换热设备第2讲-管板计算
制冷换热器管板计算
制冷换热器管板计算制冷换热器管板是一种常见的传热器件，广泛应用于制冷、空调、化工等行业中。
其主要工作原理是通过管子将热量从一个介质传递到另一个介质，并使两种介质之间的温度差达到预定要求。
管板计算是设计管板的重要一环，下面将详细介绍制冷换热器管板计算的相关内容。
一、制冷换热器管板计算的目的制冷换热器管板的计算的主要目的是确定管板的结构尺寸和热传递面积。
通过计算，可以得到管板上每根管子的位置、间距和径向布置方式。
同时，还可以确定单根管子的长度和管子之间的距离，以及管子与管板之间的间隙大小。
这些参数都是设计制冷换热器管板时必须要确定的。
二、制冷换热器管板计算的基本原理制冷换热器管板计算的基本原理是对流传热学原理和机械结构力学原理的综合应用。
首先需要确定换热要求，包括制冷侧和冷却剂侧的温度和流量，以及传热区域的热传递系数。
然后根据这些参数，通过理论计算或实验结果，确定换热管子的直径和长度。
最后，根据管子的数量和排列方式，确定管板的结构尺寸。
三、制冷换热器管板计算的具体步骤1.确定制冷侧和冷却剂侧的热传递参数，包括流体温度、流速和热传递系数等。
这些参数可以通过实验或理论计算得到。
2.根据热传递参数和传热公式计算出单根管子的传热功率。
传热公式可以根据换热介质的不同选择不同的模型。
3.确定单根管子的直径和长度。
根据传热功率和传热系数，可以通过传热方程计算出单根管子的长度。
4.确定管子的排列方式和管板的结构尺寸。
根据工艺要求和管子的尺寸，可以选择不同的管子布置方式，如等间距排列、等径向布置等。
然后根据管子的数量和间距，确定管板的结构尺寸。
5.进行强度计算。
计算管板的刚度和强度，以确保管板在工作条件下不会发生变形和破坏。
四、制冷换热器管板计算的常见问题在制冷换热器管板计算中，常见的问题包括管子的数量和管子之间的间距选择、管板的刚度和强度计算、管子与管板之间的间隙控制等。
这些问题都需要根据具体情况进行综合考虑，在满足换热要求的前提下，尽量减小管板的尺寸和重量，降低管子的成本。
换热设备第2讲-管板计算
管壳式换热器简图1-管子；2-封头；3-壳体；4-接管；5-管板；6-折流板管板的设计管板基本情况•••管板基本情况管板基本情况管板强度分析的三种基本假设•••管板结构简化模型1管板结构简化模型2管板结构简化模型3荷、放置在弹性基础上的受管孔均匀削弱的当量圆平板GB151《管壳式换热器》中管板设计的基本考虑••••黄克智院士和管板设计规范黄克智院士和管板设计规范••••黄克智院士和管板设计规范•••黄克智院士和管板设计规范•“全国科学大会奖”••黄克智院士和管板设计规范黄克智院士和管板设计规范••••••管板的设计思路-1• 1 管板的弹性分析变形协调条件管板内力与变形分析管板的设计思路-2• 2 危险工况的确定由于换热器运行时，不能保证管程与壳程压力同时作用，在计算管板应力或厚度时，要考虑以下四种危险工况：a) 只有壳程压力Pt,管程压力Pt=0,不考虑温差b) 只有壳程压力Ps,管程压力Pt=0,考虑温差，正温差比负温差危险，分别为管子与壳体的线膨胀系数分别为管子与壳体的平均壁温为换热器装配时的温度()()00θθαθθα−>−s s t t t αs αt θs θ0θ管板的设计思路-2• 2 危险工况的确定c) 只有管程压力Pt,壳程压力Ps=0,不考虑温差d) 只有管程压力Pt,壳程压力Ps=0,考虑温差，负温差比正温差危险，()()00θθαθθα−<−s s t t管板的设计思路-3 3 管板应力的校核径向应力随半径变化曲线管板的设计思路-4 3 管板应力的调整工程中实际做法-1借助压力容器设计软件管板设计的辅助软件管板的计算十分繁杂，尽管GB151提供了便于工程应用的计算式和图表，但手算工作量很大，为此，我国已开发了包括管壳式换热器在内的化工设备强度计算软件，SW6,包括了管板的设计与校核。
