换热器配管设计.docx

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换热器配管设计

1、适用范围

1.1本设计手册适用于管壳式及套管式热交换器的管道布置。

1.2有关空冷式换热器（空冷器）的管道布置不在本手册之列。

1.3有关一般的事项要参照PDS320-1-11《管道布置设计总则》

2换热器种类

2.1按结构分类

2.1.1管壳式换热器

（1）浮头式换热器

如图2.1（a），传热管也称管束和挡板装配在两侧的管板上，但管束一端的管板（固定管板）用壳体一端的法兰固定，另一端的管板在壳体内不固定，所以壳体和传热管可根据流体温度自由膨胀。

另外，这种换热器可将管束从壳体内抽出清扫及检修。

该型式的特点如下：

1）传热管的内外都能清扫，适用容易产生污垢的流体，所以使用范围广泛。

2）因为传热管和壳体都能自由膨胀，所以在温差大的情况下也能使用。

3）从1）、2）可知，这种结构的换热器可适用于各种设计操作条件，通用性最大。

但其缺点是由于结构很复杂，制造成本高。

（2）U形管式换热器

如图2.1（b），使用的传热管为U形管，传热管与壳体分开，可分别随流体的温度自由膨胀。

另外，能将管束全部抽出清扫及检修，与浮头式换热器结构相同，但浮头式换热器因为是直管、管内也容易清扫，而U形管式换热器的管束为U形管，管内清扫困难。

U形管热器的特点如下：

1）自由膨胀

2）因为能够抽出管束，所以也能方便地清扫管外壁。

3）适用于高压流体，高压流体在管内流动，则使承压部分少，减轻重量。

4）结构简单，由于管板和壳体法兰少，所以制造较简单。

（3）固定管板式换热器

如图2.1（C），是将管板焊接在壳体两端。

壳程流体与管程流体的温度差使传热管和壳体产生较大的，热应力，固此，管程与壳程流体温差较大时需要在壳体上安装伸缩节吸收热膨胀。

该形式的换热器壳侧的清扫，检修及维修困难，所以要求流体腐蚀性少，产生污垢少。

固定管板式的特点如下：

1）最适用于壳体及传热管温差小，污垢少、热膨胀差小介质和场所。

2）作为立式的管式换热器，其用途广泛。

（4）釜式换热器

如图2.1（d），壳体内上部设有适于蒸汽的空间，同时也作为蒸汽空间，该空间的大小根据蒸汽性质决定，估算时一般壳体大直径为壳体小直径的1.5～2倍。

液面高度一般比最上部管至少高50mm。

其特点如下：

1）作为余热锅炉其结构是很简单的。

2）为取得廉价蒸汽而被广泛使用。

3）管束可做成浮头式或U形管式，所以也能适用于较赃流体、高压流体。

（1）壳体

（2）壳体盖（3）管箱侧的壳体法兰（4）壳体侧的壳体法兰（5）壳体管嘴（6）浮动管板（7）浮头头盖（8）浮头法兰（9）浮头垫片

（10）固定管板（11）管箱（12）管箱头盖（13）管箱管嘴（14）垃杆及定距管（15）挡板及支持板（16）缓冲板（17）折流板（18）排气口（19）排液口（20）仪表接口（21）支座（22）钩圈（23）传热管（24）挡板

