钢制管壳式换热器讲义讲解
管壳式换热器 ppt课件
磁粉检测：通过磁场使焊接接头磁化，在工件表 面均匀撒上磁粉，有缺陷的位置会出现磁粉聚集 现象。
渗透检测：一般探测出的缺陷深度0.02mm宽度约 0.001mm，利用带有荧光染料或红色染料的渗透 剂的渗透作用，经过渗透、清洗、显示处理后用 目视法观察。
对于铬钼钢的材料，在焊接后需进行焊后热处理。
热处理目的：1、对焊缝消除应力，防止焊缝延迟 裂纹的出现。2、对焊缝消氢处理，防止氢腐蚀、 氢脆的出现。
加热方式主要有通过电加热带加热，用保温防火 棉覆盖保温。加热温度大约在200-300℃。消除 应力热处理时间在16-24h以内，消氢热处理保温 时间不少于0.5h。或用火焰加热处理。
双壁（双壁—单影、双壁—双影） 照相成像质量 :对比度、清晰度和颗粒度 像质计应用 :评定底片的灵敏度 底片评定 :判定缺陷合格与否
设备无损检测主要方法：
无损检测:包括射线透照检测、超声检测、表面检 测：（包括磁粉检测、渗透检测、涡流检测）前 两种主要用于探测被检物的内部缺陷，表面检测 用于探测被检物的表面和近表面缺陷。
折流板：提高壳程流体的流速，增加湍动程度并 使壳程流体垂直冲刷管束，以改善传热，增大传 热系数，并且起支持管束的作用。分为弓形和圆 环-圆盘形两种。
管板加工过程：
折流板加工过程：
车床加工管板
管板划线及打点
钻床管板钻孔
换热管预制
换热管分类：
U型换热器换热管弯管：
弯管机弯管（冷弯）
补强圈
接管法兰
补强圈信号孔通压缩空气检漏
信号孔：1、用来检验补强圈焊缝的密封性能。2、 排放补强圈和筒体间气体。
最新整理管壳式换热器设计课程设计知识讲解
曙enan Polyteehpie University河南理工大学课程设计管壳式换热器设计学院：机械与动力工程学院专业：热能与动力工程专业班级：11 -02班学号：姓名：指导老师: 小组成员:目录第一章设计任务书 (1)第二章管壳式换热器简介 (2)第三章设计方法及设计步骤 (4)第四章工艺计算 (5)4.1 物性参数的确定. (5)4.2 核算换热器传热面积 (6)4.2.1 传热量及平均温差 (6)4.2.2 估算传热面积 (8)第五章管壳式换热器结构计算 (10)5.1 换热管计算及排布方式 (10)5.2 壳体内径的估算 (12)5.3 进出口连接管直径的计算 (13)5.4 折流板 (13)第六章换热系数的计算 (19)6.1 管程换热系数 (19)6.2 壳程换热系数. (19)第七章需用传热面积 (22)第八章流动阻力计算 (24)8.1 管程阻力计算. (24)8.2 壳程阻力计算. (25)总结 (27)第一章设计任务书煤油冷却的管壳式换热器设计：设计用冷却水将煤油由140C冷却冷却到40 C的管壳式换热器，其处理能力为10t/h，且允许压强降不大于100kPa。
设计任务及操作条件1 、设备形式：管壳式换热器2、操作条件(1)煤油：入口温度140C，出口温度40r(2)冷却水介质：入口温度26C，出口温度40T第二章管壳式换热器简介管壳式换热器是在石油化工行业中应用最广泛的换热器。
纵然各种板式换热器的竞争力不断上升，管壳式换热器依然在换热器市场中占主导地位。
目前各国为提高这类换热器性能进行的研究主要是强化传热，提高对苛刻的工艺条件和各类腐蚀介质适应性材料的开发以及向着高温、高压、大型化方向发展所作的结构改进。
强化传热的主要途径有提高传热系数、扩大传热面积和增大传热温差等方式，其中提高传热系数是强化传热的重点，主要是通过强化管程传热和壳程传热两个方面得以实现。
目前，管壳式换热器强化传热方法主要有：采用改变传热元件本身的表面形状及表面处理方法，以获得粗糙的表面和扩展表面；用添加内物的方法以增加流体本身的绕流；将传热管表面制成多孔状，使气泡核心的数量大幅度增加，从而提高总传热系数并增加其抗污垢能力；改变管束支撑形式以获得良好的流动分布，充分利用传热面积。
钢制管壳式换热器讲义
钢制管壳式换热器结构形式、各部位名称与代号设计考虑的因素：换热设备的类型很多，对每种特定的传热工况，通过优化选型都会等到一各最适合的设备型号民。
如果将这个型号的设备使用到其它工况，则传热效果可能会有很大的改变。
因此针对具体工况选择换热器类型，是很重要和复杂的工作，设计考虑以下因素：流速的选择流速是换热器设计和重要变量。
提高流速则提高传热系数，同时压力降与功率消耗也随之增加。
高流速的优缺点优点：1）提高总传热系数，减小传热面积；2）减小在管子表面生成的污垢的可能性。
缺点：1）提高了增加了阻力和动力消耗；2）含颗粒的介质流速过快对设备造成严重和磨损。
允许的压力降的选择选择较高的压力降可以提高流速，从而增加传热效果，减小换热面积，但较大的压力降也使操作费用增加。