SW6-1998 V2.0 《过程设备强度计算软件包》及PVCAD《计算机辅助设计软件包》压力容器设计计算软件包•SW6《过程设备强度计算软件包》，以下简称SW6-98。
管板计算
正方形排列
= =
215666.00
mm2
布积
多管程
三角形排列
= =
管
正方形排列
= =
管板开孔后面积
123381.50
mm2
一根换热管管壁金属横截面积
176.71
mm2
管板布管区当量直径
=524.02
mm
换热管有效长度
L=Lt-2n-2l2=5893.00
mm
管束模数
=2054.86
管束无量纲刚度
Q345R
板材
输入管板名义厚度n
52.00
mm
管板强度削弱系数
0.40
管板刚度削弱系数
0.40
隔板槽面积Ad
23154.00
mm2
换热管与管板胀接长度或焊脚高度l
3.00
mm
设计温度下管板材料弹性模量Ep
191000.00
MPa
设计温度下管板材料许用应力
160.00
MPa
许用拉脱力[q]
54.00
mm
mm
前
校核
端
前端管箱封头名义厚度
mm
管
校核
箱
前端管箱法兰厚度
mm
校核
后端管箱筒体名义厚度
mm
后
校核
端
后端管箱封头名义厚度
mm
管
校核
箱
后端管箱法兰厚度
mm
校核
带法兰凸形封头名义厚度
mm
浮
校核
头
法兰设计厚度
mm
盖
校核
钩圈计算厚度
mm
校核
管
管板名义厚度
换热器矩形管板的计算
３）
、 ＝ｘ ／ ３、 ９／ ０
：
Ｊｍ ｍ
．
—
设计温度下材料的许用应力 ，
＝
若考 虑开 孔 削弱 ，则有
１ ３８Ｎ／ ｍｍ 。
堕 Ｌ ： ４９ ｍｍ ７
‘ 、 Ｏ５ １ ／． ４
矩 形管 板 的几何 尺 寸如 图 １ 示 。 所
３ 按带 底板 半 圆筒 形容器 计算 将 底板 当做 边缘 支持 承受 均布 载荷 的矩 形平板
— —
Ｚ 一 非 圆形平 盖 的形 状 系数 ， ＿ ．
Ｚ＝３． ． ４—２４ａ
，
且 Ｚ≤２５ ．。
开孔 削 弱系数 或 横 向收缩 系数 ，
： ：
经 算 ｚ． ． ＝ —× ｌ２ ， 计 ，＝ — 手３２ ＿ ． ３２ ．． ４ ４ ４ ４ ＝２ ９
取 Ｚ ２５ ＝ ．。
。
０．４１； ５
图 ２ 带 底 板 半 圆 筒 形 召 器 截 面 圈
ｓＣ、 ＝ ｒ／ Ｃｆ ０×２３ 、 ．１５０／ ４ ．× × ５５ ９
＝ ＝
［］＝
ｔ‘ ｌ
（） ３
丽
式中
ｔ Ｋ — 系数 ，Ｋ （ ． ０２ ５ ） １ ８２ — ： Ｏ４ ． ｂ 一 １ ＋ ７
．
．
；
４ ９ ８．８ ｍｍ
ｒｆ ｒ ｎ ｅ ｏ ｅ ｓ ｍｅｔ ｐ ｆ ｑ ｉ ｍｅ ｔ． ｅ ｅ ｅ ｃ ｓｆ ｒｔ ａ ｙ ｅ ｏ ｕ ｐ ｎ ｓ ｈ ｅ Ｋｅ ｒ ｓ：Ｈｅ ｔｅ ｃ ａ ｇ ｒ Ｒ ｃ ａ ｇ ｌ ｒｔ ｂ ｌ ｔ ｙ ｗｏ ｄ ａ ｘ ｈ ｎ ｅ ； ｅ ｔ ｎ ａ ｅ ｐ ａｅ；Ｆ ａ ｏ ｅ ；Ｐ ｅ ｓ ｒ ｅ ｓ ｌ ｕ ｕ ｌｔｃ ｖ ｒ ｒ ｓ ｕ ｅ ｖ ｓ ｅ
热交换器原理与设计第2章 管壳式热交换器
☆挡管是两端堵死的管子，安置在相应于分程隔板槽后面的 位置上，每根挡管占据一根换热管的位置，但不穿过管板， 用点焊的方法固定于折流板上。通常每隔3～4排管子安排一 根挡管，但不应设置在折流板缺口处，也可用带定距管的拉 杆来代替挡管。
优点：结构简单，制造成本低，规格范围广，工程中应用广泛。 缺点：壳侧不便清洗，只能采用化学方法清洗，检修困难，对较脏
