换热设备

第二讲换热设备2.1换热设备分类：管壳式换热器GB151-1999 P N≤35MPa套管换热器高压P N>35MPa喷淋换热器高压P N >35MPa换热设备板式换热器低压P N <0.1MPa热管换热器低压P N <0.1Mpa其它新型换热器：波纹管、翅片管、螺纹管、拆流杆等。

2.2换热器设计标准：随着石油、化学工业生产的发展，换热器的应用日益增多，设计标准也不断得更新提高：1959 一机部合肥通用所《列管换热器》TH2-591971 一机部合肥通用所《列管式固定管板热交换器》JB114-711973 一机部、燃料化学工业部《列管式固定管板换热器》JB1145-73 1983 机械工业部、石油工业部、化学工业部《钢制管板式换热器设计规定》及《钢制管壳式换热器技术条件》JB1147-80 1989 国家技术监督局《钢制管壳式换热器》GB151-89 1999 国家质量技术监督局《管壳式换热器》GB151-1999 美国：TEMA标准《美国管壳式换热器制造商协会》日本：JISB82492.3GB151-1999《管壳式换热器》标准介绍2.3.1 GB151-1999适用范围：1. 适用环节：非直接受火管壳式换热器的设计、制造、检验、验收2. 适用换热器型式：固定管板、浮头式、U形管式、填料函式3. 适用参数：①DN≤2600mm （TEMA JISB8249要求）②PN≤35MPa③PN×DN≤1.75×104 （防止直径大、压力高、厚壁，超过GB150中径公式计算范围）④适用的设计温度范围按金属材料允许的使用温度确定。

4. 不适用范围：（新增加）①直接火焰加热换热器及废热锅炉②疲劳分析、核辐射的换热器③已有其他行业标准管辖的换热器（与《容规》一致）（制冷、制糖、造纸、饮料等待业专用）5. 几种型式换热器性能的比较：（1）.固定管板式换热器优点： 1.结构简单紧凑；2.管内清洗方便：（可走不干净介质，可更换换热管）3.管板厚度较薄，造价低；缺点： 1.壳程清洗困难（壳程流体必须干净，不易结垢）2.承受温差载荷的能力差。

适用压力高，介质干净场合。

为了改变固定管板换热器的不足，开发出了带膨胀节的固定管板换热器。

（2）.带膨胀节的固定管板换热器：优点： 1. 2. 3. 同上4.承受温载的能力大。

缺点：壳程清洗困难。

适用于温度、压力高、介质干净的场合。

为了改进固定管板换热器壳程清洗困难，人们开发了浮头式换热器。

（3）.浮头式换热优点： 1.承受温差载荷的能力大；2.管程、壳程清洗方便。

缺点： 1. 结构复杂、笨重、金属清耗量大；2. 造价高，浮头内渗漏无法观察；3. 换热效率低。

为了使浮头管板能够随管束一起抽出，管束外边缘与壳壁之间形成了一个宽度16~22mm的环隙；不但减少了排管数目，易引起壳体流体短路；而且使得壳体流速下降，传热系数K降低。

故换热面积需增大，结构笨重。

适用于高温、高压、介质不干净的场合。

（4）.填料型式换热器（浮头式换热器的又一种改型结构）优点： 1. 承受温载的能力高；2. 管程、管程清洗方便。

缺点： 1. 结构复杂；2. 填料密封结构，仅用于压力、温度不高的场合，且介质无毒、不易燃、不易爆。

因为填正式换热器，将原浮头式换热器的法兰连接静密封改为填料型式密封以后，壳往介质的少量外泄往往难以避免。

（5）U形管式换热器：优点： 1. 结构简单；2. 壳内清洗方便；3. 承受温载的能力高。

缺点： 1. 管内清洗困难；2. 内层换热器损坏，无法更换，只能堵塞；3. 换热效率低（适用温度压力高，壳内介质干净）因为里层的V形管必须保持一个最小弯管半径（2倍换热器外径）于是导致壳管内出现了一个不能排管的条形空间，使得壳体流速下降，K下降。

