济上都是非常重要的问题。 换热器的按作用原理和传热方式可分为直接接触式，蓄热式，间壁式，中间载热体 式四种。间壁式换热器是在工业应用领域中应用最为广泛的，其形式多种多样，如管壳 式换热器和板式换热器。本设计所设计的固定管板式换热器就是间壁式换热器。 工程上对换热器的具体分类是将间壁式换热器分为管式换热器， 板面式换热器和其 他形式换热器。管式换热器是通过管子壁面进行传热的换热设备，按传热管的结构形式 不同大致可分为蛇管式换热器，套管式换热器，缠绕式换热器和管壳式换热器。板面式 换热器通过板面进行传热， 按传热板面的结构形式可分为螺旋板式换热器， 板式换热器， 板翅式换热器，板壳式换热器和伞板式换热器。 管壳式换热器又称列管式换热器，是目前应用最为广泛的换热设备，再设计、制造 和选用方面，许多国家都有相应的规范和标准。管壳式换热器是通过管子壁面进行传热 的换热设备， 换热设备中应用最为广泛。虽然在换热效率、结构紧凑和金属消耗量方 面不及其他类型的换热器，但它具有结构坚固，可靠性高，选材范围广，耐压，耐温， 操作弹性大等独特的优点。 管壳式换热器是目前应用最为广泛的一种换热器。 它包括:固定管板式换热器、 U 型 管壳式换热器、带膨胀节式换热器、浮头式换热器、分段式换热器、套管式换热器等。 管壳式换热器由管箱、壳体、管束等主要元件构成。管束是管壳式换热器的核心，其中 换热管作为导热元件，决定换热器的热力性能。另一个对换热器热力性能有较大影响的 基本元件是折流板（或折流杆） 。管箱和壳体主要决定管壳式换热器的承压能力及操作 运行的安全可靠性。 下面介绍几种常用的换热器，用以与管壳式换热器作比较。 蛇管式换热器是把换热管（金属或非金属）按需要弯曲成所需的形状，如圆盘形、 螺旋形和长蛇形等。蛇管的形状如图 1-1 所示。其特点是结构简单、造价低廉、检修清 洗方便。对所需传热面积不大的场合比较适用，同时，因管子能承受高压而不易泄漏， 常被高压流体的加热或冷却所采用。按使用状态不同，蛇管式换热器又分为沉侵式蛇管
管壳式换热器
4、管子型式的选择（Choose the type of pipe）
管壳式换热器又称列管式换热器。管壳式换热器具有处理能力大适应性强，可靠性高， 设计和制造工艺成熟，生产成本低，清洗较为方便等优点，是目前生产中最为广泛使 用的一种换热设备。
管壳式换热器的设计和选用除了满足规定的化工工艺条件外，还需满足下列各项基本 要求：
（1）换热效率高； （2）流体流动阻力小，即压力降小； （3）结构可靠，制造成本低； （4）便于安装、检修。
管子一般都用光管，因为其结构简单、制造方便，但它强化传热的性能不足。为了强化传热，可 选用特殊型式的管子：
几种异形管
a）扁平管 b）椭圆管 c）凹槽扁平管 d）波纹管
纵向翅片管
a）焊接外翅片管 b）整体式外翅片管 c）镶嵌式外翅片管 d）整体式内外翅片管
径向翅片管
螺纹管
6.2.2 管子与管板的连接（Connection of Tube and Tube Plate）
胀接长度取（1）两倍换热管外径；（2）50mm；（3）管板厚度减3mm三者中的最小值。
胀管前后的示意图
管板孔内开环形槽
2、焊接（Welding）
管子与管板间采用焊接连接
缺点：胀接结构随温度的升高，管子或管板材料会产生高温蠕变，使接头处应力松弛或逐渐消失， 使连接处发生泄漏，造成连接失效。因此胀接结构只适用于温度不超过300℃、压力不超过4MPa 的场合。
管式换热器结构设计参考
第二节 列管式换热器机械结构设计
一、传热管与管板的连接 二、管板与壳体及管箱的连接 三、管箱
一、传热管与管板的连接 造成连接处破坏的原因主要有： （1）高温下应力松弛而失效 （2）间隙腐蚀破坏 （3）疲劳破坏 （4）由于热补偿不好引起的破坏 管子与管板的连接形式：强度胀接、强度焊接 与胀焊接混合结构。 应满足以下两个条件： 连接处保证介质无泄漏的充分气密性； 承受介质压力的充分结合力。
（二）纵向隔板 在壳侧介质流量较小的情况 下，在壳程内安装一平行于传热
管的纵向隔板。如图4-2
防止短路的方式： 如图4-3所示： (a)为隔板直接与筒体内壁焊接，但必须 考虑到焊接的可能性； （b）纵向隔板插如导向槽中； (c)、(d)分别是单双向条形密封，防止间 隙短路，对于需要将管束经常抽出清洗者，采 用此结构。
1、分程隔板结构 分程隔板应采用与封头、管箱短节同等材 料、除密封面外，应满焊于管箱上。设计时要 求管箱隔板的密封面与管箱法兰密封面，管板 密封面与分程槽面必须处于同一几基面。结构 如图4-1。 2、分程隔板厚度及有关尺寸 当承受脉动流体或隔板压差很大时，隔板 的厚度应适当增厚，当厚度大于10mm的分程隔 板，在距端部15mm处开始削成楔形，使端部保 持10mm。
（二）弓形折流板排列方式确定（图4-8）
1.水平切口（图a、b，缺口上下布置） 2.垂直切口（图c，缺口左右布置） 3.倾斜切口（图4-5a，缺口倾斜布置） 4.双弓形缺口与双弓形板交替（图4-5b） （三）折流板与壳程间隙 折留板与壳程间隙依据制造安装调节， 在保证 顺利的装入前提下，越小越好，一 般浮头式和U型 管式换热器可允许比固管板 式大1mm，折流板外圆直径和下偏差见表4-2。
（2）管箱最小长度计算 管箱最小长度计算涉及几何尺寸见图。 A型管箱 见图4-35（a)， 按流通面积计算
