换热器的结构讲解.docx

1、换热器的结构讲解换热器的结构管壳式换热器就是具有换热管和壳体的一种换热设备，换热管与管板连接，再用壳体固定。按其结构型式，主要分为：固定管板式换热器、浮头式换热器、 U形管式换热器、填料函式换热器、方形壳体翅片管换热器等。详细结构如下：固定管板式换热器：固定管板式换热器结构如上图所示，换热器的两端管板采用焊接方法与壳体连接固定。换热管可为光管或低翅管。其结构简单，制造成本低，能得到较小的壳体内径，管程可分成多 样，壳程也可用纵向隔板分成多程，规格范围广，故在工程中广泛应用。其缺点是壳侧不便清洗，只能采用化学方法清洗，检修困难，对于较脏或对材料有腐蚀性 的介质不能走壳程。壳体与换热管温差应力较大

2、，当温差应力很大时，可以设置单波或多波 膨胀节减小温差应力浮头式换热器浮头式换热器结构如图所示，其一端管板与壳体固定，而另一端的管板可以在壳体内自由浮动。壳体和管束对热膨胀是自由的，故当两种介质的温差较大时，管束与壳体之间不会产生温差应力。浮头端设计成可拆结构，使管束可以容易地插入或抽出，这样为检修和清洗提供了方便。这种形式的换热器特别适用于壳体与换热管温差应力较大，而且要求壳程与管程都要进行清洗的工况。浮头式换热器的缺点是结构复杂， 价格较贵，而且浮头端小盖在操作时无法知道泄漏情况, 所以装配时一定要注意密封性能U形管式换热器上图为双壳程 U形管式换热器。U形管式换热器是将换热管弯成 U形，

3、管子两端固定在同一块管板上。由于换热管可以自由伸缩，所以壳体与换热管无温差应力。因 U形管式换热器仅有一块管板，所以结构较简单，管束可从壳体内抽出，壳侧便于清洗，但管内清洗 稍困难，所以管内介质必须清洁且不易结垢。 U形管式换热器一般用于高温高压情况下， 尤其是壳体与换热管金属壁温差较大时。壳程可设置纵向隔板，将壳程分为两程 （如图中所示）。填料函式换热器上图为填料函式双管程双壳程换热器， 填料函式换热器的换热管束可以自由滑动， 壳侧介质 靠填料密封。对于一些壳体与管束温差较大， 腐蚀严重而需经常更换管束的换热器， 可采用 填料函式换热器。它具有浮头换热器的优点， 又克服了固定管板式换热器的缺

4、点， 结构简单, 制造方便，易于检修清洗。填料函式换热器的缺点： 使用直径小；不适于高温、高压条件下；壳程介质不适于易挥发、 易燃、易爆、有毒等介质方形壳体翅片管换热器：铝或铜材等。翅片的翅高、翅距和翅片厚度可根据实际工况而定。这种形式的换热器因为采用了翅片管，可大大强化传热面积，所以特别适用于给热系数较 低的流体。壳程流通面积可设计较大，流动阻力较小，所以对于压力较低和对压力降要求较 小的流体特别适用。在实际生产中，常常用这种换热器来加热或冷却低压空气。其缺点：因为壳体为方箱形， 虽然管程可承受高压介质， 但壳程只能承受较低压力的介质。 这种换热器的金属消耗量大，制造成本较高。在实际生产装置

5、中，为提高壳程的耐压能力， 往往将壳体做成圆形， 而管束采用方形布管。 结构可参见下面附图我制气却视换管方的为计空 冷剖该 的用列 图设的间的。器采排 左厂造段器图热束形度。壳压壳圆直 长,7m高承，用 束3提的力采形 管为为体能体筒*d ftv- -1 -*”r:一wtH-径 900mm 。换热管为紫铜整体轧制翅片管，翅片外径 36mm ，翅片根径为 20mm ，换热管内径 16mm ， 翅片间距 2.5mm ，翅片厚度为 0.5mm ，换热总面积为 440m 2。空气条件：流量： 30000Nm3/h温度： 100-40 oC工作压力： 0.1MPa压降 :150mm 水柱总热负荷 :59

