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1、换热器设计思路及相关知识一 、前言换热器分类：管壳式换热热器根据据结构特特点可分分为下列列两类。1.刚性结结构的管管壳式换换热器：这种换换热器又又成为固固定管板板式，通通常可分分为单管管程和多多管程两两种。它它的优点点是结构构简单紧紧凑、造造价便宜宜和应用用较广；缺点是是管外不不能进行行机械清清洗。2.具有温温差补偿偿装置的的管壳式式换热器器：它可可使受热热部分自自由膨胀胀。该结结构形式式又可分分成： 浮头式式换热器器：这种种换热器器的一端端管板能能自由伸伸缩，即即所谓“浮头”。他适适用于管管壁和壳壳壁温差差大，管管束空间间经常清清洗。但但它的结结构较复复杂，加加工制造造的费用用较高。 U形管
2、管式换热热器：它它只有一一块管板板，因此此管子在在受热或或冷却时时，可以以自由伸伸缩。这这种换热热器的结结构简单单，但制制造弯管管的工作作量较大大，且由由于管子子需要有有一定的的弯曲半半径，管管板的利利用率较较差，管管内进行行机械清清洗困难难，拆换换管子也也不容易易，因此此要求通通过管内内的流体体是清洁洁的。这这种换热热器可用用于温差差变化大大，高温温或高压压的场合合。 填料函函式换热热器：它它有两种种形式，一一种是在在管板上上的每根根管子的的端部都都有单独独的填料料密封，以以保证管管子的自自由伸缩缩，当换换热器内内的管子子数目很很少时，才才采用这这种结构构，但管管距比一一般换热热器要大大，结
3、构构复杂。另另一种形形式是在在列管的的一端与与外壳做做成浮动动结构，在在浮动处处采用整整体填料料函密封封，结构构较简单单，但此此种结构构不易用用在直径径大、压压力高的的情况。填填料函式式换热器器现在很很少采用用。二、设计条条件的审审查：1. 换热热器的设设计，用用户应提提供一下下设计条条件（工工艺参数数）： 管、壳壳程的操操作压力力（作为为判定设设备是否否上类的的条件之之一，必必须提供供）管、壳程程的操作作温度（进进口/出出口）金属壁温温（工艺艺计算得得出（用用户提供供）物料名称称及特性性腐蚀裕量量 程数换热面积积换热管规规格，排排列形式式（三角角形或正正方形）折流板或或支撑板板数量保温材料料
4、及厚度度（以便便确定铭铭牌座伸伸出高度度）油漆:.如用用户有特特殊要求求，请用用户提供供牌号，颜颜色.用户无无特殊要要求，设设计人员员自己选选定2. 几个个重点设设计条件件操作压力力：作为为判定设设备是否否上类 的条件件之一，必必须提供供物料特性性：如用用户不提提供物料料名称则则必须提提供物料料的毒性性程度。因为介质的的毒性程程度关系系到设备备的无损损监测、热热处理、锻锻件的级级别对于上类设设备，还还关系到到设备的的划分a. GGB1550 100.8.2.11(f)图样注注明盛装装毒性极极度危害害或高度度危害介介质的容器1000%RTT.b. 100.4.1.33 图图样注明明盛装毒毒性为极
5、极度或高高度危害害介质的的容器，应应进行焊焊后热处处理（奥奥氏体不不锈钢的的焊接接接头可不不进行热热处理）c.锻件. 使用用介质的的毒性为为极度或或高度危危害性的的锻件应应符合级或级要求求。管规格：常用的 碳碳钢 192，252.55，323， 385不锈钢1192，252， 322.55，382.55换热管的排排列形式式：三角角形，转转角三角角形，正正方形，转转角正方方形。 换热管管间需要要机械清清洗时，应应采用正正方形排排列。三、基本设设计参数数的确定定1设计压压力，设设计温度度，焊接接接头系系数2直径：DN4000的圆筒筒，采用用钢管。DN4000的圆圆筒，采采用钢板板卷制。16”钢管管
