换热设备设计XX10换热设备设计XX10
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（1）管程流体阻力：
ft为结构系数，对三角形排列；ft=1.5，对 正方形排列，ft=1.4。
Np为管程数。
λ为流体流动摩擦系数。
传热与换热器设计
换热设备设计XX10换热设备设计 XX10
河南省压力容器审核及设计人员培训班
第一部分 传热和换热器基本知识 （2）壳程流体阻力：
其中：
u0—按壳程流通截面 计算所得，m/s。
传热与换热器设计
换热设备设计XX10换热设备设计 XX10
河南省压力容器审核及设计人员培训班
第二部分 设计中出现的共性问题
四、饱和蒸汽介质时工作压力与工作温度、设计压 力与设计温度的对应问题。
五、筒体设计计算和开孔补强计算时筒体壁厚计算 公式中焊接接头系数的取值问题。
传热与换热器设计
换热设备设计XX10换热设备设计 XX10
传热与换热器设计
换热设备设计XX10换热设备设计 XX10
河南省压力容器审核及设计人员培训班
第二部分 设计中出现的共性问题
外压和真空换热器：
说明：
A、当换热器铭牌上规定有最大允许工作压 力时，试验压力公式中应以该最大工作压力代 替设计压力，对在用压力容器为工作压力。
B、立式换热器卧置压力试验时，试验压力 应计入试验介质的液柱静压力。
注：降低换热管束级别使用的问题。
传热与换热器设计
换热设备设计XX10换热设备设计 XX10
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第二部分 设计中出现的共性问题
关于孔桥宽度尺寸的查表。
表51
传热与换热器设计
换热设备设计XX10换热设备设计 XX10
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第二部分 设计中出现的共性问题
第二部分 设计中出现的共性问题
注意： 1、GB/T8163《输送流体用无缝钢管》 10、20钢和Q345D不得用于换热管。 2、GB9948《石油裂化用无缝钢管》 换热管应选用冷拔或冷轧钢管，钢管的尺寸精度应
选用高级精度。 3、GB6479《高压化肥设备用无缝钢管》 换热管应选用冷拔或冷轧钢管，钢管的尺寸精度应
① 若差距不大，可以考虑适当增加厚度； ② 如仍然相差甚远，则只能以壳程允许的 最大试验压力试压，其后，再在壳程用氨渗透、 卤素渗透或氦渗透进行补充性试验。 2）对于可抽式管束，可先打管程高压，用 窥视镜从管板背面检查泄露情况。
传热与换热器设计
换热设备设计XX10换热设备设计 XX10
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选用高级精度。钢中含硫量应不大于0.020%。 4、GB5310《高压锅炉用无缝钢管》 12Cr1MoVG用作换热管时应选用冷拔或冷轧钢管。
传热与换热器设计
换热设备设计XX10换热设备设计 XX10
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第二部分 设计中出现的共性问题
5、GB/T21833《奥氏体-铁素体型双相不锈钢无缝钢管》 如用于换热管时应选用冷拔或冷轧钢管，钢管的尺寸精
传热与换热器设计
换热设备设计XX10换热设备设计 XX10
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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。
C、当各元件所采用材料不同时，修正系数 用各元件应力比值中的最小值。
传热与换热器设计
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第二部分 设计中出现的共性问题
（2）而当管程压力高于壳程压力时，GB151规 定：接头试压应按图样规定，或按供需双方商定 的方法进行。出现上述工况时，一般按如下处理 方法：
度应选用高级精度。 6、GB/T12771《流体输送用不锈钢焊接接管》 Ⅰ类-Ⅳ类钢管不得用于换热管。 7、GB/T21832《奥氏体-铁素体型双相不锈钢焊接钢管》 仅第Ⅳ类钢管用于换热管,图样上应注明钢管类别(Ⅳ
类)。钢管的外径允许偏差应按高级精度交货。其使用规定 满足GB150的规定。
传热与换热器设计
传热与换热器设计
换热设备设计XX10换热设备设计 XX10
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第一部分 传热和换热器基本知识
管壳式换热器的设计： 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；
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
传热、无振动的一般场合。 2)不锈钢、铝及其合金、铜及其合金、钛及
其合金管均为高精度、较高精度管，为Ⅰ级管束。
传热与换热器设计
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第二部分 设计中出现的共性问题
