换热器的结构设计- 2
02-换热器设计
1
§2-2 传热过程分析及计算
二、 传热过程的基本公式 3、通过肋壁的传热
k
' f
Ai 1 hi hoo Ao
1
1 1 hi hoo
1
只要 o 1 就可以起到强化换热的效果。 由于β值常常远大于1，而使η0β的值总是远大于1，这就 使肋化侧的热阻显著减小，从而增大传热系数的值。
二、 传热过程的基本公式
2、通过圆管的传热
内部对流： hi dil (t f 1 twi ) 圆柱面导热：
(t wi t wo ) do 1 ln 2 l di
hi ho
1 lhi di
1 ho ld o
外部对流： ho dol (two t f 2 )
（2）传热系数是常数； （3）换热器无散热损失； （4）换热面沿流动方向的导热量 可以忽略不计。
要想计算沿整个换热面的平均温差，首先需要知道当地温
差随换热面积的变化,然后再沿整个换热面积进行平均。
§2-3换热器中传热对数平均温差的计算
一、简单顺流及逆流换热器的对数平均温差
在假设的基础上，并已知冷热流体 的进出口温度，现在来看图中微元 换热面dA一段的传热。温差为：
1 kf 1 Ao Ao 1 hi Ai Ai hoo
§2-2 传热过程分析及计算
二、 传热过程的基本公式 3、通过肋壁的传热
定义肋化系数：
Ao Ai
则传热系数为：
kf
1 1 hi ho o
1
§2-2 传热过程分析及计算
二、 传热过程的基本公式 3、通过肋壁的传热
t t1 t2 dt dt1 dt2
板式换热器技术要求（2）
板式换热器技术要求（2）（二）板式换热器3设计与运行条件3.1板式换热器型式板式换热器采用等截面可拆卸板式换热器（水-水），换热面材质材质为GB316不锈钢。
3.2板式换热器的配置本次招标共需配备2台可拆卸板式换热器（水-水），单台功率22.5MW，单台换热面积950㎡，换热器接管管径按设计所提管径配置，换热器按本技术规范书所提面积订货。
3.3板式换热器设计参数下表为单台22.5兆瓦板式换热器的参数项目单位数据数量台 4额定换热量MW 22.5设计压力MPa.g 1.6一次侧（高温介质）进水温度℃98一次侧（高温介质）出水温度℃60一次侧（高温介质）运行压力MPa.g 0.4~1.0二次侧（低温介质）进水温度℃80二次侧（低温介质）出水温度℃50二次侧（低温介质）运行压力MPa.g 0.3~0.6一次侧（高温介质）最大流量t/h 500二次侧（低温介质）最大流量t/h 670一次侧（高温介质）压降MPa ≤0.03二次侧（低温介质）压降MPa ≤0.03换热器密封材料耐温℃110换热器总长度mm <4000换热器总宽度mm <1500换热器总高度mm <3500换热器换热面积m2/台≥950一次侧（高温介质）进、出口管径mm DN350 二次侧（低温介质）进、出口管径mm DN400 板片材质GB316不锈钢单板换热面积m2/片 2.5m2/片板片厚度mm ≧0.7一次侧（高温介质）行程数个 1二次侧（低温介质）行程数个 1下表为15兆瓦单台板式换热器的参数项目单位数据数量台 2额定换热量MW 15.0设计压力MPa.g 1.6一次侧（高温介质）进水温度℃98一次侧（高温介质）出水温度℃60一次侧（高温介质）运行压力MPa.g 0.4~1.0 二次侧（低温介质）进水温度℃80二次侧（低温介质）出水温度℃50二次侧（低温介质）运行压力MPa.g 0.3~0.6 一次侧（高温介质）最大流量t/h 360二次侧（低温介质）最大流量t/h 450一次侧（高温介质）压降MPa ≤0.03二次侧（低温介质）压降MPa ≤0.03换热器密封材料耐温℃110换热器总长度mm <4000换热器总宽度mm <1500换热器总高度mm <3500换热器换热面积m2/台≥630一次侧（高温介质）进、出口管径mm DN300二次侧（低温介质）进、出口管径mm DN350板片材质SUS316不锈钢单板换热面积m2/片 2.5m2/片板片厚度mm ≧0.7一次侧（高温介质）行程数个 1二次侧（低温介质）行程数个 13.4热网循环水水质板式换热器工作介质为热网循环水，水质为软化水，具体水质如下：项目数值悬浮物＜5mg/L总硬度≤0.6mmol/L含氧量≤0.1mg/L含油量——PH 7~8.53.5运行方式板式换热器并联运行。
