管殼式換熱器工藝計算算例

管殼式換熱器工藝計算算例管殼式換熱器應(yīng)用非常廣泛，在制冷、機械、化工等領(lǐng)域都有應(yīng)用。本期我們就繼續(xù)來探討下管殼式換熱器的設(shè)計問題。一、換熱器的分類管殼式換熱器根據(jù)結(jié)構(gòu)特點可分為下列兩類。

1.剛性結(jié)構(gòu)的管殼式換熱器：這種換熱器又成為固定管板式，通常可分為單管程和多管程兩種。它的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單緊湊、造價便宜和應(yīng)用較廣；缺點是管外不能進行機械清洗。

2.具有溫差補償裝置的管殼式換熱器：它可使受熱部分自由膨脹。該結(jié)構(gòu)形式又可分成：

①浮頭式換熱器：這種換熱器的一端管板能自由伸縮，即所謂“浮頭”。他適用于管壁和殼壁溫差大，管束空間經(jīng)常清洗。但它的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，加工制造的費用較高。

②U形管式換熱器：它只有一塊管板，因此管子在受熱或冷卻時，可以自由伸縮。這種換熱器的結(jié)構(gòu)簡單，但制造彎管的工作量較大，且由于管子需要有一定的彎曲半徑，管板的利用率較差，管內(nèi)進行機械清洗困難，拆換管子也不容易，因此要求通過管內(nèi)的流體是清潔的。這種換熱器可用于溫差變化大，高溫或高壓的場合。

③填料函式換熱器：它有兩種形式，一種是在管板上的每根管子的端部都有單獨的填料密封，以保證管子的自由伸縮，當換熱器內(nèi)的管子數(shù)目很少時，才采用這種結(jié)構(gòu)，但管距比一般換熱器要大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。另一種形式是在列管的一端與外殼做成浮動結(jié)構(gòu)，在浮動處采用整體填料函密封，結(jié)構(gòu)較簡單，但此種結(jié)構(gòu)不易用在直徑大、壓力高的情況。填料函式換熱器現(xiàn)在很少采用。二、設(shè)計條件的審查換熱器的設(shè)計，用戶應(yīng)提供一下設(shè)計條件（工藝參數(shù)）：管、殼程的操作壓力（作為判定設(shè)備是否上類的條件之一，用戶或工藝提供）②管、殼程的操作溫度（進口/出口）用戶或工藝提供③金屬壁溫（工藝計算得出（用戶或工藝提供））④物料名稱及特性，用戶或工藝提供⑤腐蝕裕量

⑥程數(shù)，用戶或工藝提供⑦換熱面積，用戶或工藝提供⑧換熱管規(guī)格，排列形式（三角形或正方形），用戶或工藝提供⑨折流板或支撐板數(shù)量，用戶或工藝提供⑩保溫材料及厚度（以便確定銘牌座伸出高度），用戶或工藝提供⑾油漆:

Ⅰ.如用戶有特殊要求，請用戶提供牌號，顏色Ⅱ.用戶無特殊要求，設(shè)計人員自己選定2.幾個重點設(shè)計條件

①操作壓力：作為判定設(shè)備是否上類的條件之一，必須提供

②物料特性：如用戶不提供物料名稱則必須提供物料的毒性程度。因為介質(zhì)的毒性程度關(guān)系到設(shè)備的無損監(jiān)測、熱處理、鍛件的級別對于上類設(shè)備，還關(guān)系到設(shè)備的劃分：a.

GB150

10.8.2.1(f)圖樣注明盛裝毒性極度危害或高度危害介質(zhì)的容器100%RT.b.10.4.1.3

圖樣注明盛裝毒性為極度或高度危害介質(zhì)的容器，應(yīng)進行焊后熱處理（奧氏體不銹鋼的焊接接頭可不進行熱處理）c.鍛件.使用介質(zhì)的毒性為極度或高度危害性的鍛件應(yīng)符合Ⅲ級或Ⅳ級要求。

③管規(guī)格：常用的

碳鋼φ19×2，φ25×2.5，φ32×3，

φ38×5不銹鋼φ19×2，φ25×2，

φ32×2.5，φ38×2.5換熱管的排列形式：三角形，轉(zhuǎn)角三角形，正方形，轉(zhuǎn)角正方形?！飺Q熱管間需要機械清洗時，應(yīng)采用正方形排列。

