管壳式换热器管壳式换热器 1 管壳式换热器的类型、标准与结构管壳式换热器的类型、标准与结构 l 类类 型型 管壳式换热器按其结构的不同一般可分固定管板式、管壳式换热器按其结构的不同一般可分固定管板式、U形管式、浮头式和填料函式四种类型。形管式、浮头式和填料函式四种类型。 在间壁式换热器这一大类中，应用最为普遍、研究得最多的在间壁式换热器这一大类中，应用最为普遍、研究得最多的是管壳式换热器是管壳式换热器(也称列管式换热器也称列管式换热器)，因而对它的了解有着普遍，因而对它的了解有着普遍的意义。的意义。 管程：管内流道及其贯通处管程：管内流道及其贯通处管程数：管程流体沿换热管长度方向往返次数；管程数：管程流体沿换热管长度方向往返次数；壳程：管外流道及其贯通处壳程：管外流道及其贯通处壳程数：壳程流体沿壳体轴向往返次数；壳程数：壳程流体沿壳体轴向往返次数；1) 固定管板式换热器固定管板式换热器 结构：将管子两端固定在位于壳体两端的固定管板上，管板与结构：将管子两端固定在位于壳体两端的固定管板上，管板与壳体固定在一起。壳体固定在一起。特点：特点：（1 1）结构比较简单、重量轻，成本低，在壳程程数相同的条件）结构比较简单、重量轻，成本低，在壳程程数相同的条件下可排的管数多；下可排的管数多；（2 2）壳程不能检修和清洗，因此，宜于不易结垢和清洁的流体）壳程不能检修和清洗，因此，宜于不易结垢和清洁的流体换热；换热；（3 3）当管束与壳体的温差太大而产生不同的热膨胀时，常会使）当管束与壳体的温差太大而产生不同的热膨胀时，常会使管子与管板的接口脱开，从而发生流体的泄漏。管子与管板的接口脱开，从而发生流体的泄漏。解决方法：在外壳上装设膨胀节，减小但不能完全消除温差热应力，解决方法：在外壳上装设膨胀节，减小但不能完全消除温差热应力，且在多程换热器中，这种方法不能照顾到管子的相对移动。且在多程换热器中，这种方法不能照顾到管子的相对移动。 管壳式换热器的类型、标准与结构管壳式换热器的类型、标准与结构 具有膨胀节的固定管板式换热器具有膨胀节的固定管板式换热器 换热管束换热管束管管 板板壳壳 体体前端管箱前端管箱后端结构后端结构折流板折流板进出口接管进出口接管膨胀节膨胀节管壳式换热器的类型、标准与结构管壳式换热器的类型、标准与结构 2) U形管式换热器形管式换热器 结构：管束由结构：管束由U U形弯管组成，两端固定在同一块管板上，弯曲端形弯管组成，两端固定在同一块管板上，弯曲端不加固定，每根管子可自由伸缩，不受其他管子及壳体的影响。不加固定，每根管子可自由伸缩，不受其他管子及壳体的影响。特点：特点：（1 1）在需要清洗时可将整个管束抽出，但要清除管子内壁的污）在需要清洗时可将整个管束抽出，但要清除管子内壁的污垢却比较困难；垢却比较困难；（2 2）因为弯曲的管子需要一定的弯曲半径，因而在制造时需用）因为弯曲的管子需要一定的弯曲半径，因而在制造时需用不同曲率的模子弯管，且使管板的有效利用率降低；不同曲率的模子弯管，且使管板的有效利用率降低；（3 3）损坏的管子也难于调换，）损坏的管子也难于调换，U U形管管束的中心部分空间对换形管管束的中心部分空间对换热器的工作有着不利的影响。热器的工作有着不利的影响。 管壳式换热器的类型、标准与结构管壳式换热器的类型、标准与结构 3) 浮头式换热器浮头式换热器 结构：结构：两端管板一端与壳体用法兰固定联接，称为固定端。另一两端管板一端与壳体用法兰固定联接，称为固定端。另一端管板不与壳体联接而可相对于壳体滑动，称为浮头端。由于浮端管板不与壳体联接而可相对于壳体滑动，称为浮头端。由于浮头位于壳体内部，故又称内浮头式换热器。头位于壳体内部，故又称内浮头式换热器。特点：特点：（1 1）管束的热膨胀不受壳体的约束，故壳体与管束之间不会因）管束的热膨胀不受壳体的约束，故壳体与管束之间不会因差胀而产生热应力；差胀而产生热应力；（2 2）在需要清洗和检修时，可将整个管束从固定端抽出；）在需要清洗和检修时，可将整个管束从固定端抽出；（3 3）浮头盖与管板法兰连接有相当大的面积，使壳体直径增大，）浮头盖与管板法兰连接有相当大的面积，使壳体直径增大，在管束与壳体之间形成了阻力较小的环形通道，产生旁流。在管束与壳体之间形成了阻力较小的环形通道，产生旁流。应用：应用：主要用于管子和壳体间温差大、壳程介质腐蚀性强、易结主要用于管子和壳体间温差大、壳程介质腐蚀性强、易结垢的场合。由于结构复杂，金属消耗多，应用受到一定限制。垢的场合。由于结构复杂，金属消耗多，应用受到一定限制。 管壳式换热器的类型、标准与结构管壳式换热器的类型、标准与结构 4) 填料函式换热器填料函式换热器结构：结构：使一端管板固定、而另一使一端管板固定、而另一端管板可在填料函中滑动，即将端管板可在填料函中滑动，即将浮头露在壳体外面的浮头式换热浮头露在壳体外面的浮头式换热器，所以又称外浮头式换热器。器，所以又称外浮头式换热器。特性：特性：（1 1）由于填料密封处容易泄漏，）由于填料密封处容易泄漏，故不宜用于易挥发、易燃、易爆、故不宜用于易挥发、易燃、易爆、有毒和高压流体的热交换；有毒和高压流体的热交换；（2 2）由于制造复杂，安装不便，）由于制造复杂，安装不便，因而不常采用。因而不常采用。 管壳式换热器的类型、标准与结构管壳式换热器的类型、标准与结构 l 标标 准准国家标准：国家标准：钢制管壳式换热器钢制管壳式换热器(标准号为标准号为GBl51-89)最新标准：最新标准：管壳式换热器管壳式换热器(标准号为标准号为GBl51-1999)国标适用范围：国标适用范围：(1)公称直径公称直径2000mm；(2)公称压力公称压力35MPa；(3)公称直径公称直径(mm)和公称压力和公称压力(MPa)的乘积的乘积 104。