热交换器原理与设计第2章 管壳式热交换器
☆挡管是两端堵死的管子，安置在相应于分程隔板槽后面的 位置上，每根挡管占据一根换热管的位置，但不穿过管板， 用点焊的方法固定于折流板上。通常每隔3～4排管子安排一 根挡管，但不应设置在折流板缺口处，也可用带定距管的拉 杆来代替挡管。
优点：结构简单，制造成本低，规格范围广，工程中应用广泛。 缺点：壳侧不便清洗，只能采用化学方法清洗，检修困难，对较脏
或有腐蚀性介质不能走壳程。当壳体与换热管温差很大时， 可设置单波或多波膨胀节减小温差应力。
管壳式换热器结构名称
单程管壳式换热器
1 —外壳，2—管束，3、4—接管，5—封头 6—管板，7—折流板
图2.25 折流板的几何关系
2.2.4 进出口连接管直径的计算
进出口连接管直径的计算仍用连续性方程， 经简化后计算公式为：
D 4M1.13M
πρw
ρw
2.3 管壳式热交换器的传热计算
1) 选用经验数据：根据经验或参考资料选用工艺条 件相仿、设备类型类似的传热系数作为设计依据。 如附录 A。 2) 实验测定：实验测定传热系数比较可靠，不但可 为设计提供依据，而且可以了解设备的性能。但实 验数值一般只能在与使用条件相同的情况下应用。
焊在换热管上）。
图2.23 防冲板的形式
a) 内导流筒 图2.24 导流筒的结构
b) 外导流筒
★导流筒
❖ 在立式换热器壳程中，为使气、液介质更均匀地流入管间， 防止流体对进口处管束段的冲刷，而采用导流筒结构。
换热器及零部件结构设计
换热器及零部件结构设计1.绪论换热设备是化工、炼油、食品、轻工、能源、制药机械及其他许多工业部门广泛使用的通用设备。
随着工业的发展，换热设备在能量储存、转化、余热回收以及新能源利用和污染治理中得到广泛应用。
1.1 换热器的分类1.1.1 换热器的分类及特点按照传热方式的不同，换热器可分为三类：1.直接接触式换热器；2.蓄热式换热器；3.间壁式换热器.1.2 管壳式换热器的分类及特点管壳式换热器可分为五类：1.固定管板式换热器；2.浮头式换热器3.U形管式换热器；4.填料函式换热器；5重沸器。
浮头式换热器的特点浮头式换热器两端管板中只有一端与壳体固定，另一端可相对壳体自由移动，成为浮头。
浮头部分是由浮头管板，钩圈与浮头端盖组成的可拆联接，因此可以容易抽出管束，故管内管外都能进行清洗，也便于检修。
浮头式换热器的优点是管间和管内清洗方便，不会产生热应力；但其结构复杂，造价比固定管板式换热器高，设备笨重，材料消耗量大，且浮头端小盖在操作中无法检查，制造时对密封要求高。
适用于壳体和管束之间壁温差较大的或壳程介质易结垢的场合。
2.换热器的工艺条件与选型2.1 换热器的工艺条件设计条件壳程管程工作介质设计压力工作压力设计温度介质特性换热面积烃循环水-0.0781MPa0.495MPa-0.071MPa0.45MPa80℃60℃易爆/78㎡2.2 换热器的选型根据换热器流体的性质和各种管壳式换热器的特点，本回收塔冷却器选用浮头式换热器。
3. 换热器的零部件结构设计3.1换热管3.1.1 换热管的材料、形式及尺寸回收塔冷却器采用光管，因为光管加工方便、价格便宜。
根据换热流体的性质选用Φ25mm×2.5mm长度L=60000mm的20号无缝钢管作为换热管的材料。
根据GB151-89表3-11（a ）I 级换热器换热管外径允许的偏差是Φ25±0.20管板管孔允许的偏差是Φ+0.15025。
3.1.2 换热管的排列方式及管心距如图所示，换热管在管板上的排列形式主要有正三角形、正方形和转角正三角形、转角正方形。
列管式换热器结构设计
到焊接的可能性； （b）纵向隔板插入导向槽中； (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。
管板与隔板的连接形式 如图 (a)为隔板与管板焊接， (b)是隔板用螺栓联接在焊于管板的角铁上的可
拆结构.