3)由于管束的分级，造成后续设计上的差别： ① 管板上管孔直径的差别（表16～21）。 ② 折流板（或支持板）上管孔直径的差别 （表35～40）。 ③ 管板上钻孔孔桥宽度的差别（表51～52）。
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第二部分 设计中出现的共性问题
六、管子受压计算时临界长度Lcr的确定
传热与换热器设计
换热设备设计XX10换热 设备设计XX10
2020/11/20
换热设备设计XX10换热设备设计 XX10
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第一部分 传热和换热器基本知识
管壳式换热器的结构组成：
受压元件：壳体、换热管、管箱、管板、接管 非受压元件：支座、折流板、拉杆 管程：与换热管相连通的空间 壳程：换热管外部、壳体内部的连通空间
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。
传热与换热器设计
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第二部分 设计中出现的共性问题
2、泄漏试验： 气密性、氨检漏、卤素检漏、氦检漏
气密性试验 (PT=p):
当符合下述情况时，应在压力试验合格后作 气密性试验。
① 介质为（易燃、）易爆； ② 介质的毒性程度为极度或高度危害； ③ 对真空有较严格要求； ④ 管、壳程介质互漏会产生严重危害； ⑤ 如有泄漏将危及容器的安全性（如衬里等） 和正常操作者。
GB/T8163《输送流体用无缝钢管》
碳钢、低合金钢
GB/T8890《热交换器用铜合金管》
GB9948《石油裂化用无缝钢管》 碳钢，低、高合金钢
GB13296《锅炉、热交换器用不锈钢无缝钢管》
GB/T14976《流体输送用不锈钢无缝钢管》
传热与换热器设计
换热设备设计XX10换热设备设计 XX10
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NB—折流板数量。 de—壳体的当量直径，按上面的公式计算,m。
传热与换热器设计
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第一部分 传热和换热器基本知识
传热工艺流程的确定原则： ①不洁净或易于分解结垢的物料应流经易清洗的 一侧，对于只管管束，一般是管内。 ②具有腐蚀性的物料应走管内。 ③压力高的物料走管内。 ④温度很高（热媒）或很低（冷媒）的物料走管 内，减少热损失。
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第二部分 设计中出现的共性问题
2、换热管束的分级 1)采用碳素钢、低合金钢冷拔钢管做换热管
时，其管束分为Ⅰ、Ⅱ两级。 Ⅰ级管束:较高级冷拔管，用在较重要的场合，
如无相变传热、易产生振动的场合。 Ⅱ级管束：普通级冷拔管，用在重沸、冷凝
传热与换热器设计
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第二部分 设计中出现的共性问题
三、压力试验：
1、耐压试验： 液压、气压和气液组合压力试验三种，优先选
用前者。 进行气压和气液组合试验时，取φ=1.0
传热与换热器设计
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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离为 0.25d0，一般不小于8mm。
4、确定折流板结构和数量；
根据换热管最大无支撑跨距确定折流板间距， 从而确定折流板数量（在满足要求的情况下，折 流板数量应尽量少）。
传热与换热器设计
换热设备设计XX10换热设备设计 XX10
传热与换热器设计
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第二部分 设计中出现的共性问题
2、设计温度—换热器在正常工作情况下，设 定的元件金属温度（沿元件金属截面积的温度平 均值）。
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。
铭牌上的管、壳程设计温度，分别为管程管 箱和壳体的设计温度。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，也可以 取较高侧的设计温度。
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第二部分 设计中出现的共性问题
（1）当管程压力低于壳程压力时，压力试验时， 按正常试压就可以。
试验压力的最低值按下述规定，试验压力的上 限还应满足应力校核的要求。
钢制或有色金属换热器的试验压力应不小于：
（注：液压时取1.25，气压和气液组合试验时取1.10， 铸铁材料液压试验，系数取2.00，不允许气试）
传热与换热器设计
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第一部分 传热和换热器基本知识
⑤蒸汽一般走壳程，便于排液，传热系数也大。 ⑥粘度大（μ＞1.5～2.5cp），或流量较小的流
