換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.2殼(Ke)程結(jié)構(gòu)3.2.2

折流板3.2.1殼體3.2.3折流桿3.2.4螺旋板3.2.5防短路結(jié)構(gòu)3.2.6殼程分程第一頁，共一百四十八頁。殼體的強(qiáng)度（壁厚(Hou)）計算適用范圍：，此時，

-圓筒的計算厚度，mm（requiredthickness）

-設(shè)計壓力，MPa；

-圓筒內(nèi)徑，mm；

-材料使用溫度下的許用應(yīng)力，MPa；

-焊接接頭系數(shù)。

第二頁，共一百四十八頁。例如內(nèi)徑(Jing)1200mm的容器的公稱直徑標(biāo)記為DN12001.容器直徑的影響標(biāo)準(zhǔn)化以后的標(biāo)準(zhǔn)直徑，以DN表示，單位mm；第三頁，共一百四十八頁。

壓力容器的公稱直徑鋼板(Ban)卷焊公稱直徑是內(nèi)徑。300(350)400(450)500(550)600(650)700(750)8009001000(1100)1200(1300)1400(1500)1600(1700)1800(1900)2000(2100)2200(2300)24002500260028003000320034003500360038004000420044004500460048005000520054005500560058006000

第四頁，共一百四十八頁。

容器直徑較小，可直接用無縫鋼管(Guan)制作。公稱直徑指鋼管(Guan)外徑。159219273325377426表無縫鋼管制作筒體時容器的公稱直徑（mm）設(shè)計時，應(yīng)將工藝計算初步確定的設(shè)備內(nèi)徑，調(diào)整為符合表所規(guī)定的公稱直徑。封頭的公稱直徑與筒體一致。第五頁，共一百四十八頁。最大工作壓力是容器頂部的壓力，對于塔類直立容器，直立進(jìn)行水壓試驗的壓力和臥置時不同；工作壓力是根據(jù)工藝條件決定的，許多塔器頂部的壓力并不是其實際(Ji)最高工作壓力。標(biāo)準(zhǔn)中的最大工作壓力，最高工作壓力和工作壓力概念相同。2.工作壓力（workpressure）正常的工作情況下，容器頂部可能達(dá)到的最高壓力第六頁，共一百四十八頁?！裨O(shè)計壓力指設(shè)定的換熱器管、殼程頂部的最高壓力，與相應(yīng)的設(shè)計溫度一起作為設(shè)計載荷條件(Jian)，其值不低于工作壓力。①同時受管、殼程壓力作用的元件，僅在能同時保證管程、殼程同時升、降壓時，才可以按照壓差設(shè)計，否則分別按管、殼程工作壓力確定設(shè)計壓力；②應(yīng)該考慮最苛刻的殼程和管程的壓力組合；③按照壓差設(shè)計時，應(yīng)該考慮壓力實驗過程中可能出現(xiàn)的壓差，并應(yīng)該制定壓力試驗步驟。2.設(shè)計壓力（workpressure）2/28/20237Qust——管殼式換熱器設(shè)計第七頁，共一百四十八頁。一臺設(shè)備(Bei)的設(shè)計壓力只有一個，而計算壓力反映受壓元件的實際狀態(tài)，在不同部位值不同。計算壓力在壓力容器總圖的技術(shù)特性中不出現(xiàn)，只在計算書中出現(xiàn)。在相應(yīng)設(shè)計溫度下，用以確定元件厚度的壓力，包括液柱靜壓力，當(dāng)靜壓力值小于5％的設(shè)計壓力時，可略去靜壓力。計算壓力（Calculationpressure）第八頁，共一百四十八頁。設(shè)計溫度不得低于元件金屬在(Zai)工作狀態(tài)可能達(dá)到的最高溫度；設(shè)計溫度在0℃以下時，不得高于元件金屬能達(dá)到的最低溫度；當(dāng)容器在各部分工作狀態(tài)下有不同溫度時，可分別設(shè)定每一部分的設(shè)計溫度；3.設(shè)計溫度（Designtemperature）容器在正常工作情況下，在相應(yīng)的設(shè)計壓力下，設(shè)定的受壓元件的金屬溫度。第九頁，共一百四十八頁。圓筒設(shè)計厚度（designthickness）計算壁(Bi)厚與腐蝕余量C2之和稱為設(shè)計壁厚。是同時滿足強(qiáng)度、剛度和使用壽命的最小厚度。

C2為腐蝕裕度（corrosionallowance）根據(jù)介質(zhì)對選用材料腐蝕速度和設(shè)計使用壽命共同考慮。C2=k·a，mm；k—腐蝕速度，mm/a；對碳素鋼和低合金鋼，C2≥1mm；對于不銹鋼，當(dāng)介質(zhì)腐蝕性能極微時，取C2＝0。第十頁，共一百四十八頁。圓筒的名義厚度normalthickness設(shè)計厚度加上鋼板負(fù)偏差C1后向上圓整(Zheng)至剛才標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的厚度，即標(biāo)注在設(shè)計圖樣上的殼體厚度。C1—鋼板負(fù)偏差(minusdeviationofmaterialthickness)

任何名義厚度的鋼板出廠時，都允許有一定的負(fù)偏差。鋼板和鋼管的負(fù)偏差按鋼材標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。當(dāng)鋼板負(fù)偏差不大于0.25mm，且不超過名義厚度的6％時，負(fù)偏差可忽略不計。

第十一頁，共一百四十八頁。表4-2鋼板負(fù)(Fu)偏差值第十二頁，共一百四十八頁。圓筒的有效厚度(Du)

名義厚度減去腐蝕裕量和鋼材厚度負(fù)偏差，從性質(zhì)上可以理解為真正可以承受介質(zhì)壓強(qiáng)的厚度，成為有效厚度。數(shù)值上可以看作是計算厚度加上向上鋼材圓整量。

表4-3厚度關(guān)系第十三頁，共一百四十八頁。焊在殼體上，供殼程流體進(jìn)(Jin)、出防止進(jìn)口流體直接沖擊管束造成管子的侵蝕和振動，在殼程進(jìn)口接管處安裝，也叫緩沖板。焊接在拉桿、定距管、I折流板上焊接在圓筒上用U型螺栓固定在換熱管上固定形式1、接管2、防沖擋板3.2.1殼體第十四頁，共一百四十八頁。1.接管焊(Han)在殼體上，供殼程流體進(jìn)、出。根據(jù)管殼式換熱器的特點，對接管有如下要求：（1）接管與殼體連接的結(jié)構(gòu)形式一般采用插入式焊接結(jié)構(gòu)，接管端部應(yīng)與殼體內(nèi)表面平齊。（2）設(shè)計溫度大于或等于300℃時，接管法蘭應(yīng)采用對焊法蘭。（3）為提高傳熱效率，排除或回收殘液、殘氣，應(yīng)在殼程和管程的最高點、最低點，分別設(shè)置排氣、排液接管。排氣、排液接管的端部必須與殼體內(nèi)表面平齊。其最小公稱直徑為20mm。2/28/202315第十五頁，共一百四十八頁。減少流體滯留區(qū)，改善兩端流體的分布；增(Zeng)加換熱管有效換熱長度，提高傳熱效率起防沖擋板的作用。3導(dǎo)流筒第十六頁，共一百四十八頁。第十七頁，共一百四十八頁。提高殼程流體流速，增加湍動程度；使殼程流體垂直沖刷管束，提高殼程傳熱系數(shù)同(Tong)時減少結(jié)垢。弓形圓盤-圓環(huán)形堰形折流板1.作用2.結(jié)構(gòu)形式3.2.2

