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1、管壳式换热器 （GB151-1999） （） 2012-11-1,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,传热与换热器设计,河南省压力容器审核及设计人员培训班,管壳式换热器的结构组成：,管程： 壳程：,受压元件： 非受压元件：,壳体、换热管、管箱、管板、接管,支座、折流板、拉杆,与换热管相连通的空间 换热管外部、壳体内部的连通空间,传热与换热器设计,管壳式换热器的设计： 工艺设计： 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,第一部分 传热和换热器基本知识,河南省压力
2、容器审核及设计人员培训班,A、p,传热与换热器设计,（1）传热量的计算： 两流体无相变热量衡算式：,第一部分 传热和换热器基本知识,河南省压力容器审核及设计人员培训班,可知：要想计算传热量，需要知道4个温度和2个流量。,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；,传热与换热器设计,（2）传热温差的计算：,第一部分 传热和换热器基本知识,河南省压力容器审核及设计人员培训班,（3）传热面积的估算：,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,第一部分 传热和换热器基本知识,河南省压力容器审核及设计人员培训班,管
3、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： 应尽可能使各管程的换热管数大致相等； 分程隔板槽形状简单，密封面长度较短。,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,第一部分 传热和换热器基本知识,河南省压力容器审核及设计人员培训班,传热与换热器设计,（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0.25
4、d0，一般不小于8mm。,第一部分 传热和换热器基本知识,河南省压力容器审核及设计人员培训班,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）。,筒体直径估算值：,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1015%为宜；,传热与换热器设计,第一部分 传热和换热器基本知识,河南省压力容器审核及设计人员培训班,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。,传热与换热器设计,第一部分 传热和换热器基本知识,河南省压力容器审核及设计人员培训班,（1）管程流体阻力： ft
5、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。 为流体流动摩擦系数。,传热与换热器设计,第一部分 传热和换热器基本知识,河南省压力容器审核及设计人员培训班,（2）壳程流体阻力： 其中：,u0按壳程流通截面 计算所得，m/s。 NB折流板数量。 de壳体的当量直径，按上面的公式计算,m。,传热工艺流程的确定原则： 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。 具有腐蚀性的物料应走管内。 压力高的物料走管内。 温度很高（热媒）或很低（冷媒）的物料走管内，减少热损失。,传热与换热器设计,第一部分 传热和换热器基本知识,河南省压力容器审
6、核及设计人员培训班,蒸汽一般走壳程，便于排液，传热系数也大。 粘度大（1.52.5cp），或流量较小的流体一般走壳程，便于提高流速（在低雷诺数Re100时即可达到湍流）。 给热系数小的流体如气体，应走壳程，易于提高速度。 被冷却物料走壳程，便于散热。,传热与换热器设计,第一部分 传热和换热器基本知识,河南省压力容器审核及设计人员培训班,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 GB/T8163输送流体用无缝钢管 GB/T8
7、890热交换器用铜合金管 GB9948石油裂化用无缝钢管 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,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,碳钢、低合金钢,碳钢，低、高合金钢,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，钢管的尺寸精度应选用高级精度。钢中含硫量应不大于0.020%。 4、GB5
8、310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,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,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，钢管的尺寸精度应选用高级精度。 6、GB/T12771流体输送用不锈钢焊接接管 类-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 仅第类钢管用于换热管,图样上应注明钢管类别(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,河南省压力容器审核及设计人员培训班,
9、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、两级。 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。 级管束：普通级冷拔管，用在重沸、冷凝传热、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，为级管束。,传热与换热器设计,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,3)由于管束的分级，造成后续设计上的差别： 管板上管孔直径的差别（表1621）。 折流板（或支持板）上管孔直径的差别（表3540）。 管板上钻孔孔桥宽度的差别（表5152）。,传
10、热与换热器设计,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,注：降低换热管束级别使用的问题。,传热与换热器设计,关于孔桥宽度尺寸的查表。,表51,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,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。,传热与换热器
11、设计,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,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。,传热与换热器设计,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,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=1.0,传热与换热器设计,河南省
12、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,（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：,传热与换热器设计,（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）,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,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
13、验介质的液柱静压力。 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,外压和真空换热器：,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,（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： 1）用0.9ReL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,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,用上述办法不能提高
14、到规定的管程试验压力时，可采取以下办法： 若差距不大，可以考虑适当增加厚度； 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,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,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。 介质为（易燃、）易爆； 介质的毒性程度为极度或高度危害； 对真空有较严格要求； 管、壳程介质互漏会产生严重危害； 如有泄漏将危
15、及容器的安全性（如衬里等）和正常操作者。,传热与换热器设计,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,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,传热与换热器设计,六、管子受压计算时临界长度Lcr的确定,第二部分 设计中出现的共性问题,河南省压力容器审核及设计人员培训班,传热与换热器设计,七、 开孔直径的定义模糊和开孔超标问题 d=接管内直径+两倍（接管）厚度附加量 八、 气压试验的
16、焊接接头系数取值问题 九、凹凸面、榫槽面的设置问题 十、封头焊接接头系数和筒体焊接接头系数取 值一致性的问题,第二部分 设计中出现的共性问题,河南省压力容器审核及设计人员培训班,传热与换热器设计,十一、管板密封面问题,第二部分 设计中出现的共性问题,河南省压力容器审核及设计人员培训班,传热与换热器设计,第二部分 设计中出现的共性问题,河南省压力容器审核及设计人员培训班,传热与换热器设计,十二、分程管箱的密封面问题,第二部分 设计中出现的共性问题,河南省压力容器审核及设计人员培训班,传热与换热器设计,第二部分 设计中出现的共性问题,河南省压力容器审核及设计人员培训班,传热与换热器设计,十三、壳程大尺寸接管结构的处理,第二部分 设计中出现的共性问题,河南省压力容器审核及设计人员培训班,大尺寸接管,传热与换热器设计,十四、排气、排液接管 对不允许有气体或不凝性气体存在的空间最上方应设置排气管； 对停车需要将液体排净的空间最下方应设置排液管