1．設(shè)計壓力，設(shè)計溫度，焊接接頭系數(shù)

2．直徑：DN<400的圓筒，采用鋼管。

DN≥400的圓筒，采用鋼板卷制。

16”鋼管------與用戶商量采用鋼板卷制。

3．布置圖：

根據(jù)換熱面積、換熱管規(guī)格畫布置圖，確定換熱管數(shù)量。如果用戶提供了布管圖，也要復(fù)核布管是否在布管限定圓以內(nèi)。

★布管的原則：

①在布管限定圓內(nèi)應(yīng)布滿管。

②多管程的各管程數(shù)應(yīng)盡量相等。

③換熱管應(yīng)對稱排列。

4．材料

管板本身具有凸肩并與圓筒（或封頭）連接時，應(yīng)采用鍛件。由于采用此種結(jié)構(gòu)的管板一般都用于壓力較高、易燃、易爆、以及毒性程度為極度、高度危害的場合，對管板要求較高，管板也較厚。為避免凸肩處產(chǎn)生加渣、分層、及改善凸肩處纖維受力的狀況，減少加工量，節(jié)約材料，采用凸肩與管板直接鍛造出來的整體鍛件來制造管板。

5．換熱器與管板的連接方式

管子于管板的連接，在管殼式換熱器的設(shè)計中是一個比較重要的結(jié)構(gòu)部分。他不僅加工工作量大，而且必須使每一個連接處在設(shè)備運作中，保證介質(zhì)無泄漏及承受介質(zhì)壓力能力。管子與管板的連接方式主要有以下三種：a脹接；b焊接；c脹焊接脹接用于管殼之間介質(zhì)滲漏不會引起不良后果的情況，特別適用于材料可焊性差（如碳鋼換熱管）及制造廠的工作量過大的情況。由于脹接管端處在焊接時產(chǎn)生塑性變形，存在著殘余應(yīng)力，隨著溫度的升高，殘余應(yīng)力逐漸消失，這樣使管端處降低密封和結(jié)合力的作用，所以脹接結(jié)構(gòu)受到壓力和溫度的限制，一般適用于設(shè)計壓力≤4Mpa，設(shè)計溫度≤300度，并且在操作中無劇烈地震動，無過大的溫度變化及無明顯的應(yīng)力腐蝕。焊接連接具有生產(chǎn)簡單、效率高、連接可靠的優(yōu)點。通過焊接，使管子對管板有較好的增將作用；并且還有可降低管孔加工要求，節(jié)約加工工時，檢修方便等優(yōu)點，故應(yīng)優(yōu)先采用。此外，當介質(zhì)毒性很大，介質(zhì)和大氣混合易發(fā)生爆炸介質(zhì)有放射性或管內(nèi)外物料混合會產(chǎn)生不良影響時，為確保接頭密封，也常采用焊接法。焊接法雖然優(yōu)點甚多，因為他并不能完全避免“縫隙腐蝕”和焊接節(jié)點的應(yīng)力腐蝕，而且薄管壁和厚管板之間也很難得到可靠的焊縫。

焊接法雖然較脹接可以乃更高的溫度，但是在高溫循環(huán)應(yīng)力的作用下，焊口極易發(fā)生疲勞裂紋，列管與管孔存在間隙，當受到腐蝕介質(zhì)的侵蝕時，以會加速接頭的損壞。因此，就產(chǎn)生了焊接和脹接同時使用的方法。這樣不但能提高接頭的抗疲勞性能，同時可以降低縫隙腐蝕傾向，因而其使用壽命比單用焊接時長的多。在什么場合下適宜施行焊、脹接并用的方法，目前尚無統(tǒng)一標準。通常在溫度不太高而壓力很高或介質(zhì)極易滲漏時，采用強度脹加密封焊（密封焊是指單純防止?jié)B漏而施行的焊接，并不保證強度）。

當在壓力和溫度都很高的情況下，則采用強度焊加貼脹，（強度焊是即使焊縫有嚴密性，又能保證接頭具有較大的拉脫力，通常是指焊縫強度等于管子軸向負荷下的強度時的焊接）。貼脹的作用主要是消除縫隙腐蝕和提高焊縫的抗疲勞性能。具體的結(jié)構(gòu)尺寸標準中（GB/T151）已有規(guī)定，在此不再詳述。