（25）液面计接口（26）壳体管嘴（27）管箱接口法兰（28）U形管（29）密封垫板

图2.1各种多管园筒式换热器（管壳式换热器）

图2.2管壳式换热器的名称构造一览表

2.1.2套管式换热器（套管或夹套式）

由于可采用高低温流体逆流换热，所以热效率高，构造简单。

另外具有仅用增减内管、套管的根数，则可任意改变传热面积的优点。

因为传热面积大，所以与管壳式换热器相比价格较高。

（1）固定式

内外管端因是焊接，所以外管侧的清扫困难，不能吸收由于内外管侧温差所造成的热应力。

但具有构造简单，价格便宜，制造方便等优点。

（图2.3）

（2）马蹄型套管式（发夹型，U型）

内管能抽出，这样内外管均可清扫，另外，可根据内外管温差使内外管自由膨胀。

内管使用翅片管（图2.4）

①传热管②传热管法兰③支持片④180°弯头⑤180°弯头法兰⑥套管⑦套管管嘴⑧套管管嘴法兰⑨支架⑩U形螺栓

图2.3套管固定式换热器

（1）传热管（内管，传热管）

（2）纵向翅片（3）管接头螺栓（联接螺纹）（4）近接头螺母（联接外螺纹）

（5）管接头螺母（联接螺母）（6）传热管法兰（内管法兰）（7）套管（8）套管管嘴（9）套管管嘴法兰（10）套管法兰（11）套管盖（12）密封垫板（13）双头螺栓（14）填料箱（15）填料（16）压盖（17）支架