6、-与用户户商量采采用钢板板卷制。3布置图图：根据换热面面积、换换热管规规格画布布置图，确确定换热热管数量量。如果用户提提供了布布管图，也也要复核核布管是是否在布布管限定定圆以内内。 布管的原则则： 在布管限定定圆内应应布满管管。 多管程的各各管程数数应尽量量相等。 换热管应对对称排列列。4材料强调以下两两点：换热器圆圆筒的碳碳素钢、低低合金钢钢钢管应应采用无无缝钢管管。符合GB1150-19998附录录A4.2的奥奥氏体不不锈钢焊焊接钢管管，可用用做换热热器圆筒筒。其使用范围围有一些些限制：a.焊接钢钢管应采采用不添添加填充充金属的的自动电电弧焊或或电阻焊焊焊接方方法制造造。b.技术要要求符合
7、合A4.2.11：壁厚厚允许偏偏差为12.5%，弯弯曲度不不大于11.5/m,逐根进进行涡流流或射线线检测，逐逐根进行行水压实实验。c,使用规规定按 A4.2.22； 设计压压力不大大于6.4Mppa; 壁厚不不大于88； 不得用用于毒性性程度为为极度危危害的介介质； 许用应应力为相相应钢号号无缝钢钢管的许许用应力力乘以00.855的焊接接接头系系数。管板本身身具有凸凸肩并与与圆筒（或或封头）连连接时，应应采用锻锻件。由由于采用用此种结结构的管管板一般般都用于于压力较较高、易易燃、易易爆、以以及毒性性程度为为极度、高高度危害害的场合合，对管管板要求求较高，管管板也较较厚。为为避免凸凸肩处产产生
8、加渣渣、分层层、及改改善凸肩肩处纤维维受力的的状况，减减少加工工量，节节约材料料，采用用凸肩与与管板直直接锻造造出来的的整体锻锻件来制制造管板板5换热器器与管板板的连接接方式管子于管板板的连接接，在管管壳式换换热器的的设计中中是一个个比较重重要的结结构部分分。他不不仅加工工工作量量大，而而且必须须使每一一个连接接处在设设备运作作中，保保证介质质无泄漏漏及承受受介质压压力能力力。管子与管板板的连接接方式主主要有以以下三种种：a胀胀接；bb焊接；c胀焊焊接胀接用于管管壳之间间介质渗渗漏不会会引起不不良后果果的情况况，特别别适用于于材料可可焊性差差（如碳碳钢换热热管）及及制造厂厂的工作作量过大大的情
9、况况。由于于胀接管管端处在在焊接时时产生塑塑性变形形，存在在着残余余应力，随随着温度度的升高高，残余余应力逐逐渐消失失，这样样使管端端处降低低密封和和结合力力的作用用，所以以胀接结结构受到到压力和和温度的的限制，一一般适用用于设计计压力4Mppa，设设计温度度3000度，并并且在操操作中无无剧烈地地震动，无无过大的的温度变变化及无无明显的的应力腐腐蚀；焊焊接连接接具有生生产简单单、效率率高、连连接可靠靠的优点点。通过过焊接，使使管子对对管板有有较好的的增将作作用；并并且还有有可降低低管孔加加工要求求，节约约加工工工时，检检修方便便等优点点，故应应优先采采用。此此外，当当介质毒毒性很大大，介质质