3、分割流板
在壳体上有对称的两个进口及一个出口时，如图中 J型壳体
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。
②多程管箱，最小流通面积应大于或等于其中一程的管 内流通面积的1/3倍。 ③管箱上各相邻焊缝间距必须大于或等于4s，且应大于 或等于50mm，其中s为管箱壁。
（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
L' g m in
πd
2 i
N
cp
4E
(mm )
（3） Ώ形膨胀节
（4）夹壳膨胀节
2.膨胀节设置必要性判断 通过计算由温差产生轴向力和压力产生轴向力共同作 用，得到： 换热管最大应力、 壳体最大应力及管子拉脱力 当σs>2φ[σ]ts或σt>2[σ]tt时应设置膨胀节 。
3、强度计算 包括： (1)温差引起的轴向力计算 （2）补偿量的计算 （3）膨胀节疲劳寿命计算
换热器设计完整版
（1）管式换热器
这类换热器都是通过管子壁面传热的换热器，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，缠绕管式换热器和管壳式换热器。蛇管式换热器一般由金属或非金属管子，按需要弯曲成所需的形状，如圆盘形，螺旋形和长的蛇行等。它是最早出现的一种换热设备，具有结构简单和操作方便等优点。按使用状态不同，蛇管式换热器又可分为沉浸式蛇管和喷淋式蛇管两种。套管式换热器是由两种不同大小直径的管子组装成同心管，两端用U形弯管将他们连接成排，并根据实际需要，排列组合成传热单元，换热时，一种流体走内管，另一种流体走内外管间的环隙，内管的壁面为传热面，一般按逆流方式进行换热。两种流体都可以在较高的温度，压力，流速下进行换热。套管式换热器的优点是结构简单，工作适应范围大，传热面积增减方便，两侧流体均可提高流速，使传热面的两侧都可有较高的传热系数；缺点是单位传热面的金属消耗量大，检修，清洗，和拆卸都较麻烦，在可拆连接处容易造成泄漏。管壳式换热器是目前应用最为广泛的换热设备。在圆筒形壳体中放置了许多管子组成的管束，管子的两端固定在管板上，管子的轴线与壳体的轴线平行。为了增加流体在管外空间的流速并支撑管子，改善传热性能，在筒体内间隔安装多块折流板，用拉杆和顶距管将其与管子组装在一起。换热器的壳体上和两侧的端盖上装有流体的进出口，有时还在其上装设检查孔，为了安置测试仪表用的接口管，排液孔和排气孔等。缠绕管式换热器是芯筒与外筒之间的空间内将传热管按螺旋闲形状交替缠绕而成，相邻两成螺旋状传热管的螺旋方向相反，采用一定形状的定距管使之保持一定的距离。缠绕状传热管可以采用单根绕制，也可采用两根或多跟组焊后一起绕制。管内可以通过一种介质，称通道型缠绕管式换热器；也可分别通过几种不同的介质，而每种介质所通过的传热管均汇集在各自的管板上，构成多通道型缠绕管式换热器。缠绕管式换热器适用于同时处理多种介质等场合。
换热器结构设计
换热器结构设计. 符号：1C ————钢材厚度负偏差mm. 2C ————钢材的腐蚀裕量mm;C ————厚度附加量mm;i D ————圆筒的内直径mm; o D ————圆筒的外直径(2)o i n D D δ=+mm;c P ————计算压力Mpa;d P ————设计压力Mpa; tP ————管程设计压力 Mpa;[]w P ————圆筒的最大允许工作压力，Mpa;δ————圆筒的计算厚度mm;eδ————圆筒的有效厚度mm; n δ————圆筒的名义厚度mm;tσ————设计温度下圆筒材料的计算应力Mpa;[]tσ————设计温度下圆筒材料的许用应力Mpa;[]σ————试验温度下材料的许用应力Mpa;φ ————焊接接头系数.壁厚的确定 壳体、官箱壳体和封头共同组成了换热器的外壳，管壳式换热器的壳体通常由管材或者板材卷制而成。
压力容器的公称直径按GB9019-88规定，当直径<400mm 时，通常采用管材做壳体和管箱壳体。
当直径≥400mm 时，采用板材卷制壳体和管箱壳体。
其直径系列应与封头、连接法兰的系列相匹配，以便于法兰、封头的选型。
卷制圆筒的公称直径以400mm 为基数，一般情况下，当直径>1000mm 时，直径相差100mm 为一个系列，必要时也可采用50mm ，当直径>1000mm 时直径相差200mm 为一个系列，若采用旋压封头，其直径系列的间隔可以取为100mm 。
圆筒的厚度按GB150-1998第5章计算，但碳素钢和低合金钢圆筒的最小厚度应不小于表1.1的规定。
公称直径 400~≤700 ＞700~≤1000＞1000~≤1500＞1500~≤2000 ＞2000~≤2600 U 型管式8 10 121416表1.1 一.管箱圆筒短节设计管箱圆筒（短节）.计算按GB150-1998第5章的有关规定，其开孔补强计算按GB150-1998第8章有关规定。
换热器设计毕业设计
换热器设计毕业设计一、引言换热器是工业生产中重要的设备之一，主要用于将热流体的热量传递给冷流体。
换热器的设计需要考虑到传热效率、流动阻力、设备成本、材料选择等多个方面。
本文将介绍一种新型换热器的设计，该设计旨在提高传热效率，降低流动阻力，并优化设备成本。
二、换热器设计本文所设计的换热器采用板式结构，主要由板片、密封垫和夹紧螺栓组成。
板片之间通过密封垫密封，形成流体通道。
板片材质选择不锈钢，以提高设备的耐腐蚀性能和使用寿命。
夹紧螺栓用于固定板片，保持设备的密封性。
在板式换热器中，流体分为冷流体和热流体。
冷流体通过板片的冷流道，热流体通过板片的热流道。
由于板片之间的密封垫较薄，因此可以形成较小的通道，减小流动阻力。
同时，板片的波纹结构可以增加传热面积，提高传热效率。