折流板第十八頁，共一百四十八頁。圖3-10折(Zhe)流板形式第十九頁，共一百四十八頁。原則：應(yīng)使流體流過缺口時軸流速度與橫向流過管束時的流速相近(Jin)；缺口大小用弓形弦高占?xì)んw內(nèi)直徑的百分比來表示，對于無相變單弓形折流板，h一般取0.20～0.45Di，最常用0.25Di。冷凝器，一般h＝0.25～0.45Di，根據(jù)冷凝液多少決定缺口高度；殼程沸騰再沸器，一般h＝0.45Di。弓形缺口高度h第二十頁，共一百四十八頁。加擋板：增大殼程流體的湍動，提高殼程的α多管程：增大管內(nèi)流體u，提高管內(nèi)α圓缺形，單弓形、雙弓形和(He)三弓形。單弓形折流板singlesegmentalbaffle第二十一頁，共一百四十八頁。（A）殼(Ke)程為單相清潔液體時，折流板缺口上下布置通液口通氣口弓形缺口及通液口設(shè)置圖3-11折流板缺口布置第二十二頁，共一百四十八頁。（B）臥式換熱器的(De)殼程介質(zhì)為氣液相共存或液體中含有固體顆粒時折流板缺口應(yīng)垂直左右布置，在折流板最低處開通液口通液口圖3-12折流板缺口布置第二十三頁，共一百四十八頁。在單弓(Gong)形折流板管殼式換熱器內(nèi)，殼程流體經(jīng)過折流板的圓缺部分后垂直掠過管束，在折流板的作用下進(jìn)行“Z”流動，流體湍流程度強(qiáng)，傳熱效率高，但缺點也較明顯。圖3-13弓形板殼程流動形態(tài)螺旋板式折流板第二十四頁，共一百四十八頁。流體反復(fù)橫向沖刷換熱管束并不斷劇烈改(Gai)變流動方向會產(chǎn)生較大的形體阻力，殼程壓降往往超出允許值；在折流板與殼體相連處存在流動死區(qū)，結(jié)垢嚴(yán)重需經(jīng)常清理，停工檢修頻繁；流動死區(qū)同時也是傳熱死區(qū)，降低了殼程換熱系數(shù)；殼程流體劇烈沖刷換熱管束，而窗口區(qū)管束無支撐跨距是折流板間距的兩倍，易產(chǎn)生流體誘導(dǎo)振動，導(dǎo)致?lián)Q熱管磨損甚至斷裂，縮短了換熱器壽命；弓形板缺陷第二十五頁，共一百四十八頁。許多研究者對單弓形折流板結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，并提出了雙弓形、三弓形、傾斜形、原盤圓缺形等改進(jìn)形式如圖。但其傳熱性能均不如單弓形結(jié)構(gòu)的，且橫向流支撐結(jié)構(gòu)的一些固有缺點仍難以(Yi)徹底克服。弓形板改進(jìn)措施圖3-14弓形板圓缺口第二十六頁，共一百四十八頁。最具代表性的縱(Zong)向流換熱器是上世紀(jì)年代美國石油公司為解決傳統(tǒng)弓形折流板支撐結(jié)構(gòu)中換熱管與折流板的切割破壞和流體誘導(dǎo)振動而開發(fā)的折流桿管殼式換熱器，其殼程支撐結(jié)構(gòu)為管間排布的支撐桿組成的折流柵如圖所示。3.2.3折流桿圖3-15折流板換熱器第二十七頁，共一百四十八頁。首先它的軸向流動方式，減少了殼程流體的滯流、回流和死區(qū)，提高了佩克萊常數(shù)值減少了殼程壓降和污垢沉積；折流桿后的卡門渦街脫落效應(yīng)在(Zai)傳熱管子表面產(chǎn)生湍流，提高了殼程單位壓降下的對流換熱系數(shù)；折流桿的夾持作用能夠抑制換熱管束的破壞性振動使冷換設(shè)備大型化成為可能；折流桿優(yōu)點第二十八頁，共一百四十八頁。由于以上優(yōu)點，折流桿支撐結(jié)構(gòu)適用于殼程壓降要求嚴(yán)格，系統(tǒng)操作穩(wěn)定性差，振動情況較嚴(yán)重的場合。折流桿換熱器也有著自己的局限性，其在低殼程雷諾數(shù)、高粘(Zhan)度流體中很難形成有效的卡門渦街，傳熱效率低?？v向流支撐結(jié)構(gòu)還包括整圓形折流孔板、管束自支撐等如圖。折流桿的局限性圖3-15其他縱向支撐結(jié)構(gòu)第二十九頁，共一百四十八頁。螺(Luo)旋折流板管殼式換熱器由前捷克斯洛伐克國家化工研究所的Nemcansky提出，最早于年應(yīng)用在斯洛伐克共和國一個核電廠的反應(yīng)堆主循環(huán)上。螺旋流是介于橫向流和縱向流之間的一種殼程流體流動形態(tài)，兼有橫向流和縱向流的優(yōu)點。3.2.4螺旋板圖3-16螺旋折流板換熱器第三十頁，共一百四十八頁。螺旋折流板換熱器徹底改變了傳統(tǒng)的垂直弓形板多次180°折返橫向流動的方式，使殼程橫截面出現(xiàn)一個速度梯(Ti)度場，這個速度梯(Ti)度場使每一根換熱管都處于換熱介質(zhì)的漩渦中，此漩渦使換熱管表面邊界層減薄，降低了熱阻，提高了流體的流動速度，所以可以大幅提高傳熱系數(shù)。螺旋折流板優(yōu)點第三十一頁，共一百四十八頁。螺旋折流板換熱器殼程介質(zhì)的螺旋折流流動方式(Shi)，減少窗口區(qū)流體大角度折返的壓頭損失，消除了傳統(tǒng)垂直弓形板的橫向折流造成的折流板后面約40%換熱面積傳熱死區(qū)，使殼程壓降明顯降低，在相同流量下可使壓降減小45%。圖3-17用于加氫脫硫單元上的螺旋板換熱器第三十二頁，共一百四十八頁。殼程無滯留區(qū)和死區(qū)，無污垢積累。對于粘度較大戒指的傳熱，污垢熱阻占總熱阻的50%~70%，因此螺旋通道內(nèi)高速旋轉(zhuǎn)的介質(zhì)流有利于在殼程內(nèi)沖刷走顆粒物及沉淀物，消除結(jié)垢嚴(yán)(Yan)重的傳熱三角死區(qū)，在裝置的使用后期仍然具有良好的操作性能，可延長檢修周期。圖3-18弓形板（左）3-19螺旋板（右）殼程污垢第三十三頁，共一百四十八頁。

具有良好的抗震振性，特別適用于介質(zhì)流量波動大或氣液兩相工況(Kuang)。螺旋折流板換熱器通過選擇合適的角度，可得到避開管子激振頻率的支撐長度，解決了管束的振動損傷問題，延長了設(shè)備的運行壽命。圖3-20

1/3扇形板第三十四頁，共一百四十八頁。要使殼程工質(zhì)形成理想的連續(xù)螺旋流動，折流板應(yīng)該是一系列連續(xù)的螺旋曲面，可稱之為連續(xù)型螺旋折流板如圖。連續(xù)螺旋折流板可使殼程流體形成相對(Dui)連續(xù)平穩(wěn)的螺旋流動,但受螺旋結(jié)構(gòu)的限制,其殼體中心區(qū)域需要加裝假管,從而降低了殼體空間的利用率,換熱器緊湊性下降。圖3-21連續(xù)型螺旋折流板連續(xù)性與非連續(xù)性螺旋折流板第三十五頁，共一百四十八頁。連續(xù)螺旋折流板可使殼程流體形成相對連續(xù)平穩(wěn)的螺旋流動，

連續(xù)螺旋折流板換熱器的加工制造安裝也比較復(fù)雜，給產(chǎn)品的進(jìn)一步大型化和推廣應(yīng)用帶來困難目前應(yīng)用中的螺旋折流板換熱器大多采用一系列法向與換熱管軸向成一定夾角的扇形平面板進(jìn)行搭接，形成近似螺旋面，可稱之為非連續(xù)螺旋折流板

如圖，每塊板在(Zai)圓斷面上的投影均占1/4個圓。圖3-22

?扇形螺旋折流板第三十六頁，共一百四十八頁。非連續(xù)螺旋折流板按照裁剪方式還可以分為四分之一橢圓、四分之一扇形和三分之一扇形，如圖所示。四分之一橢圓螺旋折流板的長短邊分別為折流板所在橢圓的長短軸，四分之一扇形螺旋折流板左右(You)對稱。每片橢圓型鋼板采用四分之一橢圓裁剪方式可以裁出四塊折流板，采用四分之一扇形裁剪方式可以裁出兩塊折流板，前者材料利用率更高不留邊角料。螺旋折流板裁剪方式第三十七頁，共一百四十八頁。螺旋角又稱折流板傾角，連續(xù)螺旋折流板螺旋角的定義為折流板在殼體上形成的螺旋曲線切線與殼體橫截面間的夾角。非連續(xù)螺旋折流板螺旋角的定義為折流板法線方向與換熱管軸心(Xin)的夾角角如圖所示。螺距定義為同一象限相鄰兩塊扇形板之間的距離。螺旋角第三十八頁，共一百四十八頁。

