管壳式换热器的强度计算23页PPT
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孙兰义教授新作《换热器工艺设计》第3章 管壳式换热器ppt
② ①
特性
适用范围
ϕ25×2.5
325~1Байду номын сангаас00
2，4
3，6
ϕ19×2 ϕ25×2.5
△
浮头 式
GB/T 28712.1 —2012
325~1900
2，4， 3， 4.5， 6， ϕ19×2 6 9
◇
ϕ25×2.5
3.1 管壳式换热器的特点
管壳式换热器的主要组合部件
TEMA标准中规定的管壳式换热器的主要组合
图3-3 GB/T 151-1999 管壳式 换热器中的主要部件和部件代号图
⑤ F型壳体用于需要多壳体的工况，它可起到两台或多 台串联换热器的作用，并允许换热器温度交叉的出现。
3.1 管壳式换热器的特点
前端管箱和后端管箱
前端管箱有封头管箱和平盖管箱两种基本型式。封头管箱（B）最常用，一 般是在管侧流体较清洁的情况下使用。平盖管箱可以是可拆式（A）也可以与 管板做成一个整体（C）。对于水冷却器，当管侧需要定期清洗且管侧设计压 力小于1 MPa时，前封头可选A型，对于高压换热器前封头宜选择D型。各管箱 详细介绍见书p6~p7。 可参考的一般选型指导：
（a）竖缺形折流板
（b）横缺形折流板
图3-11 折流板缺口方向
3.2 管壳式换热器结构参数选择
折流板换热器间隙 折流板管孔与管壁之间的间隙 根据TEMA标准，对于未受支承的管子的最大长度为36 in（914.4 mm）
或更小，或者对于外径大于1.25 in（31.8 mm）的管子，该孔隙为1/32 in （0.80 mm）；对于未受支承的长度超过36 in，外径为1.25 in或更小的 管子，该孔隙为1/62 in（0.40 mm）。
特性
适用范围
ϕ25×2.5
325~1Байду номын сангаас00
2，4
3，6
ϕ19×2 ϕ25×2.5
△
浮头 式
GB/T 28712.1 —2012
325~1900
2，4， 3， 4.5， 6， ϕ19×2 6 9
◇
ϕ25×2.5
3.1 管壳式换热器的特点
管壳式换热器的主要组合部件
TEMA标准中规定的管壳式换热器的主要组合
图3-3 GB/T 151-1999 管壳式 换热器中的主要部件和部件代号图
⑤ F型壳体用于需要多壳体的工况，它可起到两台或多 台串联换热器的作用，并允许换热器温度交叉的出现。
3.1 管壳式换热器的特点
前端管箱和后端管箱
前端管箱有封头管箱和平盖管箱两种基本型式。封头管箱（B）最常用，一 般是在管侧流体较清洁的情况下使用。平盖管箱可以是可拆式（A）也可以与 管板做成一个整体（C）。对于水冷却器，当管侧需要定期清洗且管侧设计压 力小于1 MPa时，前封头可选A型，对于高压换热器前封头宜选择D型。各管箱 详细介绍见书p6~p7。 可参考的一般选型指导：
（a）竖缺形折流板
（b）横缺形折流板
图3-11 折流板缺口方向
3.2 管壳式换热器结构参数选择
折流板换热器间隙 折流板管孔与管壁之间的间隙 根据TEMA标准，对于未受支承的管子的最大长度为36 in（914.4 mm）
或更小，或者对于外径大于1.25 in（31.8 mm）的管子，该孔隙为1/32 in （0.80 mm）；对于未受支承的长度超过36 in，外径为1.25 in或更小的 管子，该孔隙为1/62 in（0.40 mm）。
PPT-7-管壳式换热器设计计算实例
kf Ai 1 hi hoo Ao 1 1 1 hi hoo 1
t fi t f 0
所以，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。
32
ln( d o d i ) 2 l
28
上面三式相加
l t fi t fo
do 1 1 1 ln hi d i 2 d i ho d o
对外侧面积而言得传热系数的定义式由下式表示：
k ko 1 do d d 1 o ln o hi di 2 di ho
10
1 构造和工作原理
翅片管热交换器可以仅由一根或若干根翅片管组成，如室内取 暖用翅片管散热器；也可再配以外壳、风机等组成空冷器型式 的热交换器。
11
主要换热元件是翅片管，由基管和翅片组成。
翅片管的类型和选择
对翅片管的要求：良好的传 热性能、耐温性能、耐热冲 击能力（如介质热负荷不稳 定）及耐腐蚀能力，易于清 除尘垢，压降较低。
13
常见的翅片管形式
•
14
翅片管因制造方法不同而使其在传热性能、机械性能等方面有一定的 差异。按制造方法分有整体翅片、焊接翅片、高频焊翅片和机械连接 翅片。