三、设计优化为了进一步提高换热器的性能，本文提出以下优化措施：1、增加板片数量：增加板片数量可以增加传热面积，提高传热效率。
但同时也会增加设备的成本和重量。
因此，需要综合考虑传热效率、设备成本和重量等因素来确定板片数量。
2、优化流道结构：流道结构的优化可以减小流动阻力，提高传热效率。
可以通过改变流道形状、减小流道截面等方式来优化流道结构。
3、采用强化传热材料：采用强化传热材料可以增加传热效率，但需要考虑到材料的耐腐蚀性能和使用寿命等因素。
4、增加设备密封性：增加设备密封性可以防止流体泄漏，提高设备的使用安全性。
可以通过选用高质量的密封垫和夹紧螺栓等措施来增加设备密封性。
四、结论本文所设计的换热器采用板式结构，具有较高的传热效率和较低的流动阻力。
通过增加板片数量、优化流道结构、采用强化传热材料和增加设备密封性等措施，可以进一步提高换热器的性能。
该设计具有一定的实用价值和推广意义。
管壳式换热器结构设计在化工、石油和能源等领域中，管壳式换热器是一种广泛应用的高效换热设备。
本文将详细探讨管壳式换热器的结构设计，包括材料选择、传热原理和应用特点等方面的内容，旨在提高设备的传热效率和可靠性。
双管板换热器的结构设计
双管板换热器的结构设计双管板换热器在工业生产中普遍使用，做好其结构设计尤为重要。
本文就双管板换热器的结构设计进行了探讨，详细概述了双管板换热器的应用场合、结构和内外管板计算要点及内外管板间距的计算，并总结了设计中需要注意的问题，以期能为双管板换热器的结构设计提供参考借鉴。
标签：双管板换热器；结构；设计要点引言在工业生产中，实现物料之间热量交换的节能设备统称为换热器，它广泛应用于国民经济的各个领域。
在生产中为了防止腐蚀和污染，以及满足工艺流程、劳动保护、安全生产等方面的要求，通常采用双管板换热器来解决。
而由于双管板换热器与一般的换热器相比结构较为复杂，因此在设计过程中各细节必须充分考虑，产品质量才能得到有效的保证。
1 应用场合双管板换热器分为整体式双管板、连接式双管板、分离式双管板3种形式。
双管板换热器主要用于当两程之间的物料相混后，将会产生严重后果，一般用于下列情况：（1）产生严重腐蚀；（2）使极毒流体波及到大面积的场合；（3）发生燃烧或爆炸；（4）产生聚脂状物质或聚合物，形成设备污垢；（5）使催化剂中毒，或使化学反应停止或反向进行，以致减少产量；（6）使产品不纯。
在这些情况下，尽管双管板换热器比普通单管板换热器投资费用大，为了确保安全，还是应考虑在管子两端或一端采用双管板的换热器，以防止壳程流体与管程流体之间的泄漏。
2 双管板换热器的结构所谓双管板换热器就是在换热器一端或两端设有一定间隙的双管板且两块双管板间用一段筒节相连。
最常见的结构示意图如图1所示。
隔离腔用于封闭相邻的内管板与外管板之间漏出的气（液）体，防止有毒气（液）体的外溢。
隔离腔最高和最低处需分别设置放空口和排净口，用于及时导出渗漏气（液）体。
换热器与管板的连接，通常外管板与换热管采用强度焊加贴胀，内管板与换热管采用强度胀接。
外管板采用强度焊加贴胀的目的是通过焊接结构来保证换热管与管板连接的密封性能以及抗拉脱强度，通过贴胀来消除换热管与管孔之间间隙。
换热器 设计压力的2-3原则
1楼一台换热器，壳程工作压力，管程工作压力 MPa按照SH/T 3074-2007（我们公司工艺专业不确定设计压力，很无语）确定设计压力为壳程，管程 MPa审核人把设计压力给我改为壳程，管程 MPa 原因是两压力腔的设计压力不能相差太大，低压腔设计压力不能低于高压腔设计压力的10/13 大概就是倍，说是API620上规定的。
我想问一下各位坛友，这样选取设计压力是否合适这一条规定的依据是什么6楼发表于 2011-1-21 14:40 | 只看该作者回复1#stainlessness关于提高换热器较低压力侧的设计压力问题近些年来，国外的一家工程公司在为我国设计的一个工程项目的换热器工程规定中，提出“对管、壳侧设计压力相差较大的换热器,压力较低侧的设计压力要提高到其水压试验的压力等于较高侧的设计压力(所谓2/3原则)”。
自此之后，国内的一些工程公司也纷纷将其写在自己的工程规定上。
2/3原则来源于API 660-2003《管壳式换热器标准》的附录D(参考件——推荐做法)的条。
条的条文为：“高压单元中换热管失效。
如果换热器承受壳程和管程之间较大操作压差，应考虑换热管失效的影响。
注：详细内容参考文献(4)和(5)。
”参考文献(4)为API RP 521-1997《泄压和降压系统的指南》，参考文献(5)为《石油学会——管壳式换热器承受换热管失效冲击的设计和安全操作》。
目前，参考文献(4)我们已经找到，参考文献(5)还没有找到。
在参考文献(4)中，条为换热设备故障，其中的条的条文为：“全部管子破裂，大量高压物料流到换热器较低压力侧是极少的，但是意外事故是可能的。
较小的泄漏在换热器操作期间可能很少超压，因为标准的水压试验压力是设备设计压力的150%。
设备故障，换句话说，当低压侧(包括上游和下游系统)使用最小为2/3高压侧设计压力设计时，低压侧到常压的裕量损失，由管子破裂产生是不可能的。
在换热器高压侧的设计压力和操作压力有实际差别时，可以考虑用最大可能的系统压力代替基于逐个工况的高压侧设计压力。
热交换器原理与设计-管壳式热交换器设计 2.1-2.3
14
圆盘-圆环形折流板
15
图2-22 单弓形折流挡板
图2-24 圆盘—圆环形折流挡
16
17
布置原则: a.一般应按等间距布置 b.管束两端的折流板尽可能靠近壳程进出口接管
c.间距：Lmin不小于0.2管内径Di，且不小于 50mm； Lmax不大于Di；