10、和大气气混合易易发生爆爆炸介质质有放射射性或管管内外物物料混合合会产生生不良影影响时，为为确保接接头密封封，也常常采用焊焊接法。焊焊接法虽虽然优点点甚多，因因为他并并不能完完全避免免“缝隙腐腐蚀”和焊接接节点的的应力腐腐蚀，而而且薄管管壁和厚厚管板之之间也很很难得到到可靠的的焊缝。焊焊接法虽虽然较胀胀接可以以乃更高高的温度度，但是是在高温温循环应应力的作作用下，焊焊口极易易发生疲疲劳裂纹纹，列管管与管孔孔存在间间隙，当当受到腐腐蚀介质质的侵蚀蚀时，以以会加速速接头的的损坏。因因此，就就产生了了焊接和和胀接同同时使用用的方法法。这样样不但能能提高接接头的抗抗疲劳性性能，同同时可以以降低缝缝隙腐蚀
11、蚀倾向，因因而其使使用寿命命比单用用焊接时时长的多多。在什什么场合合下适宜宜施行焊焊、胀接接并用的的方法，目目前尚无无统一标标准。通通常在温温度不太太高而压压力很高高或介质质极易渗渗漏时，采采用强度度胀加密密封焊（密密封焊是是指单纯纯防止渗渗漏而施施行的焊焊接，并并不保证证强度）。当当在压力力和温度度都很高高的情况况下，则则采用强强度焊加加贴胀，（强强度焊是是即使焊焊缝有严严密性，又又能保证证接头具具有较大大的拉脱脱力，通通常是指指焊缝强强度等于于管子轴轴向负荷荷下的强强度时的的焊接）。贴贴胀的作作用主要要是消除除缝隙腐腐蚀和提提高焊缝缝的抗疲疲劳性能能。具体的结结构尺寸寸标准中中（GBB31
12、551-119999.5.8条）已已有规定定，在此此不再详详述。 对于管孔表表面粗糙糙度的要要求：a当换热管管与管板板焊接连连接时，管管的表面面粗糙度度Ra值值不大于于35uuMb单换热管管与管板板胀接联联接时，管管孔表面面粗糙度度Ra值值不大于于12.5uMM胀接连连接时，管管孔表面面不应有有影响胀胀接紧密密性的缺缺陷，如如贯通的的纵向或或螺旋状状刻痕等等四、设计计计算1 壳体壁厚计计算包括管箱短短节、封封头、壳壳程筒体体的壁厚厚计算管、壳程筒筒体壁厚厚应满足足GB1151中中最小壁壁厚的规规定，对对于碳素素钢和低低合金钢钢最小壁壁厚是按按腐蚀裕裕量C22=1mmm考虑虑的，对对于C22大于
13、11mm的的情况，壳壳体的最最小壁厚厚应相应应增加。2 开孔补强计计算对于壳体采采用钢管管制的，建建议采用用整体补补强（增增加筒体体壁厚或或采用厚厚壁管）；对于比比较厚的的管箱上上开大孔孔考虑综综合经济济性不另行补强强应满足足的几点点要求：设计压力力2.55Mpaa相邻两孔孔中心距距应不小小于两孔孔直径之之和的两两倍接管公称称直径89mmm接管最小小壁厚应应表8-1的要要求（接接管腐蚀蚀裕量为为1mmm）3 法兰设备法兰采采用标准准法兰时时应注意意法兰与与垫片、紧紧固件的的匹配，否否则应对对法兰进进行计算算。比如如甲型平平焊法兰兰在标准准中与其其匹配的的垫片为为非金属属软垫片片；当采采用缠绕绕
14、垫片应应对法兰兰重新计计算4 管板需注意以下下几个问问题：管板的设设计温度度：根据据GB1150-19998的33.4.6及GGB1551-119988的3.112.11规定,应取不不低于元元件的金金属温度度,但在在管板计计算中无无法保证证管壳壳程介质质作用,且管板板的金属属温度很很难计算算,故一一般取较较高侧的的设计温温度为管管板的设设计温度度(GBB1511标准释释义P555)多管程换换热器：在布管管区范围围内，因因设置隔隔板槽和和拉杆结结构的需需要而未未能被换换热器支支承的面面积Add：对于正三角角形、正正方形排排列：按按GB1151-19999 PP28公公式计算算对于转角三三角形：按