整体翅片：由铸造、机械加工或轧制而成，翅片与管子一体，无接触 热阻，强度高，但要求翅片与管子同种材料。如低压锅炉的省煤器就 是采用整体翅片。 焊接翅片：用钎焊或氩弧焊等工艺制造，可使用与管子不一样的材料。 由于它制造简单、经济且具有较好的传热和机械性能，故已广泛应用， 主要问题是焊接工艺的质量。 高频焊翅片：利用高频发生器产生的高频电感应，使管子表面与翅片 接触处产生高温而部分熔化，同通过加压翅片与管子连成一体而成。 这种连接方法无焊剂、焊料，制造简单，性能优良。
t fi t f 0
所以，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。
32
ln( d o d i ) 2 l
28
上面三式相加
l t fi t fo
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对外侧面积而言得传热系数的定义式由下式表示：
k ko 1 do d d 1 o ln o hi di 2 di ho
10
1 构造和工作原理
翅片管热交换器可以仅由一根或若干根翅片管组成，如室内取 暖用翅片管散热器；也可再配以外壳、风机等组成空冷器型式 的热交换器。
11
主要换热元件是翅片管，由基管和翅片组成。
翅片管的类型和选择
对翅片管的要求：良好的传 热性能、耐温性能、耐热冲 击能力（如介质热负荷不稳 定）及耐腐蚀能力，易于清 除尘垢，压降较低。
13
常见的翅片管形式
•
14
翅片管因制造方法不同而使其在传热性能、机械性能等方面有一定的 差异。按制造方法分有整体翅片、焊接翅片、高频焊翅片和机械连接 翅片。
整体翅片：由铸造、机械加工或轧制而成，翅片与管子一体，无接触 热阻，强度高，但要求翅片与管子同种材料。如低压锅炉的省煤器就 是采用整体翅片。 焊接翅片：用钎焊或氩弧焊等工艺制造，可使用与管子不一样的材料。 由于它制造简单、经济且具有较好的传热和机械性能，故已广泛应用， 主要问题是焊接工艺的质量。 高频焊翅片：利用高频发生器产生的高频电感应，使管子表面与翅片 接触处产生高温而部分熔化，同通过加压翅片与管子连成一体而成。 这种连接方法无焊剂、焊料，制造简单，性能优良。
化工设备课件列管式换热器PPT课件
材料选择
高温材料
对于高温工况，选择耐高温、抗氧化、抗腐 蚀的材料，如不锈钢、镍基合金等。
腐蚀性介质
对于腐蚀性介质，选择耐腐蚀、防腐蚀的材 料，如钛合金、聚四氟乙烯等。
低温材料
对于低温工况，选择耐低温、抗脆化的材料， 如铝合金、铜合金等。
压力容器材料
根据压力需求，选择具有足够强度和稳定性 的材料，如碳钢、低合金钢等。
建立设备维修与保养记录，便于追踪设备运行状况和及时发现潜在问题。
05
列管式换热器的故障诊断与处理
常见故障及原因
列管堵塞
由于列管内壁结垢、腐蚀或异物堵塞 等原因，导致传热效率下降。
列管破裂
由于列管材质缺陷、焊接质量差或使 用过程中受到过大的压力或温度波动， 导致列管破裂。
热效率低
由于传热面积不足、传热介质流量不 足或传热温差过小等原因，导致换热 器热效率低下。
特点
结构紧凑、传热效率高、适应性 强、操作定、可处理高热量和 腐蚀性介质等。
工作原理
01
热流体通过列管内部，被加热或 冷却的流体在列管外部流动，通 过列管壁进行热量交换。
02
热量通过列管壁从热流体传递到 被加热或冷却的流体，实现热量 交换。
类型与结构
固定管板式
管板与壳体焊接在一起，结构 简单，适用于壳程压力不高、
03
列管式换热器设计
设计参数
传热面积
根据工艺要求，计算所需的传热面积，确保 热量交换的效率和效果。
传热效率
选择合适的传热方式，如导热、对流、辐射 等，以提高传热效率。
压力等级
根据工艺压力需求，选择合适的压力等级和 耐压材料，确保设备安全。
温度范围
根据工艺温度需求，选择耐温材料和结构， 确保设备在规定的温度范围内工作。
管壳式换热器的强度计算
2 o
t
t=
0.25Do p
[τ ]
t
式中 [τ]t ——管板材料在设计温度下的许用 τ 管板材料在设计温度下的许用 剪应力， τ 剪应力，取[τ]t=0.8 [σ]t σ t ——不包括附加量的管板厚度，t=tc-C。 不包括附加量的管板厚度， 不包括附加量的管板厚度
考虑管板开孔削弱系数为(1-do/to)，则管板 考虑管板开孔削弱系数为 ， 按剪切强度的计算公式为： 按剪切强度的计算公式为： （3） ） 管孔中心距， 式中 to ——管孔中心距，mm； 管孔中心距 ； d。——管子外径，mm； 管子外径， 。 管子外径 ； D。——布管区最外圈管子中心圆直径，mm 布管区最外圈管子中心圆直径， 。 布管区最外圈管子中心圆直径 当布管区不是圆形时， 当布管区不是圆形时，则D。为布管区外缘 。 管子中心连线所限定的周边当量直径， 管子中心连线所限定的周边当量直径，即 4 Ao Do = Lo