管壳各流体的确定主要依据两流体的操作温度和压力、可以利用的压力降、结构和腐蚀性、以及所需设备材料的选择等方面，考虑液体适合走哪一程。
适于走管程的有水和水蒸汽或强腐蚀性液体；有毒性流体；容易结垢的流体，高温或高压操作的流体等。
适于走壳程和流体有塔顶冷凝蒸汽；类似冷凝和再沸；关键压力降控制的流体；粘度大的流体等。
当上述情况排除之后，介质走哪程的选择，应着眼于提高传热系数和最充分的利用压力降上。
由于介质在过程和流动容易湍流，因而将粘度在或流量小的流体，即雷诺数低的流体走过壳程是有得的，反之如果在管程能够达到湍流时，则安排直管程比较合理换热终温的确定换热终温一般由工艺过程的需要确定，当换热终温可以时，其数值对换热器是否经济合理有很大和影响，在热流出口与冷流出口相等的情况下，热量的利用效率最高，但是有效传热温差小，换热面积最大。
另外在确定物流出口温度时，不希望出现温度交叉现象，即热流出口温低于冷流出口温度，如果工艺流程需要，则必须选择多台串联。
设备结构的选择强化传热元件和设备的性能特点：换热设备具体结构参数选择依据管子形式：1）光管（适用于任何条件，适用面广）；2）螺纹管（壳程流体的膜传热系数相当于管程传热系数1/3-3/5的场合；强化壳程传热提高总传热系数；结垢速率低，操作周期长）；3）波纹管（管程流体的膜传热系数低于壳程3/5以下，RE 低的场合；大幅度提高管内膜传热系数，流体处于低RE时尤为显著。
管壳式换热器说课讲解
为减少热应力，通常在固定管板式换热器中设置柔性元件 （如膨胀节、挠性管板等），来吸收热膨胀差。
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6.2.1 基本类型
结构
二、浮头式
过程设备设计
浮头端可自由伸缩，无热应力
浮头端
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浮头式换热器 9
6.2.1 基本类型
过程设备设计
优点——管间和管内清洗方便，不会产生热应力；
缺点——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，制造时对密封要求较 高。
特点
与浮头式、U形管式换热器一样， 清洗维修方便；
可处理不清洁、易结垢介质，能 承受高温、高压（无温差应力）。
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6.2.2 管壳式换热器结构
过程设备设计
管程
壳程
管程
（a) BEM立式固定管板式换热器
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6.2.2 管壳式换热器结构
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、壳壁温差较大或壳程介质易结垢需要 清洗，又不宜采用浮头式和固定管板式的 场合。特别适用于管内走清洁而不易结垢 的高温、高压、腐蚀性大的物料。
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6.2.1 基本类型
结构
四、填料函式
过程设备设计
填料函式密封
(d) AFP填料函双壳程换热器
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6.2.1 基本类型
过程设备设计
优点
结构较浮头式简单，加工制造方便； 节省材料，造价比较低廉; 管束从壳体内可抽出; 管内、管间都能进行清洗，维修方便。
翅片管（在给热系数低侧） 螺旋槽管 螺纹管
2.换热管尺寸
φ19×2、φ25×2.5和φ38×2.5mm无缝钢管 φ25×2和φ38×2.5mm不锈钢管
管壳式热交换器-设计3讲解
式中：
AS′——为壳程流通截面积，m2； Ms——壳程流体的质量流量，Kg/s；
ρs——壳程流体的密度，Kg/m3
ws——壳程流体的流速，m/s；
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纵向隔板长度确定的基本原则： 流体在纵向隔板转弯时的流速
各流程中顺管束流动时速度。
壳程流通截面积 流程数
As
4Z s
Ds 2 nt d0 2
二、壳体直径的确定
内径 方法
作图（可靠，准确）
估算 Ds b 1s 2b
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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，b 1.1 n t ；
当管子接正方形排列时 b 1.19 nt
As Ab Ac
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