15、压压力容器器工程师师设计指指南PP3700公式计计算Add=1.73 2S(Sn-0.55S)对于转角正正方形：按GBB1511-19999标标准释义义P555例题中中公式计计算Add=S（Snn-S）式中：S换热热器管中中心距mmmSn隔隔板槽两两侧相邻邻管中心心距mmm沿隔板板槽两侧侧的排管管数管板的有有效厚度度管板的有效效厚度系系指管程程分程隔隔板槽底底部的管管板厚度度减去下下列二者者之和a管程腐蚀蚀裕量超超出管程程隔板槽槽深度的的部分b壳程腐蚀蚀裕量与与管板在在壳程侧侧的结构构开槽深深度二者者中的最最大植5 膨胀节的设设置在固定管板板换热器器中，由由于管程程内流体体与管程程流体之之间具
16、有有温差，而而换热器器和壳体体与管版版固定连连接，这这样在使使用状态态时，壳壳体与管管子之间间有膨胀胀差存在在，壳体体和管子子受到轴轴向载荷荷。为了了避免壳壳体和换换热器破破坏、换换热器失失稳、换换热管从从管板上上拉脱，就就应设置置膨胀节节，以降降低壳体体和换热热器的轴轴向载荷荷一般在壳体体和换热热器壁温温差较大大时，需需考虑设设置膨胀胀节，在在管板计计算中，按按有温差差的各种种共况计计算出、q ，其中中有一个个不合格格时，就就需增加加膨胀节节换热管管轴向应应力 壳程圆圆筒轴向向应力q换热热管与管管板连接接的拉脱脱力五、结构设设计1管箱（1）管箱箱的长度度a最小内侧侧深度向开孔孔的单管管程管箱
17、箱，开口口中心处处的最小小深度应应不小于于接管内内直径的的1/33管程的内内外侧深深度应保保证两程程之间的的最小流流通面积积不小于于每程换换热管流流通面积积的1.3倍b最大内侧侧深度考虑内件焊焊接和清清理是否否方便，尤尤其对于于公称直直径较小小的多管管程换热热器。具具体可参参照钢钢制列管管式固定定管板换换热器结结构设计计手册一一书（2）分程程隔板隔板的厚度度和布置置按GBB1511表6和和图155，对于于厚度大大于100mm的的分程隔隔板，密密封面应应削边至至10mmm；对对于列管管式换热热器，隔隔板上应应设置泪泪孔（排排净孔），排排净孔的的直径一一般为66mm2。壳体及及管束管束级别别、级管
18、管束，仅仅仅针对对碳钢、低低合金钢钢换热管管国内标标准中还还存在着着“较高级级”和“普通级级”制订的的。一旦旦国内换换热管能能够采用用“较高级级”钢管时时，碳钢钢、低合合金钢换换热管束束无需再再分级和级、管束束的区别别主要在在于换热热管的外外径、壁壁厚偏差差不同，相相应地管管孔尺寸寸和偏差差不同级管束的的精度要要求高一一些，对对于不锈锈钢换热热管，只只有级管束束；对于于常用的的碳钢换换热管管板 a管孔孔尺寸偏偏差注意、级管束束的区别别b分程隔板板槽槽深一般般不小于于4mmm分程隔板板槽宽：碳钢112mmm；不锈锈钢111mm分程隔板板槽拐角角处的倒倒角一般般为455度，倒倒角宽度度b近似似等于
19、分分程垫片片的圆角角半径RR。折流板a管孔尺寸寸：按管管束级别别区分b弓形折流流板的缺缺口高度度 缺口高高度应使使流体通通过缺口口时与横横过管束束的流速速相近，缺缺口眩高高一般取取0.2200.445倍的的圆角内内直径，缺缺口一般般切在管管排中心心线以下下或切于于两排管管孔的小小桥之间间(便于于穿管方方便)。C缺口方位位单向清洁流流体，缺缺口上下下布置；气体中含少少量的液液体，缺缺口朝上上的折流流板的最最低处开开通液口口；液体中含少少量气体体，缺口口朝下的的折流板板的最高高处开通通气口气液共存或或液体中中含有固固体物料料时，缺缺口左右右布置，并并在最低低处开通通液口d折流板的的最少厚厚度；最最