折流板缺口布置原则: a.壳程为单相清洁流体时，折流板缺口 (卧式） 应水平上下布置。 若气体中含有少量液体, 应在缺口朝上的 折流板最低处开设通液口; 若液体中含有少量气体，应在缺口朝下 的折流板最高处开通气口; b.壳程介质为气液共存或液体中含有固体 颗粒时，折流板应垂直左右布置，并在 折流板最低处开通液口;
管程数Zt为： Zt L/l
式中： l——所确定的管子的长度m L——管程总长，m；
39
管子的总根数
nt nZt
式中： n——每程管数
流程数的选取：
流程数适中
过多
隔板在管板上占去过多的面积，管板排管数降低 增加流体穿过隔板垫片短路的机会
增加流体的转弯次数及流动阻力
40
程数宜取偶数，以使流体的进、出口 连接管做在同一封头管箱上，便于制造。
条件: 当壳程进出口接管距管板较远，流体停滞区过大时， 应设置导流筒
分类：内导流筒和外导流筒两种。
9
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⑵折流板、支持板
①折流板
作用: a.提高壳程流体流速，增加湍动程度；使壳程流 直冲刷管束，提高壳程传热系数； b.减少结垢。 c.支承管束
结构形式 弓形 圆盘-圆环形 堰形折流板
体垂
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AC—两折流板间错流的流通截面积
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（3）盘环形折流板
环板圆孔处的流通面积a1
管壳式换热器的结构设计
管壳式换热器的结构设计摘要本文首先叙述了管壳式换热器的概念意义、发展历史、应用和发展前景、市场状况等。
以及关于管壳式换热器标准的常见问题，管壳式换热器的结构形式及传热性能比较，管壳式换热器的特性与用途及优缺点分析，进而确定设计换热器的类型。
本文设计主要是一些管壳式换热器结构的主要部件的确定跟选择，由于篇幅原因，一些小的参数跟附件并未涉及。
换热器的设计部分主要包括管子数确定及其排列方式，壳体壁厚计算，封头和容器法兰的选择，还有折流板支座的设计等。
管壳式换热器的结构设计，是为了保证换热器的质量和运行寿命，必须考虑很多因素，如材料、压力、温度、壁温差、结垢情况、流体性质以及检修与清理等等来选择某一种合适的结构形式。
对同一种形式的换热器，由于各种条件不同，往往采用的结构亦不相同。
在工程设计中，除尽量选用定型系列产品外，也常按其特定的条件进行设计，以满足工艺上的需要（得到适合工况下最合理最有效也最经济的便于生产制造的换热器等等）。
关键词：管壳式换热器管壳式换热器结构Structure design of shell-and-tube heat exchangerAbstractThis paper first describes the shell and tube heat exchanger conceptual meaning , history, application and development prospects, market conditions . And on shell and tube heat exchanger standards FAQs , shell and tube heat exchanger structure and heat transfer performance compared to shell and tube heat exchanger analysis of the characteristics and uses , advantages and disadvantages , and to determine the design of the heat exchanger types.This design choice is mainly identified with some of the major components of the shell and tube heat exchanger structure due to space reasons, some small argument with attachments not involved . The main part of the heat exchanger design includes determining the number and arrangement of tubes , shell wall thickness calculation , head and vessel flange options, there are baffles bearing design. Shell and tube heat exchanger design of the heat exchanger in order to ensure the quality and operating life , you must consider many factors , such as material , pressure, temperature , wall temperature, fouling , fluid properties , and to repair and clean-up , etc. select one of the appropriate structure.A form of the same heat exchanger, a variety of different conditions , is not the same structure are often used . In engineering