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（3）盘环形折流板
环板圆孔处的流通面积a1
盘板的流通面积a2
a1 a2 a3
环板的流通面积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
一般情况下，管子的计算直径取换热系数小的 那一侧的，只有在两侧的换热系数相近时才取平均 直径作为计算直径。
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换热管长度取值： 换热管的长度与壳体直径的比值在4－25之间； 一般为6－10，对于立式热交换器而言比值为4－6。 若算得的管长过长，则应该做成多程的热交换器。
管程数Zt为： Zt L / l
正方形斜转或直列排列时
GB／T1512014讲义xdk
图6-6 AJW 分流壳体填料函式热交换器
GB/T 151-2014 热交换器
• 6.14 设备及接管法兰
• 6.14.1 设备法兰的设计应符合GB 150.32011的规定。
• 6.14.2 设备法兰优先采用NB/T 47021～ 47023、GB/T 29465中的法兰。 • 6.14.3 接管法兰优先采用HG/T 20592、 HG/T 20615中的法兰。 • 6.14.4 非标设计时优先采用相关标准中的 法兰连接尺寸。
GB/T 151-2014 热交换器 • 8.10 热处理 • 8.10.1 管箱、浮头盖 • 8.10.1.1 碳素钢、低合金钢制的浮头盖应进行焊 后热处理。 • 8.10.1.2 碳素钢、低合金钢制的管箱符合下列情 况之一时，应进行焊后热处理： • a) 焊有分程隔板； • b) 侧向开孔直径超过1/3圆筒内径。 • 8.10.1.3除图样另有规定，奥氏体型不锈钢、奥 氏体-铁素体型双相不锈钢制管箱、浮头盖可不进 行热处理。 • 8.10.1.4 设备法兰、分程隔板的密封面应在热处 理后加工。
GB/T 151-2014 热交换器
• 8.13.3 U型管式热交换器、釜式重沸器（U 型管束）及填料函式热交换器耐压试验顺 序： • • a) 用试验压环进行壳程试验，同时检 查管头； b) 管程试压。
GB/T 151-2014 热交换器
• 8.13.4 浮头式热交换器、釜式重沸器（浮 头式管束）耐压试验顺序: • a) 用试验压环和浮头专用试压工具进 行管头试压。对釜式重沸器尚应配备管头 试压专用壳体； b) 管程试压； c) 壳程试压。
• •
GB/T 151-2014 热交换器
• 8.13.5 按压差设计的热交换器耐压试验顺 序: • a) 管头试压（按图样规定的最大试验 压力差值）； • b) 管程和壳程步进试压（按图样规定 的试验压力和步进程序）； • c) 要有相应控制压差的措施，保证整 个试验期间（包括升压和降压）不超过压 差。
管壳式换热器 GB151讲义
管壳式换热器 GB151-1999一.适用范围 1.型式固定——P t 、P S 大，△t 小浮头、U 形——P t 大，△t 大*一般不用于MPa P D 5.2>，易燃爆，有毒，易挥发和贵重介质。
结构型式：外填料函式、滑动管板填料函、双填料函式（径向双道） 2.参数41075.1,35,2600X PN DN MPa P mm D N N ≤⨯≤≤。
参数超出时参照执行。
D N :板卷按内径，管制按外径。
3.管束精度等级——仅对CS ，LAS 冷拔换热管Ⅰ级——采用较高级，高级精度（通常用于无相变和易产生振动的场合） Ⅱ级——采用普通级精度 （通常用于再沸，冷凝和无振动场合） 不同精度等级管束在换热器设计中涉及管板管孔，折流板管孔的加工公差。
GB13296不锈钢换热管，一种精度，相当Ⅰ级；有色金属按相应标准。
4.不适用范围受直接火焰加热、受核辐射、要求疲劳分析、已有其它行业标准（制冷、造纸等）P D ＜0.1MPa 或真空度＜0.02MPa+二．引用标准1.压力容器安全技术监察规程——监察范围，类别划分*等*按管、壳程的各自条件划类，以其中类别高的为准，制造技术可分别要求。
*壳程容积不扣除换热管占据容积计，管程容积=管箱容积+换热管内部容积。
壳程容积=内径截面积X管板内侧间长度。
2. GB150-1998《钢制压力容器》——设计界限、载荷、材料及许用应力、各受压元件的结构和强度计算。
3.有关材料标准。
管材、板材、锻件等4.有关零部件标准。
封头、法兰（容器法兰、管法兰）紧固件、垫片、膨胀节、支座等三．设计参数1.有关定义同GB1502.设计压力Mpa分别按管、壳程设计压力，并取最苛刻的压力组合（一侧为零或真空）。
管板压差设计仅适用确能保证管、壳程同时升降压，如1）自换热 2）Pt P s均较高，操作又能绝对保证同时升降压。