20、大无支支撑跨距距e管束两端端的折流流板尽可可能靠近近壳程进进出、口口接管拉杆a拉拉杆的直直径和数数量 直径和和数量按按表433，444选用，在在保证大大于或等等于表444所给给定的拉拉杆截面面积的前前提下，拉拉杆的直直径和数数量可以以变动，但但其直径径不得小小于100mm，数数量不小小于4根根 b拉杆杆应尽量量均匀布布置在管管束的外外边缘，对对于大直直径的换换热器，在在布管区区或靠近近折流板板缺口处处应布置置适当数数量的拉拉杆，任任何折流流板应不不小于33个支撑撑点 c拉杆杆螺母，有有的用户户要求下下面一个个螺母与与折流板板电焊防冲板 a防冲冲板的设设置是为为了减少少流体的的不均匀匀分布和和对
21、换热热管端的的冲蚀bb防冲板板的固定定方式 尽尽可能固固定在定定距管上上或靠近近管板的的第一块块折流板板，当壳壳程进口口位于非非固定拉拉杆的管管板的一一侧时，防防冲板可可焊在筒筒体上膨胀节的的设置 a位于于两侧折折流板之之间 为了减少少膨胀节节的流体体阻力，必必要时可可在膨胀胀节内侧侧设置一一个衬筒筒，衬筒筒应在顺顺流体流流动方向向上与壳壳体焊接接，对于于立式换换热器，当当流体流流动方向向朝上时时，应在在衬筒下下端设置置排液孔孔b膨胀节的的保护装装置，防防止设备备在运输输过程中中或使用用中拉坏坏管板与壳壳体的连连接 a延长长部分兼兼作法兰兰 b不带带法兰的的管板（GGB1551附录录G）3 管
22、法兰： 设计温度度大于等等于3000度，应应采用对对接法兰兰。对于不能能利用接接管式接接口进行行放弃和和排泄的的换热器器，应在在管、壳壳程最高高点设置置放气口口、最低低点设置置排液口口，其最最小公称称直径为为20mmm。立式换热热器可设设置溢流流口4支座：按GBB1511种5.20条条的规定定5.其他附附件吊耳质量大于330Kgg的官箱箱及管箱箱盖宜设设置吊耳耳顶丝为了便于拆拆卸管箱箱、管箱箱盖，应应在官板板、管箱箱盖上设设置顶丝丝五、制造、检检验的要要求1管板 拼接管板的的对接接接头进行行1000%射线线检验或或UT,合格级级别：RRT：级UTT:级 出不锈钢外外，拼接接的管板板消除应应力热
23、处处理 管板孔桥宽宽度偏差差:按公公式进行行计算孔孔桥宽度度：B=(S-d)-D1孔桥最小宽宽度：BB=1/2(SS-d)+C2管箱热热处理：碳钢、低合合金钢制制的焊有有分程隔隔板的管管箱，以以及管箱箱的侧向向开孔超超过1/3圆筒筒内直径径的管箱箱，在施施焊后作作消除应应力热处处理，法法兰及隔隔板密封封面应在在热处理理后加工工。3压力试试验当壳程设计计压力低低于管程程压力时时，为了了检查换换热管与与管板连连接的质质量好坏坏将壳程压压力提高高到与管管程试验验压力一一致进行行水压试试验，来来检查管管接头是是否泄漏漏。（单单需保证证水压实实验时壳壳体的一一次薄膜膜应力0.99上述方法法不合适适时，可可对壳体体按原来来的压力力进行水水压试验验合格后后，再对对壳体进进行氨渗渗漏试验验或卤素素检漏试试验。六、图面上上应注意意的一些些问题1.注明管管束级别别2.换热管管应写明明标注号号3.管板布布管轮廓廓线外设设为封闭闭的粗实实线4.装配图图中应标标出折流流板缺口口方位5.标准膨膨胀节排排液孔,排气孔孔上的管管接头、管管塞是否否要出图图