對于管孔表面粗糙度的要求：a當換熱管與管板焊接連接時，管的表面粗糙度Ra值不大于35uM。b單換熱管與管板脹接聯(lián)接時，管孔表面粗糙度Ra值不大于12.5uM脹接連接時，管孔表面不應(yīng)有影響脹接緊密性的缺陷，如貫通的縱向或螺旋狀刻痕等。三、設(shè)計計算1.殼體壁厚計算

（包括管箱短節(jié)、封頭、殼程筒體的壁厚計算）管、殼程筒體壁厚應(yīng)滿足GB151中最小壁厚的規(guī)定，對于碳素鋼和低合金鋼最小壁厚是按腐蝕裕量C2=1mm考慮的，對于C2大于1mm的情況，殼體的最小壁厚應(yīng)相應(yīng)增加。

2.開孔補強計算

對于殼體采用鋼管制的，建議采用整體補強（增加筒體壁厚或采用厚壁管）；對于比較厚的管箱上開大孔考慮綜合經(jīng)濟性。不另行補強應(yīng)滿足的幾點要求：①設(shè)計壓力≤2.5Mpa；②相鄰兩孔中心距應(yīng)不小于兩孔直徑之和的兩倍；③接管公稱直徑≤89mm；④接管最小壁厚應(yīng)表8-1的要求（接管腐蝕裕量為1mm）。

3．法蘭

設(shè)備法蘭采用標準法蘭時應(yīng)注意法蘭與墊片、緊固件的匹配，否則應(yīng)對法蘭進行計算。比如甲型平焊法蘭在標準中與其匹配的墊片為非金屬軟墊片；當采用纏繞墊片應(yīng)對法蘭重新計算。

4．管板

需注意以下幾個問題：管板的設(shè)計溫度：根據(jù)GB150及GB/T151的規(guī)定,應(yīng)取不低于元件的金屬溫度,但在管板計算中無法保證管\殼程介質(zhì)作用,且管板的金屬溫度很難計算,故一般取較高側(cè)的設(shè)計溫度為管板的設(shè)計溫度。②多管程換熱器：在布管區(qū)范圍內(nèi)，因設(shè)置隔板槽和拉桿結(jié)構(gòu)的需要而未能被換熱器支承的面積Ad：按GB/T151公式計算。③管板的有效厚度管板的有效厚度系指管程分程隔板槽底部的管板厚度減去下列二者之和

a管程腐蝕裕量超出管程隔板槽深度的部分

b殼程腐蝕裕量與管板在殼程側(cè)的結(jié)構(gòu)開槽深度二者中的最大植

5.膨脹節(jié)的設(shè)置在固定管板換熱器中，由于管程內(nèi)流體與管程流體之間具有溫差，而換熱器和殼體與管板固定連接，這樣在使用狀態(tài)時，殼體與管子之間有膨脹差存在，殼體和管子受到軸向載荷。為了避免殼體和換熱器破壞、換熱器失穩(wěn)、換熱管從管板上拉脫，就應(yīng)設(shè)置膨脹節(jié)，以降低殼體和換熱器的軸向載荷。一般在殼體和換熱器壁溫差較大時，需考慮設(shè)置膨脹節(jié)，在管板計算中，按有溫差的各種共況計算出σt、σc、q，其中有一個不合格時，就需增加膨脹節(jié)。σt——換熱管軸向應(yīng)力

σc——殼程圓筒軸向應(yīng)力q——換熱管與管板連接的拉脫力四、結(jié)構(gòu)設(shè)計

1．管箱（1）管箱的長度a最小內(nèi)側(cè)深度①軸向開孔的單管程管箱，開口中心處的最小深度應(yīng)不小于接管內(nèi)直徑的1/3；②管程的內(nèi)外側(cè)深度應(yīng)保證兩程之間的最小流通面積不小于每程換熱管流通面積的1.3倍；

b最大內(nèi)側(cè)深度考慮內(nèi)件焊接和清理是否方便，尤其對于公稱直徑較小的多管程換熱器。

（2）分程隔板隔板的厚度和布置按GB151表6和圖15，對于厚度大于10mm的分程隔板，密封面應(yīng)削邊至10mm；對于列管式換熱器，隔板上應(yīng)設(shè)置淚孔（排凈孔），排凈孔的直徑一般為6mm。