3．设计温度℃0℃以上，设计温度≥最高金属温度。
0℃以下，设计温度≤最低金属温度。
管壳式换热器讲义
GB151-1999 管壳式换热器GBl51―1999《管壳式换热器》规定了管壳式换热器在设计、制造、检验要求。
1 GBl51适用范围1.1 适用参数GBl51规定了标准的适用参数范围见表1.1。
表中同时列出了国外常用管壳式换热器的标准。
表1.1 适用参数范围标准DN (mm) PN (MPa) DN·PN 注GB 151 ≤2600 ≤35 ≤17500 （1）TEMA ≤2540（100”）≤20.684（3000psi）≤17500（100000）（2）ASMEⅧⅠ没有具体参数规定，主要提供了U型和固定管板的设计计算规则。
UHX篇API660ISO 16812 没有具体参数规定，体现用户对换热器的要求。
（1）GB 151中1.2：超出上述参数范围的换热器也可参照本标准进行设计与制造。
（2）TEMARCB-1.11 规定这些参数的意图是限定壳壁最厚约为3（76mm）、双头螺栓的最大直径为4″（102mm）。
是对换热器制造商的要求。
（3）上述各标准，均适用于固定、U形、浮头、填函式换热器。
（4）TEMA将换热器按使用场所分为三级，“R”---用于石油及一般工艺过程的严格要求场合；“C”---用于工业及一般工艺过程的中等要求场合；“B”---用于化工过程场合标准限定最大设计参数范围是为了避免过于笨重的、结构上的不合理设计。
对于超出上述参数范围的换热器，特别是工程中可能遇到的中、低压大直径(超过DN2600mm)换热器，作为设备整体在结构尺寸合理设计的前提下完全可以应用标准给出的设计原则。
对于管壳式换热器的关键零部件管板的设计计算，GB 151对管板进行了尽可能详尽的力学分析，从本质上讲可以认为就是一种分析设计方法，只是为了能够利用图表公式进行计算在公式推导过程中作了某些简化和结构参数的限定，完全可以用于更大设计参数的管板设计。
仅对管板等个别零部件进行应力分析计算并不等于对换热器进行“应力分析设计”。
管壳式换热器 GB151讲义
管壳式换热器 GB151-1999一.适用范围1.型式固定——P t 、P S 大，△t 小 浮头、U 形——P t 大，△t 大一般不用于MPa P D 5.2>，易燃爆，有毒，易挥发和贵重介质。
结构型式：外填料函式、滑动管板填料函、双填料函式（径向双道）2.参数41075.1,35,2600X PN DN MPa P mm D N N ≤⨯≤≤。
参数超出时参照执行。
D N :板卷按内径，管制按外径。
3.管束精度等级——仅对CS ，LAS 冷拔换热管Ⅰ级——采用较高级，高级精度（通常用于无相变和易产生振动的场合）Ⅱ级——采用普通级精度 （通常用于再沸，冷凝和无振动场合）不同精度等级管束在换热器设计中涉及管板管孔，折流板管孔的加工公差。
GB13296不锈钢换热管，一种精度，相当Ⅰ级；有色金属按相应标准。
4.不适用范围受直接火焰加热、受核辐射、要求疲劳分析、已有其它行业标准（制冷、造纸等）P D＜0.1MPa或真空度＜0.02MPa+二．引用标准1.压力容器安全技术监察规程——监察范围，类别划分*等按管、壳程的各自条件划类，以其中类别高的为准，制造技术可分别要求。
壳程容积不扣除换热管占据容积计，管程容积=管箱容积+换热管内部容积。
壳程容积=内径截面积X管板内侧间长度。
2. GB150-1998《钢制压力容器》——设计界限、载荷、材料及许用应力、各受压元件的结构和强度计算。
3.有关材料标准。
管材、板材、锻件等4.有关零部件标准。
封头、法兰（容器法兰、管法兰）紧固件、垫片、膨胀节、支座等三．设计参数1.有关定义同GB1502.设计压力Mpa分别按管、壳程设计压力，并取最苛刻的压力组合（一侧为零或真空）。
管板压差设计仅适用确能保证管、壳程同时升降压，如1）自换热 2）Pt P s均较高，操作又能绝对保证同时升降压。
3．设计温度℃0℃以上，设计温度≥最高金属温度。
0℃以下，设计温度≤最低金属温度。
管壳式换热器结构介绍 ppt课件
螺旋折流板：分为单螺旋折流板和双螺旋折流板优点是换热好，压降低， 流动均匀；缺点是制造困难；设计要点是螺旋角度5-45°，适合的场合 时压降受限，容易结垢的场合。
K型壳体：主要用于管程热介质，壳侧蒸发的工况，在废热回收条件下使 用。
X型壳体：冷热流体属于错流流动，其优点是压降非常小，当采用其他壳 体发生振动，且通过调整换热器参数无法消除该振动时可以使用此壳体 形式，其不足之处是流体分布不均匀，X型壳体并不经常使用。
在化工工艺手册中，I型壳体类型可EDR软件中的不是同一种壳体Байду номын сангаас 其形式见I1，它的使用方式仅有一种搭配，就是BIU，U型管换热器。
PPT课件