图2.4套管马蹄型（发夹型，U型）换热器

2.2按使用分类

按照使用用途分，有以下两种情况，一种是仅加热或冷却，即不引起流体相变化，另一种是根据加热或冷却进行蒸发或凝结，即引起流体相变化。

使用的种类名称一般以用途分类。

（1）加热器

是加热流体升到所需温度，以提高流体温度为目的而使用的一种换热器，不引起被加热流体的相变化。

热源为蒸汽和装置中的余热。

一般使用蒸汽作为热源时，往往将蒸汽所具有的潜热加热给被加热流体，蒸汽为此凝结变为液体，即引起相变化。

（2）予热器

是以加热流体使流体温度上升为目的，在这一点与加热器相同，但它是根下一步操作要求对流体予热而使用的一种换热器。

（3）过热器

是以加热流体温度上升为目的，在这一点与加热器相同，但它是进一步加热流体，为使其达到过热状态

而使用的一种换热器，流体一般是汽态。

（4）蒸汽发生器

是加热液体给与潜热，使之蒸发，以产生蒸汽为目的换热器。

（5）重沸器

是将装置里凝结的液体重新加热使之蒸发为目的而使用的换热器。

按使用目的有以下两种重沸器，一是只将产生的蒸汽送出为目的而使用的换热器，二是将产生的汽液混合物送出为目的而使用的换热器。

（6）冷却器

是将流体冷却到所需温度，以降低流体温度为目的而使用的一种换热器，被冷却流体不产生相变。

冷源可用河水，井水，海水等，但当冷却水不足时，常使用空气冷却器。

（7）深冷器

冷却流体使流体温度降低为目的，是与冷却器相同，深冷却器是使流体冷却到冰点以下极低温为目的而使用的一种换热器。

冷源使用液态氨，液态氟里昂等冷媒，从被冷却流体中取气化热，由液体变为气体、即发生相变化。

（8）冷凝器

是冷却汽体，取出潜热使之液化为目的的换热器。

被冷却流体从气体变为液体，即发生相变化。

使蒸汽冷凝变成水的换热器称为复水器。

（9）纯冷凝器

是冷凝器的一种，是将全部冷凝性气体冷凝液化为目的而使用的换热器

（10）部分冷凝器

冷凝器的一种，是将部分冷凝性气体冷凝液化为目的的换热器。

一般使部分冷凝液回流以调整蒸馏塔操作等。

（11）换热器

是狭义的换热器，使两种流体进行热交换。

它是使一种流体被加热的同时，另一种流体被冷却，以此为目的而使用的一种换热器。

3换热器的布置

3.1安装形式

3.1.1单台卧式布置单台换热器卧式布置的形式见图3.1。

图3.1

3.1.2两台重叠卧式布置

这种布置形式对节约占地面积和缩短连接配管是效的。

（1）两台同类换热器的重叠布置见图3.2。

图3.2

（2）两台不同类型换热器的重叠布置见图3.3。

图3.3

（3）立式重沸器

如图3.4、图3.5所示。

从塔体引出支架，进行布置，或布置在地面支架上。

布置在塔体支架上时方法要与设备设计负责人协商。

图3.4图3.5

图塔支撑的场台独立阖撑场台

3.2布置位置

（1）工艺没有限制要求时，换热器一般布置在地面上尽量低的基础上。

（2）有工艺要求等场合，将换热器布置在规定高度的地面基础上或框架上，作为例子，可考虑下述事项。

（a）使用釜式重沸器和立式重沸器场合

（b）换热器出入口几乎没有有效压力差，只靠重力流动来冷却及冷凝的场合

（C）在地面上没有布置换热器的空间时。

3.3设置高度

（1）在地上及框架上的设置高度

在地面和在框架上布置的换热器基础高度，由换热器下侧排放管所需尺寸决定（参照图3.63.7）

即H（换热器基础高度）=W+X+Y+Z

W=法兰+弯头Y=排放管尺寸（参照图3.8）

X=管半径Z=排放管距地面（平台面）的距离（MIN150）

但是，换热器的基础高度有时需要在一定范围内取齐，所示表3.1中数值是基础的最低高度，应予以注意。

另外，有保温，保冷的场合，还要考虑排放管保温、保冷厚度，操作无障碍。

图3.6图3.7

图3.8详图

1、设尺寸“A”（中心线至鞍式支座底）与尺寸“B”（中心接管法兰面）相同。

2、设排放阀尺寸为API1602的闸阀SW（A型承插焊—扣阀）

表3.1换热器基础高度

D（in）

CLASS

Hmm

直径

法兰等级

型式A

型式B

型式C

2

150

300

600

550

600

650

3

150

300

600

600

650

700

4

150

300

600

650

700

700

750

750

800

6

150

300

600

800

850

900

8

150

300

600

900

950

950

1000

1000

1050

10

150

300

600

1000

1050

1050

1100

1100

1150

12

150

300

600

1150

1200

1250

A.B.C型表示放凝管的型式

参照图3.6，3.7，3.8。

框架上的换热器高度必须根据管道布置和阀门操作等决定,但距管箱侧或者壳体侧下面管嘴的配管直接穿过平台的情况下,换热器的安装高度原则上距平台至少150mm,即换热器底座与梁之间至少要有150mm垫板厚度（图3.9）

图3.9

（a）为确保管嘴法兰的螺栓安装空间

（b）若没设置垫板，如图3.10换热器的定位螺栓与梁腹部相接触，（梁为H型或者工字型时）无从生根。

基础高度的群组化

同一高度的基础对施工是有利的，从防止施工误差来讲，要在可能范围内统一基础高度。

统一的范围是原则上以上1200mm以内的高度为宜。

图3.11

（2）卧式重沸器的安装高度

釜式重沸器等要求工艺安装给定高度，如图3.12所示安装在高基础上或框架上，重沸器的配管设计图完成后，要由工艺设计人校对配管的压力损失及再次确认塔与重沸器的相对高度。