design , in addition to try to use styling products , but also often carried out in accordance with specific conditions designed to meet the needs of workmanship ( to get the most reasonable and appropriate conditions effective to facilitate also the most economical manufacturing heat exchangers etc. ) .Keywords : shell and tube heat exchanger shell and tube heat exchanger structure目录摘要 (I)1绪论 (1)1.1换热器的概念及意义 (1)1.2换热器的发展历史 (1)1.3换热器的应用和发展前景 (2)1.4换热器的市场状况 (3)1.5管壳式换热器的分类以及各自特点 (4)1.5.1 固定管板式换热器 (4)1.5.2 浮头式换热器浮头 (5)1.5.3 U形管式换热器 (5)1.5.4 填料函式换热器 (6).1.6管壳式换热器的设计与选型 (7)1.6.1管壳式换热器的设计与选型 (7)1.6.2．设计与选型的具体步骤 (9)1．7设计条件 (10)2换热器设计部分 (11)2.1管数的确定 (11)2.2管子排列方式、管间距的确定 (11)2.3换热器壳体直径的确定 (12)2.4换热器壳体壁厚的计算 (12)2.4.1厚度计算 (12)2.4.2校核水压试验强度 (13)2.4.3强度校核 (13)2.5换热器封头的选择 (14)2.6容器法兰的选择 (14)2.7管板尺寸的确定 (15)2.8管子拉脱力的计算 (15)2.9计算是否安装膨胀节 (17)2.10折流板设计 (18)2.11开孔补强 (20)2.12支座 (21)2.12.1裙座设计 (21)2.12.2基础环设计 (23)2.12.3地脚栓的设计 (24)符号说明 (26)参考文献 (29)1绪论1.1换热器的概念及意义换热器（英语翻译：heat exchanger），是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，又称热交换器。
换热器设计手册 (2)
换热器设计手册1. 引言换热器是一种用于将热量从一个介质传递到另一个介质的设备。
它广泛应用于工业生产、能源系统和空调等领域中。
换热器的设计对于确保良好的热量传递效率至关重要。
本手册将介绍换热器设计的基本原理、常见的换热器类型以及设计过程中需要考虑的关键因素。
2. 换热器基本原理换热器的基本原理是利用热传导和流体运动来实现热量的传递。
换热器通常由两种介质流体通过分离的通道流动，介质1流经一个通道，介质2流经另一个通道。
换热器的目的是将介质1中的热量传递给介质2，或者将介质2中的热量传递给介质1。
换热器的热量传递可以通过对流、传导和辐射等多种机制来实现。
对流是指流体与固体表面之间的热量传递，传导是指通过固体材料的热传导来实现热量传递，辐射是指由于温度差引起的热辐射。
在换热器设计中，通常会根据具体情况选择合适的热传递机制。
3. 常见的换热器类型3.1 管壳式换热器管壳式换热器是一种常见的换热器类型，它由一个壳体和多个管束组成。
介质1通过壳体外部流动，介质2则通过管束内部流动。
热量通过管壁传递，从而实现介质1和介质2之间的热量交换。
管壳式换热器具有较大的热交换面积，适用于处理大流量和高温度差的情况。
3.2 板式换热器板式换热器是一种将多个金属板堆叠在一起形成的换热器。
介质1和介质2分别通过相邻的板间流动，热量通过板之间的传导实现热量传递。
板式换热器具有紧凑的结构和较高的热交换效率，适用于处理低流量和小温度差的情况。
3.3 管束式换热器管束式换热器由多个管束组成，每个管束内部流动的介质可以与其他管束中的介质进行热量交换。
管束式换热器适用于多个介质之间需要进行热量交换的情况。
3.4 其他类型的换热器除了上述常见的换热器类型，还有许多其他类型的换热器，如螺旋板式换热器、管栅板式换热器等。
根据具体的应用场景和要求，可以选择合适的换热器类型。
4. 换热器设计过程换热器设计的过程通常可以分为以下几个步骤：4.1 确定热量传递要求首先要确定换热器需要传递的热量，包括热负荷和传热表面积等参数。
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
换热器的设计结构与类型
管束分程布置图
管程数 流动顺序 管箱隔板 介质返回 侧隔板 图序 a b c d e f g 1 2
1 2 1 2 3 4 1 4
4
2 3 1 2 4 3 2 5 1 6 3 4
6
2 1 3 4 6 5
每程管数大致相同，温差不超过 ℃ 每程管数大致相同，温差不超过20℃左右为好
流向
44
强度胀
27
1.管板材料 管板材料
力学性能 介质腐蚀性（ 间电位差对腐蚀影响） 介质腐蚀性（及tube-tubesheet间电位差对腐蚀影响） 间电位差对腐蚀影响 贵重钢板价格
流体无腐蚀性或有轻微腐蚀性时， 流体无腐蚀性或有轻微腐蚀性时， 管板采用压力容器用碳素钢或低合金钢板或锻件制造； 管板采用压力容器用碳素钢或低合金钢板或锻件制造； 腐蚀性较强时，用不锈钢、 腐蚀性较强时，用不锈钢、铜、铝、钛等材料， 钛等材料， 为经济考虑，采用复合钢板或堆焊衬里。 为经济考虑，采用复合钢板或堆焊衬里。
大管径
粘性大或污浊的流体
22
3.换热管材料 换热管材料