相鄰非連續(xù)螺旋折流板(Ban)之間有外圍點接觸的連續(xù)搭接和直邊交叉點接觸的交錯搭接兩種布置方式。采用交錯搭接布置可以在其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變的情況下減小螺距，增加折流板數(shù)量。搭接量e定義為：相鄰折流板搭接方式第三十九頁，共一百四十八頁。l為相鄰折流板搭接點到殼體內(nèi)壁的(De)距離，如圖所示。Ds為殼體內(nèi)徑。連續(xù)搭接時可認(rèn)為搭接量e=0從圖中還可發(fā)現(xiàn)，交錯搭接后相鄰折流板間除靠近殼體中心的三角區(qū)外還會形成一個靠近殼體內(nèi)壁的搭接區(qū)，兩處漏流均會對殼程流動產(chǎn)生影響。第四十頁，共一百四十八頁。

其中為折流板搭接量，n為一個螺旋周期內(nèi)折流板片(Pian)數(shù)，ds為殼體內(nèi)徑，為螺旋角連續(xù)螺旋折流板一個螺旋周期在軸向的長度稱為螺距，對于非連續(xù)螺旋折流板相鄰的兩個相同位置折流板的軸向間距稱為螺距每個螺距內(nèi)所有螺旋折流板在管板方向投影拼接為一個整圓。一個螺距內(nèi)折流板的數(shù)量越多，殼程流動越接近連續(xù)螺旋流動。一般來說，出于加工方面的考慮，一個螺距內(nèi)為一塊折流板。其螺距通用的計算公式為：螺距第四十一頁，共一百四十八頁。由于螺旋折流板與管板間夾角的存在，其加工工序比普通弓形折流板要稍顯復(fù)雜。如圖(Tu)所示，螺旋折流板從下料到加工大概要經(jīng)過以下5個步驟：螺旋折流板的加工下料鉆孔模具制造引孔鉆孔折流板外圓加工第四十二頁，共一百四十八頁。無論弓形折流板管束還是螺旋折流板管束，為了保證穿管順利，必須使管板上和折流板上的管孔同心。目前比較成熟的工藝是采用管板孔引折流板管孔，從而確定折流板管孔的中心位置。弓形折流板組裝后與管板平行，可直接引孔。而對于螺旋折流板結(jié)構(gòu)，由于每個螺旋通道由多塊折流板組成，各塊折流板不在同一(Yi)個平面上，因而不能實現(xiàn)直接由管板對一(Yi)個周期內(nèi)的所有折流板同時引孔。但是在一個象限內(nèi)的所有折流板相互平行，并與管板保持固定夾角，因而可以用模具引孔，引孔模具如圖所示：第四十三頁，共一百四十八頁。螺旋折流板換熱器內(nèi)的螺旋流動方式能適用于包括高粘度原油、渣油在內(nèi)的所有介質(zhì)，這種結(jié)構(gòu)也顯著提高了傳熱效率，大幅度降低了壓力降，控制了振動造成的破壞，減小了污垢沉(Chen)積的可能性，為換熱器大型化提供了關(guān)闊前景。某煉油廠常減壓蒸餾裝置試運行一臺新型螺旋折流板換熱器（改造前是垂直弓形折流板換熱器）改造前后標(biāo)定數(shù)據(jù)和計算結(jié)果如下表：螺旋折流板換熱器應(yīng)用第四十四頁，共一百四十八頁。比較參數(shù)螺旋折流板換熱器弓形板換熱器比較參數(shù)螺旋折流板換熱器弓形板換熱器渣油流量/(t/h)6363熱負(fù)荷/kw589.14294.59入口油溫/℃116116加權(quán)溫度差/℃83.2774.96出口油溫/℃102109換熱面積/m2244244入口水溫/℃2222傳熱系數(shù)/[W/(m2K)]29.016.2出口水溫/℃3225.5傳熱系數(shù)比值1.79第四十五頁，共一百四十八頁。位置：管束兩端的折流板盡量靠近進(jìn)出口接管間(Jian)距：Lmin不小于0.2Di，且不小于50mm；Lmax不大于Di；折流板布置第四十六頁，共一百四十八頁。當(dāng)換熱管的無支撐跨距超過了(Liao)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定值時，必須設(shè)置一定數(shù)量的支撐板，按照折流板處理。

過大—泄露嚴(yán)重，不利傳熱；易引起振動。過小—安裝困難。折流板上管孔與換熱管的間隙以及折流板與殼體內(nèi)壁之間的間隙第四十七頁，共一百四十八頁。5.折流板或支撐(Cheng)板的最小厚度應(yīng)滿足下表的要求2/28/202348Qust——管殼式換熱器設(shè)計第四十八頁，共一百四十八頁。換熱管外徑≤14mm時——點焊結(jié)構(gòu)換熱管外徑＞14mm時——拉桿-定距管結(jié)構(gòu)dndn折流板的(De)固定第四十九頁，共一百四十八頁。防(Fang)短路結(jié)構(gòu)3.2.5防短路結(jié)構(gòu)旁路擋板擋管（或稱假管）中間擋板第五十頁，共一百四十八頁。為(Wei)了防止殼程邊緣介質(zhì)短路圖3-25擋管結(jié)構(gòu)1.旁路擋板折流板旁路擋板第五十一頁，共一百四十八頁。旁路擋板可用鋼板或扁鋼制成，其厚度一般與折流板相同。旁路擋板嵌入折流板槽內(nèi)，并與折流板焊接。殼體公稱直徑DN≤500mm時(Shi)，增設(shè)一對旁路擋板；

DN=500mm時，增設(shè)二對擋板；

DN≥1000mm時，增設(shè)三對旁路擋板。第五十二頁，共一百四十八頁。分程隔板槽背面兩管板之間設(shè)置兩端堵死的管子，即擋管；擋管與換熱管規(guī)格相同，與折流板點焊固定(Ding)也可用拉桿（帶定(Ding)距管或不帶定(Ding)距管）代替擋管每隔3～4排換熱管設(shè)置一根，但不設(shè)置在折流板缺口處2.檔管防止管間短路第五十三頁，共一百四十八頁。圖

擋(Dang)管結(jié)構(gòu)第五十四頁，共一百四十八頁。中間(Jian)擋板圖3-26中間擋板3.中間擋板第五十五頁，共一百四十八頁。U形管束中心部分存在較大(Da)間隙，防止管間短路；中間擋板一般與折流板點焊固定；中間擋板的數(shù)量:DN≤500mm時，設(shè)置1塊擋板；

500mm<DN<1000mm時，設(shè)置2塊擋板

DN≥1000mm時，設(shè)置不少于3塊擋板第五十六頁，共一百四十八頁。根據(jù)工藝設(shè)計要求，或為增大(Da)殼程流體傳熱系數(shù)，也可將換熱器殼程分為多程的結(jié)構(gòu)。3.2.6殼程分程第五十七頁，共一百四十八頁。管(Guan)板設(shè)計管板是管殼式換熱器的主要部件之一，在高參數(shù)大型化的條件下，管板的材料供應(yīng)、加工工藝、生產(chǎn)周期是整臺設(shè)備的決定性因素；管板關(guān)聯(lián)太多的部件，其合理設(shè)計是整臺換熱器優(yōu)化的前提和基礎(chǔ)，但是其受力非常復(fù)雜，世界各國都非常重視和尋求先進(jìn)合理的管板設(shè)計方法。美國的TEMA；英國的BS1500日本的JIS2/28/202358第五十八頁，共一百四十八頁。各國的管板設(shè)計公式盡管形式各異，但其大體上是分別在以下三種基(Ji)本假設(shè)的前提下得出的將管板看成周邊支承條件下承受均布載荷的圓平板，應(yīng)用平板理論得出計算公式?？紤]到管孔的削弱，再引入經(jīng)驗性的修正公式。第五十九頁，共一百四十八頁。將管子當(dāng)作管板的固定支撐而管板是受管子支撐著的圓平板。管板的厚度取決于管板上不布管區(qū)的范圍。實踐證明這種公式適用于各種薄管板的計算。將管板視為在廣義彈性基礎(chǔ)上承受均布載荷的多孔圓平板，既把圓平板簡化為受到規(guī)則排列的管孔削弱、同時又被管子加強(qiáng)的等效彈性基礎(chǔ)上的均質(zhì)等效圓平板。第六十頁，共一百四十八頁。

