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,图3-1 管壳式换热器结构图,管程,壳程,管程,,,,3.1管程结构,强化传热管,换热管型式,,,翅片管（在给热系数低侧,螺旋槽管,螺纹管,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,标准管长1.5、2.0、3.0、4.5、6.0、9.0m等,,3.1.1 管束（ tube bundle ）,光管,粘性大或污浊的流体,小管径,大管径,,2019/10/21,Qust ——管壳式换热器设计,7,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标准不适用于固体粉尘含量较高或易结焦的场合,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，重新露出翅片金属螺纹管,碳素钢,低合金钢,不锈钢,铜,铜镍合金,铝合金,钛等,,石墨,陶瓷,聚四氟乙烯等,,换热管材料,金属材料,非金属材料,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，其它三种统称为错列管束管子排列方式,二、横向流中的管束,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,2019/10/21,Qust ——管壳式换热器设计,15,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。
2019/10/21,Qust ——管壳式换热器设计,16,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2019/10/21,Qust ——管壳式换热器设计,17,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2019/10/21,Qust ——管壳式换热器设计,18,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质较脏，换热管外需清洗场合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,,原则,取值：t≥1.25d0 (保证管桥强度和清洗通道),2019/10/21,Qust ——管壳式换热器设计,20,表 常用换热管中心距/mm,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,最大布管限定圆直径 (OTL),2019/10/21,Qust ——管壳式换热器设计,22,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作用,用来排布换热管； 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3.1.2 管板（tube-sheet）,,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,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管板材料,2019/10/21,Qust ——管壳式换热器设计,27,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，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，以不锈钢抵抗腐蚀，以碳钢和低合金钢承受介质压力厚度—满足强度前提下，尽量 减少管板厚度,管板结构,热应力,图3-2 管板结构图,边界区内的二次应力（制约因素）,2019/10/21,Qust ——管壳式换热器设计,30,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差应力）的前提下，应尽量减少管板的厚度2019/10/21,Qust ——管壳式换热器设计,31,薄管板式换热器,相对于GB151-1999、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。
a）,2019/10/21,Qust ——管壳式换热器设计,32,过程设备设计,（b）,图 薄管板结构形式,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2019/10/21,Qust ——管壳式换热器设计,33,过程设备设计,（c）,焊入式（原上海医药设计院）：管板焊在壳体上（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2019/10/21,Qust ——管壳式换热器设计,34,过程设备设计,（d）,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2019/10/21,Qust ——管壳式换热器设计,35,,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。
2019/10/21,Qust ——管壳式换热器设计,36,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2019/10/21,Qust ——管壳式换热器设计,38,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； 可以参阅相关的文献。
目前大多数采用ANSYS软件进行设计2019/10/21,Qust ——管壳式换热器设计,39,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 （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2019/10/21,Qust ——管壳式换热器设计,40,假设换热管为内管板固定的柱（如图所示），确定间距G,,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,特点：清洗要拆除管线 适用场合：适用于于较清洁的介质,管箱结构（a）,图 3-7管箱结构（a）,清洗时不要拆除管线 用材较多,管箱结构（b）,特点,图 3-7管箱结构（b）,管箱结构（c）,图 3-7管箱结构（c）,设置多层隔板的管箱结构,管箱结构（d）,图 3-7管箱结构（d）,管箱圆筒有最小厚度的规定。
管箱仅封头时可不按此规定 两程之间的最小流通面积不小于每程换热管流通面积1.3倍，每程换热管流通面积即每程换热管数n乘上换热管内流通的截面积 当碳钢、低合金钢制的焊有分程隔板的 管箱和浮头盖，以及管箱的侧向开孔大于 1/3（即d＞D/3）圆筒内径的管箱 管箱要进行整体热处理管箱的最小深度的问题,管内流动的流体从管子的一端流到另一端，称为一个管程3.1.4 管束分程,,,,,图 3-8管束分程结构示意图,管束分程布置图,应尽量使各管程的换热管数大致相等，其相对误差（ΔN）应控制在10％以内，最大不得超过20％ΔN=[ Ncp-Nmin(max) /Ncp] ×100％ 分程隔板槽形状简单以利加工，密封面长度较短，减少泄漏 程与程之间的温度相差不易过大，一般温差不超过10℃（50℉）管程分程时应注意的问题,2019/10/21,Qust ——管壳式换热器设计,56,（4）分程隔板槽槽深宜不小于4mm，这主要考虑采用石棉橡胶板或金属包垫，采用缠绕垫时，槽深应大于4mm 分程隔板槽槽宽一般为12mm，当分程隔板厚度大于10mm时，密封面处应削至10mm 分程垫片转角处一定要有R（见下图），不然垫片很易。