碳素钢 低合金钢 不锈钢 金属材料 铜 铜镍合金 铝合金 钛等
23
石墨 非金属材料 陶瓷 聚四氟乙烯等
4.换热管排列形式及中心距 换热管排列形式及中心距
30° 60°
90°
45°
p
三角形布管多，但不易清洗； 三角形布管多，但不易清洗； 正方形及转角正方形较易清洗
5
基本类型
一、固定管板式换热器 结构
6
双管程固定管板换热器
7
优点
——结构简单、紧凑、能承受较高的压力，造价 结构简单、紧凑、能承受较高的压力， 结构简单 低，管程清洗方便，管子损坏时易于堵管或更换。 管程清洗方便，管子损坏时易于堵管或更换。 ——当管束与壳体的壁温或材料的线膨胀系数相 当管束与壳体的壁温或材料的线膨胀系数相 差较大时，壳体和管束中将产生较大的热应力。 差较大时，壳体和管束中将产生较大的热应力。 ——适用于壳侧介质清洁且不易结垢并能进行溶 ——适用于壳侧介质清洁且不易结垢并能进行溶
热交换器的结构设计及分析
车辆工程技术80机械电子1 引言 热交换器是某热回路的关键设备之一，某热回路主冷系统中并联设置了三台热交换器，用于冷却一次水，将回路核心部位所产生的热量带出，并通过热交换器传递给二次冷却水，维持回路核心部位要求的进出口温度。
为满足回路对热交换器的要求，本文利用对热交换器进行了结构设计，并利用有限元分析软件ANSYS，依据RCCM 对热交换器进行应力强度评定[1-3]。
2 结构设计图1 热交换器结构示意图图2 热交换器工质流程图 热交换器结构型式为再生式列管－套管型，热交换器的结构示意图如图1所示，主要由8段列管段、10段套管段、 支座、设备本体与支座连接组件、 连接管和接管组成。
再生段为列管型结构，由8段列管式换热段串联而成，冷却段为套管型结构，由10段套管式换热段串联而成，换热器一次侧设计温度均为350℃，二次侧设计温度均为100℃，一次侧设计压力为17.2MPa，二次侧设计压力为1.0MPa。
热交换器工质流程图如图2所示，热回路中的一次水流经再生段管程后进入冷却段内管，将热量传递给冷却段套管层的二次冷却水，然后进入再生段的壳程复热，同时对再生段管程中的一次水进行冷却。
3 载荷、工况和准则3.1 工况3.1.1 设计工况 设计压力，设计温度，自重，热膨胀，静液压力。
3.1.2 正常工况 操作压力，操作温度，自重，液体扰动，热膨胀。
3.1.3 异常工况 此工况下的最大压力，此工况下的最高温度，自重，液体扰动，热膨胀。
3.1.4 事故工况 此工况下的最大压力，此工况下的最高温度，自重，液体扰动，热膨胀。
3.1.5 试验工况 试验工况下的压力和温度。
3.2 应力评定准则 依据RCCM 的规定，对于上述每一种工况都应满足各种载荷工况下的最低准则级别，热交换器的所承受的最高循环载荷小于基准循环数，则在对其进行应力分析时，每种工况下的应力限值应符SC-2级设备的第2组规则。
上述工况对应准则级别及应力限值如表所示。
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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。
Qust ——管壳式换热器设计
40
3.1.3 管箱
管箱是由封头、管箱 短节、法兰连接、分程 隔板等组成。增加短节
的目的是保证管箱有必
要的深度安放接管和改
善流体分布。
图 3-6 管箱结构
管箱结构（a）
特点：清洗要拆除管线
隔板
适用场合：适用于于较 隔 清洁的介质
箱
图 3-7管箱结构（a）
(a) (a)
管子排列方式
它三种统称为错列管束。
流体进入管束前的主流速度为ｖｏ，在管子 之间间隙处的流速为ｖ，为便于计算，两者 间的关系示于下表。
管间隙中的流速ｖ表
排列形式 正三角形 转角三角形 正方形 转角正方形
排列角 30° 60° 90° 45°
v/(m/s)
P P - d 0 3P 0 （ 2 P - d） P P - d 0 P （ 2 P - d） 0
挠性薄管板结构
（1）法兰与壳程流体 不接触； （2）管板与壳体有过 渡圆弧，可以减少管 板边缘的应力集中； 而且壳体很薄，所以 管板具有一定的弹性 ，可以缓冲管束与壳 体之间的热膨胀。 缺点：加工复杂。
2015-4-12
（d）
Qust ——管壳式 34 换热器设计
过程设备设计
椭圆形管板
以椭圆形封头作为管板，与换热器壳体焊接在一起。 受力情况比平管板好得多，可以做得很薄，有利于降 低热应力；适用于高压、大直径的换热器。
最大布管圆直径应在 GB151-1999 所规定范 围内。 DL=Di-2b3 、B3=0.25d 一般不小于8mm
固定管板和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离为0.25d（d——换 热管外径），且不宜小于8mm。 DL=Di-2b3 b3=0.25d一般不小于8mm。 浮头式换热器从结构上考虑。
(b) （b ）
管箱结构（b）
隔板 箱盖
（1）
特点 管板
隔板
1. 清洗时不要拆除管线 箱盖 （2） 2. 用材较多
(b) 图 3-7 管箱结构（b）
（b）
(c) (c)
管箱结构（c）
隔板
）
管板 隔板
2）
箱盖
避免管箱和管板连 接处的泄漏，检查、 清洗不方便，很少使 用。
图 3-7管箱结构（c）
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差应力）的前提下，应尽量减少管板的厚度。 Qust ——管壳式换热器设计
30
相对于GB151-1999、
薄管板式换热器
TEMA计算所得的厚度要 薄得多的管板，一般厚度 为8-20mm；主要有以下 的几种形式； 贴面式（德国）：管板 焊在设备法兰密封面上 （图a），当管程为腐蚀 性介质时，由于密封槽开 在管板上，法兰不用采用 耐腐蚀材料。