假設(shè)：把實際的(De)管板簡化為承受均布載荷、放置在彈性基礎(chǔ)上且受管孔均勻削弱的(De)當(dāng)量圓平板。一.管板設(shè)計的基本考慮GB151《管殼式換熱器》第六十一頁，共一百四十八頁。a.管束對管板撓度的約束作用，但(Dan)忽略管束對管板轉(zhuǎn)角的約束作用第六十二頁，共一百四十八頁。布管(Guan)區(qū)不布管區(qū)b.管板周邊不布管區(qū)對管板應(yīng)力的影響按其面積簡化為圓環(huán)形實心板管板邊緣的應(yīng)力下降管板靠近中央部分的布管區(qū)靠近周邊處較窄的不布管區(qū)第六十三頁，共一百四十八頁。c.不同結(jié)構(gòu)形式的換熱器,管板邊緣(Yuan)有不同形式的連接結(jié)構(gòu)，根據(jù)具體情況，考慮殼體、管箱、法蘭、封頭、墊片等元件對管板邊緣(Yuan)轉(zhuǎn)角的約束作用；不同連接結(jié)構(gòu)，設(shè)計步驟有所不同第六十四頁，共一百四十八頁。確定危險工況的基(Ji)本原則：如果不能保證換熱器殼程壓力ps與管程壓力pt在任何情況下都能同時作用，則不允許以殼程壓力和管程壓力的壓差進(jìn)行管板設(shè)計。如果ps和pt之一為負(fù)壓時，則應(yīng)考慮壓差的危險組合。管板是否兼作法蘭等不同結(jié)構(gòu)，危險工況組合也不同。二.管板設(shè)計的基本考慮第六十五頁，共一百四十八頁。對于(Yu)固定管板換熱器，管板分析時應(yīng)考慮下列危險工況只有殼程壓力ps

，而管程壓力pt=0，不計熱膨脹差；只有管程壓力pt

，而殼程壓力ps=0，不計熱膨脹差；只有管程壓力pt

，而殼程壓力ps=0，同時考慮熱膨脹差。只有殼程壓力ps

，而管程壓力pt=0，同時考慮熱膨脹差；第六十六頁，共一百四十八頁。在固定管板換熱器中，當(dāng)管板應(yīng)力超過許用應(yīng)力時，為滿足要求，采用兩種方法調(diào)整：增加板厚度降低殼(Ke)體軸向剛度，如設(shè)置膨脹節(jié)管板設(shè)計時的考慮第六十七頁，共一百四十八頁。管板設(shè)計的輔助(Zhu)軟件管板的計算十分復(fù)雜，盡管GB151提供了便于工程應(yīng)用的計算式和圖標(biāo)，但手算工作量很大，為此，我國已開發(fā)了包括管殼式換熱器在內(nèi)的化工設(shè)備強(qiáng)度計算軟件，SW6包括了管板的設(shè)計與校核。第六十八頁，共一百四十八頁。壓力容器設(shè)計(Ji)軟件包SW《過程設(shè)備強(qiáng)度計算軟件包》，以下簡稱SW6-98。該軟件包是國標(biāo)GB150《鋼制壓力容器》；GB151《鋼制管殼式換熱器》；GB12333《鋼制球形儲罐》；JB4710《鋼制塔式容器》；JBxxxx《鋼制臥式容器》及HG20582《鋼制化工容器強(qiáng)度計算規(guī)定》為編制依據(jù)。他的運行環(huán)境為WINDOWS系統(tǒng)，此軟件在運行過程中直觀，方便、靈活。第六十九頁，共一百四十八頁。該軟件包(Bao)含了10個設(shè)備計算程序，每個設(shè)備計算程序既可進(jìn)行設(shè)備的整體計算，也可以進(jìn)行該設(shè)備中某一個零部件的單獨計算。壓力容器設(shè)計軟件包第七十頁，共一百四十八頁。SW6-98軟件(Jian)內(nèi)容SW6-98軟件有10個設(shè)備級計算程序，一個零部件計算程序和一個用戶材料數(shù)據(jù)庫管理程序。每個計算程序有對應(yīng)的一組圖標(biāo)，只要點擊圖標(biāo)就能使某個程序運行。SW6-98對一種設(shè)備的輸入數(shù)據(jù)文件都規(guī)定一個后綴名。第七十一頁，共一百四十八頁。10個(Ge)設(shè)備計算程序和一個(Ge)零部件計算程序的后綴名見下表程序計算內(nèi)容輸入數(shù)據(jù)文件名后綴名程序計算內(nèi)容輸入數(shù)據(jù)文件名后綴名塔設(shè)備.col浮頭式換熱器.efe帶夾套立式容器（帶或不帶攪拌）.rec填函式換熱器.efe.hpv高壓設(shè)備臥式容器.htk球形儲罐.sph固定管板換熱器.fix非圓形容器.ncvU形管換熱器.uex零部件.par第七十二頁，共一百四十八頁。（2）厚度的確定管板厚度δn由下列幾種情況確定：（1）管板按公式計算的厚度或(Huo)GB151規(guī)定的最小厚度（δ）中大者，加上結(jié)構(gòu)開槽深度（殼程腐蝕裕量小于結(jié)構(gòu)開槽深度），再加上分程隔板槽深度（管程腐蝕裕量小于分程隔板槽深度）（圖1）；（2）管板按公式計算的厚度或GB151規(guī)定的最小厚度（δ）中大者，加上殼程腐蝕裕度（殼程腐蝕裕量大于結(jié)構(gòu)開槽深度），再加上分程隔板槽深度（管程腐蝕裕量小于分程隔板槽深度）（圖2）；圖1

圖22/28/202373Qust——管殼式換熱器設(shè)計第七十三頁，共一百四十八頁。

（3）管板按公式計算的厚度或GB151規(guī)定的最小厚度（δ）中大者，加上結(jié)構(gòu)開槽深度（殼程腐蝕(Shi)裕量小于結(jié)構(gòu)開槽深度），再加上管程腐蝕(Shi)裕度（管程腐蝕(Shi)裕量大于分程隔板槽深度）（圖1）；（4）管板按公式計算的厚度或GB151規(guī)定的最小厚度（δ）中大者，加上殼程腐蝕裕度（殼程腐蝕裕量大于結(jié)構(gòu)開槽深度），再加上管程腐蝕裕度（管程腐蝕裕量大于分程隔板槽深度）（圖2）。也就是管板厚度等于：管板按公式計算的厚度或GB151規(guī)定的最小厚度（δ）中大者加上殼程腐蝕裕量或結(jié)構(gòu)開槽深度中大者加上管程腐蝕裕量或分程隔板槽深度中大者。圖2圖12/28/202374Qust——管殼式換熱器設(shè)計第七十四頁，共一百四十八頁。（1）ANSYS軟件在管板計算中的應(yīng)用越來越多；

（2）也(Ye)存在著一些小問題。

四.有限元在管板設(shè)計時的發(fā)展第七十五頁，共一百四十八頁。高流速得到(Dao)高的傳熱系數(shù)，但壓降也會很高，同時會產(chǎn)生磨蝕；但又需要保持足夠高的流速，防止任何懸浮物沉淀、減少結(jié)垢。對于液體：

管側(cè)：過程流體:1-2m/s；水:1.5-2.5m/s；如需防垢則最大4m/s。殼程：0.3-1m/s；氣體流速由工作壓力與流體密度決定；真空：50-70m/s；大氣壓:10-30m/s；高壓：5-10m/s；四.管程與殼程流速的選擇第七十六頁，共一百四十八頁。

換熱器管束無法組裝是常見的換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計問題。為此，有必要了解換熱器管束的組裝方法。管束作為一個部件(Jian)是專門設(shè)置工作地點組裝的。對于固定管板的列管式換熱器，組裝方法根據(jù)折流板的直徑不同存在以下幾種組裝方法。第七十七頁，共一百四十八頁。先將一塊管板豎直放置，將拉桿擰好；然后依次套上定距管及折流板和支持板；最后用螺母將他們定?。粰z查其相對位置無誤，并校正這個骨架的形狀之后，依次穿入各換熱管；然后整個管束套入筒體，并在筒體另一端裝上另一塊管板；將管子引入這塊管板的孔中；校正管板與筒體的相對位置和焊接間隙(Xi)后，作定位焊，隨即焊完焊縫。進(jìn)行管端與管板的聯(lián)接。當(dāng)折流板直徑不超過1400mm時，管束在筒體外進(jìn)行臥式組裝，即明穿工藝，組裝步驟如下：第七十八頁，共一百四十八頁。將第一管板與設(shè)備筒體對好后作定位焊(Han)。在筒體上算出中間各折流板的位置。一塊一塊把折流板裝入筒體中，同時在管板和折流板孔中穿入10根或略少一些的基準(zhǔn)管。折流板間距要符合圖紙要求，折流板與筒體內(nèi)面用電焊定位。當(dāng)折流板直徑達(dá)到1600mm以上的管束一般采用在設(shè)備筒體內(nèi)裝配，即暗穿工藝。組裝步驟如下：第七十九頁，共一百四十八頁。全部折流板與支持板都裝好后，裝上第二塊管板，并進(jìn)行定位焊。安裝時使基準(zhǔn)管子的端部穿過第二管板的孔。其余管子從(Cong)管板孔中插入，并穿過焊在筒體內(nèi)的各折流板。管子插滿后，從(Cong)第一列開始，從(Cong)插入方向把管子推到管板里去。先用壓縮空氣吹掃管板的孔后，再使管子就位。第八十頁，共一百四十八頁。