体一般走壳程，便于提高流速（在低雷诺数Re ＞100时即可达到湍流）。 ⑦给热系数小的流体如气体，应走壳程，易于提 高速度。 ⑧被冷却物料走壳程，便于散热。
二、设计压力和设计温度 1、设计压力—设定的换热器管、壳程顶部的最高 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、壳程工作压力来确定设计压力， 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 验时可能出现的最大压差值，同时设计者应提出压 力试验的步骤。
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第一部分 传热和换热器基本知识
5、核算总传热系数和传热面积，实际传热面积要 大于等于计算面积约10～15%为宜；
传热与换热器设计
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第一部分 传热和换热器基本知识
6、计算管程、壳程压力降，应在合理范围内，否 则需调整结构参数，重新进行计算。
1）用0.9ΦReL的应力值计算壳程的试验压力， 以尽量提高壳程试验压力使其达到管程试验压力， 但此时必须注意壳程其它元件是否也能承受在此 试验压力下的强度及密封性能。
传热与换热器设计
换热设备设计XX10换热设备设计 XX10
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第二部分 设计中出现的共性问题
用上述办法不能提高到规定的管程试验压力 时，可采取以下办法：
传热与换热器设计
换热设备设计XX10换热设备设计 XX10
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第一部分 传热和换热器基本知识
（2）传热温差的计算：
（3）传热面积的估算：
传热与换热器设计
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第一部分 传热和换热器基本知识
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；
传热与换热器设计
换热设备设计XX10换热设备设计 XX10
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第二部分 设计中出现的共性问题
换热器机械设计：
结构设计
强度、刚度、稳定性计算
一、换热管管束级别的确定
1、换热管
GB/T1527《铜及铜合金拉制管》
GB/T3625《换热器及冷凝器用钛及钛合金管》
GB/T6893《工业用铝及铝合金拉（轧）制管》
第一部分 传热和换热器基本知识
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。
传热与换热器设计
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第一部分 传热和换热器基本知识
ft为结构系数，对三角形排列；ft=1.5，对 正方形排列，ft=1.4。
Np为管程数。
λ为流体流动摩擦系数。
传热与换热器设计
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第一部分 传热和换热器基本知识 （2）壳程流体阻力：
其中：
u0—按壳程流通截面 计算所得，m/s。
传热与换热器设计
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第二部分 设计中出现的共性问题
四、饱和蒸汽介质时工作压力与工作温度、设计压 力与设计温度的对应问题。
五、筒体设计计算和开孔补强计算时筒体壁厚计算 公式中焊接接头系数的取值问题。
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传热与换热器设计
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第二部分 设计中出现的共性问题
外压和真空换热器：
说明：
A、当换热器铭牌上规定有最大允许工作压 力时，试验压力公式中应以该最大工作压力代 替设计压力，对在用压力容器为工作压力。
B、立式换热器卧置压力试验时，试验压力 应计入试验介质的液柱静压力。
注：降低换热管束级别使用的问题。
传热与换热器设计
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第二部分 设计中出现的共性问题
关于孔桥宽度尺寸的查表。
表51
传热与换热器设计
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第二部分 设计中出现的共性问题
第二部分 设计中出现的共性问题
注意： 1、GB/T8163《输送流体用无缝钢管》 10、20钢和Q345D不得用于换热管。 2、GB9948《石油裂化用无缝钢管》 换热管应选用冷拔或冷轧钢管，钢管的尺寸精度应
选用高级精度。 3、GB6479《高压化肥设备用无缝钢管》 换热管应选用冷拔或冷轧钢管，钢管的尺寸精度应
① 若差距不大，可以考虑适当增加厚度； ② 如仍然相差甚远，则只能以壳程允许的 最大试验压力试压，其后，再在壳程用氨渗透、 卤素渗透或氦渗透进行补充性试验。 2）对于可抽式管束，可先打管程高压，用 窥视镜从管板背面检查泄露情况。