或有腐蚀性介质不能走壳程。当壳体与换热管温差很大时， 可设置单波或多波膨胀节减小温差应力。
管壳式换热器结构名称
单程管壳式换热器
1 —外壳，2—管束，3、4—接管，5—封头 6—管板，7—折流板
图2.25 折流板的几何关系
2.2.4 进出口连接管直径的计算
进出口连接管直径的计算仍用连续性方程， 经简化后计算公式为：
D 4M1.13M
πρw
ρw
2.3 管壳式热交换器的传热计算
1) 选用经验数据：根据经验或参考资料选用工艺条 件相仿、设备类型类似的传热系数作为设计依据。 如附录 A。 2) 实验测定：实验测定传热系数比较可靠，不但可 为设计提供依据，而且可以了解设备的性能。但实 验数值一般只能在与使用条件相同的情况下应用。
焊在换热管上）。
图2.23 防冲板的形式
a) 内导流筒 图2.24 导流筒的结构
b) 外导流筒
★导流筒
❖ 在立式换热器壳程中，为使气、液介质更均匀地流入管间， 防止流体对进口处管束段的冲刷，而采用导流筒结构。
高压u形管换热器的管板计算
高压u形管换热器的管板计算换热器是工业和家用空调系统中的重要设备，由内外管壳和一组密封的管道系统组成。
换热器中的管板是决定换热器散热效果的关键。
本文就针对高压u形管换热器，介绍其管板计算方法，并讨论其在设计过程中将如何影响系统散热性能。
管板计算是换热器管板设计的一个重要环节。
由于高压u形管换热器的管道系统中存在复杂的湍流现象，所以它的管板计算要更加复杂和考虑更多的因素。
根据流体动力学的原理，采用压力减损计算、摩擦损失计算和流量计算的方法，可以确定换热器的管板参数，控制其换热散热效果。
压力减损计算是高压u形管换热器的管板计算方法之一，通过模拟管道系统中的实际情况，计算出流体通过管板时压力减损的大小，从而设计出管板结构和安装参数。
如，可以采用最小损耗原理，使管板结构获得最低的压力减损，这样能减少系统的能量消耗，提高系统效率。
摩擦损失计算是另一种常用的管板计算方法。
它主要是根据换热器管道系统参数，计算管壳、管板和管材之间的摩擦损失，以及管道内的流体流动的摩擦系数，从而确定管板的制作参数。
注意，摩擦损失计算可以满足不同类型的流路要求，并有利于减少系统损耗。
流量计算是换热器管板计算的必要部分，通过确定系统流量确定管板的安装参数。
一般而言，流量计算可以帮助确定管板的尺寸、重量和管壳的内径大小，它们都是管板计算的关键参数。
所以，上述介绍的管板计算方法可以帮助我们准确设计出符合要求的管板。
通过采用这些方法，可以有效地提高系统的散热性能，同时减少系统的能耗。
但同时也要提醒，在设计高压u形管换热器时，除了考虑管板之外，还要考虑其他参数，包括系统容积、制冷剂进出口流量、管壳结构、外壳材料等，这些参数息息相关，如果有一项出现问题，将会影响整个系统的散热性能，甚至影响换热器的使用寿命。
总之，管板计算是高压u形管换热器的重要环节，在开展管板计算时，必须综合考虑换热器的各项参数，准确确定管板的参数，以确保其达到最佳的散热性能。
热交换器第二章
主要部件的分类及代号
零部件名称表见教材P42
问题：AES500-1.6-54-6/25-4I
管壳式换热器的设计、制造标准
美国的TEMA标准，日本的JIS B8249标准，
英国的BS5500标准
• 国标GB 151-1999：适用范围(1)公称直径 DN≤2600mm；（2）公称压力PN≤35MP；（3）公称 直径和公称压力的乘积≯1.7×104
此排列法在浮头式和填料函式换热器中用得较 多。若将正方形排列的管束旋转45˚安装，可适 当提高壳程对流传热系数。
我国换热器系列中，浮头式则以正方形错列 排列居多
同心圆形