由于孔的不同心和管子的撓曲，需要在管端塞(Sai)進(jìn)一個導(dǎo)向錐才能順利穿管。管子越長，穿管越困難，需采用立式穿管。但立式組裝管束需要高大的廠房及升降工作臺。一般制造廠不一定都具備這種條件。注意第八十一頁，共一百四十八頁。如圖所示，預(yù)先制造幾塊支持板，其管孔大小和位置都與管板一樣，將他們與平臺組成一個組裝架，用拉桿保(Bao)持各支持板的距離，平臺應(yīng)放置在同一水平面上。分段后退組裝法，安裝步驟如下：第八十二頁，共一百四十八頁。將所有的管子穿過組裝架，并插入換熱器左管板。再在筒體內(nèi)放入兩塊折流板，用拉桿固定，將管子逐根向右推入這兩塊折流板。都(Du)推完后，在裝兩塊折流板。再將管子向右推一段距離。如此反復(fù)進(jìn)行，直到全部折流板裝好。最后組焊右側(cè)管板與筒體，并將管子引入左側(cè)管板的空中。第八十三頁，共一百四十八頁。4、設(shè)計時一些(Xie)需要思考的問題第八十四頁，共一百四十八頁。一、與換熱器的結(jié)(Jie)構(gòu)設(shè)計直接相關(guān)問題1.固定管板換熱器拉桿設(shè)置時常出現(xiàn)的問題。

在固定管板換熱器的設(shè)計中，常出現(xiàn)拉桿固定端選擇不當(dāng)?shù)腻e誤。設(shè)計時應(yīng)充分考慮管束組裝程序、管束的振動以及防沖擋板的結(jié)構(gòu)及其固定方式等問題，然后做出正確選擇。有如下幾種情況供選擇：（1）當(dāng)換熱器殼體直徑較小，防沖擋板要求與殼體相焊，且要求管子采用明穿工藝時，拉桿固定端應(yīng)設(shè)在遠(yuǎn)離殼程介質(zhì)進(jìn)口的另一端管板上；（2）當(dāng)換熱器殼體直徑較大，防沖擋板要求與殼體相焊，但管束允許采用暗穿工藝時，拉桿固定端應(yīng)設(shè)在靠近殼程介質(zhì)進(jìn)口一端的管板上；2/28/202385Qust——管殼式換熱器設(shè)計第八十五頁，共一百四十八頁。

（3）當(dāng)防沖擋板固定在管束上，或采用導(dǎo)流筒防沖結(jié)構(gòu)時，拉桿的固定端應(yīng)設(shè)在靠近殼程介質(zhì)進(jìn)口一端的管板上。（4）當(dāng)換熱器處于立式布置時，首先要考慮殼程的進(jìn)料口位置以及(Ji)防沖擋板的安裝方式。防沖擋板焊在筒體上，下部進(jìn)料，則拉桿最好設(shè)于上管板.上部進(jìn)料，則拉桿最好設(shè)于下管板，以便于折流板的安裝。無論何種進(jìn)料，防沖擋板焊在管束上，因不影響折流板的安裝.一般情況下，為使其受力較好，常常設(shè)在上管板。2/28/202386Qust——管殼式換熱器設(shè)計第八十六頁，共一百四十八頁。2.在如圖1（a）所示的布(Bu)置中，向上脈動流動的介質(zhì)與隔板自重向下兩者間不平衡狀態(tài)的作用，容易使隔板上下振動，磨損換熱管。如改為圖1（b）的結(jié)構(gòu)，介質(zhì)脈動流向與內(nèi)件自重一致，可避免產(chǎn)生振動現(xiàn)象。2/28/202387Qust——管殼式換熱器設(shè)計第八十七頁，共一百四十八頁。3、有的折流板的布置忽視了與介質(zhì)的對應(yīng)。（1）有的換熱器折流板布置不當(dāng)，使殼程介質(zhì)經(jīng)由短路從出口管流出，降低了傳熱效果。（2）折流板布置時一定要根據(jù)殼程介質(zhì)的性質(zhì)，而選擇折流板的安裝方式。（3）折流板間距的變動，不但影響殼程介質(zhì)的流動和傳熱能力，還可能影響管板厚度。折流板間距的變化使換熱管的支撐(Cheng)間距發(fā)生變化，進(jìn)而影響管板的受力狀況。2/28/202388Qust——管殼式換熱器設(shè)計第八十八頁，共一百四十八頁。4.換熱器膨脹節(jié)設(shè)置中的問題進(jìn)行固定式換熱器的設(shè)計計算，一般首先要判斷是否需要設(shè)置膨脹節(jié)，這完全取決于在設(shè)計條件下?lián)Q熱器各元件的實際應(yīng)力狀況。首先，可以考慮是否調(diào)整某原件尺寸或改變連接方式，使之滿足許用應(yīng)力條件。如果經(jīng)過綜合考慮認(rèn)為設(shè)置膨脹節(jié)更為可行或可靠，則可考慮設(shè)置膨脹節(jié)，以便設(shè)計出經(jīng)濟(jì)(Ji)、安全、合理的換熱器。2/28/202389Qust——管殼式換熱器設(shè)計第八十九頁，共一百四十八頁。

歷史的一些資料中，受計算手段限(Xian)制，通過簡單的計算求得圓筒或管子的軸向應(yīng)力是否超過某一規(guī)定值來判斷是否設(shè)置膨脹節(jié)，不合理。他們假定管板是絕對剛性的，管束中的每根管子都處于同樣的拉、壓狀態(tài)，這顯然與管板管束實際受力情況相差甚遠(yuǎn)。有些設(shè)計人員甚至更粗略地通過管、殼程的操作溫度差，或是設(shè)計溫度超過某一規(guī)定值，來判斷是否需要設(shè)置膨脹節(jié)，這也是不對的，因為有時帶來很大判斷誤差。操作溫度和設(shè)計溫度并不等同于金屬溫度，更不能代替管子和殼程圓筒之間的膨脹差。當(dāng)管子和殼程圓筒之間材質(zhì)不同時，這種誤差會更大，原因是兩者的線脹系數(shù)相差較大。所以當(dāng)其他條件確定后，換熱器是否設(shè)置膨脹節(jié)，只有通過對管板進(jìn)行計算后才能下結(jié)論。2/28/202390Qust——管殼式換熱器設(shè)計第九十頁，共一百四十八頁。

只有在殼程(Cheng)殼體或換熱管的軸向載荷超載時才設(shè)置膨脹節(jié)。超載有以下幾種情況：（1）換熱管的軸向拉應(yīng)力大于換熱管材料在設(shè)計溫度下的許用拉應(yīng)力；（2）換熱管的軸向壓應(yīng)力大于換熱管材料在設(shè)計溫度下的穩(wěn)定許用壓應(yīng)力；（3）殼程殼體軸向拉應(yīng)力大于殼程材料在設(shè)計溫度下的許用拉應(yīng)力；（4）殼程殼體軸向壓應(yīng)力大于殼程材料在設(shè)計溫度下的穩(wěn)定許用壓應(yīng)力；（5）換熱管與管板連接接頭的拉脫力大于許用拉脫力。2/28/202391Qust——管殼式換熱器設(shè)計第九十一頁，共一百四十八頁。5.換熱器支(Zhi)座中的問題臥式換熱器在進(jìn)行受力分析時，均簡化為簡支梁的力學(xué)模型。承受均勻分布力作用。F型鞍式支座S型鞍式支座2/28/202392Qust——管殼式換熱器設(shè)計第九十二頁，共一百四十八頁。qLL/5qL/5qL/2L/2DEFORMATIONOFBEAMSDUETOBENDINGMx+402qL502qL-Mx-+-322qL-Mx++-合理布置(Zhi)支座2/28/202393第九十三頁，共一百四十八頁。鞍座的放置(Zhi)位置(Zhi)