传热与换热器设计
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选用高级精度。钢中含硫量应不大于0.020%。 4、GB5310《高压锅炉用无缝钢管》 12Cr1MoVG用作换热管时应选用冷拔或冷轧钢管。
传热与换热器设计
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第二部分 设计中出现的共性问题
5、GB/T21833《奥氏体-铁素体型双相不锈钢无缝钢管》 如用于换热管时应选用冷拔或冷轧钢管，钢管的尺寸精
传热与换热器设计
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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。
C、当各元件所采用材料不同时，修正系数 用各元件应力比值中的最小值。
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第二部分 设计中出现的共性问题
（2）而当管程压力高于壳程压力时，GB151规 定：接头试压应按图样规定，或按供需双方商定 的方法进行。出现上述工况时，一般按如下处理 方法：
度应选用高级精度。 6、GB/T12771《流体输送用不锈钢焊接接管》 Ⅰ类-Ⅳ类钢管不得用于换热管。 7、GB/T21832《奥氏体-铁素体型双相不锈钢焊接钢管》 仅第Ⅳ类钢管用于换热管,图样上应注明钢管类别(Ⅳ
类)。钢管的外径允许偏差应按高级精度交货。其使用规定 满足GB150的规定。
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传热与换热器设计
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第一部分 传热和换热器基本知识
管壳式换热器的设计： 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；
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
传热、无振动的一般场合。 2)不锈钢、铝及其合金、铜及其合金、钛及
其合金管均为高精度、较高精度管，为Ⅰ级管束。
传热与换热器设计
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第二部分 设计中出现的共性问题
3)由于管束的分级，造成后续设计上的差别： ① 管板上管孔直径的差别（表16～21）。 ② 折流板（或支持板）上管孔直径的差别 （表35～40）。 ③ 管板上钻孔孔桥宽度的差别（表51～52）。
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第二部分 设计中出现的共性问题
六、管子受压计算时临界长度Lcr的确定
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第一部分 传热和换热器基本知识
管壳式换热器的结构组成：
受压元件：壳体、换热管、管箱、管板、接管 非受压元件：支座、折流板、拉杆 管程：与换热管相连通的空间 壳程：换热管外部、壳体内部的连通空间
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。
传热与换热器设计
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第二部分 设计中出现的共性问题
2、泄漏试验： 气密性、氨检漏、卤素检漏、氦检漏
气密性试验 (PT=p):
当符合下述情况时，应在压力试验合格后作 气密性试验。
① 介质为（易燃、）易爆； ② 介质的毒性程度为极度或高度危害； ③ 对真空有较严格要求； ④ 管、壳程介质互漏会产生严重危害； ⑤ 如有泄漏将危及容器的安全性（如衬里等） 和正常操作者。
GB/T8163《输送流体用无缝钢管》
碳钢、低合金钢
GB/T8890《热交换器用铜合金管》
GB9948《石油裂化用无缝钢管》 碳钢，低、高合金钢
GB13296《锅炉、热交换器用不锈钢无缝钢管》
GB/T14976《流体输送用不锈钢无缝钢管》
传热与换热器设计
换热设备设计XX10换热设备设计 XX10
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NB—折流板数量。 de—壳体的当量直径，按上面的公式计算,m。
传热与换热器设计
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第一部分 传热和换热器基本知识
传热工艺流程的确定原则： ①不洁净或易于分解结垢的物料应流经易清洗的 一侧，对于只管管束，一般是管内。 ②具有腐蚀性的物料应走管内。 ③压力高的物料走管内。 ④温度很高（热媒）或很低（冷媒）的物料走管 内，减少热损失。
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第二部分 设计中出现的共性问题