2．将管束当作弹性支承，而管板则作为放置 ．将管束当作弹性支承， 弹性支承 于这弹性基础上的圆平板， 弹性基础上的圆平板 于这弹性基础上的圆平板，然后根据载荷大 小、管束的刚度和周边支承情况来确定管板 的弯曲应力。 的弯曲应力。由于它比较全面地考虑了管束 的支承和温差等影响，因而比较精确， 的支承和温差等影响，因而比较精确，但计 算公式较多，计算过程也较繁杂。 算公式较多，计算过程也较繁杂。在大力发 展电子计算技术的今天， 展电子计算技术的今天，是一种有效的设计 方法。 方法。 3．取管板上相邻四根管子之间的棱形面积， ．取管板上相邻四根管子之间的棱形面积， 按弹性理论求此棱形面积在均布压力作用下 的最大弯曲应力。 的最大弯曲应力。由于此法与管板实际受载 情况相差甚大，仅用于粗略计算。 情况相差甚大，仅用于粗略计算。
t
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0.25Do p
[τ ]
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式中 [τ]t ——管板材料在设计温度下的许用 τ 管板材料在设计温度下的许用 剪应力， τ 剪应力，取[τ]t=0.8 [σ]t σ t ——不包括附加量的管板厚度，t=tc-C。 不包括附加量的管板厚度， 不包括附加量的管板厚度
考虑管板开孔削弱系数为(1-do/to)，则管板 考虑管板开孔削弱系数为 ， 按剪切强度的计算公式为： 按剪切强度的计算公式为： （3） ） 管孔中心距， 式中 to ——管孔中心距，mm； 管孔中心距 ； d。——管子外径，mm； 管子外径， 。 管子外径 ； D。——布管区最外圈管子中心圆直径，mm 布管区最外圈管子中心圆直径， 。 布管区最外圈管子中心圆直径 当布管区不是圆形时， 当布管区不是圆形时，则D。为布管区外缘 。 管子中心连线所限定的周边当量直径， 管子中心连线所限定的周边当量直径，即 4 Ao Do = Lo
2．将管束当作弹性支承，而管板则作为放置 ．将管束当作弹性支承， 弹性支承 于这弹性基础上的圆平板， 弹性基础上的圆平板 于这弹性基础上的圆平板，然后根据载荷大 小、管束的刚度和周边支承情况来确定管板 的弯曲应力。 的弯曲应力。由于它比较全面地考虑了管束 的支承和温差等影响，因而比较精确， 的支承和温差等影响，因而比较精确，但计 算公式较多，计算过程也较繁杂。 算公式较多，计算过程也较繁杂。在大力发 展电子计算技术的今天， 展电子计算技术的今天，是一种有效的设计 方法。 方法。 3．取管板上相邻四根管子之间的棱形面积， ．取管板上相邻四根管子之间的棱形面积， 按弹性理论求此棱形面积在均布压力作用下 的最大弯曲应力。 的最大弯曲应力。由于此法与管板实际受载 情况相差甚大，仅用于粗略计算。 情况相差甚大，仅用于粗略计算。
管式换热器ppt
（2）根据不同的目的，换热器可以是热交换器、加热器、 冷却器、蒸发器、冷凝器等。
（3）衡量一台换热器好坏的标准。
a.先进性 传热效率高，流体阻力小，材料省
b.合理性 可制造加工，成本可接受
c.可靠性 满足操作条件 ,强度足够,保证使用寿命
化工生产对换热设备提出的要求是： 传热效率高，流体阻力小； 强度、刚度、稳定性足够； 结构合理，节省材料，成本较低； 制造、装拆、检修方便等。
第一节 管壳式换热器的总体结构
一、概述
（4）任何一种换热器不可能十全十美。 板式换热器传热效率高、金属消耗量低，但流体阻力大、强度 和刚度差，制造、维修困难。 列管式换热器虽在传热效率、紧凑性、金属消耗量等方面均不 如板式换热器，但其结构坚固、可靠程度高、适应性强、材料 范围广，因而目前仍是石油、化工生产中，尤其是高温、高压 和大型换热器的主要结构型式。
二、管壳式换热器的种类及其结构
管壳式换热器是把换热管束与管板连接后，再用筒体与管箱包 起来，形成两个独立的空间：管内通道及与其相贯通的管箱，称为 管程空间；换热管外的通道及与其贯通的部分，称为壳程空间。
1 列管式换热器的主要结构： 横 向
壳体、管板、管束、顶盖（封头）、挡板 纵 向
2 列管式换热器的工作原理：
3）、缺点：填料处易泄漏。 4）、适用场合： 4MPa 以下，且不适用于易挥发、易
燃、易爆、有毒及贵重介质，使用温度受填料的物性 限制。
列管式换热器 种类
优点