容器放置于鞍座上，約束反力將集中作用于容器的局部器壁上，引起復(fù)雜且相當(dāng)大的局部應(yīng)力。1、鞍座中心線至圓筒體端部的距離A小0.2L。其中，L為圓筒體長度(兩封頭切線間距離)，材料力學(xué)中外伸梁的理論。A=0.207L等強(qiáng)度。2、當(dāng)鞍座鄰近封頭時，封頭對支座處筒體有加強(qiáng)剛性的作用。因此，在滿足A<0.2L時，盡量使

A<0.5Ri(Ri為筒體內(nèi)半徑)。2/28/202394Qust——管殼式換熱器設(shè)計第九十四頁，共一百四十八頁。鞍座的選(Xuan)擇搭配鞍式支座普遍采用雙支座型式，而非多支座，（1）要求各支座嚴(yán)格在同一個水平面上；（2）地基的下沉不均勻。雙鞍座式中的一個鞍座為固定支座，另一個為活動支座。2/28/202395Qust——管殼式換熱器設(shè)計第九十五頁，共一百四十八頁。立式固定管板換熱器

立式固定管板換熱器選用裙式支座或支腿,會給下管箱的維護(hù)、檢修造成很(Hen)大的不便。應(yīng)盡量采用耳式支座并設(shè)置在殼程殼體上。立式固定管板換熱器耳式支座的支承平面一般應(yīng)高于設(shè)備的重心和膨脹節(jié)，這樣可以提高設(shè)備的穩(wěn)定性。同時改善膨脹節(jié)受力。2/28/202396Qust——管殼式換熱器設(shè)計第九十六頁，共一百四十八頁。立式換熱器設(shè)計中常出現(xiàn)支座形式選用不當(dāng)(Dang)和支座位置設(shè)置不當(dāng)(Dang)的問題。如圖（a）和（b）所示。（a）所示的問題是選用了裙式支座形式，當(dāng)下管板需要檢查和修理時，需要用較大的起吊設(shè)備將管束吊起來后才能進(jìn)行，大大增加了檢修時間和費用。在此結(jié)構(gòu)設(shè)計中，如果沒有對下部管箱法蘭考慮因換熱器自重等所帶來的附加載荷，則屬錯上加錯。2/28/202397Qust——管殼式換熱器設(shè)計第九十七頁，共一百四十八頁。（b）所示的問題是支座在膨脹節(jié)之下，而且支座位置偏低，致使膨脹節(jié)承受由換熱器自重產(chǎn)(Chan)生的附加軸向力，并降低了設(shè)備的穩(wěn)定性。合理的設(shè)計是膨脹節(jié)應(yīng)該在支座的下方，在條件允許時，設(shè)備的重心應(yīng)盡量使其位于支座支撐平面之下，以提高設(shè)備的穩(wěn)定性。2/28/202398Qust——管殼式換熱器設(shè)計第九十八頁，共一百四十八頁。立式固定管板換熱器的拉桿，應(yīng)在滿足組裝要求的前提下把固定端設(shè)置在上管板，而無論殼程介質(zhì)的進(jìn)口設(shè)置在上方還是下方。這時，拉桿處于最佳的受力狀態(tài)。從結(jié)構(gòu)設(shè)計的角度看，立式固定管板換熱器的殼程介質(zhì)宜上進(jìn)下出流動。目的是避免脈動向上的介質(zhì)與折流板向下的自重處于不平衡狀態(tài)，使折流板上、下振動，加重?fù)Q熱管的磨(Mo)損。2/28/202399Qust——管殼式換熱器設(shè)計第九十九頁，共一百四十八頁。

右圖所示的立式換熱器是通過兩個托架掛在塔上的。上部托架承受換熱器的整個重量，具有槽孔的下部托架水平地支撐著換熱器，并保證垂直方(Fang)向的微量熱膨脹。這種浮動式支承結(jié)構(gòu)，既可以滿足換熱器垂直膨脹的需求，又可以減少對塔器的外部約束。2/28/2023100Qust——管殼式換熱器設(shè)計第一百頁，共一百四十八頁。重疊式換熱器需要注意問題(1)上層換熱器的兩個鞍式支座都應(yīng)選擇帶長圓孔的滑動型支座，原因是上層換熱器與下(Xia)層換熱器有管法蘭相連，管法蘭相當(dāng)于固定支座。2/28/2023101Qust——管殼式換熱器設(shè)計第一百零一頁，共一百四十八頁。(2)下層換熱器鞍式支座的地腳螺栓直徑應(yīng)考選擇比正常推薦的直徑大一檔。因為目前國內(nèi)關(guān)于臥式容器的載荷僅考慮長期載荷，沒考慮短期載荷。對于重疊式換熱器，風(fēng)載荷是一種不容忽視的經(jīng)常性的載荷。對于小直徑帶保溫的三重疊式換熱器，這一問題更不容忽視。在停車狀態(tài)下，僅靠其自重往往不能平衡風(fēng)載荷引起的彎矩。另外，最底層的兩個鞍式支座中一個為活動型，該處螺母往往與底板之間有一定間隙，故當(dāng)重疊式換熱器因迎風(fēng)面的載荷而有傾斜趨勢時，實際上，僅有一個地腳螺栓受力?，F(xiàn)(Xian)場填加墊板也可以解決這個問題。2/28/2023102Qust——管殼式換熱器設(shè)計第一百零二頁，共一百四十八頁。（1）重疊式換熱器之間的支座處應(yīng)設(shè)置調(diào)整高度用的墊板。（2）支座底板至設(shè)備中心線的距離應(yīng)比接管法蘭密封面至設(shè)備中心線的距離至少小5mm。（3）必要時對下部換熱器的支座和殼體進(jìn)行校核，其載(Zai)荷除該換熱器本身外，還應(yīng)加上上部換熱器的重量。（4）當(dāng)重疊式換熱器質(zhì)量較大時，可增加一組支座。2/28/2023103Qust——管殼式換熱器設(shè)計第一百零三頁，共一百四十八頁。

6.波紋管換熱器設(shè)計中(Zhong)的問題在管殼式換熱器的基礎(chǔ)上，采用波紋管代替光管作為傳熱元件，可以有效提高傳熱效率。按波形可分為波節(jié)管（圖a）、波紋管（圖b）、縮放管（圖c）。圖a2/28/2023104Qust——管殼式換熱器設(shè)計第一百零四頁，共一百四十八頁。

按流(Liu)體力學(xué)觀點分析，在波峰處流(Liu)體速度降低，靜壓增加；在波谷處流(Liu)體速度增加，靜壓降低。這樣流(Liu)體的流(Liu)動是在反復(fù)改變軸向壓力梯度下行進(jìn)，因而產(chǎn)生了劇烈的漩渦沖刷流(Liu)體的邊界層，使邊界層減薄，大大提高傳熱系數(shù)，從而達(dá)到強(qiáng)化傳熱的效果。波節(jié)管的熱效率比光管的高2.5～4倍，使用壓力小于等于2.5MPa，設(shè)計溫度不大于350℃。波節(jié)管不適宜用于強(qiáng)腐蝕、高粒度（5mg/L）、易結(jié)焦結(jié)碳的介質(zhì)。2/28/2023105Qust——管殼式換熱器設(shè)計第一百零五頁，共一百四十八頁。

波紋管是由波節(jié)管改進(jìn)而來，由于無波間(Jian)的直壁，波距縮短，采用波谷小圓弧與波峰大圓弧相切，沒有褶皺，因此液流呈全湍流狀態(tài)，對管壁具有全面沖洗作用，介質(zhì)沉積可能性很小，不易結(jié)垢，所以傳熱性能優(yōu)于波節(jié)管。波紋管由薄壁光滑管成形，管坯壁厚較薄，管子材料均為不銹鋼，適用于液體與液體間無相變的換熱過程。管殼程最大工作壓力不超過4.0MPa，易產(chǎn)生振動磨蝕破壞。2/28/2023106Qust——管殼式換熱器設(shè)計第一百零六頁，共一百四十八頁。對于波紋管式換熱器，目前尚無規(guī)范指導(dǎo)（規(guī)定），而是根據(jù)GB151換熱器標(biāo)準(zhǔn)按純光管的辦法進(jìn)行計算，這是不正確的。GB151對管板的計算是把管板視為一塊放在換熱管支撐的彈性基礎(chǔ)上的軸對稱圓形開孔(Kong)平板，受均布載荷，并考慮了管孔(Kong)的均勻削弱作用。對于波紋管換熱器中管板的設(shè)計計算，由于在結(jié)構(gòu)上波紋管不同于光管，波紋管的柔度大于光管，而剛度小于光管，所以波紋管對管板的支撐作用就不同于光管對管板的支撐作用。如何處理該問題比較棘手。2/28/2023107Qust——管殼式換熱器設(shè)計第一百零七頁，共一百四十八頁。