2、换热管束的分级 1)采用碳素钢、低合金钢冷拔钢管做换热管
时，其管束分为Ⅰ、Ⅱ两级。 Ⅰ级管束:较高级冷拔管，用在较重要的场合，
如无相变传热、易产生振动的场合。 Ⅱ级管束：普通级冷拔管，用在重沸、冷凝
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第二部分 设计中出现的共性问题
三、压力试验：
1、耐压试验： 液压、气压和气液组合压力试验三种，优先选
用前者。 进行气压和气液组合试验时，取φ=1.0
传热与换热器设计
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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离为 0.25d0，一般不小于8mm。
4、确定折流板结构和数量；
根据换热管最大无支撑跨距确定折流板间距， 从而确定折流板数量（在满足要求的情况下，折 流板数量应尽量少）。
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第二部分 设计中出现的共性问题
2、设计温度—换热器在正常工作情况下，设 定的元件金属温度（沿元件金属截面积的温度平 均值）。
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。
铭牌上的管、壳程设计温度，分别为管程管 箱和壳体的设计温度。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，也可以 取较高侧的设计温度。
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第二部分 设计中出现的共性问题
（1）当管程压力低于壳程压力时，压力试验时， 按正常试压就可以。
试验压力的最低值按下述规定，试验压力的上 限还应满足应力校核的要求。
钢制或有色金属换热器的试验压力应不小于：
（注：液压时取1.25，气压和气液组合试验时取1.10， 铸铁材料液压试验，系数取2.00，不允许气试）
传热与换热器设计
换热设备设计XX10换热设备设计 XX10
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第一部分 传热和换热器基本知识
⑤蒸汽一般走壳程，便于排液，传热系数也大。 ⑥粘度大（μ＞1.5～2.5cp），或流量较小的流
体一般走壳程，便于提高流速（在低雷诺数Re ＞100时即可达到湍流）。 ⑦给热系数小的流体如气体，应走壳程，易于提 高速度。 ⑧被冷却物料走壳程，便于散热。
二、设计压力和设计温度 1、设计压力—设定的换热器管、壳程顶部的最高 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、壳程工作压力来确定设计压力， 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 验时可能出现的最大压差值，同时设计者应提出压 力试验的步骤。
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5、核算总传热系数和传热面积，实际传热面积要 大于等于计算面积约10～15%为宜；
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第一部分 传热和换热器基本知识
6、计算管程、壳程压力降，应在合理范围内，否 则需调整结构参数，重新进行计算。
1）用0.9ΦReL的应力值计算壳程的试验压力， 以尽量提高壳程试验压力使其达到管程试验压力， 但此时必须注意壳程其它元件是否也能承受在此 试验压力下的强度及密封性能。
传热与换热器设计
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第二部分 设计中出现的共性问题
用上述办法不能提高到规定的管程试验压力 时，可采取以下办法：
传热与换热器设计
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第一部分 传热和换热器基本知识
（2）传热温差的计算：
（3）传热面积的估算：
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第一部分 传热和换热器基本知识
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；
传热与换热器设计
换热设备设计XX10换热设备设计 XX10
河南省压力容器审核及设计人员培训班
第二部分 设计中出现的共性问题
换热器机械设计：
结构设计
强度、刚度、稳定性计算
一、换热管管束级别的确定
1、换热管
GB/T1527《铜及铜合金拉制管》
GB/T3625《换热器及冷凝器用钛及钛合金管》
GB/T6893《工业用铝及铝合金拉（轧）制管》
第一部分 传热和换热器基本知识
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。
传热与换热器设计
换热设备设计XX10换热设备设计 XX10
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