管壳式换热器的结构设计 及强度分析 (二)
保定金能公司
3、管壳式换热器的结 构设计
管壳式换热器的主要零部件
管程——与管束中流体相通的空间 壳程——换热管外面流体及相通空间
管程
壳程
图3-1 管壳式换热器结构图
管程
（ a) BEM立 式 固 定 管 板 式 换 热 器
3.1管程结构
3.1.1 管束
过程设备设计
（ c）
焊入式（原上海医药设计院）：管板焊在
2015-4-12
壳体上（图c）。壳程有腐蚀性介质时，法 兰不与其接触，不需采用耐腐蚀材料，而 且管板离开了法兰，减小了法兰力矩对其 的影响。同时管板与刚度较小的筒体相连 ，有助于减少管板的边缘应力。 Qust ——管壳式
33 换热器设计
过程设备设计
• 介质流经折流板缺口是垂直正对换热管，冲刷换 热管外表面，传热学上称为错列，介质流动时形 成湍流，对传热有利。因此，对无相变的换热器， 因其传热与介质流动状态关系较大，宜采用正三 角形排列。正三角形排列用于壳程介质较清洁， 换热管外不需清洗。
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15
可以参阅相关的文献。
目前大多数采用ANSYS软件进行设计。
2015-4-12 Qust ——管壳式换热器设计
38
双管板间间距的确定：
（1）采用双管板结构时，一方面由于制造钻孔的原因，两 管板间产生管孔错位，另一方面两管板的不同温度，会 产生不同的膨胀或冷缩，管板的径向变化也不同，这时 管板对换热管产生横向剪力和弯曲力，影响换热管与管 板连接处的强度及严密性，导致泄漏现象的发生。
2015-4-12 Qust ——管壳式换热器设计
36
2 2
用于严格禁止管程
3 3
4 4
ห้องสมุดไป่ตู้与壳程介质互相混
合的场合。
方法
从短节排出；短节圆筒 充入高于管程、壳程压 力的惰性介质。
图3-5 双管板结构 1—空隙 2—壳程管板3—短节 4—管程管板
1 1
双管板换热器的管箱壳体、封头、壳程壳体、 管箱法兰及开孔补强的设计计算与普通固定 管板式换热器相同，关键是管程侧管板和壳 程侧管板强度的计算。 GB151没有计算方法； 可按照单板计算，结果偏安全； 内外管板厚度可以不一样；
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Qust ——管壳式 35 换热器设计
当换热器两程之间的物料相混合，将会产生以下严重后 果时，就会采用双管板式换热器： （1）腐蚀：管程和壳程的介质不接触时没有腐蚀发生，一旦 两种介质发生接触混合后，会导致设备严重腐蚀； （2）环境保护：若一程为极度危害介质，渗透至另外一程时， 引起其极度危害介质大面积的波及，如波及到冷却系统及 加热系统等； （3）安全方面：当两种介质相混合后，会产生燃烧或爆炸； （4）产生反应：当一种介质与另一种介质接触后，使一种介 质化学反应受到限制，或不产生反应，或两种介质接触后 发生聚合或生成树脂状物质； （5）催化剂中毒：当一种介质与另一种介质接触后，造成催 化剂性能改变或化学反应。 （6）产品不纯：当一种介质与另一种介质接触后，可能会污 染产品，使产品质量下降。
流体无腐蚀性或有轻微腐蚀性时，管板采用压力容
器用碳素钢或低合金钢板或锻件制造；
腐蚀性较强时，用不锈钢、铜、铝、钛等材料，为 经济考虑，采用复合钢板或堆焊衬里。
高压换热器的管板与管箱壳体的连接一般不采用
法兰连接，而是将管板和管箱对接焊接或锻成一 体，目的是防止泄漏。
当处理高压腐蚀性介质时，管板应采用复合管板，
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（a）
31
过程设备设计
镶平式（原苏联
ГОСТ标准）：管板焊 在设备法兰内，并将 表明车平（图b）。不 管管程或者壳程有腐 蚀性介质，法兰都需 采用耐腐蚀材料，而 且管板受法兰力矩影 响较大。
图 薄管板结构形式
（b）
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Qust ——管壳式 32 换热器设计
（2）由于两块管板间的管束不能用于传热，过大的间距会 浪费管子的表面积。
（3）液压胀管器的胀杆长度。
（4）两块管板间距能够保证在管壳程压力试验和气密性试 验时，用于观察检漏的最小空间。
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Qust ——管壳式换热器设计
39
假设换热管为内管板固定的柱
（如图所示），确定间距G
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质较脏，换热管外需清洗场合。
2015-4-12 Qust ——管壳式换热器设计
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原则
无论哪种排列都必须在管束周围的弓形空间 尽可 能多布管→传热面积↑，且可防壳程流体短路。
管心距:保证管子与管板连接时，管桥有足够的强度和刚度
影响因素
清洗难易 传热效果
结构紧凑性
取值：t≥1.25d0 (保证管桥强度和清洗通道)
2015-4-12 Qust ——管壳式换热器设计
7
螺纹管
螺纹管外表面积，一般可为光管外表面积 的2～2.5倍。螺纹管使用在管外结垢比较严 重的场合，当有脆硬的结垢发生时，往往 沿着翅片的边缘形成平行的垢，当温度发 生变化会引起管子伸缩，使垢自行脱落， 重新露出翅片金属。 不适用于固体粉尘含量较高或易结焦的场合