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  1、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，大致上可以分为：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。其结构相对比较简单，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，故在工程中大范围的应用。 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，当温差应力很大时

  2、，可设为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，管束与壳体之间不可能会产生温差应力。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。这种形式的换热器非常适合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理洗涤的工况。 浮头式换热器的缺点是结构较为复杂，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，管子两端固定在同一块管板

  3、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形管式换热器通常用于高温度高压力情况下，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点，结构相对比较简单，制造方便，易于检修清洗。 填料函

  4、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： 方形壳体翅片管换热器的壳体为方箱形(如上图所示)，其换热管为带翅片的翅片管。换热管可为单排或多排换热管。翅片材料可采用碳钢、不锈钢、铝或铜材等。翅片的翅高、翅距和翅片厚度可结合实际工况而定。 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，所以非常适合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

  5、能承受较低压力的介质。这种换热器的金属消耗量大，制造成本比较高。 在实际生产装置中，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左图为我厂设计制造的空气段间冷却器的剖视图。该换热器的管束采用方形排列的翅片管，管束长度为3.7m。为提高壳体的承压能力，壳体采用圆筒形，直径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440m2。 空气条件： 流量：30000Nm3/h 温度：100-40C 工作所承受的压力：0.1MPa 压降:150mm水柱 总热负荷:59700

  6、0kcal/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，一定要考虑许多因素，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清洗条件等等，从而确定一种适合的结构形

  7、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，应按其特定的条件做多元化的分析设计，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及形式后，首先必须确定的一个主要的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一定效果控制。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，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

  8、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一直在变化的，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，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

  9、很大变化，所以要不断的反复，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，流体的阻力计算是很重要的，流体的阻力对于工艺过程是较为关键的参数，它不仅影响到总系统的压力平衡，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。介质进出口管阻力能够最终靠改变进出口管的大小来进行调节。换热管间的介质阻力能够最终靠改变换热管间的介质流通面积来进行调节，例如改变换热

  10、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能够最终靠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。介质进出口管阻力能够最终靠改变进出口管的大小来进行调节。换热管内的介质阻力能够最终靠改变换热管的数量，换热管的长度，换热管的直径以及管程数等来进行调节。管箱处的介质阻力能够最终靠改变管箱处的介质流通面积来进行调节。 换热器中流体的阻力计算，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，才可以通过有效调整换热器各处的结构尺寸来改变介质的阻力，从而满足工艺技术要求。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

  11、振动。而换热管束的振动往往是换热管破坏的根本原因，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管产生振动。总之，换热管的振动有几率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和振动性质，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，能够最终靠改变换热器的结构

  12、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做多元化的分析，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做综合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做多元化的分析，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做综合的考虑并进行系统的分析

  13、。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。因为管壳式换热器通常用于压力介质的工况，所以换热器的壳体大多为能承受压力的容器，一定要按照能承受压力的容器的标准做计算和设计，对于钢制的换热器，我们国家一般按照GB150标准做设计，或者美国ASME标准做设计。对于其它一些受压元件，例如管板、折流板等，可根据我国的GB151或者美国TEMA标准做设计。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做设计。 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

  20、换热器公称直径500.00mm换热管使用场合一般场合管板与法兰或圆筒连接方式 ( a b c d 型 )a型换热管与管板连接方式 ( 胀接或焊接 )焊接材料(名称及类型)0Cr18Ni9名义厚度70.00mm管强度削弱系数 0.40刚度削弱系数 0.40材料泊松比 0.30隔板槽面积 210.00mm2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191000.00MPa设计温度下管板材料许用应力137.00MPa许用拉脱力 68.50MPa壳程侧结构槽深 h10.00mm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0Cr

  29、= 118.27MPa= 137.0校核合格法兰校核结果校核合格7接管开孔补强计算氮气冷却器开孔补强计算接 管: a, 21916计 算 方 法 : GB150-1998 等 面 积 补 强 法, 单 孔设 计 条 件简 图计算压力 pc3.8MPa设计温度100壳体型式圆形筒体壳体材料名称及类型0Cr18Ni9板材壳体开孔处焊接接头系数0.85壳体内直径 Di500mm壳体开孔处名义厚度n12mm壳体厚度负偏差 C10.8mm壳体腐蚀裕量 C20mm壳体材料许用应力t137MPa接管实际外伸长度100mm接管实际内伸长度0mm接管材料0Cr18Ni9接管焊接接头系数1名称及类型管材接管腐蚀裕

  30、量0mm补强圈材料名称补强圈外径mm补强圈厚度mm接管厚度负偏差 C1t2mm补强圈厚度负偏差 C1rmm接管材料许用应力t137MPa补强圈许用应力tMPa开 孔 补 强 计 算壳体计算厚度8.293mm接管计算厚度t2.63mm补强圈强度削弱系数 frr0接管材料强度削弱系数 fr1开孔直径 d191mm补强区有效宽度 B382mm接管有效外伸长度 h155.28mm接管有效内伸长度 h20mm开孔削弱所需的补强面积A1584mm2壳体多余金属面积 A1555.2mm2接管多余金属面积 A21257mm2补强区内的焊缝面积 A364mm2A1+A2+A3=1876 mm2 ，大于A，不需另