2.殼體及管束①管束級別Ⅰ、Ⅱ級管束，僅僅針對碳鋼、低合金鋼換熱管國內(nèi)標準中還存在著“較高級”和“普通級”制訂的。一旦國內(nèi)換熱管能夠采用“較高級”鋼管時，碳鋼、低合金鋼換熱管束無需再分Ⅰ級和Ⅱ級Ⅰ、Ⅱ管束的區(qū)別主要在于換熱管的外徑、壁厚偏差不同，相應(yīng)地管孔尺寸和偏差不同Ⅰ級管束的精度要求高一些，對于不銹鋼換熱管，只有Ⅰ級管束；對于常用的碳鋼換熱管

②管板a管孔尺寸偏差注意Ⅰ、Ⅱ級管束的區(qū)別

b分程隔板槽Ⅰ槽深一般不小于4mmⅡ分程隔板槽寬：碳鋼12mm；不銹鋼11mmⅢ分程隔板槽拐角處的倒角一般為45度，倒角寬度b近似等于分程墊片的圓角半徑R。

③折流板a管孔尺寸：按管束級別區(qū)分b弓形折流板的缺口高度缺口高度應(yīng)使流體通過缺口時與橫過管束的流速相近，缺口弦高一般取0.20—0.45倍的圓角內(nèi)直徑，缺口一般切在管排中心線以下或切于兩排管孔的小橋之間(便于穿管方便)。c缺口方位單向清潔流體，缺口上下布置；氣體中含少量的液體，缺口朝上的折流板的最低處開通液口；液體中含少量氣體，缺口朝下的折流板的最高處開通氣口氣液共存或液體中含有固體物料時，缺口左右布置，并在最低處開通液口d折流板的最少厚度；最大無支撐跨距e管束兩端的折流板盡可能靠近殼程進出、口接管

④拉桿a拉桿的直徑和數(shù)量直徑和數(shù)量按表6-32，6-33選用，在保證大于或等于表6-33所給定的拉桿截面積的前提下，拉桿的直徑和數(shù)量可以變動，但其直徑不得小于10mm，數(shù)量不小于4根b拉桿應(yīng)盡量均勻布置在管束的外邊緣，對于大直徑的換熱器，在布管區(qū)或靠近折流板缺口處應(yīng)布置適當數(shù)量的拉桿，任何折流板應(yīng)不小于3個支撐點c拉桿螺母，有的用戶要求下面一個螺母與折流板電焊

⑤防沖板a防沖板的設(shè)置是為了減少流體的不均勻分布和對換熱管端的沖蝕b防沖板的固定方式盡可能固定在定距管上或靠近管板的第一塊折流板，當殼程進口位于非固定拉桿的管板的一側(cè)時，防沖板可焊在筒體上

⑥膨脹節(jié)的設(shè)置a位于兩側(cè)折流板之間為了減少膨脹節(jié)的流體阻力，必要時可在膨脹節(jié)內(nèi)側(cè)設(shè)置一個襯筒，襯筒應(yīng)在順流體流動方向上與殼體焊接，對于立式換熱器，當流體流動方向朝上時，應(yīng)在襯筒下端設(shè)置排液孔b膨脹節(jié)的保護裝置，防止設(shè)備在運輸過程中或使用中拉壞

⑦管板與殼體的連接a延長部分兼作法蘭b不帶法蘭的管板（GB151附錄G）

3.管法蘭：

①設(shè)計溫度大于等于300度，應(yīng)采用對接法蘭。②對于不能利用接管式接口進行放氣和排液的換熱器，應(yīng)在管、殼程最高點設(shè)置放氣口、最低點設(shè)置排液口，其最小公稱直徑為20mm。③立式換熱器可設(shè)置溢流口。

4．支座：按GB151種5.20條的規(guī)定。

5.其他附件①吊耳質(zhì)量大于30Kg的官箱及管箱蓋宜設(shè)置吊耳。②頂絲為了便于拆卸管箱、管箱蓋，應(yīng)在官板、管箱蓋上設(shè)置頂絲。制造、檢驗的要求

1．管板

①拼接管板的對接接頭進行100%射線檢驗或UT,合格級別：RT：Ⅱ級UT:Ⅰ級；

②除不銹鋼外，拼接的管板消除應(yīng)力熱處理；

③管板孔橋?qū)挾绕?按公式進行計算孔橋?qū)挾龋築=(S-