双管板换热器

文档从互联网中收集，已重新修正排版，word格式支持编辑，如有帮助欢迎下载支持。

文献综述
题目浅析双管板换热器管板的设计要点
学生姓名朱延霆
专业班级过程装备与控制工程07-1班
学号0158
院（系）材料与化学工程学院
指导教师(职称) 许培援（教授）张羽翔（助教）
完成时间 2011 年3 月 10日
浅析双管板换热器管板的设计要点
摘要：本文简要介绍了双管板换热器的管板及管板与管束的连接方法，详细的概述了管板设计要点，如管板厚度设计，强度计算，材料选用等，以达到管板的优化设计。

关键词：双管板换热器管板设计
前言
管板是管壳式换热器的主要零部件之一。

管板的合理设计对于正确选用和节约材料、减少加工制造的困难、降低成本和确保安全使用都具有重要意义［1］。

1 双管板换热器及其应用简介
双管板换热器是在换热器一端设有一定间隙的两块管板或相当于有一定间隙的两块管板的换热器［5］，如图1所示。

在实际操作中，双管板换热器一般用于以下两种场合：一种是绝对防止管壳程间介质混串的场合，例如，对壳程走水、管程走氯气或氯化物的换热器，若壳程中的水与管程中的氯气或氯化物接触，就会产生具有强腐蚀性的盐酸或次氯酸，并对管程材质造成严重的腐蚀。

采用双管板结构，能有效防止两种物料混合，从而杜绝上述事故的发生；另一种是管壳程间介质压差很大的场合［8］，此时通常在内外管板之间的空腔中加入一种介质，以减小管壳程间介质的压差。

图1双管板换热器示意图
2 双管板换热器的管板
在双管板换热器中，换热管的端部的管板称为外管板，此管板兼作设备法兰，分别与换热管及管箱法兰相连；在距换热管端部较近位置的管板称为内管板，分别与换热管和壳程相连［2］。

图2和图3双管板常见结构［11］。

图2 常见双管板结构1
图3 常见双管板结构2
3 双管板换热器管板的设计
管板的设计计算是非常关键的设计步骤，也是整个设计过程中最复杂的。

因此，设计者对双管板式换热器管板厚度的设计特别重视［9］。

3.1管板厚度的设计
（1）双管板换热器的管板厚度设计方法目前国内没有标准可依，通常采用近似
方法将双管板换热器分解成两部分，然后根据每块管板两侧所接触介质压力与温度按GB 151—1999相应模块来进行设计计算。

针对U形管及固定管壳式双管板换热器，其管板设计厚度采用SW6软件相应模块进行近似计算是安全的，但结果过于保守。

采用有限元分析软件对双管板换热器的管板相应结构进行热应力分析并进行优化设计，有效地降低了管板厚度，为双管板换热器的管板厚度设计提供依据［13］。

（2）计算管板厚度时, 应考虑管程、壳程和积液程三种的工况, 按不同情况进行计算［2］：
①壳程管板的设计参数：设计压力和设计温度分别按壳程及积液程工况确定。

换热管和壳程壁温度按管程及壳程工况确定。

管板与换热管的连接为胀接, 换热管的有效长度为壳程管板间距离。

参数确定后，按GB151计算壳程管板的厚度。

②管程管板的设计参数：设计压力和设计温度按管程和积液程工况确定。

换热管和壳程壁的温度以换热管与壳程或积液程壳体之间最大温差为计算依据。

管板与换热管的连接, 不管是强度焊加贴胀, 还是强度焊加强度胀, 计算时均按强度焊考虑。

换热管的有效长度为管程管板间的距离。

参数确定后，按GB151计算管程管板的厚度［10］。

③管板形式无论是延长部分兼作法兰或是不带法兰的固定式管板, 计算时均可以按延长部分兼作法兰固定式管板进行计算, 因为延长部分兼作法兰固定式管板的受力情况比不带法兰的固定式管板更为苛刻。

计算方法如下［11］：延长部分兼作法兰处的最小厚度
式中：T——管板的有效厚度，㎜；
M
1——取M
1
和M
2
的较大值，mm
N⋅；
M
2——操作条件下延长部分所受的总弯矩，mm
N⋅；
R——R=A/G；
A——管板外径，㎜；
G——管板垫片的平均直径，㎜；
S——规范所规定的设计温度，下管板材料的拉伸许用应力，kPa；
④因积液程的长度较短，一般只有200—300㎜，所以这段管束的刚度很大。

校核时，如出现管板周边不布管区无纲量宽度 k 大于1的情况，可采用增加管板厚度的方法来降低k 值，使其小于或略大于1［6］。

在管板厚度设计过程中，管板周边不布管区无量纲宽度k 起着举足轻重的作用，k 值的大小将直接决定固定管板式换热器管板的设计计算所采用的计算方法［9］。

管板周边不布管区无量纲宽度()1t k K ρ=-
公式中：K —换热管的加强系数；
t ρ—管板布管区的当量直径与壳程圆筒内径之比；
式中 D i ——壳程圆筒内直径，mm ；
D t ——管板布管区的当量直径，mm ；
δ——管板计算厚度，mm ；
E t ——换热管材料的弹性模量，MPa ；
n ——换热管根数；
a ——一根换热管管壁金属的横截面积，2mm ；
E p ——管板材料的弹性模量，MPa ；
η——管板刚度削弱系数，一般可取0.4；
L ——换热管有效长度（两管板内侧间距），mm ；
管板布管区当量直径π
t t A D 4= t A ——管板布管区面积，2mm ；
3.2 壳程管板与管程管板之间间隙长度的计算
两管板间距的确定是双管板换热器设计的又一个重点。