缺点
固定管板式
管外清洗困难； 结构较简单，造价较低，相对 管壳间有温差应力存在； 其 它 列 管 式 换 热 器 其 管 板 最 薄 。当两种介质温差较大时必须
1-管箱(A,B,C,D型);2-接管法兰;3-设备法兰;4-管板;5-壳程接管;6-拉杆;7-膨胀 节;8-壳体;9-换热管;10-排气管;11-吊耳;12-封头;13-顶丝;14-双头螺柱;15-螺 母;16-垫片;17-防冲板;18-折流板或支承板;19-定距管;20-拉杆螺母;21-支 座;22-排液管;23-管箱壳体;24-管程接管;25-分程隔板;26-管箱盖
（3）衡量一台换热器好坏的标准。
a.先进性 传热效率高，流体阻力小，材料省
b.合理性 可制造加工，成本可接受
c.可靠性 满足操作条件 ,强度足够,保证使用寿命
化工生产对换热设备提出的要求是： 传热效率高，流体阻力小； 强度、刚度、稳定性足够； 结构合理，节省材料，成本较低； 制造、装拆、检修方便等。
第一节 管壳式换热器的总体结构
一、概述
（4）任何一种换热器不可能十全十美。 板式换热器传热效率高、金属消耗量低，但流体阻力大、强度 和刚度差，制造、维修困难。 列管式换热器虽在传热效率、紧凑性、金属消耗量等方面均不 如板式换热器，但其结构坚固、可靠程度高、适应性强、材料 范围广，因而目前仍是石油、化工生产中，尤其是高温、高压 和大型换热器的主要结构型式。
二、管壳式换热器的种类及其结构
管壳式换热器是把换热管束与管板连接后，再用筒体与管箱包 起来，形成两个独立的空间：管内通道及与其相贯通的管箱，称为 管程空间；换热管外的通道及与其贯通的部分，称为壳程空间。
1 列管式换热器的主要结构： 横 向
壳体、管板、管束、顶盖（封头）、挡板 纵 向
2 列管式换热器的工作原理：
3）、缺点：填料处易泄漏。 4）、适用场合： 4MPa 以下，且不适用于易挥发、易
燃、易爆、有毒及贵重介质，使用温度受填料的物性 限制。
列管式换热器 种类
优点
缺点
固定管板式
管外清洗困难； 结构较简单，造价较低，相对 管壳间有温差应力存在； 其 它 列 管 式 换 热 器 其 管 板 最 薄 。当两种介质温差较大时必须
1-管箱(A,B,C,D型);2-接管法兰;3-设备法兰;4-管板;5-壳程接管;6-拉杆;7-膨胀 节;8-壳体;9-换热管;10-排气管;11-吊耳;12-封头;13-顶丝;14-双头螺柱;15-螺 母;16-垫片;17-防冲板;18-折流板或支承板;19-定距管;20-拉杆螺母;21-支 座;22-排液管;23-管箱壳体;24-管程接管;25-分程隔板;26-管箱盖
换热器换热面积选型计算方法PPT课件
便于清洗，适 于壳程流体易 结垢的场合； 但对流传热系 数较正三角形 的低。
介于正三角 形和正方形 之间。
4. 管间距t
管间距: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。
通常，胀管法取t =（1.3~1.5）d0，且相邻两管外壁间距
二、确定物性数据
1．定性温度 对于粘度低的流体，其定性温度可取流体进出口温度的
平均值。所以，
壳程流体的定性温度为：
T 140 40 90C 2
管程流体的定性温度为：
t 20 40 30C 2
2．物性参数
定性温度下，管程流体(井水)、壳程流体（植物油）有关 物性参数由《主要物性参数表》得出。
1.管径和管内流速 选用Φ25×2.5较高级冷拔传热管（碳钢），取管内流 速u1=0.75m/s。
2.管程数和传热管数 依据传热管内径和流速确定单程传热管数：
正三角形排列：n c
1.1
n
正方形排列：
n c
1.19
n
b ' (1 ~ 1.5)d0
多管程壳体内径：
D 1.05t N
N ——排列管子数目；t—管心距
——管板利用率
正三角形排列 ——2管程：0.7-0.85； >4管程：
0.6-0.8 正方形排列 —— 2管程：0.55-0.7 ;
六、折流挡板
作用： ①提高壳程内流体的流速；
②加强湍流强度； ③提高传热效率； ④支撑换热管。
形式：
圆缺形
圆盘形
最常用的为圆缺形挡板，切去的弓形高度约为外壳
《热交换器原理与设计》管壳式热交换器设计22-23解析
A c ls D s D L D L s d 0 s d 0
13
式中：
ls——折流板间距； d0——管子外径； s——管间距；
sn——与流向垂直的管间距。 As，Ab，Ac之间的关系
As AbAc
As——为保证流速所需要的流通截面积
Ab——流体在缺口处的流通截面积
AC—两折流板间错流的流通截面积
38
Thank you for attention!