6、7000kcal/h 管壳式换热器主要由换热管束、壳体、管箱、分程隔板、支座等组成。换热管束包括换 热管、管板、折流板、支持板、拉杆、定距管等。换热管可为普通光管，也可为带翅片的翅 片管，翅片管有单金属整体轧制翅片管、双金属轧制翅片管、绕片式翅片管、叠片式翅片管 等，材料有碳钢、低合金钢、不锈钢、铜材、铝材、钛材等。壳体一般为圆筒形，也可为方 形。 管箱有椭圆封头管箱、 球形封头管箱和平盖管箱等。 分程隔板可将管程及壳程介质分成 多程，以满足工艺需要。管壳式换热器在结构设计时， 必须考虑许多因素， 例如传热条件、 材料、 介质压力、 温度、 管壳程壁温温差、 介质结垢情况、 流体性质以及检修和

7、清洗条件等等， 从而确定一种适合的 结构形式。对于同一种形式的换热器，由于各种不同工况，往往采用的结构并不相同。在工 程设计中，应按其特定的条件进行分析设计，以满足工艺需要。换热面积的计算 在管壳式换热器的设计中，确定了一种换热器的结构形式后，首先必须 确 定 的 一 个 重 要 因 素 是 有 效 换 热 面 积 ，换 热 面 积 的 多 少 决 定 了 换 热 器 的 大 小 。 如果换热面积太小，使工艺过程不能实现，使换热器介质出口温度不能得到 有效控制。如果换热面积太大，不仅造成材料的浪费，增加投资，而且增大 了换热器的体积，使其占据过多的空间。计算换热面积的一个重要参数是总传热系数，

8、它 包括冷热介质的给热系数、 介质的污垢系数和金属壁的传热系数。其中计算较为复杂的是介质的给热系 数。介质的给热系数不仅与介质的物性有关，而且与介质的流动状态有关。 介质的流动状态是由换热器的结构决定的，如果换热器的结构作很小改动， 将引起介质流动状态作较大的变化。在一个换热器中，同一种介质的温度是 不断变化的，所以在换热器中的不同位置，同一种介质的热力学数据因温度 的不同而不同。在实际计算中，往往将一种介质分成许多个温度区域，在不 同 的 温 度 区 域 ，对 介 质 的 热 力 学 数 据 作 相 应 的 计 算 。在 换 热 器 的 设 计 过 程 中 ， 换热面积的确定是最为关键的一步

9、，它不仅需要计算方法正确严密，而且各 种参数必须十分精确。换热器的分析计算过程是一个动态的计算过程，往往须不断地调整换热器 的结构参数。而管壳式换热器的结构参数很多，其中一项的改变将会使计算 结果产生很大变化，所以需要不断的反复，不仅要使换热面积满足需要，而 且还应兼顾到其它许多因素，例如介质阻力情况等等。流体阻力的计算在管壳式换热器的分析设计中，流体的阻力计算是极为重要的，流体的 阻力对于工艺过程是较为关键的参数，它不仅影响到整个系统的压力平衡， 而且对于节能降耗也起到重要的作用。在实际生产中，常常由于流体阻力不 适而使工艺过程难以实现。在管壳式换热器中，流体的阻力包括壳程流体的 阻力及管程

10、流体的阻力。壳程流体阻力包括介质进口管、出口管、换热管间、折流板缺口等处阻力。 介质进出口管阻力可以通过改变进出口管的大小来进行调节。换热管间的介 质阻力可以通过改变换热管间的介质流通面积来进行调节，例如改变换热管 的布管形式，改变壳体直径，改变折流板间距等。折流板缺口处的介质阻力 可以通过改变折流板缺口高度来进行调节。管程流体的阻力包括介质进出口管、换热管内、管箱等处阻力。介质进出 口管阻力可以通过改变进出口管的大小来进行调节。换热管内的介质阻力可 以通过改变换热管的数量，换热管的长度，换热管的直径以及管程数等来进 行调节。管箱处的介质阻力可以通过改变管箱处的介质流通面积来进行调节。换热器中