（3）立式重沸器的安装高度

立式重沸器的安装高度可根据它与塔的N.L（正常液面）的相对高度决定。

塔的N.L与重沸器的相对高度关系要依据工艺提出的委托资料。

有关立式重沸器的支撑方法，应充分注意以下事项。

用3.1（3）项的图3.4及图3.5的立式重沸器安装状态。

可知重沸器的汽相出口嘴子与塔的入口嘴子基本上直接相连来。

这是为了尽量减少压降和有效利用空间。

但由于重沸器的支撑方法，恐怕会产生较大的热应力。

减少热应力的一般方法如下。

（a）采用在A与B尺寸之间尽量不产生膨胀差的支撑立式重沸器的方法。

（b）由于C尺寸的伸长而影响重沸器出口管嘴及塔的入口管嘴。

可将重沸器的安装螺栓孔作成长园孔来减少影响。

（c）C、D尺寸间的膨胀差在D部采用弯曲管道减少热应力。

（d）配管设计完成后，要由工艺设计负责人校对配管压力损失及再次确认塔与重沸器的相对高度。

3.4布置

（1）换热器的间距

一般换热器周围，仪表类等附件很少，主要是考虑阀门的操作，与其它设备相比，能用较小的间距进行布置。

两台并列换热器的间距，壳体法兰之间最小为600mm，有管道时其最小间距也要保持600mm。

在换热器侧面布置阀门，调节阀和仪表时，为了操作及维修，应确保最小600mm的间距。

对釜式重沸器，要考虑液位计等的布置，另外，在考虑最小间距时，也应将换热器及管道的保温厚度计算在内。

（2）换热器的排例

多台换热器的排列原则上是使管程嘴子对齐。

这样配管连接不仅美观。

而且对冷凝器等，也利于冷却水管道的布置。

（a）

b）固定管板式换热器的布置，除管嘴要左右对称外、检修空间不设置在主要位置，布置换热器要有利于配管设计。

（3）重沸器的布置

重沸器的布置，主要考虑下述事项。

（a）要保证抽出管束的空间（b）抽管束时要容易拆卸螺栓,对于立式重沸器，要考虑平台的安装位置。

（c）要考虑能够吸收配管的热应力（d）对塔的检修必须无妨碍（e）在敷塔管管道之间不要布置重沸器

3.5换热器的检修空间

3.5.1卧式换热器的检修空间

（1）管箱盖板、管箱及外头盖的折卸，安装所需空间应给予保证。

（a）图3.19①～⑧空间是作为维修空间，要尽量保证。

U型管换热器，不需要⑥～⑧空间。

（b）法兰连接，能够拆卸配管的场合，使用上图①～⑦的空间为好。

（c）不得已的情况下，应确保①②和③④及⑥⑦中任何一项。

（d）为不影响抽出套管式换热器管束，要保证如图3.20所示抽芯空间。

（2）为拆卸管箱盖板，管箱及外头盖，使用吊耳所需空间。

如以下平面图及视图所示，利用吊耳起吊管箱盖板，管箱及外头盖，地面上的换热器要靠吊车等起吊。

框架上的换热器，靠吊车、吊车梁起吊，进行拆卸和安装。

在对起吊无妨碍的前提下决定配管的位置。

U型管换热器，因为没有外头盖，所以不必考虑相应的空间。

图3.21

为了保持管箱起吊平衡吊耳的位置要靠近法兰侧

A-A视图B-B视图C-C视图

图3.22

（3）框架上换热器的检修空间

根据上换热器的检修空间，要按3.5.1

（1）项及5.1项给予保证。

换热器的管箱盖板、管箱、外头盖拆卸及管束的抽出，一般使用吊车或吊车梁，所以在换热器的上部要确保使用吊车或吊车梁所需要空间。

使用吊车梁的空间参照5.4项。

3.5.2立式重沸器的检修空间，在进行设备及管道布置时，要充分考虑以下事项：

（1）立式重沸器的种类

（2）立式重沸器的布置形式（靠塔支撑还是布置在框架上，请参照3.1.2项（3））

（3）检修方法

（4）检修用的机械或者设备（吊车、吊车梁等）

4换热器的嘴子方位

为了不损坏换热器的原有性能，而且也为了节省管道，有必要研究是否更改嘴子的方位，以下是有关换热器嘴子方位变更的例子。

另外，有关嘴子位置改变，要与设备设计负责人及工艺设计负责人进行协商，确认不影响换热器的性能和结构。