39
1、由理想管束的传热因子图查出柯尔本传热因子jH
假定 壳程流体全部错流流过管束
jHG sc0PP2/r3w0.1 4
2、查取折流板的校正因子jc, 缺口处不排管的结构jc=1 36
3、查取折流板泄漏影响的校正因子j1(A和E流路)， 4、查取旁通影响的校正因子jb 5、折流板间距不等时的校正因子 js
壳体的外径
强度
钢制压力容器标准的规定加以确定 7
公称直径小于或等于400mm的热交换器，可以采用无缝钢管 制作圆筒，卷制圆筒的公称直径以400mm为基础，以100mm， 为进级档，必要的时候允许以50mm为进级档。
三、壳程流通截面积的计算
内容： 确定纵向隔板或折流板的数目与尺寸。
纵向隔板
AsM s/sws
二、壳体直径的确定
内径 作图（可靠，准确）
方法
估算 D s b 1 s 2 b
6
式中：
b′——管束中心线上最外层管中心至壳体内壁距离， b′＝（1～1.5）d0(d0为管外径)。
b ——沿六边形对角线上的管数。
估算 当管子按照等边三角形排列时，b1.1 nt ；
当管子接正方形排列时 b1.19nt
9
弓形折流板 缺口高度
13
式中：
ls——折流板间距； d0——管子外径； s——管间距；
sn——与流向垂直的管间距。 As，Ab，Ac之间的关系
As AbAc
As——为保证流速所需要的流通截面积
Ab——流体在缺口处的流通截面积
AC—两折流板间错流的流通截面积
38
Thank you for attention!
39
1、由理想管束的传热因子图查出柯尔本传热因子jH
假定 壳程流体全部错流流过管束
jHG sc0PP2/r3w0.1 4
2、查取折流板的校正因子jc, 缺口处不排管的结构jc=1 36
3、查取折流板泄漏影响的校正因子j1(A和E流路)， 4、查取旁通影响的校正因子jb 5、折流板间距不等时的校正因子 js
壳体的外径
强度
钢制压力容器标准的规定加以确定 7
公称直径小于或等于400mm的热交换器，可以采用无缝钢管 制作圆筒，卷制圆筒的公称直径以400mm为基础，以100mm， 为进级档，必要的时候允许以50mm为进级档。
三、壳程流通截面积的计算
内容： 确定纵向隔板或折流板的数目与尺寸。
纵向隔板
AsM s/sws
二、壳体直径的确定
内径 作图（可靠，准确）
方法
估算 D s b 1 s 2 b
6
式中：
b′——管束中心线上最外层管中心至壳体内壁距离， b′＝（1～1.5）d0(d0为管外径)。
b ——沿六边形对角线上的管数。
估算 当管子按照等边三角形排列时，b1.1 nt ；
当管子接正方形排列时 b1.19nt
9
弓形折流板 缺口高度
管壳式换热器传热机理课件pptx
管壳式换热器传热机理课件pptx
contents
目录
• 引言 • 管壳式换热器基本结构 • 传热基本原理 • 管壳式换热器传热过程分析 • 强化传热措施及优化设计
contents
目录
• 管壳式换热器性能评价与选型 • 实验与仿真技术在管壳式换热器研究中
的应用 • 总结与展望
01
引言
目的和背景
管壁热阻、流体热阻、污垢 热阻
传热系数计算
传热系数定义
单位时间内、单位面积上热量传递的速率
传热系数计算公式
K = (1/R1 + 1/R2 + … + 1/Rn)^-1
各部分热阻计算
管壁热阻、流体热阻、污垢热阻
温度场分布与影响因素
温度场分布
沿流动方向温度逐渐降低，径向温度梯度较小
影响因素
流体物性、流速、管壁厚度、热负荷、污垢状况 等
通过测量管壳式换热器进出口流体的温度和 流量，计算热负荷和传热系数，评估其传热 性能。
压力降实验
测量进出口流体的压力差，分析流体在管壳式换热 器内的流动阻力，为优化设计提供依据。
流场可视化实验
利用粒子图像测速仪（PIV）等技术，观察 管壳式换热器内部流场分布，揭示流动与传 热之间的相互作用。
仿真模型建立及求解过程阐述
案例分析：某管壳式换热器优化设计实践
案例背景介绍
某化工企业需要对现有管壳式换热器进行优化设计，以提高传热效率、降低能耗。
优化设计方案
通过对换热器进行流场模拟分析，发现原有设计中存在流动死区、流速分布不均等问题。针对这些问题，提出了增加 折流板数量、优化折流板结构、改变进出口管径等优化设计方案。