因此，本次设计，根据温度、压力、介质特性，请大家选用固定管板式，常膨胀节固定管板式、浮头式、V形管式结构。

第二节管壳式换热器设计标准介绍2.3.2 设计参数的确定（总则）一、设计单位的职责：3.2.2.1条二、换热器的主要组合部件：（3.5条）前端管箱、壳体、后端结构（包括管束）三、公称直径DN、换热面积A、公称长度LN、管道和壳道意义四、压力：PW、P、PC、PT五、温度：金属温度、设计温度、试验温度六、厚度：δ、δd、δn、δe、C=C1+C23.6 公称直径DN3.6.1 卷制圆筒以圆筒内直径（mm）作为换热器的公称直径。

3.6.2 钢管制圆筒以钢管外径(mm)作为换热器的公称直径。

3.7 换热面积A3.7.1 计算换热面积以换热管外径为基准，扣除伸入管板内的换热管长度后，计算得到的管束外表面积；对于V形管式换热器，一般不包括V形弯管段的面积，m2。

3.7.2 公称换热面积经圆整后的计算换热面积，m2。

3.8 公称长度LN以换热管的长度(m)作为换热器的公称长度。

换热管为直管时，取直管长度；换热管为V形管时，取V形管直管段的长度。

3.9 管程和壳程3.9.1 管程系指介质流经换热管内的通道及其相贯通部分。

3.9.2 壳程系指介质流经换热管外的通道及其相贯通部分。

3.9.3 管程数Nt，系指介质沿换热管长度方向往、返的资数。

3.9.4 壳程数Ns，系指介质在壳程内沿壳体轴向往、返的次数。

3.11 压力除注明者外，压力均指表压力。

3.11.1 工作压力工作压力指在正常工作情况下，换热器管、壳程顶部可能达到的最高压力。

3.11.2 设计压力设计压力指设定的换热器管、壳程顶部的最高压力，与相应的设计温度一起作为设计载荷条件，其值不得低于工作压力。

对于同时受管、壳程压力作用的元件，仅在能保证管、壳程同时升、降压时，才可以按压差设计，否则应分别按管、壳程工作压力确定设计压力，并应考虑可能存在的最苛刻的管、壳程压力组合。

按压差设计时，压差的取值还应考虑在压力试验过程中可能出现的最大压差值，同时设计者应提出压力试验的步进程序。

真空换热器真空侧的设计压力按承受外压考虑，当装有安全控制装置（如真空泄放阀）时，设计压力取1.25倍最大内外压力差，或0.1MPa两者中的较低者；当没有安全控制装置时，取0.1MPa。

真空换热器非真空侧，同时受管、壳程压力作用的元件，其设计压力应为内压侧和真空侧设计压力之和。

3.11.3 计算压力计算压力指在相应设计温度下，用以确定换热器元件厚度的压力，其中包括液柱静压力。

当元件所承受的液柱静压力小于5%的设计压力时，可忽略不计。

3.11.4 试验压力试验压力指在压力试验时，换热器管、壳程顶部的压力。

3.12 温度3.12.1 设计温度设计温度指换热器在正常工作情况下，设定的元件金属温度（沿元件金属横截面的温度平均值），设计温度与设计压力一起作为设计载荷条件。

在任何情况下，元件金属的表面温度不得超过材料的允许使用温度。

设计温度不得底于元件金属在工作状态可能达到的最高温度。

对于0℃以下的金属温度，设计温度不得高于元件金属可能达到的最低温度。

标志在名牌上的管、壳程设计温度，分别为管程管箱和壳程壳本的设计温度。

对于同时受管、壳程温度作用的元件可按金属温度确定设计温度，也可取较高侧的设计温度。

金属温度可按附录F（提示的附录）求得，或在已使用的同类换热器上测定，也可根据成熟的设计经验确定。

低温换热器的设计温度按附录A（标准的附录）确定。

3.12.2 试验温度试验温度指压力试验时，管箱和壳体的金属温度。

3.14 厚度3.14.1 厚度附加量厚度附加量按式（1）确定：C=C1+C2 (1)式中：C——厚度附加量，mm；C1——材料厚度负偏差，按3.14.1.1，mm；C2——腐蚀裕量，按3.14.1.2，mm。