在制氧设备中，有采用同心圆排列法，这 种排列法比较紧凑，且靠近壳体的地方布管均 匀；在小直径的换热器中，按此法在管板上布 置的管数比按正三角形排列的还多。
胀管前后示意图
（a）胀管前
（b）胀管后
胀接管孔结构
强度胀适用范围： P≤4.0MPa t ≤300oC
焊接法
优点： （1）强度高，抗拉脱力强。 （2）修理、更换方便。
缺点： （1）焊接残余应力可能导致应力 腐蚀和疲劳破坏。 （2）间隙腐蚀问题。
•
焊接+胀接
焊胀结合
• 前面我们讲了胀接、焊接后，会发现它们各自有优、缺点， 因而目前广泛应用了胀焊并用的方法，这种方法能提高连 接处的抗疲劳性能，消除应力腐蚀和间隙腐蚀，提高使用 寿命。
胀焊并用连接形式主要有： • ①先焊后胀：强度焊＋贴胀
高温高压换热器中大多用厚壁管，胀接时要使用润滑油， 进入接头后缝隙中会在焊接时生成气体，恶化焊缝质量， 只要胀接过程控制得当，先焊后胀可避免这一弊病。
②先胀后焊：强度胀＋密封焊 适用于管子与管板材料焊接性能
管壳式热交换器的热力计算
3. 壳程流通截面积的确定
a. 纵向隔板，要确定其长度。
采用连续性方程。
标准： 使流体在纵向隔板转弯时的流速与各流程中顺管束流动时速度基本相等。 问题: 怎么确定壳程流速？
b. 弓形折流板，要确定其缺口高度。
标准： 流体在缺口处的流通截面积与流体在两折流板间错流的流通截面积 相接近，以免因流动速度变化引起压降。
b) 回弯阻力
Pi 4
wt2
2
Zt
Pa,
Z t 管程数
c) 进、出口连接管阻力
Pi 1.5
2 wn
2
Pa
2. 壳程阻力计算
a) 无折流板 可直接利用直管中沿程阻力计算公式 4A 当量直径 d 自由流通面积和湿周 U b) 弓形折流板 包括了顺流和叉流的复杂流动，有间隙泄漏、旁路等，所以很难准确地计 算阻力 贝尔-台华法 具体方法见课本
四、管壳式热交换器的合理设计
1．流体在热交换器内流动空间的选择原则：
1）提高传热系数小的一侧的换热系数 2）省材料，降低成本 3）便于清洗检修 4）减少和环境的热量交换 5）减少受热不匀造成的热应力 管内：容积流量小的，不清洁易结垢的，压力高的、有腐蚀性的，加热设备 中的高温流体或低温设备中的低温流体 壳体：容量大尤其是气体，刚性结构换热器中对流传热系数较大的流体，饱 和蒸汽等
山东大学· Βιβλιοθήκη 源与动力工程学院 杜文静第二章 管壳式换热器
一．管壳式热交换器的结构计算
结构计算的目的在于确定设备的主要结构参数和尺寸，包括： (1) 计算管程流通截面积，包括确定管子尺寸、数目、管程数，并选择管 子的排列方式等； (2) 确定壳体直径； (3) 计算壳程流通截面积，包括折流板类型； (4) 计算进出口连接管尺寸。
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管壳式换热器简图
1-管子；2-封头；3-壳体；4-接管；5-管板；6-折流板
管板的设计
管板基本情况
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管板基本情况
管板基本情况
管板强度分析的三种基本假设•
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管板结构
简化模型1
管板结构
简化模型2
管板结构
简化模型3
荷、放置在弹性基础上的受
管孔均匀削弱的当量圆平板
GB151《管壳式换热器》中
管板设计的基本考虑
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黄克智院士和管板设计规范
黄克智院士和管板设计规范