优化效果评估
接管类型
contents
目录
• 引言 • 管壳式换热器基本结构 • 传热基本原理 • 管壳式换热器传热过程分析 • 强化传热措施及优化设计
contents
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• 管壳式换热器性能评价与选型 • 实验与仿真技术在管壳式换热器研究中
的应用 • 总结与展望
01
引言
目的和背景
管壁热阻、流体热阻、污垢 热阻
传热系数计算
传热系数定义
单位时间内、单位面积上热量传递的速率
传热系数计算公式
K = (1/R1 + 1/R2 + … + 1/Rn)^-1
各部分热阻计算
管壁热阻、流体热阻、污垢热阻
温度场分布与影响因素
温度场分布
沿流动方向温度逐渐降低，径向温度梯度较小
影响因素
流体物性、流速、管壁厚度、热负荷、污垢状况 等
通过测量管壳式换热器进出口流体的温度和 流量，计算热负荷和传热系数，评估其传热 性能。
压力降实验
测量进出口流体的压力差，分析流体在管壳式换热 器内的流动阻力，为优化设计提供依据。
流场可视化实验
利用粒子图像测速仪（PIV）等技术，观察 管壳式换热器内部流场分布，揭示流动与传 热之间的相互作用。
仿真模型建立及求解过程阐述
案例分析：某管壳式换热器优化设计实践
案例背景介绍
某化工企业需要对现有管壳式换热器进行优化设计，以提高传热效率、降低能耗。
优化设计方案
通过对换热器进行流场模拟分析，发现原有设计中存在流动死区、流速分布不均等问题。针对这些问题，提出了增加 折流板数量、优化折流板结构、改变进出口管径等优化设计方案。
优化效果评估
接管类型
第十二章管壳式换热器
3 管板设计方法简介
（1）管板当作受均布载荷的实心圆平板， 按弹性理论求解弯曲应力； （2）管束作为弹性基础，计算各种载荷作 用下的弯曲应力； （3）取相邻四个管板孔间的菱形，按弹性 理论，计算均布载荷下的最大弯曲应 力。
23
4 管程分程及管板与隔板的连接
（1）换热面积较大，要进行分程 a.管子太长，设备长径比过大，浪费材料； b.增加流速，提高传热效果。 （2）分程要求： a.各程管数大致相同； b.相邻程管壁温差不大于28℃； c.隔板形状应简单。 （3）常用管程数为：1，2，4，6，8，12。
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管与管板焊接形式：
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（3）胀焊并用
克服了单纯的焊接及胀接的缺点，主要 优点是： 连接紧密，提高抗疲劳能力； 消除间隙腐蚀和应力腐蚀； 提高使用寿命。 施工方式：先胀后焊；先焊后胀。 胀接——贴胀；强度胀。 焊接——密封焊，强度焊。 根据不同情况具体制定施工工艺。
18
三 换热管排列形式
1 排列方式 （1）正三角形和转正三角形排列
24
分程举例： 2程——
4程——
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（4）分程隔板及其与管板间的密封
管箱结构：
26
四 其它附件的作用与结构
1 折流板及支撑板
作用：a.提高壳程流体流速，改变流动方向— 提高传热效率。b.支撑换热管。 形式：a.弓形；b.圆盘-圆环形；c.扇形。
27
28
2 旁路挡板
壳体与管束之间 存在有较大间隙 时，为避免流体 走短路，沿纵向 设置板条，迫使 流体穿过管束。
（4）填料函式换热器
特 点
1.一端可自由伸缩— 不产生热应力； 2.管束可以抽出，管内外均易清洗； 3.填料将壳程介质与外界隔开，易外漏， 介质受限制； 8
管壳式换热器ppt课件
类型与结构
类型
根据结构特点和使用要求，管壳式换热器可分为固定管板式 、浮头式、U形管式、填料函式等类型。
结构
主要由壳体、管束、管板、封头等组成，其中管束是换热器 的核心部件，通过两端固定在管板上，与壳体形成封闭空间 。
02
管壳式换热器的工作原理
传热原理
热传导
管壳式换热器中的传热过程主要 以热传导为主，热量从高温介质 传递到低温介质，通过管壁和壳
适用范围与限制