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1、管壳式换热器结构介绍
管壳式换热器：是以封闭在壳体中管束的壁面作为传热面的间 壁式换热器，这种换热器结构较简单、操作可靠，可用各种结构材 料（主要是金属材料）制造，能在高温、高压下使用，是目前应用 最广的类型。（设计制造遵循标准：国外 TEMA ASME 国内 GB151、GB150）
F型壳体：适用于场地受限，需要双壳程的情况，比较适合于单相换热， 纯逆流换热，传热温差大；缺点是F型壳体有分程隔板，此处会发生漏流， 而且壳程进口与出口处的压差和温差都是最大的，会发生漏温且分程隔 板也容易发生变形。所以F型壳体适用于压差和温差都不大的情况下。
PPT课件
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G型壳体：属于平行流换热器，该换热器的热流体出口温度可以比冷流体 出口温度低，适用于需要做壳侧强化的卧式热虹吸再沸器、冷凝器等。
管壳式换热器培训讲义
管壳式换热器Tubular Hat Echangers一．基本知识固定管板式换热器；浮头式换热器；U 形管式换热器；釜式重沸器；填料函式换热器。
3 固定管板式换热器固定管板换热器的具体结构，见GB151中P5上的图2。
1）固定管板换热器的主要特点：结构简单、紧凑、没有壳程密封的问题，而且往往是管板兼作法兰。
其适用于：管、壳程温差较大，但压力不高的场合(因为温差大，要加膨胀节，而膨胀节耐压能力差；管、壳程温差不大，而压力较高的场合；壳程无法机械清洗，故要求壳程介质干净；或虽会结垢，但通过化学清而能去除的场合；布管多，锻件少，一次性投资低；但不可更换管束，整台设备往往由换热管损坏而更换，故设备运行周期短。
2）用压力和温度的限制：由于换热管、管板和壳体焊在一起，故换热管与壳体间的金属壁温差引起的温差应力是其致命的弱点，因为在固定管板换热器的管板温差应力计算中，要进行以下三个方面的校核：（1）按有温差的各种工况算出的壳体轴向应力σc；（2）换热管轴向应力σt；（3）换热管与管板之间连接拉脱力q。
上述三项中有一项不能满足强度条件时，就需设置膨胀节。
根据工程经验，当壳体与换热管金属温差(注意不是介质温差)高于50℃时一般应设置膨胀节，而GB16749《压力容器用波形膨胀节》规定最高使用压力为6.4MPa,再高要用带加强装置的Ω型膨胀节。
故带膨胀节的固定管板换热器使用压力不高，而且结构设计和制造也趋于复杂。
在壁温差很小无需考虑温差应力时，固定管板式换热器也有使用在很高压力的场合，此时往往管板与管箱或管板与壳体做成整体型式，或者管板、管箱(头盖)和壳体三者成为一个整体，如大化肥中的高压甲铵冷凝器的管程压力为15.8MPa ，但一般高压用得比较少，而低压力、大直径固定管板式换热器用得很广泛。
4 浮头式换热器浮头换热器的具体结构，见GB151中P5上的图1。
1）浮头换热器的主要特点：可抽式管束，当换热管为正方形或转角正方形排列时，管束可抽出进行管间机械清洗，适用于壳程易结焦及堵塞的工况；一端管板夹持，一端内浮头型式可自由浮动，故无需考虑温差应力，可用于大温差的场合；浮头结构复杂，影响排管数，加之处于壳程介质内的浮头密封面操作中发生泄漏时很难采取措施；压力试验时的试压胎具复杂。
管壳式换热器讲义
不兼作法兰时管板与壳体的连接结构
2、 浮头式、U型管式和填函式换热器的管板与壳体的连接 由于浮头式、U型管式和填函式换热器的管束要从壳体中抽出，以便进行清洗，故需将管板做成 可拆连接。
管板与壳体可拆结 构
6.2.5 管箱与管程分程（Tube box and tube split）
1、管箱与分程隔板 换热器管内流体进出口的空间称为管箱。管箱位于换热器的两端，将介质均匀地分布到各换热管 中，或将管内流体汇集后输送出来。为了便于清洗、检修管子，管箱应采用可拆结构。
4、U型管式换热器（U-tube heat exchanger）
换热器的管束弯成U型，U型管两端固定在同一块管板上，在管箱中加有一块隔板。
U型管式换热器 优点：换热器只有一块管板，结构简单，造价便宜。管束可以抽出清洗，管子可以自由膨胀。 缺点：管内不便清洗，管板上布管少，结构不紧凑。管外介质易短路，影响传热效果。内层管子 损坏后不易更换。 U型管式换热器主要用于管内清洁而不结垢的高温、高压介质。壳层介质适应性强，常用于高压、 高温、粘度较大的场合。
2、 管间距（Tube spacing）
管板上两换热管中心的距离称为管间距。确定管间距既要考虑结构紧凑性、传热效率，又要考虑 管板强度和清洗空间以及管子在管板上固定的影响。对于正三角形排列，管间距应大于等于管子 直径的1.25倍，且不小于d0+6 mm。
最外层换热管的管壁与壳体内壁间的距离不得小于10 mm。
正三角形排列的管子