行业标准行业标准：浮头式换热器和冷凝器型式与基本参数浮头式换热器和冷凝器型式与基本参数，标准号：，标准号：JB/T 4714-92； 固定管板式换热器型式与基本参数固定管板式换热器型式与基本参数，标准号：，标准号：JB/T 4715-92； 立式热虹吸式重沸器型式与基本参数立式热虹吸式重沸器型式与基本参数，标准号：，标准号：JB/T 4716-92； U形管式换热器型式与基本参数形管式换热器型式与基本参数，标准号：，标准号：JB/T 4717-92； 不可拆式螺旋板换热器型式与基本参数不可拆式螺旋板换热器型式与基本参数，标准号：，标准号：JB/T 4723-92管壳式换热器的类型、标准与结构管壳式换热器的类型、标准与结构 1：平盖；：平盖；2：平盖管箱：平盖管箱(部件部件)；3：接管法兰；：接管法兰；4：管箱法兰；：管箱法兰；5：固定管板；：固定管板；6：壳体：壳体法兰；法兰；7：防冲板；：防冲板；8：仪表接口；：仪表接口；9：补强圈；：补强圈；10：圆筒壳体；：圆筒壳体；11：折流板；：折流板；12：旁：旁路挡板；路挡板；13：拉杆；：拉杆；14：定距管；：定距管；15：支持板；：支持板；16：双头螺柱或螺栓；：双头螺柱或螺栓；17：螺母；：螺母；18：外头盖垫片；：外头盖垫片；19：外头盖侧法兰；：外头盖侧法兰；20：外头盖法兰；：外头盖法兰；21：吊耳；：吊耳；22：放气口；：放气口；23：凸形封头；：凸形封头；24：浮头法兰；：浮头法兰；25：浮头垫片；：浮头垫片；26：无折边球面封头；：无折边球面封头；27：浮头管：浮头管板；板；28：浮头盖：浮头盖(部件部件)；29：外头盖：外头盖(部件部件)；30：排液口；：排液口；31：钩圈；：钩圈；32：接管；：接管；33：活动鞍座：活动鞍座(部件部件)；34：换热管；：换热管；35：挡管；：挡管；36：管束：管束(部件部件)；37：固定鞍座：固定鞍座(部件部件)；38：滑道；：滑道；39：管箱垫片；：管箱垫片；40：管箱短节；：管箱短节；41：封头管箱：封头管箱(部件部件)；42：分程隔板：分程隔板换热器中主要部件名称换热器中主要部件名称管壳式换热器的类型、标准与结构管壳式换热器的类型、标准与结构 级（或级（或级）换热器级）换热器（或）管管/壳程数，单壳程只写壳程数，单壳程只写NtLN公称长度（公称长度（m）, d换热管外径（换热管外径（mm）公称换热面积（公称换热面积（m2）管管/壳程设计压力（壳程设计压力（MPa），压力相等时只写），压力相等时只写Pt公称直径公称直径(mm)，对釜式重沸器用分数表示，对釜式重沸器用分数表示，分子为管箱内直径，分母为圆筒内直径分子为管箱内直径，分母为圆筒内直径第一个字母代表前端管箱型式，第二个字母代表壳体型式，第一个字母代表前端管箱型式，第二个字母代表壳体型式，第三个字母代表后端结构型式第三个字母代表后端结构型式l 钢制管壳式换热器型号表示法钢制管壳式换热器型号表示法 管壳式换热器主要组合部件有前端管箱、壳体和后端结构管壳式换热器主要组合部件有前端管箱、壳体和后端结构(包括包括管束管束)三部分，三部分的不同组合，就形成结构不同的换热器。三部分，三部分的不同组合，就形成结构不同的换热器。管壳式换热器的类型、标准与结构管壳式换热器的类型、标准与结构 管壳式换热器的类型、标准与结构管壳式换热器的类型、标准与结构 管壳式换热器的类型、标准与结构管壳式换热器的类型、标准与结构 l 管子在管板上的固定与排列管子在管板上的固定与排列 1) 管子在管板上的固定管子在管板上的固定 原则原则：保证连接牢固，不产生大的热应力；保证连接牢固，不产生大的热应力；方法方法：（1）胀接；（胀接；（2）焊接；（）焊接；（3）胀焊并用；）胀焊并用；胀接胀接：基本连接方式，但压力温度受限基本连接方式，但压力温度受限 压力低于压力低于4MPa，温度低于，温度低于300oC焊接焊接：在高温高压下能保持连接的紧密性，对管板孔的加工要在高温高压下能保持连接的紧密性，对管板孔的加工要求较低，同时比胀管的工艺简便。适用高温、高压、易爆介质求较低，同时比胀管的工艺简便。适用高温、高压、易爆介质 缺点：（缺点：（1）在焊接接头处的热应力可能造成应力腐蚀和破）在焊接接头处的热应力可能造成应力腐蚀和破裂；（裂；（2）在管孔和管子间存在的间隙处也可能产生间隙腐蚀。）在管孔和管子间存在的间隙处也可能产生间隙腐蚀。管壳式换热器的类型、标准与结构管壳式换热器的类型、标准与结构 2) 管子在管板上的排列管子在管板上的排列 原则原则：要保证管板有必要的强度，管子和管板的连接要坚固和紧密；要保证管板有必要的强度，管子和管板的连接要坚固和紧密； 设备要尽量紧凑，以便减小管板和壳体的直径，并使管外空间设备要尽量紧凑，以便减小管板和壳体的直径，并使管外空间的流通截面减小，以便提高管外流体的流速；的流通截面减小，以便提高管外流体的流速； 制造、安装和修理、维护简便。制造、安装和修理、维护简便。 管壳式换热器的类型、标准与结构管壳式换热器的类型、标准与结构 等边三角形法等边三角形法 同心圆法同心圆法 正方形法正方形法 等边三角形排列等边三角形排列：传热性能好，但流动阻力大；：传热性能好，但流动阻力大；同心圆排列同心圆排列：紧凑，布管均匀，但制造和装配比较困难；：紧凑，布管均匀，但制造和装配比较困难；正方形排列正方形排列：清洗方便，流动阻力小，但传热性能差。