适用范围
管壳式换热器适用于高温高压的工况， 以及需要承受较大压力和温度变化的场 合。此外，由于其结构简单、可靠性强 ，管壳式换热器也常用于工业生产中的 加热、冷却和冷凝等操作。
VS
限制
管壳式换热器的传热效率较低，因此不适 用于需要高效传热的场合。此外，由于其 体积较大，管壳式换热器也不适用于空间 受限的场合。
在石油化工领域，管壳式换热器的优点包括高可靠性、耐高温高压、良好的热效 率以及适应性强等，使其成为该领域不可或缺的设备之一。
能源工业领域
能源工业是另一个管壳式换热器得到广泛应用的重要领域。在火力发电、核能发电、水力发电等过程中，管壳式换热器都扮 演着重要的角色。
在能源工业中，管壳式换热器被用于加热和冷却各种流体，如水、蒸汽、油等，以实现能量的转换和回收。其高效可靠的运 行对于提高能源利用效率和降低能源成本具有重要的作用。
维护方便
管壳式换热器的结构简单，拆装方便，便于进行维修和清 洗。
缺点
01
02
03
传热效率较低
相比于其他类型的换热器 ，管壳式换热器的传热效 率相对较低。这是由于其 结构特点所决定的。
体积较大
管壳式换热器的体积较大 ，需要占用较多的空间。
《热交换器原理与设计》管壳式热交换器设计21-23
内容 :
管程流通截面积 确定壳体直径 壳程流通截面积
进出口连接管尺寸
一、管程流通截面积的计算 单管程热交换器的管程流通截面积为：
36
At Mt /twt
式中： At——为管程流通截面积，m2；
Mt——为管程流体的质量流量，Kg/s； ρt——为管程流体的密度，Kg/m3； Wt——为管程流体的流速，m/s；
水平 竖直
竖直 转角
（a） (a单 )单弓形 （ 弓a） 形单弓形
转角
过程设备设计
(c（)三C）弓三弓形形 （C）三弓形
(b)双(弓 b形 )双(b弓)双形弓形
(d)（ 圆d） 盘四弓 -圆形环形（d）四弓形
弓形缺口高度h 应使流体流过缺口时与横向流过管束时的流速相近
缺口大小用弓形弦高占壳体内直径的百分比来表示， 如单弓形折流板，h=(0.20～0.45)Di，最常用0.25Di。 13
作用: a. 减小跨距→防振 b.支承管子→增加管子刚度，防止管子产生过大挠度
形状尺寸: 同折流板
最大无支撑跨距:
换热管外径
10 12 14 16 19 25 32 38 45 57
最大无
钢管
- - 1100 1300 1500 1850 2200 2500 2750 3200
支撑跨距
有色金属 管
750
a1 a2 a3
a2
Dmh1
d0 sn
As a2a3
a3——盘周至圆筒内壁截面减去该处管子所占面积
Dm——环内径D1和盘径D2的算术平均值
sn ——与流向垂直的管间距
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第三节 管壳式热交换器的传热计算
一、传热系数的确定
经验选用数据
GB151-2014 热交换器ppt课件
器》是一个什 么样的标准，具有怎样的地位？
相关标准 GB150-2011《压力容器》
——压力容器行业基础标准 ——给出了压力容器建造的通用要求，包括材料、设计、 制造检验与验收等内容
1、本标准适用的设计压力 1.1、钢制容器不大于35MPa。 1.2、 其他金属材料制容器按相应引用标准确定。 2、本标准适用的设计温度范围 2.1 设计温度范围：－269℃～900℃。 2.2 钢制容器不得超过按GB 150.2 中列入材料的允许使用温度范围。 2.3 其他金属材料制容器按本部分相应引用标准中列入的材料允许使用温度确定
21
22
换热管与管板的连接
胀度（新增概念）
公式：
k=（d2-di-b）/2δx100%
d2——换热管胀后内径mm di——换热管胀前内径mm b——换热管与管板管孔的 径向间隙mm
δ——换热管壁厚mm
23
换热管与管板的连接
胀度可按式6-2计算，机械胀接的胀度可按表6-18选用.当采用其他胀接 方法或材料超出表6-18时，应通过胀接工艺试验确定合适的胀度。
验，换热管与管板连接的拉脱力满足7.4.7（许用拉脱力）的要求。 6.6.1.5强度胀接的结构尺寸要求 a）最小胀接尺寸应取管板名义厚度减去3mm的差值与50mm二者的小值；