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1前言 (1)1.1概述 (1)1.1.1换热器的类型 (1)1.1.2换热器 (1)1.2设计的目的与意义 (2)1.3管壳式换热器的发展史 (2)1.4管壳式换热器的国内外概况 (3)1.5壳层强化传热 (3)1.6管层强化传热 (3)1.7提高管壳式换热器传热能力的措施 (4)1.8设计思路、方法 (5)1.8.1换热器管形的设计 (5)1.8.2换热器管径的设计 (5)1.8.3换热管排列方式的设计 (5)1.8.4 管、壳程分程设计 (5)1.8.5折流板的结构设计 (5)1.8.6管、壳程进、出口的设计 (6)1.9 选材方法 (6)1.9.1 管壳式换热器的选型 (6)1.9.2 流径的选择 (8)1.9.3流速的选择 (9)1.9.4材质的选择 (9)1.9.5 管程结构 (9)2壳体直径的确定与壳体壁厚的计算 (11)2.1 管径 (11)2.2管子数n (11)2.3 管子排列方式，管间距的确定 (11)2.4换热器壳体直径的确定 (11)2.5换热器壳体壁厚计算及校核 (11)3换热器封头的选择及校核 (14)4容器法兰的选择 (15)5管板 (16)5.1管板结构尺寸 (16)5.2管板与壳体的连接 (16)5.3管板厚度 (16)6管子拉脱力的计算 (18)7计算是否安装膨胀节 (20)8折流板设计 (22)9开孔补强 (25)10支座 (27)10.1群座的设计 (27)10.2基础环设计 (29)10.3地角圈的设计 (30)符号说明 (32)参考文献 (34)小结 (35)2 壳体直径的确定与壳体壁厚的计算2.1 管径换热器中最常用的管径有φ19mm ×2mm 和φ25mm ×2.5mm 。
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Φ25×2.5的无缝钢管，材质为20号钢，管长4.5m 。
2.2 管子数n L F n d 均π=Θ (2-1)()根均5035.40225.014.3160FL =⨯⨯==∴nd n π其中安排拉杆需减少6根，故实际管数n=503-6=497根 2.3 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.2.4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 00mm2.5 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 =1.0MPa ；=i D 900mm;φ=0.9;[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：mm 47.51.0-0.92929001.0=⨯⨯⨯=δ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 5.47+1.2+0.25=6.92 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 δδ mm (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，Mpa s 45.1982459.09.09.0=⨯⨯=φσ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=h mm ，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 t i 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，PN1.6Mpa 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D1D2D3D4Dd 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。
5.1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径 D 1D3D4Db c d 螺栓孔数 90010601015966963584427245.2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。
5.3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 ≤25323857管板厚度/mm30d /422 25 32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 0.82 0.78 材质 20钢20R线膨胀系数 6108.11-⨯ 6108.11-⨯ 弹性模量 61021.0⨯61021.0⨯许用应力/Mpa 10192尺寸 45005.225⨯⨯φ7900⨯φ管子根数 497 管间距/mm 32管壳壁温差/℃ 50=∆t管子与管板连接方式 开槽胀接胀接长度/mm =l 50许用拉脱力/Mpa4.01、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 mmMpa q p 08.0502514.339682.0=⨯⨯⨯=2、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) Mpat 93.229.199356.877821501021.0108.1166=+⨯⨯⨯⨯=-σ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 =0.08+1.03=1.11Mpa ﹤4.0Mpa(6-7)因此拉脱力在许用范围内。
Mpaq t 03.150254)2025(93.2222=⨯⨯-⨯=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()N 434.0106⨯=N F 662108.006.877829.199359.1993510344.0⨯=+⨯⨯=压力作用于管子上的轴向力为：N A A QA F t S t 6631008.06.877829.199359.1993510344.0⨯=+⨯⨯=+=则MpaA F F s s 8.1049.199351008.01001.26621=⨯+⨯=+=σ (7-4)Mpa A F F t t 99.216.877821008.01001.26631-=⨯+⨯-=+-=σ根据GB １５１——１９９９《管壳式换热器》Mpa Mpa t t s 8.1811019.02][28.104=⨯⨯=<=σφσMpa Mpa t s t 6.165929.02][299.21=⨯⨯=<-=σφσq ﹤［ｑ］＝4.0Mpa ，条件成立，故本换热器不必要设置膨胀节。