對工程中的波紋管換熱器與相同工況(Kuang)、相同尺寸的光管換熱器進(jìn)行比較得出以下結(jié)論：（1）波紋管換熱器管板厚度的確定，采用按光管計算管板厚度加上10mm的設(shè)計方法是不正確的，也是不安全的。（2）波紋換熱器不用考慮溫差補(bǔ)償?shù)倪@種看法是不準(zhǔn)確的，設(shè)計時要從結(jié)構(gòu)上防范因溫差和管程壓力聯(lián)合作用的后果，它將造成換熱器彎曲變形過大而失效。（3）波紋管換熱器設(shè)計，要注意換熱管的周向失穩(wěn)和軸向失穩(wěn)的問題，對換熱管承受外壓和內(nèi)壓的能力必須進(jìn)行校核。2/28/2023108Qust——管殼式換熱器設(shè)計第一百零八頁，共一百四十八頁。（4）設(shè)計波紋管換熱器時，在結(jié)構(gòu)設(shè)計上要注意兩點：其一是折流板的間距，它的折流板間距一般要取比光管換熱器的小，以提高換熱器的軸向失穩(wěn)能力；其二是折流板的厚度，它的折流板的厚度要比光管換熱器的大。（5）對于能夠引起奧氏體不銹鋼晶間腐蝕的介質(zhì)；管程或殼程為易燃、易爆或有毒的介質(zhì)；殼體直徑大于2000mm、壓力大于2.0MPa的工況。上列三種情(Qing)況均不適宜選用波紋管換熱器。2/28/2023109Qust——管殼式換熱器設(shè)計第一百零九頁，共一百四十八頁。2023/2/28Qust——管殼(Ke)式換熱器設(shè)計1108、固定管板換熱器的壓力試驗中的問題（1）壓力試驗內(nèi)容：a.換熱管與管板接頭的試壓：換熱器的失效及事故往往由于連接接頭的泄漏所以通過連接接頭的試壓來保證接頭的可靠性尤其重要。b.殼程試壓；c.管程試壓。（2）固定管板換熱器的壓力試驗程序：a.殼程試壓，同時檢查了換熱管與管板焊接接頭和殼程的強(qiáng)度及致密性；b.殼程試壓完畢后，裝上管箱和頭蓋進(jìn)行管程試壓。

第一百一十頁，共一百四十八頁。（3）水(Shui)壓試驗壓力值的確定根據(jù)水壓試驗壓力計算公式：PT=1.25P[σ]/[σ]t，式中[σ]/[σ]t應(yīng)取各受壓元件（圓筒、封頭、接管、法蘭、膨脹節(jié)、管板、換熱管及緊固件等）材料[σ]/[σ]t比值中最小者。用SW6-1998程序進(jìn)行計算得出的水壓試驗壓力值只考慮了筒體和封頭材料的[σ]/[σ]t比值，缺乏對換熱管和管板等材料[σ]/[σ]t的比值的考慮，因此，還需要設(shè)計者手工對水壓試驗的壓力值進(jìn)行檢驗。第一百一十一頁，共一百四十八頁。（4）管程壓力高(Gao)于殼程壓力時管接頭的試壓管程水壓試驗壓力高于殼程水壓試驗壓力時，仍然按照常規(guī)的選取規(guī)則對殼程的水壓試驗壓力進(jìn)行選取，卻不增加氨滲漏試驗，這是最常見的一個問題，也是個錯誤的操作方法。首先：計算殼程能夠承受的最高的試驗壓力0.9φReL，以盡量提高殼程試驗壓力使其達(dá)到管程試驗壓力，但此時必須注意殼程其它受壓元件是否也能承受在此試驗壓力下的強(qiáng)度及密封性能。第一百一十二頁，共一百四十八頁。用上述辦法不能提(Ti)高到規(guī)定的管程試驗壓力時：若差距不大，可以考慮適當(dāng)增加殼程壁厚；若仍然相差很遠(yuǎn)，則只能以殼程允許的最大試驗壓力試壓?？稍诠艹膛c殼程都根據(jù)各自的要求檢驗合格后，殼程再按HG20584-1998附錄A《壓力容器氨滲漏試驗方法》中B法進(jìn)行檢漏。第一百一十三頁，共一百四十八頁。2023/2/28Qust——管殼式換熱(Re)器設(shè)計1149、換熱器受壓失穩(wěn)當(dāng)量長度和最大無支撐跨距最大無支撐跨距指的是換熱管沒有被折流板、支持板、管板支撐的最大距離。與受壓失穩(wěn)當(dāng)量長度是兩個不同的概念，設(shè)計過程中容易被混淆。有的設(shè)計者將最大無支撐跨距當(dāng)做受壓失穩(wěn)當(dāng)量長度，也有的設(shè)計者不根據(jù)GB151-1999圖32選取，直接將靠近管板處的測量值作為受壓失穩(wěn)當(dāng)量長度，這是設(shè)計中的錯誤概念。由于在標(biāo)準(zhǔn)的換熱器中，失穩(wěn)當(dāng)量長度的數(shù)值應(yīng)當(dāng)以換熱管作為壓桿，將換熱管與管板之間的連接端點作為固定端，應(yīng)當(dāng)根據(jù)這一標(biāo)準(zhǔn)對換熱管的失穩(wěn)當(dāng)量長度進(jìn)行衡量，這樣才能確保計算結(jié)果的準(zhǔn)確性?？梢酝ㄟ^折流板的適當(dāng)調(diào)整，進(jìn)而調(diào)整失穩(wěn)當(dāng)量長度。第一百一十四頁，共一百四十八頁。8、分程隔板開孔

換熱器分程隔板上應(yīng)設(shè)有小孔，這往往容易被忽視。留小孔有三種作用：淚孔作用，排凈液體；平衡作用，平衡兩腔(Qiang)的壓力；排氣作用，水壓試驗時排凈氣體。換熱器管箱設(shè)有分程隔板時，管箱法蘭受力復(fù)雜，為使密封可靠，可以考慮將管箱法蘭壓力等級提升一級。2/28/2023115Qust——管殼式換熱器設(shè)計第一百一十五頁，共一百四十八頁。9、應(yīng)注意管子與管板的強(qiáng)度焊與密封焊的區(qū)別。強(qiáng)度焊的結(jié)構(gòu)特點(Dian)是，焊縫總高要大于等于3/2換熱管壁厚并且要在管板上開坡口，當(dāng)壓力較高時還應(yīng)增加換熱管的外伸高度。圖（a）為32X2.5的換熱管與管板間密封焊，（B）為強(qiáng)度焊結(jié)構(gòu)。2/28/2023116Qust——管殼式換熱器設(shè)計第一百一十六頁，共一百四十八頁。以(Yi)前學(xué)員問題（1）(1)在設(shè)計壓力容器當(dāng)中最讓我頭疼的是：管法蘭墊片的選擇，有時候真不知道去選擇哪個墊片。比如纏繞墊的填充帶材料什么時候用石棉的，什么時候用柔性石墨、聚四氟乙烯的。內(nèi)環(huán)材料什么時候用碳鋼的。2/28/2023117Qust——管殼式換熱器設(shè)計第一百一十七頁，共一百四十八頁。⑴墊片選擇，主要考慮：壓(Ya)力等級、耐腐蝕性、密封結(jié)構(gòu)；⑵石棉的用于普通場合，柔性石墨是一種研究較晚的墊片，其特點：密封性好、彈性好、耐腐蝕、多用于氣體密封，但價格較貴。聚四氟乙烯耐腐蝕性好，價格同柔性石墨差不多，但是有適用溫度范圍，查聚四氟乙烯的性質(zhì)。2/28/2023118Qust——管殼式換熱器設(shè)計第一百一十八頁，共一百四十八頁。⑶具體可以參閱如下文獻(xiàn)：①過程設(shè)備設(shè)計，鄭津洋主編，化學(xué)工業(yè)出版社，第三版，4.4.3密封裝備設(shè)計相關(guān)內(nèi)容，及表4-9與4-11，基本可以滿足你(Ni)的要求。②國標(biāo)：JB/74718-1992,JB/4719-1992,JB/4720-19922/28/2023119Qust——管殼式換熱器設(shè)計第一百一十九頁，共一百四十八頁。2023/2/28Qust——管(Guan)殼式換熱器設(shè)計120在管式換熱器工藝設(shè)計中，管內(nèi)流速一般控制在多大的范圍內(nèi)比較合適，這與介質(zhì)的溫差有沒有關(guān)系?在管式換熱器工藝設(shè)計中，蒸汽和水換熱，一般水走管程，蒸汽走殼程，在蒸汽的冷凝過程中，三個階段的K值取值有沒有一個限定的范圍，以您長期的經(jīng)驗積累，K的經(jīng)驗值大概有多大？以前學(xué)員問題（2）第一百二十頁，共一百四十八頁。高流速會得到高的傳熱系數(shù)，但是壓降也會很高，同時會產(chǎn)生磨蝕；但是又需要保持足夠高的流速，防止任何懸浮物沉淀、減少結(jié)垢。對于液體：管側(cè)：過程流體：1-2m/s；水：1.5-2.5m/s；如果需要防垢則最大4m/s。殼程：0.3-1m/s；氣體流速由工作壓力與流體密度(Du)決定；真空：50-70m/s；大氣壓：10-30m/s；高壓：5-10m/s；2023/2/28Qust——管殼式換熱器設(shè)計121管程與殼程流速的選擇第一百二十一頁，共一百四十八頁。應(yīng)該查取相關(guān)的手冊，如果想降低操作費用，在可允許范圍內(nèi)選取較小的K值，如為了降低設(shè)備費用，則選擇較大的K值。推薦的K值范圍詳見中國石化集團(tuán)上海工程有(You)限公司編寫:《化工工藝設(shè)計手冊》上冊656頁。2023/2/28Qust——管殼式換熱器設(shè)計122K值的選取第一百二十二頁，共一百四十八頁。工程師在尋找最佳設(shè)計時，將要受到很多因素的制約。這些約束來自諸多不同方面，有些因素是不能改變的。目前人們都在忙碌的趕任務(wù)(Wu)，似乎忘記了優(yōu)化設(shè)計。設(shè)計是一種富有創(chuàng)造性勞動，作為一名設(shè)計人員，在不斷學(xué)習(xí)與總結(jié)經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，理解設(shè)計對象的特點（工藝與設(shè)備的）以及約束條件，交出一份精美的作品。