：清洗方便，流动阻力小，但传热性能差。 管壳式换热器的类型、标准与结构管壳式换热器的类型、标准与结构 组合排列组合排列：用于多管程换热器中，每一程都采用等边三角形排列，而用于多管程换热器中，每一程都采用等边三角形排列，而在各程相邻管排间，为便于安装隔板，则采用正方形排列。在各程相邻管排间，为便于安装隔板，则采用正方形排列。转角排列转角排列：（1 1）流体流动方向与三角形一边平行的转角等边三角形排流体流动方向与三角形一边平行的转角等边三角形排列；（列；（2 2）流体的流动方向与正方形一条对角线垂直的转角正方形排列）流体的流动方向与正方形一条对角线垂直的转角正方形排列 3) 管间距管间距 两根管子中心线的距离称为管间距，其大小主要与管板强度两根管子中心线的距离称为管间距，其大小主要与管板强度和清洗管子外表所需间隙、管子在管板上的固定方法等有关。和清洗管子外表所需间隙、管子在管板上的固定方法等有关。 采用焊接时，管间距太小，焊缝太近，就不能保证焊接质量采用焊接时，管间距太小，焊缝太近，就不能保证焊接质量 采用胀管时，过小的管间距会造成管板在胀接时由于挤压力采用胀管时，过小的管间距会造成管板在胀接时由于挤压力的作用而产生变形，失去了管板与管子之间的连接力。对于多管的作用而产生变形，失去了管板与管子之间的连接力。对于多管程分程隔板处的管间距，最小应为管间距加隔板槽密封面的宽度程分程隔板处的管间距，最小应为管间距加隔板槽密封面的宽度管壳式换热器的类型、标准与结构管壳式换热器的类型、标准与结构 换热管外径换热管外径1014 19 25 32 38 45 57最小管间距最小管间距s13-14 19 25 32 38 45 57 72分程隔板槽处管间距分程隔板槽处管间距lg2532 38 44 52 60 68 80注：注：当管间需要机械清洗时，相邻管间的净空距离当管间需要机械清洗时，相邻管间的净空距离(s-d)不宜小于不宜小于6mm，对，对于外径为于外径为10mm和和14mm的换热管的中心距分别不得小于的换热管的中心距分别不得小于17mm和和21mm；外径为外径为25mm的换热管，当用转角正方形排列时，其分程隔板槽两侧的管间的换热管，当用转角正方形排列时，其分程隔板槽两侧的管间距应为距应为32mm32mm正方形的对角线长，即正方形的对角线长，即sn=45.255mm。 4) 布管限定圆布管限定圆 按在管子排列方式照上述方法时，换热器管束外缘直径受圆筒按在管子排列方式照上述方法时，换热器管束外缘直径受圆筒内径的限制，因此在设计时要将管束外缘置于布管限定圆之内，布内径的限制，因此在设计时要将管束外缘置于布管限定圆之内，布管限定圆直径管限定圆直径DL值的大小按结构型式而异。值的大小按结构型式而异。对于固定管板式、对于固定管板式、U形管式换热器形管式换热器 式中，式中，b3为固定管板式、为固定管板式、U形管式换热形管式换热器管束最外换热管表面至壳体内壁的最器管束最外换热管表面至壳体内壁的最短距离，通常情况下短距离，通常情况下b30.25d，且不小且不小于于10 mm； 管壳式换热器的类型、标准与结构管壳式换热器的类型、标准与结构 l 管管 板板作用作用：（1 1）固定换热管束；（）固定换热管束；（2 2）分隔管壳程流体；）分隔管壳程流体；型式：型式：常用圆形平板，也有弹性管板常用圆形平板，也有弹性管板管孔：管孔：排列方式同换热管，孔径略大于换热管；排列方式同换热管，孔径略大于换热管； 管孔数管孔数=换热管数换热管数+假管数假管数+拉杆数拉杆数厚度：厚度：按强度理论计算按强度理论计算 管壳式换热器的类型、标准与结构管壳式换热器的类型、标准与结构 管板与管子用胀接法连接时，管板的最小厚度管板与管子用胀接法连接时，管板的最小厚度( (不包括腐蚀裕不包括腐蚀裕量量) )按下表规定；当用焊接法连接时，最小厚度除满足要求外还要满按下表规定；当用焊接法连接时，最小厚度除满足要求外还要满足结构和制造的要求。足结构和制造的要求。换热管外径换热管外径101419 25323845 57管板最管板最小厚度小厚度用于炼油工业及易燃易爆用于炼油工业及易燃易爆有毒介质等严格场合有毒介质等严格场合2025323845 57用于无害介质的一般场合用于无害介质的一般场合101520242632 36 对于对于U形管式、浮头管式等设备，为使壳形管式、浮头管式等设备，为使壳程便于清洗，常将管板夹在壳体法兰和管箱法程便于清洗，常将管板夹在壳体法兰和管箱法兰之间构成可拆连接。兰之间构成可拆连接。 管壳式换热器的类型、标准与结构管壳式换热器的类型、标准与结构 管板和壳体的连接：管板和壳体的连接：有可拆和不可拆两种有可拆和不可拆两种。 固定管板式换热器常用不可拆连接，两端的管板直接焊于外固定管板式换热器常用不可拆连接，两端的管板直接焊于外壳上并延伸到壳体周围之外兼作法兰，拆下管箱即可检修胀口或壳上并延伸到壳体周围之外兼作法兰，拆下管箱即可检修胀口或清扫管内污垢。把管板焊在壳体内不兼作法兰的结构用得较少。清扫管内污垢。把管板焊在壳体内不兼作法兰的结构用得较少。 管板与壳体的可拆连接管板与壳体的可拆连接 管板与壳体的不可拆连接管板与壳体的不可拆连接 l 分分 程程 隔隔 板板 目的：目的：将换热器的管程分为若干流程，提高流速，增大传热系数将换热器的管程分为若干流程，提高流速，增大传热系数原则原则：（1）每一程管数大致相等；（每一程管数大致相等；（2）分程隔板的形状简单，）分程隔板的形状简单，（3）密封长度尽可能短。）