11、流体的阻力计算，应 分别计算出换热器内部各处的流体阻力。只 有掌握了介质阻力的分布情况，才能够通过有效调整换热器各处的结构尺寸 来改变介质的阻力，从而满足工艺要求。管束震动分析对于管壳式换热器，一个容易被忽视的问题是换热管的振 动。而换热管束的振动往往是换热管破坏的主要原因，使换热 器过早报废。引起换热管振动的因素很多，也较复杂。当介质流量接近使 换热管产生共振的临界流量时，将引起换热管束产生较大的振 动。另外换热器内部介质的局部湍流、涡流也会引起换热管振 动。换热管振动的位置较广，可以是某两个折流板间的所有换热 管同时产生振动，或只有几排换热管产生振动。也可能是在介 质进口或出口端的某些换热

12、管产生振动。总之，换热管的振动 可能发生在换热管束的任何一处或多处。换热器的管束振动分析，就是要确定换热管的振动位置以及 振动性质，了解引起换热管产生振动的原因，从而消除换热管 的振动。消除换热管振动的方法有很多，可以通过改变换热器 的结构尺寸来改变换热管束的固有频率或流体的流动状态，从 而消除换热管的振动。或者在换热管束的振动部位增加局部支 撑板，来约束换热管的振动。换热器网络分析在一个工程系统中，往往不是对单一的某台换热器进行分析，常常是对 由多个换热器组成的网络进行联合计算，其间还有一些其它设备（例如：阀 门、混合、分离等设备）。下 图为一个简单的换热器网络。对一个换热器网络 应进行综合

13、的考虑并进行系统的分析。在一个工程系统中，往往不是对单一的某台换热器进行分析，常常是对 由多个换热器组成的网络进行联合计算，其间还有一些其它设备（例如：阀 门、混合、分离等设备）。下 图为一个简单的换热器网络。对一个换热器网络 应进行综合的考虑并进行系统的分析。换热器强度计算确定了换热器的结构及尺寸以后，必须对换热器的所有受压元件进行强 度计算。因为管壳式换热器一般用于压力介质的工况，所以换热器的壳体大 多为压力容器，必须按照压力容器的标准进行计算和设计，对于钢制的换热 器，我国一般按照GB150 标准进行设计，或者美国ASME 标准进行设计。对于其它一些受压元件，例如管板、折流板等，可以按照

14、我 国的GB151 或者美国TEMA 标准进行设计。对于其它材料 的换热器，例如钛材、铜材等应按照相应的标准进行设计。下面提供一氮气冷却器的受压元件强度计算，以供参考。该换热器为U形 管式换热器，壳体直径500mm，管程设 计压力3.8MPa，壳程设计压力0.6MPa。详细强度计算如下：1.壳程筒体强度计算：氮气冷却器（U形管式换热器）筒体计算计算条件筒体简图计算压力Pc0.60MPa设计温度t100.00 C内径D500.00mmI V- 材料16MnR热轧）（板材）-1试验温度许用应力a 170.00MPa设计温度许用应力 口 t170.00MPa试验温度下屈服点as345.00MPa钢板

15、负偏差C0.00mmi腐蚀裕量C21.00mm焊接接头系数*0.85厚度及重量计算计算厚度 = = 1.04mm有效厚度6 e = 6 n - Cr C 2= 7.00mm名义厚度& n = 8.00mm重量481.06Kg压力试验时应力校核压力试验类型液压试验试验压力值Pt = 1.25 P = 0.7500MPa压力试验允许通过的应力水平石tI a t兰0.90 s = 310.50MPa试验压力下圆筒的应力gl或）cr t = 咳 =31.95MPa校核条件CT 亡 I CT T校核结果合格压力及应力计算最大允许工作压力瓯01闿Pw=曲上=3.99014MPa设计温度下计算应力盅期谱J=