第二個問題：優(yōu)化設(shè)計第一百二十三頁，共一百四十八頁。不能由設(shè)計者變通的因(Yin)素稱為外部約束條件。

材料性能等自然規(guī)律；安全生產(chǎn)政府法令、法規(guī)；技術(shù)部門等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范等。

(1)外部約束條件是不能改變的因素第一百二十四頁，共一百四十八頁。一(Yi)些影響設(shè)計的因素則不是一成不變的，設(shè)計者根據(jù)具體情況可以去控制，在尋求最佳設(shè)計中努力去發(fā)揮其創(chuàng)造性才能，這些由設(shè)計者能在一定程度上控制的設(shè)計約束條件可稱為內(nèi)部約束條件。（2）內(nèi)部約束條件是可變動的因素

內(nèi)部約束條件設(shè)計方法材料選擇結(jié)構(gòu)方案成本時間安排第一百二十五頁，共一百四十八頁。（3）最佳設(shè)計(Ji)約束條件第一百二十六頁，共一百四十八頁。根據(jù)優(yōu)化設(shè)計原則，設(shè)計工程師當(dāng)接受(Shou)設(shè)計任務(wù)后應(yīng)認(rèn)真了解和分析設(shè)計條件及要求。

●設(shè)計任務(wù)書設(shè)計任務(wù)書稱作設(shè)備規(guī)格書，必須是完整的準(zhǔn)確的

●載荷條件內(nèi)壓載荷、外壓載荷、靜載荷、交變載荷等（4）設(shè)計任務(wù)書的下達(dá)及設(shè)計條件第一百二十七頁，共一百四十八頁?！駵囟群銣嘏c變溫—變溫引起溫度應(yīng)力●工作介質(zhì)工作介質(zhì)是選擇材料的依據(jù)，可分為：

腐蝕性介質(zhì)、易燃介質(zhì)與易爆介質(zhì)?！癫僮鳁l件(Jian)的選擇設(shè)計應(yīng)明確控制設(shè)計操作條件，分為正常工況和非正常工況，設(shè)計應(yīng)符合最苛刻的條件?！裰饕に嚦叽绲谝话俣隧?，共一百四十八頁。結(jié)構(gòu)設(shè)計的具體實施往往不是設(shè)計者(Zhe)個人的事情，常受到設(shè)計者所在單位，乃至行業(yè)的習(xí)慣所左右。設(shè)計有賴于經(jīng)驗的積累，但是過去的經(jīng)驗需要結(jié)合時代的發(fā)展加以歸納和總結(jié)，而新的領(lǐng)域新的任務(wù)則是老的經(jīng)驗不能全部涵蓋的。第一百二十九頁，共一百四十八頁。2006年3月30日，山東某生物化工廠一發(fā)酵罐發(fā)生失穩(wěn)，直接經(jīng)濟(jì)損失80多(Duo)萬元。該罐筒節(jié)長10m，壁厚12mm，容積135m3，設(shè)計壓力0.4MPa，工作壓力不足0.1MPa。發(fā)酵罐工藝流程為：首先高溫滅菌，冷卻，然后投料，再滅菌，最后出料冷卻。發(fā)酵罐在空罐滅菌冷卻過程中發(fā)生了失穩(wěn)現(xiàn)象，筒節(jié)上有四五個波束，罐體發(fā)生傾斜。典型案例第一百三十頁，共一百四十八頁。設(shè)計時沒有考慮全面危險工況，壁厚增加2mm，或者設(shè)置加強(qiáng)圈，或者設(shè)置負(fù)壓安全閥都可避免事故的發(fā)(Fa)生。操作時沒能嚴(yán)格按照規(guī)范進(jìn)行。作為專業(yè)發(fā)酵罐的制造商應(yīng)當(dāng)不斷積累經(jīng)驗，熟知產(chǎn)品使用中的危險工況，全面設(shè)計；作為用戶應(yīng)當(dāng)全面介紹設(shè)備服役的工藝條件，做好設(shè)計條件交接結(jié)論和教訓(xùn)第一百三十一頁，共一百四十八頁。設(shè)計過程中的創(chuàng)造性部分(Fen)就是滿足設(shè)計任務(wù)在目標(biāo)要求的前提下提出可行的設(shè)計方案，以便進(jìn)行分析、評價和選擇。這時，設(shè)計者主要依靠自己的，并善于借鑒他人的以往設(shè)計經(jīng)驗。一個設(shè)計不可能是全新的，通常有許多先例可以參考，一個有經(jīng)驗的設(shè)計者能夠得心應(yīng)手的選擇經(jīng)過實踐考驗的方案，而不大可能也沒有試圖去做出一鳴驚人的全新設(shè)計。所謂最佳設(shè)計也是在一定條件下，相對其他方案能更好地滿足工藝要求且較易實現(xiàn)的設(shè)計方案。

第三個問題：按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范設(shè)計與工程設(shè)計的創(chuàng)新目前研究領(lǐng)域內(nèi)的一些誤區(qū)。第一百三十二頁，共一百四十八頁。設(shè)計中有時候碰到標(biāo)準(zhǔn)范圍外的事情，例如：

目前超低溫大型儲罐的設(shè)計等，設(shè)計單位怎么辦？雙管板的一些計算與設(shè)計？超大型換(Huan)熱器的設(shè)計與施工？等沒有標(biāo)準(zhǔn)怎么辦？第一百三十三頁，共一百四十八頁。2023/2/281341995年夏天，山東某純堿廠一臺直徑36m高近20m壁厚25mm的倒錐臺型鹽水沉降槽在盛水試驗時發(fā)生失穩(wěn)，設(shè)備瞬間展(Zhan)成平板，巨大的落水將傍邊750mm直徑的管道攔腰沖斷，兩人當(dāng)場下落不明。因無標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)的設(shè)計方法，設(shè)備的設(shè)計僅參考了一臺同類型25m直徑的設(shè)備，將壁厚按比例放大，建造時設(shè)備基礎(chǔ)平整度又沒有嚴(yán)格保證。因未帶照相器材，沒能留下影像，成為了永遠(yuǎn)的遺憾。第一百三十四頁，共一百四十八頁。2023/2/28135任何設(shè)計方法和公式都有其適用范圍，當(dāng)超出其適用范圍后，應(yīng)進(jìn)行審慎的分析，方可決定采用與否，或者直接采用分析設(shè)計的方法。大型容器（無(Wu)論是否是壓力容器）應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格要求安裝資質(zhì)，并嚴(yán)格管理。教訓(xùn)第一百三十五頁，共一百四十八頁。國產(chǎn)首臺超(Chao)大型管殼式換熱器設(shè)計立式固定管板換熱器，換熱管采用6283根直徑