密封长度尽可能短。常用程数：常用程数：根据根据GBl51-1999规定，常用程数有规定，常用程数有1、2、4、6、8、10、12等七种程数。等七种程数。 分程方法：分程方法：平行分程法和丁字形分成法平行分程法和丁字形分成法 从热膨胀角度出发，在考虑分程时，最好使相邻程间平均壁从热膨胀角度出发，在考虑分程时，最好使相邻程间平均壁温之差不超过温之差不超过28，因此就由平行隔板和丁字形隔板所组成的四，因此就由平行隔板和丁字形隔板所组成的四流程换热器而论，平行隔板要优于丁字形隔板，因为在采用丁字流程换热器而论，平行隔板要优于丁字形隔板，因为在采用丁字形隔板时，最冷和最热的流程是紧挨着的。形隔板时，最冷和最热的流程是紧挨着的。 安装：安装：焊接在管箱上，在管板上设分程隔板槽，槽的宽度、深度焊接在管箱上，在管板上设分程隔板槽，槽的宽度、深度及拐角处的倒角等均有具体规定。及拐角处的倒角等均有具体规定。 管壳式换热器的类型、标准与结构管壳式换热器的类型、标准与结构 常见管板分程布置常见管板分程布置 管壳式换热器的类型、标准与结构管壳式换热器的类型、标准与结构 l 折流板和支持板折流板和支持板作用作用：（：（1）使流体横掠管束，增大传热系数；（）使流体横掠管束，增大传热系数；（2）支撑管束；）支撑管束； （3）防止管束振动和弯曲。）防止管束振动和弯曲。 常用形式常用形式：（：（1）弓形折流板，（弓形折流板，（2）盘环形）盘环形(或称圆盘一圆环形或称圆盘一圆环形)折流板，（折流板，（3）扇形折流板，（）扇形折流板，（4）管孔形折流板）管孔形折流板 管壳式换热器的类型、标准与结构管壳式换热器的类型、标准与结构 在弓形折流板中，流动死区较小，结构简单，因而用得最多；在弓形折流板中，流动死区较小，结构简单，因而用得最多；盘环形结构比较复杂，不便清洗，一般用在压力较高和物料比较清盘环形结构比较复杂，不便清洗，一般用在压力较高和物料比较清洁的场合；扇形和管孔形的应用较少。洁的场合；扇形和管孔形的应用较少。 弓形折流板切口方向：弓形折流板切口方向：卧式换热器分为缺口上、下方向交替排卧式换热器分为缺口上、下方向交替排列（水平切口）和缺口左、右方向交替排列（垂直切口）两种列（水平切口）和缺口左、右方向交替排列（垂直切口）两种 当流过壳程的全是气相或液相的清洁物料时，宜用水平切口。当流过壳程的全是气相或液相的清洁物料时，宜用水平切口。卧式换热器、冷凝器和再沸器，当壳程是气、液相共存或液体中卧式换热器、冷凝器和再沸器，当壳程是气、液相共存或液体中带有固体的物料时，宜用垂直切口。带有固体的物料时，宜用垂直切口。 管壳式换热器的类型、标准与结构管壳式换热器的类型、标准与结构 弓形折流板尺寸：弓形折流板尺寸：缺口大小（高度缺口大小（高度h）和板间距）和板间距B弓形折流板的排列弓形折流板的排列 缺口大小缺口大小：按切去弓形弦高占壳体内径百分比（：按切去弓形弦高占壳体内径百分比（h/Di）来确定）来确定 单相换热：单相换热：h/Di=(20-25)% 壳程蒸发：壳程蒸发：h/Di=45% 壳程冷凝：壳程冷凝：h/Di=(25-45)%。 相邻两折流板距离相邻两折流板距离B：间距小，可保证流体横掠管束，提高换热间距小，可保证流体横掠管束，提高换热系数。但若过小，又会增加流动阻力，难于检修和清洗；间距过大，系数。但若过小，又会增加流动阻力，难于检修和清洗；间距过大，则流体难于垂直流过管束，使换热系数下降。则流体难于垂直流过管束，使换热系数下降。 为了保证设计的合理性，弓形折流板的间距一般不应小于壳体为了保证设计的合理性，弓形折流板的间距一般不应小于壳体内径的内径的1/5，且不小于，且不小于10 mm，最大则不超过下表的规定，且不超，最大则不超过下表的规定，且不超过壳体内径。过壳体内径。 换热管外径换热管外径10 14 19 25 32 38 45 57 最大无支撑跨距最大无支撑跨距800 1100 1500 1900 2200 2500 2800 3200管壳式换热器的类型、标准与结构管壳式换热器的类型、标准与结构 折流板厚度：折流板厚度：为了防振、并能承受拆换管子时的扭拉作用，折流为了防振、并能承受拆换管子时的扭拉作用，折流板须有一定厚度。一般情况下至少比管壁厚一倍，最薄约板须有一定厚度。一般情况下至少比管壁厚一倍，最薄约3mm，按按GB 151-1999中具体规定执行。中具体规定执行。折流板的固定：折流板的固定：两种方式两种方式（1）拉杆）拉杆+定距管定距管 对于管子外径大于或等于对于管子外径大于或等于19mm的管束，折流板的安装固定通的管束，折流板的安装固定通过拉杆和定距管来实现。拉杆是一根两端皆带螺纹的长杆，一端拧过拉杆和定距管来实现。拉杆是一根两端皆带螺纹的长杆，一端拧入管板，折流板穿在拉杆上，各折流板之间则以套在拉杆上的定距入管板，折流板穿在拉杆上，各折流板之间则以套在拉杆上的定距管来保持板间距离，最后一块折流板用螺母拧在拉杆上紧固。拉杆管来保持板间距离，最后一块折流板用螺母拧在拉杆上紧固。拉杆应尽量均布于管束的外边缘，但对于大直径的换热器，在布管区内应尽量均布于管束的外边缘，但对于大直径的换热器，在布管区内或靠近折流板缺口处也应布置适当数量的拉杆。或靠近折流板缺口处也应布置适当数量的拉杆。（2）直接焊接：对于管子外径小于或等于）直接焊接：对于管子外径小于或等于14mm的管束可把折流的管束可把折流板焊在拉杆止，此时则不需定距管。板焊在拉杆止，此时则不需定距管。