4.1关于换热器的嘴子方位变更的基本考虑方法。

4.1.1壳程侧的流体与管程侧的流体。

（1）用冷却水、烃类（气体及液体）或者化学流体冷却的场合，冷却水通过管侧。

使壳程的流体受管程侧和大气中空气的两面冷却，提高换热效率。

（2）高压流体通过管程侧，低压流体通过壳程侧，壳程侧可选用较薄的壁厚，这是经济的。

（3）一般将含杂质的不清洁流体通过壳程侧。

4.1.2逆流

热交换的两种流体逆流换热效果优于顺流。

尤其对单程的换热器具有显著效果。

4.1.3重力流

根据单纯的物理现象，高温流体向上方运动，低温流体向下方运动，换热器也利用分这种原理。

流体通过换热器时，产生了物理变化，也就产生蒸发，凝结等变化，这是非常重要的。

但是，通过换热器的流体，为液体或者非凝结性气体，末必如此，按照上述原则，冷却器的冷却水入口和重沸器的工艺介质入口均应在底部，出口在顶部。

蒸汽是从顶部管嘴进入，从底部排出冷凝水。

冷凝器也应同样考虑来决定管嘴方位。

另外，对于大量汽体冷凝的情况，应让蒸汽在具有充分空间（与管内狭小空间相比）的壳程中进行冷凝。

4.2换热器嘴子位置变更举例。

4.2.1不变更嘴子位置只改变流体的出入方向。

如上图4.1与左面的例子相比，右面则为节省配管的简化布置。

该例子中包含有改换管程和壳程流体情

况（许多均合下管程与壳程为同种流体）

4.2.2改变嘴子位置

在上图4.2，换热器的壳程进出口嘴子分别在靠近管箱侧和靠近外头盖侧，右侧图相反，调换进出口既节约高等级管道，又减压降。

4.2.3管嘴做成弯头管嘴

一般换热器的管嘴是直管+法兰，若更改为弯头+法兰这种管嘴，如图4.3这是既降低了换热器及管道的安装高度，又方便了阀门和仪表操作。

图4.3

4.2.4将管嘴安装成一定角度

图4.4

将4.2.3项中弯头加法兰的这种管嘴水平旋转，这是为了有利确保管线走向和换热器的检修空间。

4.2.5在对称的位置上更改管嘴（图4.5）

图4.5

5构架规划

二层以上换热器框架规划，规定如下。

若仅为拆卸换热器法兰的螺栓，不管在地上还是框架上都不单设平台。

5.1平台大小

原则上按图5.1决定平台的大小

图5.1

A=MIN（管箱盖法兰外径尺寸+500mm）

B=MIN（外头盖法兰外径尺寸+500mm。

U型管式换热器为C尺寸。

C=为操作、检修空间，最小600mm（参照3.4项

（1））

5.2柱的位置

5.2.1换热器长度方向

换热器轴线方向的柱位置，如图5.2所示的线上（①～⑥）任何一个。

①外头盖侧平台末端

②在基础和外头盖侧平台末端之间

③基础位置（靠近外头盖）

④基础架位置（靠近管箱）

⑤在基础和管箱侧平台末端之间

⑥管箱侧平台末端

图5.2

根据确定的换热器轴线方向的柱位置，决定垂直于换热器方向梁的位置，所以在决定柱位置时，要注意以下事项。

（1）充分考虑穿平台管管的布置。

（2）保证平台最大悬臂长度小于2500mm，确保5.1项的A及B尺寸，因选择③与④时平台悬臂可能超过2500mm，所以要进行充分研究。

图5.3

（3）罐等与换热器布置在同一平台上时，要尽量将罐基础尽量与换热器的基础布置在同一梁上。

（4）除布置在管架上外，因为图5.2中的柱位置①和⑥的框架结构是不经济的，所以原则上不采用。

5.2.2垂直于换热器方向

垂直于换热器方向的柱子位置由以下事项决定。

（a）确保5.1项C尺寸

（b）确保构架下设备布置和操作、检修等所需的空间。

5.3梯子

5.3.1梯子位置

原则上梯子与换热器平行布置，从检修侧上。

（见图5.4、5.5、5.6）。

图5.4样子布置

（一）

图5.5样子布置

（二）

图5.6样子布置（三）

5.4吊车梁

5.4.1高度及大小