为使内管板与换热管之间方便地实施胀接，两管板之间的间距越小越好；要使换热管受热情况好，则两管板之间的间距是越大越好［2］。

而两管板间距不能太大或太小，太大造成材料浪费；太小结法兰螺栓安装及制造不便．此外放空(净)口也需一定空间［7］。

在实际工作中，由于双管板换热器内外管板的使用温度不同，所以在内外管板温度从常温升到操作温度的过程中，会产生经向位移［2］。

所以壳程管板与管程
管板之间间隙长度L 的确定主要是考虑双管板换热器两块管板的使用温度不同产生径向位移作用在换热管上，引起弯曲应力和剪应力。

为避免管板与换热管的连接处产生很大的应力而造成介质泄漏，壳程管板与管程管板之间间隙长度的计算方法如下：
其中y 的计算公式为：))()((2
001t t t t D y s s t ---=αα 式中 ：L ——壳程管板与管程管板之间间隙长度，mm
E ——材料弹性模量，M Pa
d o ——换热管外径，mm
σ s ——材料弹性极限，M Pa
y ——换热管挠度，mm
D ——管板上管孔的直径，mm
t 。

——安装温度，℃
t t ——管程的设计温度，℃
t s ——壳程的设计温度，℃
αt ——管程管板在设计温度下的热膨胀系数，℃-1
α s ——壳程管板在设计温度下的热膨胀系数，℃-1
实际取值为经上述公式计算后放大12％。

一般情况下，值大小为200～300 mm ［6］。

3.3 管孔排列
双管板换热器管板孔排列和一般换热器管板常规设计应有所不同，GBl51-1999管壳武换热器管板孔的排列一般分为正三角形、转角正三角形、正方形、及转角正形排列。

采用液压强度胀的双管板在工艺条件允许下尽量采用正方形排列。

无论用何种形式的排列，当设备直径较大时，须注意相邻二排孔在换热管穿入后之间应有4～5mm 间距直线通道，当在液压(气压)强度试验时，能在聚光源下正确目测到任何泄露处，方便采取补胀措施，否则知道泄露，无法确定漏处，产生严重后果［14］。

3.4 双管板换热器管板的选材
在设计的时候，必须要注意，管板与换热管的材质需要有一定的
硬度差，一般管板比换热管硬度高HB20—HB30。

最好是采用强度等级较高的材料作管板(如16Mn锻件)，强度等级较低的材料作换热管(如10号无缝钢管)。

当两者硬度相近时，可将管端进行退火处理，以降低换热管的硬度［5］。

结束语：
针对双管板换热器管板的设计，上文着重阐述了管板的厚度计算，列举要考虑的工况条件及其计算方法，为管板的厚度的设计提供依据。

其次，两管板间距的确定是双管板换热器设计的又一个重点，根据计算公式得到的管板间距除了要满足强度要求，也应注重经济性，以便设计出最合理的双管板换热器的管板。

参考文献
[1] 徐呜镝．高压U形管换热器管板设计[J]．中国石化工程建设公司，2003,20 (1) 20—24．
[2] 徐福胜，陈静，王雷．双管板换热器的设计与制造[J]．锦西化工机械（集团）有限责任公司，2009.03
[3] 马玲，杨刘平. 双管板换热器下管板与管束连接方法的探讨[J]. 南通醋酸化工股份有限公司, 2004,（5）.
[4] 于辉，安相清. 双管板换热器强度胀接技术[J]. 大连冰山集团金州重型机器有限公司, 2003, 08.
[5] 曲斌. 双管板换热器的设计与制造探讨[J]. 沈阳仪表科学研究院, 2010，（8）.
[6] 钱婷婷，孔智文. 双管板换热器的设计和制造[J]. 化工装备技术，2006,27 (6 ) .
[7] 苏杨，刘卫东. 浅析双管板换热器设计[J]. 化工设备设计, 1996, 36 ( 5 ) .
[8] 杨玉强，贺小华，杨建永.基于ANSYS的双管板换热器管板厚度设计探讨[J]. 压力容器，2010,27 (10 ) .
[9] 金文凯. 固定管板式换热器管板设计计算中k值的重要意义[J]. 石油与化工设备，2010, 4（13）.
[10] 涂俊宏，于东兴. 双管板换热器设计及制造[J]. 化工设备与管道, 2001, 38 (2) .
[11] 汪金凤. 双管板换热器的设计要点[J]. 化学工业与工程技术, 2007, 28.
[12] 关桂苹. 固定管板式换热嚣管板的计算机辅助设计[J]. 化工装备技术，2001, 2（22）.
[13] 郑丽娜，王家帮，贺小华. 双管板换热器管板设计厚度探讨[J]. 炼油技术与工程, 2009，4（39）.
[14] 王玲. 双管板换热器的管板设计及制造[J]. 中国科技信息，2009，(12 ) .
[15] 朱冬梅. 双管板换热器的设计和制造[J]. 中国制造业信息化，2010, 39 (9 ) .
[16] N.H. Kim, Y.P. Lee, Proc. of Fouling Mitigation of Industrial Heat Exchange Equipment[J] .An International Conference, San Luis Obispo, CA, 1995, p. 421.
[17] S.W. Ahna, B.C. Lee, W.C. Kima, M.W. Baea. Fluid flow and heat transfer in fluidized bed vertical shell andtube type heat exchanger[J]. International Communications in Heat and Mass Transfer，2005，32。