管壳式换热器的类型、标准与结构管壳式换热器的类型、标准与结构 折流板的安装和固定折流板的安装和固定 管壳式换热器的类型、标准与结构管壳式换热器的类型、标准与结构 拉杆的直径及数量：拉杆的直径及数量：建议的拉杆直径和数量如下表所示。在建议的拉杆直径和数量如下表所示。在保证大于或等于表中所示拉杆总截面积的条件下，拉杆的直径和数保证大于或等于表中所示拉杆总截面积的条件下，拉杆的直径和数量可以变动，但其直径不得小于量可以变动，但其直径不得小于10mm10mm，数量不得少于，数量不得少于4 4根。根。 换热管外径换热管外径10 14 19 25 32 38 45 57拉杆直径拉杆直径10 12 12 16 16 16 16 16拉杆直径拉杆直径0.7，l/d24的管内层流、过渡流与湍流时的强制对流的管内层流、过渡流与湍流时的强制对流换热，可按下图查取换热，可按下图查取jh值后，计算换热系数。值后，计算换热系数。 管壳式换热器的传热计算管壳式换热器的传热计算 l 管外（壳程）换热系数管外（壳程）换热系数 对于具有弓形折流板的情形，采用的比较多的方法是贝尔法，其对于具有弓形折流板的情形，采用的比较多的方法是贝尔法，其中心内容是首先假定全部壳程流体都以错流形式通过理想管束，求得中心内容是首先假定全部壳程流体都以错流形式通过理想管束，求得理想管束的传热因子，然后根据换热器结构参数及操作条件的不同，理想管束的传热因子，然后根据换热器结构参数及操作条件的不同，引入各项校正因子修正。引入各项校正因子修正。为此，先分析壳程流体流动过程。为此，先分析壳程流体流动过程。 通过壳程的各股流路通过壳程的各股流路 管壳式换热器的传热计算管壳式换热器的传热计算 流路流路A：由于管子与折流板上的管孔间存在间隙，而折流板前：由于管子与折流板上的管孔间存在间隙，而折流板前后又存在压差所造成的泄漏，其随管外壁的结垢而减小。此流路后又存在压差所造成的泄漏，其随管外壁的结垢而减小。此流路降低了主流速度，故对传热不利。降低了主流速度，故对传热不利。 流路流路B：横向流过管束的主流路，对传热和阻力影响最大。：横向流过管束的主流路，对传热和阻力影响最大。 流路流路C：管束最外层管子与壳体间存在间隙而产生的旁路。此：管束最外层管子与壳体间存在间隙而产生的旁路。此旁路流量可达相当大的数值。设置旁路挡板，可改善此流路对传旁路流量可达相当大的数值。设置旁路挡板，可改善此流路对传热的不利影响。热的不利影响。 流路流路E：由于折流板和壳体内壁间存在一定间隙所形成的漏流，：由于折流板和壳体内壁间存在一定间隙所形成的漏流，它不但对传热不利，而且会使温度发生相当大的畸变，特别在层它不但对传热不利，而且会使温度发生相当大的畸变，特别在层流流动时。流流动时。管壳式换热器的传热计算管壳式换热器的传热计算 流路流路F F：因为安置分程隔板而使壳程形成了不为管子所占据的通：因为安置分程隔板而使壳程形成了不为管子所占据的通道，若用来形成多管程的隔板设置在主横向流的方向上，将会造成道，若用来形成多管程的隔板设置在主横向流的方向上，将会造成一股一股( (或多股或多股) )旁路。此时常在旁通走廊中设置一定量的假管。旁路。此时常在旁通走廊中设置一定量的假管。 主要结构参数计算主要结构参数计算 (1) 总管数总管数nt：从图纸上读出。：从图纸上读出。管壳式换热器的传热计算管壳式换热器的传热计算 (2) 错流区管排数错流区管排数Nc：最好从图纸读出，否则按下式估算：最好从图纸读出，否则按下式估算：(3) 两折流板顶部间错流面积占总面积的百分数两折流板顶部间错流面积占总面积的百分数Fc：(4) 错流区内管子数占总管数的百分数错流区内管子数占总管数的百分数Fc (7) 一块折流板上管子和管孔之间的泄漏面积一块折流板上管子和管孔之间的泄漏面积管壳式换热器的传热计算管壳式换热器的传热计算 (6) 错流面积中旁流面积所占分数错流面积中旁流面积所占分数Fbp若有若有F流路存在时，则流路存在时，则管程隔板所占的通道数管程隔板所占的通道数(F流路数流路数)F流道净宽度流道净宽度d dtb=dH- -do, dH为管孔直径为管孔直径(5) 每一缺口内的有效管排数每一缺口内的有效管排数Ncw，由图确定，或按下式计算，由图确定，或按下式计算 (11) 折流板数目折流板数目或或管壳式换热器的传热计算管壳式换热器的传热计算 (8) 折流板外缘与壳体内壁之间的泄漏面积折流板外缘与壳体内壁之间的泄漏面积Asb折流板直径折流板直径(9) 流体通过缺口的流通面积流体通过缺口的流通面积Ab（前以计算出）（前以计算出）(10) 缺口的当量直径缺口的当量直径Dw (用于用于Re100的情况的情况)进口段折流板到管板距离进口段折流板到管板距离 出口段折流板到管板距离出口段折流板到管板距离 由下图查出在换热器中心线处，假定壳程流体全部错流流过管由下图查出在换热器中心线处，假定壳程流体全部错流流过管束，在此理想管束中纯错流时的柯尔本传热因子束，在此理想管束中纯错流时的柯尔本传热因子jH 管壳式换热器的传热计算管壳式换热器的传热计算 计算壳程换热系数的贝尔法计算壳程换热系数的贝尔法折流板缺口校正因子折流板缺口校正因子jc：由下图查取：由下图查取 jc是是Fc的函数，对于缺口处不排管的结构，的函数，对于缺口处不排管的结构，jc=1。管壳式换热器的传热计算管壳式换热器的传热计算 折流板泄漏影响校折流板泄漏影响校正因子正因子j1管壳式换热器的传热计算管壳式换热器的传热计算 即即A和和E流路的影流路的影响，其为响，其为Asb/(Asb+Atb)及及(Asb+Atb)/Ac的函数。