框架上换热器检修吊车梁的高度及大小，应根据图5.7及5.8决定。

尺寸B、C及E参照PDS320-1-11《管道布置设计总则

6配管设计

6.1换热器管道

6.1.1连接管壳式换热器的主要配管（图6.1）

（1）管程侧顶部管嘴的配管

（2）管程侧底部管嘴的配管

（3）壳程侧顶部管嘴的配管

（4）壳程侧底部管嘴的配管

换热器本体各管嘴位置参照图2.1,流动方向

根据换热器的使用目的决定，所以要用P&ID图

及设备图（或者草图）进行确认

6.1.2连接套管式换热器的重要配管（图6.2）

（1）内管（入口及出口）的配管

（2）套管侧顶部管嘴的配管

（3）套管侧底部管嘴的配管

换热器本体上各管嘴位置参照图2.3

图2.4流动方向根据换热器的使用

目的决定，P&ID图及设备图（或者草图）

进行确认

6.1.3串联和并联

1台换热器容量不足的情况下，将2～6台或者更多的换热器作为一组进行使用，将若干台换热器成组布置的方法有串联和并联两种。

（1）串联（图6.3）

a）2台串联b）3台串联c）4台串联

（2）并联（图6.4）

换热器的并联布置，原则一采用不产生偏流的管道对称管道布置。

（有关对称管道布置参照6.6项（6））

a）2台并联b）3台并联

图6.4

（3）串联和并联

换热器既有串联又有并联时的管道布置，与

（2）项相同，在并联部分采用不引起偏流的对称式管道布置。

（有关对称管道布置参照6.6项（6））

a）2组并联2组串联b）2组并联3组串联

图6.5

c）3组并联2组串联

图6.6

6.2浮头式换热器的管道走向

将连接浮头式换热器（AES、BES型的两管程以上）各管嘴的配管走向与配管条件（配管连接方向及有无切断阀及各自配管的检修，操作，管道支架等的注意事项一起表示在6.2.1～6.2.7项。

从连接各管嘴的配管形状中，选出最佳形状管系组合。

将其列表在6.2.8项中，供参考。

6.2.1连接管程侧顶部

表6.1

表6.1（续）

6.2.2连接管程底部管咀的配管

表6.2

表6.2（续）

6.2.3连接壳程顶部管嘴的配管

表6.3

表6.3（续）

6.2.4连接壳程顶部管嘴的配管

表6.4

表6.4（续）

6.2.5连接壳程底部管嘴的配管

表6.5

表6.5（续）

6.2.6连接壳程底部管嘴配管表6.6

表6.6（续）

6.2.7备注（有关6.2.1项～6.2.5项及6.3.3项的配管形状的备注）

备注①充分考虑与吊耳的位置关系，使用吊耳起吊时有障碍。

（参照3.5.1项～②）

②与相邻配管的位置关系，应考虑管支架配置及配管支架基础的距离。

（参照7.1项支吊架）

③由于对管壳封头上吊耳的使用有障碍，所以，配管不能布置在换热器中心线上。

但是，事先将吊耳左右倾斜就没有问题了。

④拆卸时，管道妨碍管箱，不能向吊起的前方移动，所以，这种配管形式要尽量避免，在不得己的情况下，管程下部管嘴的配管要可拆卸。

管程底部管咀的配管要能拆卸（见图6.7）

图6.7

⑤维修时，由于使用吊耳所以要能够拆卸配管。

例1两台以上换热器串联时，管道若布置在吊耳上方，检修时最好能够拆下配管。

图6.8

图6.8

例2、与地下配管连接时，一般设置法兰能与地下配管分离。

图6.9。

（6）管道往框架下连接时，注意不要碰梁。

图6.10。

图6.9

图6-10

（7）螺栓装卸间距，法兰螺栓的螺母侧要保证有100mm以上（参照3.5.1项—

（1））

（8）阀门布置使阀门手轮的中心高度距操作面在2000以内为宜，（参照PDS320—1—11管道布置设计总则

（9）配管与换热器壳之间距要经研究后决定。

（10）这种配管形式，能够确保管箱维修有足够的空间。

（11）要注意配管不要换热器基础或者垫板相撞。

图6.11。

（12）