换热器的结构设计- 2

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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
（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
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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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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
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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。
Qust ——管壳式换热器设计
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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)
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
使管板具有耐腐蚀性，不锈钢就是常用的耐腐蚀
材料之一。当管板很厚，尤其是高压换热器，采
用价格昂贵的整体不锈钢管板，显然是不合理，
况且换热器的失效往往是因为管子与管板连接处
的局部腐蚀，而不是整体管板的均匀腐蚀造成的。 因此，工程上常采用复合管板，以不锈钢抵抗腐
2015-4-12 Qust ——管壳式换热器设计 蚀，以碳钢和低合金钢承受介质压力。
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管板结构
厚度—满足强度前提下，尽量 减少管板厚度
热应力
图3-2 管板结构图
（ a) BEM立 式 固 定 管 板 式 换 热 器
• 边界区内的二次应力（制约因素）
因为高温和高压对管板的要求是一对矛盾体，为了承受
机械应力，要求管板厚一些；为降低温差应力，则要求 管板薄一些。
对厚管板来说，在管板两侧流体温差很大时，则两侧壁
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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。
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
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。
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（a）
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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
• 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。
2015-4-12 Qust ——管壳式换热器设计
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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
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• 介质流经折流板缺口是平行于正方形，传热上称 为直列，介质流动是层流，对传热有不利影响。 正方形排列用于壳程介质较脏，换热管外需清洗
场合。
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• 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，传热上称为错列，介质流动时形成 湍流，对传热有利。转角正方形排列用于壳程介
过程设备设计
（ c）
焊入式（原上海医药设计院）：管板焊在
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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
面温差也很大，这就造成了管板内部很大的温差应力。
在开停车时，由于管板厚，温度变化慢，管壁薄，温度
变化快，在二者连接处会产生较大的热应力，尤其是迅 速停车或进气温度突然变化时，会产生过大的热应力， 使管子与管板的连接处发生破坏。
由于这些原因，高温、高压换热器在满足压力强度和热
应力（对于固定式管板还要考虑管束和壳体热膨胀的温
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)
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。
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。
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（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。
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2 2
用于严格禁止管程
3 3
4 4
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；
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，
②管心距:保证管子与管板连接时，管孔间小桥在胀接时有足 够的强度和刚度，便于焊接。 影响因素有: 结构紧凑性 / 传热效果 / 清洗难易 取值: t≥1.25d0 (保证管桥强度和清洗通道)
表 常用换热管中心距/mm
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Qust ——管壳式 20 换热器设计
最大布管限定圆直径 (OTL)
• 介质流经折流板缺口是平行于三角形的一边，传热上称为直列， 介质流动时一部分是层流，对传热有不利影响。对有相变的换 热器，宜采用转角三角形排列，因为卧式冷凝器的折流板的缺 口边是左、右布置，气体流动方向与冷凝液流动方向是垂直的 （右图），当冷凝液向下流动时，气体对下滴的冷凝液有吹除 和切割作用，使管外壁的液膜厚度相对减少。 Qust ——管壳式换热器设计 2015-4-12
(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。
Байду номын сангаас
图 3-7管箱结构（c）
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
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
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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
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3.1.2 管板（tube-sheet）
用来排布换热管； 作用
将管程和壳程流体分开，避免冷、热流体 混合；
承受管程、壳程压力和温度的载荷作用。
管板材料
力学性能 介质腐蚀性（tube-tubesheet间电位差对腐蚀 影响）
贵重钢板价格