的函数。由由图查取。由由图查取。管束旁流影响校正因子管束旁流影响校正因子jb 管壳式换热器的传热计算管壳式换热器的传热计算 其是其是Fbp和和Nss/Nc （Nss为每一错流区内旁路挡板对数，为每一错流区内旁路挡板对数，Nc为错流区内管排数）的函数。由下图查取。为错流区内管排数）的函数。由下图查取。 管壳式换热器的传热计算管壳式换热器的传热计算 换热器进、出口段折流板间距不等时的校正因子换热器进、出口段折流板间距不等时的校正因子js式中，当式中，当Re100时，时，n=0.6， 当当Re100时，时，n=1/3。计算壳程传热因子计算壳程传热因子jo l 与换热系数计算有关的几个问题与换热系数计算有关的几个问题 (1) 定性温度定性温度管壳式换热器的传热计算管壳式换热器的传热计算 式中，式中，Ft取值如下：取值如下： 壳侧流体被管侧的水冷却时，壳侧流体被管侧的水冷却时，Ft=0.3； 壳侧流体被管程的水蒸汽加热时，壳侧流体被管程的水蒸汽加热时，Ft=0.55； 壳侧和管侧均为油时，壳侧和管侧均为油时，Ft=0.45； 粘度在粘度在10-3 Pas以下的低粘性液体，以下的低粘性液体，Ft=0.5。 对热流体对热流体 对冷流体对冷流体 (2) 定性尺寸定性尺寸 管壳式换热器的传热计算管壳式换热器的传热计算 努塞尔准则、雷诺准则等的定义式中，努塞尔准则、雷诺准则等的定义式中，l为定性尺寸。通常是为定性尺寸。通常是选取对流体运动或传热发生主导影响的尺寸作为定性尺寸。例如，选取对流体运动或传热发生主导影响的尺寸作为定性尺寸。例如，在圆管内的换热过程取管子内径在圆管内的换热过程取管子内径di，在管外强迫流动换热时取管，在管外强迫流动换热时取管子外径子外径do，而对非圆形管道则取其当量直径，而对非圆形管道则取其当量直径de。在一般情况下，当在一般情况下，当量直径的定义为：量直径的定义为： 式中，式中，A为流体的流通截面积；为流体的流通截面积；U为湿周边或热周边长，在计算阻为湿周边或热周边长，在计算阻力时，它是全部润湿周边；在传热计算时，是参与传热的周边。力时，它是全部润湿周边；在传热计算时，是参与传热的周边。 在应用准则方程式时，还应注意当量直径的取法是否有特别在应用准则方程式时，还应注意当量直径的取法是否有特别的说明。的说明。(3) 粘度修正粘度修正 管壳式换热器的传热计算管壳式换热器的传热计算 在某些准则方程式中，为了考虑非等温流动和热流方向对换热在某些准则方程式中，为了考虑非等温流动和热流方向对换热的影响，常乘有的影响，常乘有(m mf/m mw)n或或(Prf/Prw)m因子的修正项，或者在准则方因子的修正项，或者在准则方程式中的程式中的Pr项对加热和冷却采用不同的指数。项对加热和冷却采用不同的指数。此修正项的计算，往此修正项的计算，往往由于壁温未知而要用试算法；但也可取近似值：往由于壁温未知而要用试算法；但也可取近似值： 液体被加热时，取液体被加热时，取 (m mf/m mw)0.141.05 液体被冷却则取液体被冷却则取 (m mf/m mw)0.140.95 对气体，若也用对气体，若也用(m mf/m mw)0.14因子来校正，则不论加热或冷却，因子来校正，则不论加热或冷却，均可均可取取(m mf/m mw)0.141。 (4) 同时存在对流换热与辐射换热的处理同时存在对流换热与辐射换热的处理 如果需要考虑流体与壁面之间的辐射换热，可将其并入对流如果需要考虑流体与壁面之间的辐射换热，可将其并入对流换热，用总换热系数来处理。换热，用总换热系数来处理。这时，把总换热系数写成：这时，把总换热系数写成：l 壁温的计算壁温的计算 选择换热器的类型和管子材料以及考虑热膨胀补偿时均需知道选择换热器的类型和管子材料以及考虑热膨胀补偿时均需知道壁温。在一般情况下，壁温可通过下面的公式确定：壁温。在一般情况下，壁温可通过下面的公式确定： 放热侧壁温：放热侧壁温： 吸热侧壁温：吸热侧壁温： 管壳式换热器的传热计算管壳式换热器的传热计算 由此可见，要事先知道换热系数才能计算壁温，而在某些情况由此可见，要事先知道换热系数才能计算壁温，而在某些情况下（例如蒸汽凝结和自然对流换热）又要在已知壁温的条件下才能下（例如蒸汽凝结和自然对流换热）又要在已知壁温的条件下才能把换热系数计算出来。把换热系数计算出来。于是工程上一般采用试算法对壁温和换热系于是工程上一般采用试算法对壁温和换热系数进行同步计算，过程如下：数进行同步计算，过程如下：式中，式中，q为单位面积传热量，且为单位面积传热量，且K和和h应以同一基准表面计算。应以同一基准表面计算。 假定一侧壁温（例如假定一侧壁温（例如tw1） 求该侧换热系数（求该侧换热系数（a a1） 计算该侧单位面积传热量计算该侧单位面积传热量(q1)： q1=h1(t1- -tw1) 根据壁面热阻根据壁面热阻rw计算另一侧壁温（计算另一侧壁温（tw2）：）： q1=(tw1- -tw2)/rw 计算出另一侧的换热系数计算出另一侧的换热系数a a2 计算另一侧的单位面积传热量计算另一侧的单位面积传热量(q2)，即，即q2=a a2(tw2- -t2)。 如果假定的壁温正确，则应有如果假定的壁温正确，则应有q1= q2。否则，应重新假定壁。否则，应重新假定壁温，直至温，直至q1与与q2基本相等为止。基本相等为止。管壳式换热器的传热计算管壳式换热器的传热计算 4 管壳式换热器的流动阻力计算管壳式换热器的流动阻力计算 换热器中的流动阻力可分两部分，即：流体与壁面间的摩擦阻力，换热器中的流动阻力可分两部分，即：流体与壁面间的摩擦阻力，由于方向改变或速度突然改变所产生的局部阻力。