正方形排列的管子
组合排列法
当壳程为清洁、不结垢的流体时，宜选用正三角形排列。
壳程流体粘度较大或易结垢需定期清洗壳程时，一般采用正方形排列。
多程换热器，常采用正三角形和正方形组合排列方法，以便安排隔板位置。对于直径较大、管子 较多，按正三角形排列管子总数超过127根时必须在管束周围的弓形空间尽量再配置附加换热管。
管壳式换热器讲解
管壳式换热器讲解管壳式换热器又称列管式换热器，是以封闭在壳体中管束的壁面作为传热面的间壁式换热器。
这种换热器结构较简单，操作可靠，可用各种结构材料（主要是金属材料）制造，能在高温、高压下使用，是目前应用最广的类型。
构成：管壳式换热器由管箱、壳体、管束等主要元件构成。
管束是管壳式换热器的核心，其中换热管作为导热元件，决定换热器的热力性能。
另一个对换热器热力性能有较大影响的基本元件是折流板（或折流杆）。
管箱和壳体主要决定管壳式换热器的承压能力及操作运行的安全可靠性。
工作原理：管壳式换热器属于间壁式换热器，其换热管内构成的流体通道称为管程，换热管外构成的流体通道称为壳程。
管程和壳程分别通过两不同温度的流体时，温度较高的流体通过换热管壁将热量传递给温度较低的流体，温度较高的流体被冷却，温度较低的流体被加热，进而实现两流体换热工艺目的。
类型：管壳式换热器由于管内外流体的温度不同，因之换热器的壳体与管束的温度也不同。
如果两温度相差很大，换热器内将产生很大热应力，导致管子弯曲、断裂，或从管板上拉脱。
因此，当管束与壳体温度差超过50℃时，需采取适当补偿措施，以消除或减少热应力。
根据所采用的补偿措施，管壳式换热器可分为以下几种主要类型：1）固定管板换热器结构：管束连接在管板上，管板与壳体相焊。
优点：结构简单紧促，能承受较高压力，造价低，管程清洗方便，管子损坏时方便堵管或更换。
排管数比U形管换热器多。
缺点：管束与壳体的壁温或材料的线胀系数相差较大时，壳体和管束中将产生较大热应力，为此应需要设置柔性元件（如膨胀节）。
不能抽芯无法进行机械清洗。
不能更换管束，维修成本较高。
适用范围：壳程侧介质清洁不易结垢，不能进行清洗，管程与壳程两侧温差不大或温差较大但壳侧压力不高的场合。
2）浮头换热器结构：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，称为浮头。
浮头由浮头管板，钩圈和浮头盖组成，是可拆连接，管束可从壳体中抽出。
第三章管壳式换热器课件
U 型管式换热器
§3-2 管壳式换热器的标准和型号标称
一、标准
我国系列标准规定采用25×2.5mm, 19×2mm两种规格的管
子（不锈钢用φ2.5×2mm）。 管长的选择以清洗方便和合理使用管材为准，我国生产的钢
管长度多为6米，国家标准规定采用的管长有1.5、2、3、6米四 种规格，以3米和6米最为普遍。
在许多工业部门中大量使用，尤其是在石油、化工、热能、 动力等工业部门所使用的换热器中，管壳式换热器居主导地位。
鉴于管壳式换热器应用极广，为便于设计、制造、安装和使 用，有关部门已制定了管壳式换热器系列标准。可查 GB151 管壳式换热器的标准。
目前工业上应用最广泛的换热设备。
4
3 2
1
6
5
1-管子；2-封头图；73.-壳6 体；管 4-壳 接管式；换5-热 管板器；6-折流板 1-管子 2-封头 3-壳体 4-接管 5-管板 6-折流板
(2) BIU 600--1.6--90--6/25-2 II
封头管箱，公称直径600mm，管、壳程压力均为1.6MPa， 公称换热面积90平方米，普通级冷拔换热管，外径25mm，管 长6m，2管程，单壳程的U形管式换热器。
• DN-PN-F-L/dw-N(I,II)(l.b.d)：
• 按GB151规定，其中l.b.d分别为菱形管、波纹管、螺纹管。
结构：传热面由管束组成，管子两端固定在管板上，管 束与管板再封装在外壳内。两种流体分走管程和壳程。
优点 缺点
清洗方便，适应性强用途广
结构简单，造价低廉
处理量大。 传热效率、结构紧凑性、 单位换热面积的金属耗量 等不如新型换热器。
2、单程与多程
单程： 流体在管内每通过管束一次 —— 一管程 流体在管外每通过壳体一次 —— 一壳程
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
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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。
管壳式换热器传热机理课件pptx
02
03
网格划分与求解
采用计算流体动力学（CFD）方法对 物理模型进行网格划分，并选择合适 的求解器和边界条件进行数值求解。
实验与仿真结果对比分析
传热性能对比