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黄克智院士和管板设计规范
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黄克智院士和管板设计规范
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“全国科学大会奖”
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黄克智院士和管板设计规范
黄克智院士和管板设计规范
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管板的设计思路-1
• 1 管板的弹性分析
变形协调条件
管板内力与变形分析
管板的设计思路-2
• 2 危险工况的确定
由于换热器运行时，不能保证管程与壳程压力同时作用，在计算管板应力或厚度时，要考虑以下四种危险工况：
a) 只有壳程压力Pt,管程压力Pt=0,不考虑温差b) 只有壳程压力Ps,管程压力Pt=0,考虑温差，正温差比负温差危险，分别为管子与壳体的线膨胀系数分别为管子与壳体的平均壁温
为换热器装配时的温度
()()00θθαθθα−>−s s t t t αs αt θs θ0θ
管板的设计思路-2
• 2 危险工况的确定
c) 只有管程压力Pt,壳程压力Ps=0,不考虑温差d) 只有管程压力Pt,壳程压力Ps=0,考虑温差，负温差比正温差危险，()()
00θθαθθα−<−s s t t
管板的设计思路-3 3 管板应力的校核
径向应力随半径变化曲线
管板的设计思路-4 3 管板应力的调整
工程中实际做法-1借助压力容器设计软件
管板设计的辅助软件
管板的计算十分繁杂，尽管GB151提供了便于工程应用的计算式和图表，但手算工作量很大，为此，我国已开发了包括管壳式换热器在内的化工设备强度计算软件，SW6,包括了管板的设计与校核。
SW6-1998 V2.0 《过程设备强度计算软件包》及PVCAD《计算机辅助设计软件包》
压力容器设计计算软件包•SW6《过程设备强度计算软件包》，以下简称SW6-98。
该软件包是以国标GB150《钢制压力容器》；
GB151《钢制管壳式换热器》；GB12333《钢制球形储罐》；JB4710《钢制塔式容器》；JBxxxx《钢制卧式容器》及HG20582《钢制化工容器强度计算规定》为编制依据。
它的运行环境为WINDOWS系统，此软件在运行过程中直观、方便、灵活。
•该软件包含了10个设备计算程序，每个设备计算程序既可进行设备的整体计算，也可进行该设备中某一个零部件的单独计算。
SW6-98软件内容
•SW6-98软件有10个设备级计算程序，一个零部件计算程序和一个用户材料数据库管理程序。
每个计算程序有对应的一组图标，只要点击图标就能使某个程序运行。
•SW6-98对一种设备的输入数据文件都规定了一个后缀名。
工程中实际做法-2借助有限元方法
传热分析计算结果
应力分析计算结果
应力分析计算结果
危险点及危险截面
管板参考文章及书目
薄管板的设计
薄管板的设计
16
1412108管板厚度
（mm ）1400-1800900-1200700-800500-600300-400公称直径
（mm ）
浮头式换热器管板的设计
浮头式换热器中因管束可以自由伸长，不存在温差应力，管板的边界条件按简支考虑。
浮头式换热器管板的设计
U 形管换热器管板的设计[]t
r
t s i p p D t σμ5.1556.0−=
U型膨胀节的计算
膨胀节实物图膨胀节是一种挠性元件，能有效地补偿轴向变形，所以能有效降低管子与壳体的轴向力。