由于方向改变或速度突然改变所产生的局部阻力。 管壳式换热器的管程阻力和壳程阻力必须分别计算。如果阻力过管壳式换热器的管程阻力和壳程阻力必须分别计算。如果阻力过大，超过允许的范围时，则需修改设计。大，超过允许的范围时，则需修改设计。换热器的操作压力换热器的操作压力(Pa) 允许的压降允许的压降(Pa)P105（表压表压）D DP=0.1PD DP=0.5PD DP5104管壳式换热器允许压降管壳式换热器允许压降 换热器管程阻力包括沿程阻力、回弯阻力和进、出口连接管阻力换热器管程阻力包括沿程阻力、回弯阻力和进、出口连接管阻力三部分，即三部分，即l 管程阻力计算管程阻力计算 沿程阻力沿程阻力D DPi计算式：计算式： 或或 管壳式换热器的流动阻力计算管壳式换热器的流动阻力计算当当Re2100时时进、出口连接管阻力计算式：进、出口连接管阻力计算式： 摩擦系数摩擦系数摩擦因子摩擦因子粘度校正因子粘度校正因子回弯阻力计算式：回弯阻力计算式：管程数管程数管内流动时的摩擦系数管内流动时的摩擦系数. e-绝对粗糙度；绝对粗糙度；d-管径管径 管壳式换热器的流动阻力计算管壳式换热器的流动阻力计算l 壳程阻力计算壳程阻力计算 流动特点流动特点：（1）流体流过管束的流动有加速、方向等变化，相同雷诺数，）流体流过管束的流动有加速、方向等变化，相同雷诺数，壳程摩擦系数大于管程摩擦系数；壳程摩擦系数大于管程摩擦系数；（2）壳程的压降可通过折流板控制；）壳程的压降可通过折流板控制；（3）壳程流体流过管束时的流路复杂。）壳程流体流过管束时的流路复杂。 管壳式换热器的流动阻力计算管壳式换热器的流动阻力计算计算基础：廷克尔流路分析；计算方法：贝尔计算法计算基础：廷克尔流路分析；计算方法：贝尔计算法(1) 计算每一理想错流段阻力计算每一理想错流段阻力D DPbk壳程流体质量流量壳程流体质量流量理想管束的摩擦系数理想管束的摩擦系数 管壳式换热器的流动阻力计算管壳式换热器的流动阻力计算理想管束的摩擦系数理想管束的摩擦系数fk(2) 计算每一理想缺口阻力计算每一理想缺口阻力D DPwk 管壳式换热器的流动阻力计算管壳式换热器的流动阻力计算当当Re100时时当当Re100时时(3) 泄漏、旁路，以及进、出口段折流板间距不同影响校正泄漏、旁路，以及进、出口段折流板间距不同影响校正 折流板泄漏校正系数折流板泄漏校正系数Rl旁路校正系数旁路校正系数Rb 进、出口段折流板间距不同对阻力影响校正系数进、出口段折流板间距不同对阻力影响校正系数Rs： 管壳式换热器的流动阻力计算管壳式换热器的流动阻力计算当当Re100时，时，n=1.6当当Red ds时，管子受到压缩，被压缩量为时，管子受到压缩，被压缩量为(d dt- -d d)。而壳体受到拉伸，而壳体受到拉伸，被拉伸量为被拉伸量为(d d- -d ds)。应用虎克定律，可分别求出管子所受的压缩力和应用虎克定律，可分别求出管子所受的压缩力和壳体所受的拉伸力。显然，这两个力应相等，即壳体所受的拉伸力。显然，这两个力应相等，即 由此可得由此可得管壁压应力：管壁压应力：壳壁拉应力：壳壁拉应力：故由温差产生的轴向应力故由温差产生的轴向应力 管壳式换热器的热补偿问题管壳式换热器的热补偿问题 若壳体膨胀量大于管子，则若壳体膨胀量大于管子，则 壳体轴向合成应力：壳体轴向合成应力： 管子轴向合成应力：管子轴向合成应力： 若管子膨胀量大于壳体，则若管子膨胀量大于壳体，则 壳体轴向合成应力：壳体轴向合成应力： 管子轴向合成应力：管子轴向合成应力： 拉脱力拉脱力 在压力与温差的联合作用下，管子所产生的应力为在压力与温差的联合作用下，管子所产生的应力为s st，则管子，则管子拉脱力拉脱力q为为 若计算出的拉脱力超过允许范围，则需采取相应措施以减小拉若计算出的拉脱力超过允许范围，则需采取相应措施以减小拉脱力，例如对固定管板式无膨胀节的换热器，就需采用膨胀节，对脱力，例如对固定管板式无膨胀节的换热器，就需采用膨胀节，对于已带膨胀节的，则增加膨胀节的波数或改用强度较高的材料制作于已带膨胀节的，则增加膨胀节的波数或改用强度较高的材料制作膨胀节以减薄膨胀节之厚度。膨胀节以减薄膨胀节之厚度。 单管管壁横截面积单管管壁横截面积胀接深度或焊接高度胀接深度或焊接高度管壳式换热器的热补偿问题管壳式换热器的热补偿问题 l热补偿的措施热补偿的措施 一般情况下，当管子与壳体用同种材料，在壳壁与管壁的一般情况下，当管子与壳体用同种材料，在壳壁与管壁的温差大于温差大于50oC时，就要考虑热补偿，以解决膨胀的差异。其措时，就要考虑热补偿，以解决膨胀的差异。其措施主要是从施主要是从工艺和结构工艺和结构两方面着手，采取的方法有两方面着手，采取的方法有 减小管子与壳体的温差减小管子与壳体的温差 由于管壁温度总是接近于换热系数大的由于管壁温度总是接近于换热系数大的流体的温度，因此可将换热系数大的流体走壳程，当壳体温度流体的温度，因此可将换热系数大的流体走壳程，当壳体温度低于管束温度时，对壳体进行保温可减小管子与壳体的温差。低于管束温度时，对壳体进行保温可减小管子与壳体的温差。 采用膨胀节采用膨胀节 膨胀节的作用主要是补偿轴向位移，它的特点是受膨胀节的作用主要是补偿轴向位移，它的特点是受轴向力后容易变形，从而降低壳体和管子的温差应力。轴向力后容易变形，从而降低壳体和管子的温差应力。