将实验结果与仿真结果进行对比，分析管壳式换热器传热系数的差 异及原因，验证仿真模型的准确性。
流场特性对比
对比实验和仿真得到的流场分布结果，揭示管壳式换热器内部流动 规律及其对传热性能的影响。
接管类型 包括法兰接管、螺纹接管、焊接接管等，不同类 型的接管适用于不同的管道连接方式和压力等级。
3
密封结构
封头与接管之间采用密封结构，防止流体泄漏。 常见的密封结构包括垫片密封、O型圈密封、金 属密封等。
03
传热基本原理
热传导
热传导定义
01
物体内部或两个直接接触物体之间，由于温度差引起的热能传
01
管束
由多根平行排列的换热管组成， 管内流体与管外流体通过管壁进 行热量交换。
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壳体
折流板
容纳管束和流体，提供流体流动 的空间。
设置在壳体内，引导流体流动方 向，增加流体在壳体内的停留时 间，提高传热效率。
封头与接管
1 2
封头类型 包括球形封头、椭圆形封头、碟形封头等，不同 类型的封头具有不同的受力特点和制造工艺要求。
换热器选型依据和建议
工艺流程要求 根据工艺流程中的温度、压力、流量等 参数，选择适合的换热器类型和规格。
设备投资和运行费用 在满足工艺和传热性能要求的前提下， 尽量选择投资少、运行费用低的换热
器。
传热性能要求 根据传热效率、压力降等性能要求， 选择具有优良传热性能的换热器。
设备可靠性和维护性 选择结构简单、可靠性高、维护方便 的换热器，以降低设备运行和维护成 本。
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钢制管壳式换热器结构形式、各部位名称与代号
设计考虑的因素：
换热设备的类型很多，对每种特定的传热工况，通过优化选型都会等到一各最适合的设备型号民。
如果将这个型号的设备使用到其它工况，则传热效果可能会有很大的改变。
因此针对具体工况选择换热器类型，是很重要和复杂的工作，设计考虑以下因素：
流速的选择
流速是换热器设计和重要变量。
提高流速则提高传热系数，同时压力降与功率消耗也随之增加。
高流速的优缺点
优点：1）提高总传热系数，减小传热面积；2）减小在管子表面生成的污垢的可能性。
缺点：1）提高了增加了阻力和动力消耗；2）含颗粒的介质流速过快对设备造成严重和磨损。
允许的压力降的选择
选择较高的压力降可以提高流速，从而增加传热效果，减小换热面积，但较大的压力降也使操作费用增加。
管壳各流体的确定
主要依据两流体的操作温度和压力、可以利用的压力降、结构和腐蚀性、以及所需设备材料的选择等方面，考虑液体适合走哪一程。
适于走管程的有水和水蒸汽或强腐蚀性液体；有毒性流体；容易结垢的流体，高温或高压操作的流体等。
适于走壳程和流体有塔顶冷凝蒸汽；类似冷凝和再沸；关键压力降控制的流体；粘度大的流体等。
当上述情况排除之后，介质走哪程的选择，应着眼于提高传热系数和最充分的利用压力降上。
由于介质在过程和流动容易湍流，因而将粘度在或流量小的流体，即雷诺数低的流体走过壳程是有得的，反之如果在管程能够达到湍流时，则安排直管程比较合理
换热终温的确定
换热终温一般由工艺过程的需要确定，当换热终温可以时，其数值对换热器是否经济合理有很大和影响，在热流出口与冷流出口相等的情况下，热量的利用效率最高，但是有效传热温差小，换热面积最大。
另外在确定物流出口温度时，不希望出现温度交叉现象，即热流出口温低于冷流出口温度，如果工艺流程需要，则必须选择多台串联。
设备结构的选择
强化传热元件和设备的性能特点：
换热设备具体结构参数选择依据
管子形式：1）光管（适用于任何条件，适用面广）；
2）螺纹管（壳程流体的膜传热系数相当于管程传热系数1/3-3/5的场合；强化壳程传热提高总传热系数；结垢速率低，操作周期长）；
3）波纹管（管程流体的膜传热系数低于壳程3/5以下，RE 低的场合；大幅度提高管内膜传热系数，流体处于低RE时尤为显著。
防垢性能好。
管外传热系数也相应提高。
管子排列方式：正三角形排列和正方形斜转45度排列。
管径：φ19、φ25
管长：3、6、9米
管径：325—2600
冷凝器
当蒸汽与低于其饱和温度的壁面相接触时会冷凝成液体，同时放出汽
化潜热并传递给壁面，这种热交换过程称为冷凝传热。
冷凝传热过程大致分为以下类型
按冷凝面的基本几何参数分，可分为管内冷凝和管外冷凝，管内冷凝包括水平管、垂直管和倾斜管；管外冷凝包括垂直音管及管束，水平单管及管束。
按管子类型分可分为光管、螺纹管（低翅处片管）、沟槽管等
按蒸汽的流体动力学分可分为：低速（重力控制）和高速（剪力控制）两种动力学状态。
按组分的数目和性质可分为：单组分和多组分混合物（冷凝液互溶和不互溶两种）、含不凝气的混合物。
按冷凝方式可分为：膜状冷凝、滴状冷凝、直接接触冷凝，均相流冷凝等。