3.14.1.1 材料厚度负偏差板材或管材的厚度负偏差按材料标准的规定，当材料的厚度负偏差不大于0.25mm，且不超过名义厚度的6%时，负偏差可忽略不计。

换热管不考虑厚度负偏差。

3.14.1.2 腐蚀裕量为防止换热器元件由于腐蚀、机械磨损而导致厚度削弱减薄，应考虑腐蚀裕量，具体规定如下：a）对有腐蚀或磨损的零件，应根据预期的寿命和介质对金属材料的腐蚀速率确定腐蚀裕量；b）换热器各元件受到的腐蚀程度不同时，可采用不同的腐蚀裕量；c）介质为压缩空气、水蒸汔或水的碳素钢或低合金钢制换热器，腐蚀裕量不小于1mm。

3.14.1.3 换热器主要元件腐蚀裕量的考虑原则：a）管板、浮头法兰、球冠形封头和钩圈两面均应考虑腐蚀裕量；b）平盖、凸形封头、管箱和圆筒的内表面应考虑腐蚀裕量；c）管板和平盖上开槽时，可把高出隔板柄底面的金属作为腐蚀裕量，但当腐蚀裕量大于槽深时，还应加上两者的差值。

d）压力容器法兰和管法兰的内直径面上应考虑腐蚀裕量；e）换热管不考虑腐蚀裕量；f）拉杆、定距管、折流板和支持板等非受压元件，一般不考虑腐蚀裕量。

3.14.2 计算厚度计算厚度指按GB150和本标准有关公式计算得到的厚度；需要时，尚应计入3.13.2中载荷所需的厚度。

3.14.3 设计厚度设计厚度指计算厚度与腐蚀裕量之和。

3.14.4 名义厚度名义厚度指设计厚度加上材料厚度负偏差后向上圆整至材料标准规格的厚度。

即标注在图样上的厚度。

3.14.5 有效厚度有效厚度指名义厚度减去腐蚀裕量和材料厚度负偏差。

七、许用压力：八、压力试验：<一>管程设计压力Pt>壳内部 块Ps 时1. 提高壳程PT=管程PT ，必须先校核壳体在管程PT 下的δT ≤0.9δs 中；2. 若经计算不能提高责程P 时，则壳粗、管程按各自要求的试验压力试压后，表现再用1.0倍光程设计压力的含氨体积约1%的压缩空气或低压纯氨进行渗透试验。

3. 卤素检漏等方法试验。

（二）压力试验前的压力极核：简体：椭封头：GB150：因为简体与封头的压力相当。

有时因封头制造要求，封头厚度反而比圆筒厚，故仅提供简体。

GB151：由于抽装管束的需要，有时简体厚度远大于封头厚度，故简体封头均需投核δT 。

2.3.3 材料 一、选材原则：1. 容器的使用条件（如设计温度设计压力、介质特性和操作特点等）。

2. 材料的力学性能；3. 材料的焊接性能，热处理性能（加工工艺性能）；4. 材料的耐腐蚀性能；5. 材料的价格及来源（经济管理性） 二、有色气体使用范围规定：1. 钻；2. 铜；3. 钛；Φ⋅Φ≤+P =T Ts s r e Di δδδδσ8/9.02)(Φ⋅Φ≤+P =T Ts s re Di δδδδσ8/9.02)5.0(三、锻件：1. 管板、平盖、法兰、符合JB4726、JB4728 II 级以上2. 管板段件场合： ①管板带肩与简体、封头对焊，应用锻件②管板厚度>60mm四、钢板制造长颈法兰时的特殊要求：a ） c ） 4.3.2.2条b ） d ）五、奥氏体不锈钢焊接钢管用作换热管时规定：（也可作圆筒）a ） 设计压力≤6.4mpab 使用温度与相应钢号的无缝相同。