  31、加补强。补强圈面积 A4mm2A-(A1+A2+A3)mm2结论: 补强满足要求,不需另加补强。氮气冷却器开孔补强计算接 管: b, 1086计 算 方 法 : GB150-1998 等 面 积 补 强 法, 单 孔设 计 条 件简 图计算压力 pc0.6MPa设计温度100壳体型式圆形筒体壳体材料名称及类型16MnR(热轧)板材壳体开孔处焊接接头系数0.85壳体内直径 Di500mm壳体开孔处名义厚度n8mm壳体厚度负偏差 C10mm壳体腐蚀裕量 C21mm壳体材料许用应力t170MPa接管实际外伸长度100mm接管实际内伸长度0mm接管材料20(GB8163)接管焊接接头系数1名称及类型管

  32、材接管腐蚀裕量2mm补强圈材料名称补强圈外径mm补强圈厚度mm接管厚度负偏差 C1t0.75mm补强圈厚度负偏差 C1rmm接管材料许用应力t130MPa补强圈许用应力tMPa开 孔 补 强 计 算壳体计算厚度1.04mm接管计算厚度t0.222mm补强圈强度削弱系数 frr0接管材料强度削弱系数 fr0.765开孔直径 d101.5mm补强区有效宽度 B203mm接管有效外伸长度 h124.68mm接管有效内伸长度 h20mm开孔削弱所需的补强面积A107.2mm2壳体多余金属面积 A1595.8mm2接管多余金属面积 A2114.3mm2补强区内的焊缝面积 A336mm2A1+A2+A3=

  33、746.1 mm2 ，大于A，不需另加补强。补强圈面积 A4mm2A-(A1+A2+A3)mm2结论: 补强满足要求,不需另加补强。氮气冷却器开孔补强计算接 管: c, 895计 算 方 法 : GB150-1998 等 面 积 补 强 法, 单 孔设 计 条 件简 图计算压力 pc0.6MPa设计温度100壳体型式圆形筒体壳体材料名称及类型16MnR(热轧)板材壳体开孔处焊接接头系数0.85壳体内直径 Di500mm壳体开孔处名义厚度n8mm壳体厚度负偏差 C10mm壳体腐蚀裕量 C21mm壳体材料许用应力t170MPa接管实际外伸长度100mm接管实际内伸长度0mm接管材料20(GB816

  34、3)接管焊接接头系数1名称及类型管材接管腐蚀裕量2mm补强圈材料名称补强圈外径mm补强圈厚度mm接管厚度负偏差 C1t0.625mm补强圈厚度负偏差 C1rmm接管材料许用应力t130MPa补强圈许用应力tMPa开 孔 补 强 计 算壳体计算厚度1.04mm接管计算厚度t0.183mm补强圈强度削弱系数 frr0接管材料强度削弱系数 fr0.765开孔直径 d84.25mm补强区有效宽度 B168.5mm接管有效外伸长度 h120.52mm接管有效内伸长度 h20mm开孔削弱所需的补强面积A88.8mm2壳体多余金属面积 A1495.5mm2接管多余金属面积 A268.82mm2补强区内的焊缝

  35、面积 A325mm2A1+A2+A3=589.3 mm2 ，大于A，不需另加补强。补强圈面积 A4mm2A-(A1+A2+A3)mm2结论: 补强满足要求,不需另加补强。换热器分析实例这里我们为大家提供了一个实例，甲烷化炉进出口换热器。其管程介质为脱碳气，温度由70C升高到315.6C。壳程介质为甲烷化气，温度由346.4C降低到89.5C。这台换热器计算较为复杂，介质温度梯度较大；管壳程介质组分较多(这中间还包括氮气、氢气、甲烷、氩气、一氧化碳、水共六种组分)；换热管较长，长度为12.5米；折流板数量较多，其数量为32块；换热管数目较多，其数目共为1787根。这台换热器在总系统中十分重要，不仅

  36、要求拥有非常良好的换热效果，而且必须完全控制介质阻力。由下面的分析报告能够准确的看出，换热面积的富裕量仅为7.8%,节约了投资所需成本，而且介质阻力也在控制之下。从长期的实际运作情况来看，此换热器完全满足工艺技术要求。请见下面的换热器分析详细数据。换热器结构参数：换热器型式BEM(椭圆封头管箱，固定管板式)换热器安装的地方水平安装壳体内径D(mm)1200换热管数量Nt1787换热管材料15CrMo换热管长度L(mm)12500换热管外径Dt(mm)19换热管壁厚t(mm)2.5换热管布置形式正三角形换热管间距e(mm)25折流板数量Nb32折流板形式单弓形折流板缺口率(%)20折流板厚度tb(mm)16折流板间

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