16、21.73MPa校核条件 结论144.50 MPa合格2.前端管箱筒体强度计算氮气冷却器前端管箱筒体计算计算条件筒体简图计算压力Pc3.80设计温度t 内径D100.00500.00材料试验温度许用应力a mm0Cr18Ni9 （板材）137.00设计温度许用应力” 1试验温度下屈服点二S钢板负偏差C137.00205.000.800.000.85MPaCMPaMPaMPammmm计算厚度d = 雇=8.29mm有效厚度0 e = n - C1- C 2= 11.20mm名义厚度d n = 12.00mm重量75.76Kg压力试验时应力校核液压试验MPa压力试验类型 试验压力值腐蚀裕量C2 焊

17、接接头系数厚度及重量计算Pt = 1.25 P = 4.7500压力试验允许通过的应力水平I I T试验压力下圆筒的应力校核条件；I 氏0.90 - s = 184.50运 =127.53MPaMPa校核结果 合格压力及应力计算最大允许工作压力Pw=曲詁屏=5.10266MPa设计温度下计算应力毘（恥Jta = = 86.72MPa116.45MPa校核条件la 呵t结论合格3.前端管箱封头强度计算氮气冷却器前端管箱封头计算厚度及重量计算-1g $an2 +16K =形状系数计算厚度mmd =2甸許=03 聶=6 98有效厚度0 e =6 n - C1- C 2= 11.20mm最小厚度冠mi

18、n=0.75mm名义厚度6 n =12.00mm结论满足最小厚度要求重量32.23Kg=1.0000压力计算最大允许工作压力2阳颯Pw= = 6.06962MPa4.后端壳程封头强度计算氮气冷却器后端壳程封头计算计算条件椭圆封头简图计算压力Pc0.60MPa设计温度t100.00 C内径D500.00mm曲面咼度hi125.00mm-仃 1 -1 材料16MnR热轧）（板材）| bi 试验温度许用应力T170.00MPa设计温度许用应力0 七170.00MPa钢板负偏差C1 10.00mm腐蚀裕量C22.00mm焊接接头系数*1.00厚度及重量计算形状系数1 2.K =f VI以 =1.000

19、0计算厚度6 =嗣“鉀宓二0.88mm有效厚度0 e = 0 n - Ci- C 2= 6.00mm最小厚度6 min = 0.75mm名义厚度 n& n = 8.00mm结论满足最小厚度要求重量19.61Kg 1压力计算最大允许工作压力Pw =4.05567MPa结论合格5.管板强度计算氮气冷却器管板计算设计条件壳程设计压力臥0.60MPa管程设计压力以3.80MPa壳程设计温度100.00 C管程设计温度电100.00 C壳程筒体壁厚虑8.00mm管程筒体壁厚血12.00mm壳程筒体腐蚀裕量C1.00mm官程筒体腐蚀裕量c0.00mm换热器公称直径-a500.00mm换热管使用场合一般场合

20、管板与法二或圆筒连接方式（a b c d 型）a型换热管与管板连接方式（胀接或焊接）二焊接材料（名称及类型）0Cr18Ni9名义厚度西70.00mm管强度削弱系数0.40刚度削弱系数磅0.40材料泊松比I0.30隔板槽面积曲210.002mm换热管与管板胀接长度或焊脚高度l3.50mm设计温度下管板材料弹性模量耳191000.00MPa设计温度下管板材料许用应力述137.00MPa许用拉脱力间68.50MPa壳程侧结构槽深hi 二0.00mm板管程侧隔板槽深h24.00mm壳程腐蚀裕量0.00mm管程腐蚀裕量&0.00mm材料名称0Cr18Ni9换管子外径d19.00mm热管子壁厚朋2.00m

21、m管UJ型管根数n138根换热管中心距S25.00mm设计温度下换热管材料许用应力137.00MPa垫片外径DO垫垫片材料 压紧面形式软垫片1a 或 1b垫片厚度6 g参数计算其他旋转刚度无量管板布管区面 积三角形排 列an g 4s i 鼻 t dn 久k正方形排列屈$ 25 卜捕丄一根换热管管 壁金属横截面积曲卫 二 106.812 mm管板开孔前抗弯刚度b c d型F_ _).00N m管板布管区当量直径二产小舀J I436.43mma型Jf = / 2 =其他系数0.80系数为按兀/ 0和陰/。查图得： =0.000000系数施按M也和摂於查图得：紳=0.000000a d型rr =