超出部分可采用贴胀，当有要求时也可全长采用强度胀接 b）连接尺寸：伸出长度上角标+2改为+1 c）采用柔性胀接工艺时，开槽宽度按式6-3计算，且不得大于13mm。 d）需要时可开多个槽
（如泵壳、压缩机外壳、涡轮机外壳、液压缸等）； d） 核能装置中存在中子辐射损伤失效风险的容器； e） 直接火焰加热的容器； f） 内直径（对非圆形截面，指截面内边界的最大几何尺寸，如：
相关标准 GB150-2011《压力容器》
——压力容器行业基础标准 ——给出了压力容器建造的通用要求，包括材料、设计、 制造检验与验收等内容
1、本标准适用的设计压力 1.1、钢制容器不大于35MPa。 1.2、 其他金属材料制容器按相应引用标准确定。 2、本标准适用的设计温度范围 2.1 设计温度范围：－269℃～900℃。 2.2 钢制容器不得超过按GB 150.2 中列入材料的允许使用温度范围。 2.3 其他金属材料制容器按本部分相应引用标准中列入的材料允许使用温度确定
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换热管与管板的连接
胀度（新增概念）
公式：
k=（d2-di-b）/2δx100%
d2——换热管胀后内径mm di——换热管胀前内径mm b——换热管与管板管孔的 径向间隙mm
δ——换热管壁厚mm
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换热管与管板的连接
胀度可按式6-2计算，机械胀接的胀度可按表6-18选用.当采用其他胀接 方法或材料超出表6-18时，应通过胀接工艺试验确定合适的胀度。
验，换热管与管板连接的拉脱力满足7.4.7（许用拉脱力）的要求。 6.6.1.5强度胀接的结构尺寸要求 a）最小胀接尺寸应取管板名义厚度减去3mm的差值与50mm二者的小值；
超出部分可采用贴胀，当有要求时也可全长采用强度胀接 b）连接尺寸：伸出长度上角标+2改为+1 c）采用柔性胀接工艺时，开槽宽度按式6-3计算，且不得大于13mm。 d）需要时可开多个槽
（如泵壳、压缩机外壳、涡轮机外壳、液压缸等）； d） 核能装置中存在中子辐射损伤失效风险的容器； e） 直接火焰加热的容器； f） 内直径（对非圆形截面，指截面内边界的最大几何尺寸，如：
aspen换热器的模拟计算课件
挡板结构
有两种挡板结构可供选用： 1、圆缺挡板 Segmental baffle 2、棍式挡板 Rod baffle
从 挡 板 (Baffles) 表 单 中 进 行 选 择 并 输入有关参数。
第 14 页
圆缺挡板
圆缺挡板需输入以下参数： 所有壳程中的挡板总数 No. of baffles, all passes 挡板切割分率 Baffle cut (fraction of shell diameter) 管板到第一挡板的间距 Tubesheet to 1st baffle spacing 挡板间距 Baffle to baffle spacing 壳壁/挡板间隙 Shell-baffle clearance 管壁/挡板间隙 Tube-baffle clearance
演示1：将5t常温常压下苯（44%wt）、甲苯混合液加热到泡点，求热负 荷，泡点温度
演示2：采用2t 100C热水，将5t常温常压下苯（44%wt）、甲苯混合液加 热，热水出口温度50C，求热负荷，加热温度
练习1：将5t常温常压下苯（44%wt）、甲苯混合液加热到露点, 采用3bar 蒸汽，需要多少kg蒸汽？
设计结果：
– 两个换热器串联，3m2＋3m2＝6m2
– 直径159mm ，16×3000－－19mm管；4管程
– 设计余量14%。
核算（rating)
– 根据设计数据核算标准换热器是否能用
例2-3(1).exe
直径219mm，33×3000－－19mm； 1管程；面积2×5.7m2
直径325mm，68×2000－－19mm； 4管程；面积2×7.7m2
提供B-JAC Aerotran 空冷换热器程序界面
加热器、冷却器、冷凝 器等
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