冷凝传热的影响因素：
不凝气：不凝所的存在对冷凝传热将会产生十分不利的影响，如水蒸汽中含1%（重量）的空气将使冷凝膜传热系数下降60%。
气流的速度：气体的流速对冷凝传热的影响在低速时可忽略不计，但在高流速时，气流会对液膜表面产生明显的粘滞应力。
在工业操作的流速范围内，气体流速对冷凝传热系数的影响极小
气流方向：如果气流的方向与液膜流动方向一致时，使液膜拉薄，对冷凝传热有得，相反则会使液膜加厚，使冷凝传热效率下降。
液膜雷诺数：在层流区，冷凝传热系数随液膜雷诺数的增加而减小，这与无相变换热器不同，在设计时应加以考虑。
管子排数
换热设备损坏和失效的主要形式及原因
一、腐蚀
1、介质引起的均匀腐蚀
1）硫及硫化物引起的均匀腐蚀。
烃类介质中含硫及硫化物，尤其是在脱硫之前，硫化氢或硫醇的含量较高。
硫引起的腐蚀会导致在金属表面直接形成一层金属硫化物。
这种腐蚀产物一般较厚而疏松，对金属表面不能起保护作用。
因此，这种腐蚀是以一定的速率使管壁减薄。
碳钢在260度以上的硫化氢环境中就能产生明显的均匀腐蚀。
如果硫化氢中含水，则在常温下也能产生均匀腐蚀。
2）盐酸产生的均匀腐蚀。
使管束产生均匀腐蚀的另一常见的形式是盐酸引起的均匀腐蚀。
原油中含盐特别是氯化物水解后产生盐酸，产生均匀腐蚀。
2）其他强酸腐蚀介质的腐蚀。
2 应力开裂腐蚀
1）奥式体不锈钢管产生的应力腐蚀开裂。
当换热设备管束采用18—8、316等类型的奥式体不锈钢时，介质中又含有一定浓度的氯离子，管子本身存在轧制、固溶、弯制、焊接、胀接、装配时存在较高应力时管束将存在应力腐蚀开裂的敏感性。
机械及热应力损伤
1）管子与管板胀接处发生松动
当胀接的管端与管板间温差超过设计值时，会影响管子与管板的结合力。
管子突然降温时，会因为胀接处的管子外径收缩发生泄漏；管子温度比管板温度高得太多时，胀接处的管子会因此发生塑性变形，当管子温度降至正常时，已塑性变形的管子由于外径已减少，同样会在管子与管板的胀接处发生泄漏。
2）管子与管板间的温差引起焊缝开裂、胀接松脱
管束轴向长度较长，壳体刚性大，两端为固定管板的换热器，当管子与壳体的温差出现大于设计值时，在管子与管板的联接处，无论是焊接形式还是胀接形式，都会因为管壳之间存在热膨胀量的差太大，对管子与管板的联接处产生较大的附加应力而发生焊缝开裂或胀接处松脱，其结果是在联结处发生泄漏。
3）振动产生的疲劳损伤
与换热器相联接的转动机械，如泵、压缩机等设备的振动，以及介质的流动及介质的压力的脉动，都会引起管束的振动。
过度的管束振动会使管子受到疲劳损伤。
其结果是产生疲劳开裂或腐蚀疲劳开裂。
这种因管束振动而产生的疲劳裂纹。
环向裂纹一般出现在管子中间。
新技术应用：
1、螺纹管换热器的
螺纹管属于管外径扩展表面积的类型，在普通换热管外壁轧制成螺纹状的低翅片，用以增加外侧的传热面积。
翅片部分的最大外径比管子的光端要小，而翅片根部要小得多，因此在与光管相同的管间距下净
错流面积比光管明显增大。
2、波纹管换热器
改变管内流体的流动状态，增强传热效果。
波纹管是在无切削的机加工中，管内被挤出凸肋从而改变了管内壁滞流层的流动状态，减少了流体传热热阻，增强了传热效果。
3、拆流杆式换热器
是通过改变壳程管束支撑件、大幅度降低阻力提高了流速或改变动方式从而达到强化传热的效果的目的。
换热器螺栓螺母选用表
换热设备的选材要参考国外经验，按《加工高硫原油重点装置主要设备设计选材导则》和公司的实际情况执行，主要考虑设备的工作条件、设备的可靠性以及使用寿命，同时也要考虑到选用材料资源和经济效益等因素。
换热设备的寿命一般应在10年以上（冷却器管束寿命5年以上）。
3.1.7.1 换热管的选材，重点是防腐蚀,具体选用时一般可遵从以下主要原则：
低温部位的选材
蒸馏装置的初、常顶冷凝冷却管束可选用涂料防腐、双相不锈钢、镍基合金或钛管等材料，但应避免使用奥氏体不锈钢材料，不推荐使用渗铝防腐技术；
轻烃和液化气冷却器管束及其它含硫化氢浓度高部位的管束宜选用涂料防腐、08钢等，慎用18-8系列不锈钢材料；
蒸汽发生器管束材质一般选用碳钢材料。
高温硫腐蚀部位，可选用18-8系列不锈钢和碳钢渗铝等材料。
耐氢腐蚀材料按API RP 941“炼油厂和石油化工厂高温高压临氢作业用钢”选取；
冷却水为腐蚀控制介质的冷却器管束，宜采用涂料防腐（如TH847、TH901）
3.1.7.2 管束管板材料均为锻件，材料一般有16Mn、35#钢。
当换热管与管板连接形式采用焊接时，不能选用35#钢管板；采用强度胀接
时，管板硬度比管子硬度高出HB30。
3.1.7.3 壳体、封头材料应从压力、温度和使用介质综合考虑，并符合压力容器用钢要求。
有应力腐蚀时，应进行消除应力热处理；高温硫腐蚀的部位，按照炼制高硫原油选材要求，选用复合钢板，设备的接管、法兰选用相应耐腐蚀材料。