22、0b c型討 12司兀可兀!廊囂3 j0.00a ,c型用=0b ,d型丄k蛊占富 一V丄M駁一 QJB | -0.00a型 0f W000S零岳-I0.00刚系数1系数0.2696按忙和 匚住就 0.0000；=0.0713管板厚度或管板应力计算a管板计 算厚度U4 滋取岀1、1取大值61.345mm型管板名 义厚度虬二国+q -g66.000mm管板中 心处径向应力=0MPaF,=0欧咕戌-|(乡)MPabcd布管区周边处径向应 力算=0必匸阳二乡1話-耳(1rMPa型耳“aF,=0堆代-岛l|MPa边缘处 径向应力算=0妊爲=2岛1E -與JMPaF,=0%心=$岛1E -耳MPa管板应

23、力校核单位：MPa G r| r=0 =啜坝戊工况 r r=Rt =cjrr=R =必厨；d r r=0 = Ml型王工况 G r r=Rt = M 乩 y r r=R =灿以换热管轴向应力计算及校核 丸：MPa （单位）计算工况计算公式计算结果校核只有壳程设计压力J管程设计压力 =0 : -1.59 耐合格只有管程设计压力J壳程设计压力 =0 : 6.29 小；合格壳程设计压力，管程设计压力幣同时作用： 4.69 小；合格换热管与管板连接拉脱力校核拉脱力q3.21 qMPa校核合格重量64.89Kg6.管程设备法兰强度计算氮气冷却器管箱法兰强度计算设计条件螺栓受力计算预紧状态下需要的最小螺栓

24、载 Wa= n bDG y = 169119.0 荷WaWp = Fp + F = 1127044.1操作状态下需要的最小螺栓载荷Wp所需螺栓总截面积AmAm = max (Ap ,Aa ) = 5963.2mm2实际使用螺栓总截面积 Abmm2FD = 0.785 打 pcAb =内=8117.5力矩计算LD= L A+ 0.5 S 1mmMD= FD LDN.m=44.5=33185876.0=745750.0作FG = Fp=233573.5NLG=0.5 ( Db - DG)=33.9mmMG= FG LG=7928625.5N.mmMpFT = F-FD=147150.2NLT=0.

25、5(LA + d 1 +LG )=45.7mmMT= FT LT=6728066.0N.mm外压：Mp = FD (LD - LG )+FT(LT丄G ); 内压：Mp = MD+MG+MT Mp47842568.0N.mm预 紧MaW = 1492550.6NLG = 33.9mmMa=W LG =50664460.0N.mm计算力矩Mo= Mp与加成推中大者Mo=50664460.0N.mm螺栓间距校核实际间距2.辺3pi = 80.5mm最小间距 .=56.0 (查 GB150-98表 9-3)mm最大间距J, r158.4mm形状常数确定89.44h/ho = 0.4 K = Do/D

26、I = 1.320列伦=1.6由K查表9-5得T=1.789Z =3.694Y =7.145U=7.851整体法兰查图9-3和图9-4FI=0.85944VI=0.314150.00961松式法兰查图9-5和图9-6FL=0.00000VL=0.000003 毘拥0.00000查图9-7由齢悶得f = 1.06578整体坨 法572246.8u .1血-丁礬: 松式 堆法兰=0.0占0.2=S f e+1 =1.44g = y /T = =0.811.59几寿=0.98剪应力校核 计算值 许用值结论预紧状态0.00MPa4o电升操作状态if0.00MPa况Y输入法兰厚度S f = 46.0 mm时，法兰应力校核应力性质计算值许用值结论轴向应力西158.57MPa啊則=205.5或歳呦=342.5（按整体法 兰设计的任意式法兰， 取何）校核合格径向应力够細77.96