使管束和壳体均能自由膨胀使管束和壳体均能自由膨胀 这种方法能较好地消除热应力，例这种方法能较好地消除热应力，例如如U形管式换热器、填料函式换热器、浮头式换热器均具有这形管式换热器、填料函式换热器、浮头式换热器均具有这种作用。种作用。管壳式换热器的热补偿问题管壳式换热器的热补偿问题 弹性管板补偿弹性管板补偿 对于高温高压换热器的管板，其强度要求与减对于高温高压换热器的管板，其强度要求与减小热应力的要求是矛盾的，减小管板厚度能减小管板冷、热两小热应力的要求是矛盾的，减小管板厚度能减小管板冷、热两面的热应力，但却受强度要求限制。对于固定管板还必须同时面的热应力，但却受强度要求限制。对于固定管板还必须同时考虑温差应力、管板本身的轴向和径向温差应力以及管板的机考虑温差应力、管板本身的轴向和径向温差应力以及管板的机械强度要求。因而，出现了一些弹性管板的新型结构，有利于械强度要求。因而，出现了一些弹性管板的新型结构，有利于承压能力、且可利用其弹性变形来吸收部分热膨胀差。承压能力、且可利用其弹性变形来吸收部分热膨胀差。 高高压压椭椭圆圆管管板板 挠挠性性管管板板 管壳式换热器的热补偿问题管壳式换热器的热补偿问题 双套管温度补偿双套管温度补偿 在在高温高压换热器中，也高温高压换热器中，也有采用插入式的双套管有采用插入式的双套管温度补偿结构，如图所温度补偿结构，如图所示。管程流体出入口与示。管程流体出入口与一个环形空间相连接，一个环形空间相连接，使外套管内流体与壳程使外套管内流体与壳程流体的温差减小，具有流体的温差减小，具有与与U U形管式换热器相类形管式换热器相类似的补偿能力，完全消似的补偿能力，完全消除热应力。除热应力。 双套管补偿结构双套管补偿结构 管壳式换热器的热补偿问题管壳式换热器的热补偿问题 一般的设计程序如下：一般的设计程序如下： 1.根据设计任务搜集有关的原始资料，并选定换热器的型式等。根据设计任务搜集有关的原始资料，并选定换热器的型式等。原始资料应包括：流体的物理化学性质原始资料应包括：流体的物理化学性质(如结垢性、腐蚀性、如结垢性、腐蚀性、爆炸性、化学作用等爆炸性、化学作用等)，流体的流量、压力、温度、热负荷，流体的流量、压力、温度、热负荷，设备安装场所的限制，材质的限制，压降的限制等等。设备安装场所的限制，材质的限制，压降的限制等等。 2.确定定性温度，并查取物性数据；确定定性温度，并查取物性数据； 3.由热平衡计算热负荷及热流体或冷流体的流量；由热平衡计算热负荷及热流体或冷流体的流量；4.选择壳体和管子的材料；选择壳体和管子的材料； 5.选定流动方式，确定流体的流动空间；选定流动方式，确定流体的流动空间；6.求出平均温差；求出平均温差；7.初选传热系数初选传热系数K，并初算传热面积，并初算传热面积F；7 管壳式换热器的设计程序管壳式换热器的设计程序 8.设计换热器的结构设计换热器的结构(或选择标准型号的换热器或选择标准型号的换热器)，包括：，包括： 选取管径和管程流体流速选取管径和管程流体流速 确定每程管数、管长、总管数确定每程管数、管长、总管数 确定管子排列方式、管间距、壳体内径和连接管直径等确定管子排列方式、管间距、壳体内径和连接管直径等 确定壳侧程数及纵向隔板数目、尺寸，或折流板的数目、间确定壳侧程数及纵向隔板数目、尺寸，或折流板的数目、间距、尺寸等壳程结构尺寸。在这一步中最好通过草图确定有距、尺寸等壳程结构尺寸。在这一步中最好通过草图确定有关数据和传热面积关数据和传热面积F” (F”一般与一般与F不会正好相等不会正好相等)。9.管程换热计算及阻力计算。当换热系数大子初选传热系数且压管程换热计算及阻力计算。当换热系数大子初选传热系数且压降小于允许压降时，才能进行下一步计算，否则要重选降小于允许压降时，才能进行下一步计算，否则要重选K，并，并调整结构。调整结构。10.壳程换热计算。根据采用的结构，假定壁温和计算换热系数，壳程换热计算。根据采用的结构，假定壁温和计算换热系数，若不合理则应调整壳程结构直至满意为止。若不合理则应调整壳程结构直至满意为止。 管壳式换热器的设计程序管壳式换热器的设计程序 11.校核传热系数和传热面积。根据管、壳程换热系数及污垢热校核传热系数和传热面积。根据管、壳程换热系数及污垢热阻、壁面热阻等，算出传热系数阻、壁面热阻等，算出传热系数K及传热面积及传热面积F。要求由结构。要求由结构计算确定的传热面积计算确定的传热面积F比计算出的所需传热面积比计算出的所需传热面积F大大10%20时，才认为满足要求。时，才认为满足要求。12.核算壁温。要求与假定的壁温相符。核算壁温。要求与假定的壁温相符。13.计算壳程阻力，使之小于允许压降，若压降不符合要求，要计算壳程阻力，使之小于允许压降，若压降不符合要求，要调整流速或结构尺寸。调整流速或结构尺寸。 14.对换热器的零部件进行强度计算。例如壳体壁厚，管板、封头对换热器的零部件进行强度计算。例如壳体壁厚，管板、封头和法兰厚度、尺寸，支座型式和尺寸，螺钉大小和个数等等。和法兰厚度、尺寸，支座型式和尺寸，螺钉大小和个数等等。15.核算管、壳热应力和管子接口处的拉脱力，考虑热补偿措施并核算管、壳热应力和管子接口处的拉脱力，考虑热补偿措施并校核振动。校核振动。16.绘正式图纸、编写材料表等。绘正式图纸、编写材料表等。 管壳式换热器的设计程序管壳式换热器的设计程序 以上步骤可视具体情况作适当调整，对设计结果应进行分析，以上步骤可视具体情况作适当调整，对设计结果应进行分析，甚至对几个方案进行比较，因此设计过程是相当复杂费时的。甚至对几个方案进行比较，因此设计过程是相当复杂费时的。