管壳式换热器机械设计A
管壳式换热器设计与选型步骤
生意社08月13日讯
1、工艺计算:
1>按流体种类、冷却流体的流量、进出口温度、工作压力等计算出需要传递的热量。
2>根据流体的腐蚀性及其它特性选择管子和壳体的材料。
并根据材料加工特性,流体的流量、压力、温度,换热管与壳体的温度,需要传递热量的多少,造价的高低及检修清洗方便等因素,决定采用哪一种类型的管壳式换热器。
3>确立流体的流动空间,即确定管程与壳程内分别是什么介质
4>确定参与换热器的两种流体的流向,使并流、逆流还是错流。
并计算出流体的有效平均温差.
5>根据经验初选传热系数K,并估算所需传热面积A。
6>根据计算出传热面积A,参照我国管壳式换热器标准系列，初步确定换热器的基本参数(管径、管程数、管子根数、管长、管子排列方式、折流元件等的型式及布置、壳体直径等结构参数)。
7>根据确定的标准系列尺寸，进行传热系数的校核和阻力降的计算。
最后按标准选用换热器或者进行机械设计。
2、机械设计计算
机械设计计算包括：
(1)壳体和管箱壁厚的计算
(2)管子与管板连接结构设计
(3)壳体与管板连接结构设计
(4)管板厚度计算
(5)折流板、支持板等零部件的结构设计
(6)换热管与壳体在温差和流体压力联合作用下的应力计算
(7)管子拉脱力和稳定性校核
(8)判断是否需要膨胀节，如需要，则选择膨胀节结构形式，并进行有关的计算。
(9)接管、接管法兰、容器法兰、支座等的选择及开孔补强设计。
管壳式换热器设计 课程设计
河南理工大学课程设计管壳式换热器设计学院：机械与动力工程学院专业：热能与动力工程专业班级：11-02班学号：姓名：指导老师：小组成员：目录第一章设计任务书 (2)第二章管壳式换热器简介 (3)第三章设计方法及设计步骤 (5)第四章工艺计算 (6)4.1 物性参数的确定 (6)4.2核算换热器传热面积 (7)4.2.1传热量及平均温差 (7)4.2.2估算传热面积 (9)第五章管壳式换热器结构计算 (11)5.1换热管计算及排布方式 (11)5.2壳体内径的估算 (13)5.3进出口连接管直径的计算 (14)5.4折流板 (14)第六章换热系数的计算 (20)6.1管程换热系数 (20)6.2 壳程换热系数 (20)第七章需用传热面积 (23)第八章流动阻力计算 (25)8.1 管程阻力计算 (25)8.2 壳程阻力计算 (26)总结 (29)第一章设计任务书煤油冷却的管壳式换热器设计：设计用冷却水将煤油由140℃冷却冷却到40℃的管壳式换热器，其处理能力为10t/h，且允许压强降不大于100kPa。
设计任务及操作条件1、设备形式：管壳式换热器2、操作条件（1）煤油：入口温度140℃，出口温度40℃（2）冷却水介质：入口温度26℃，出口温度40℃第二章管壳式换热器简介管壳式换热器是在石油化工行业中应用最广泛的换热器。
纵然各种板式换热器的竞争力不断上升，管壳式换热器依然在换热器市场中占主导地位。
目前各国为提高这类换热器性能进行的研究主要是强化传热，提高对苛刻的工艺条件和各类腐蚀介质适应性材料的开发以及向着高温、高压、大型化方向发展所作的结构改进。
强化传热的主要途径有提高传热系数、扩大传热面积和增大传热温差等方式，其中提高传热系数是强化传热的重点，主要是通过强化管程传热和壳程传热两个方面得以实现。
目前，管壳式换热器强化传热方法主要有：采用改变传热元件本身的表面形状及表面处理方法，以获得粗糙的表面和扩展表面；用添加内物的方法以增加流体本身的绕流；将传热管表面制成多孔状，使气泡核心的数量大幅度增加，从而提高总传热系数并增加其抗污垢能力；改变管束支撑形式以获得良好的流动分布，充分利用传热面积。
管壳式换热器的设计及计算
第一章换热器简介及发展趋势1.1 概述在化工生产中，为了工艺流程的需要，常常把低温流体加热或把高温流体冷却，把液态汽化或把蒸汽冷凝程液体，这些工艺过程都是通过热量传递来实现的。
进行热量传递的设备称为换热设备或换热器。
换热器是通用的一种工艺设备，他不仅可以单独使用，同时又是很多化工装置的组成部分。
在化工厂中，换热器的投资约占总投资的10%——20%，质量约为设备总质量的40%左右，检修工作量可达总检修工作量的60%以上。
由此可见，换热器在化工生产中的应用是十分广泛的，任何化工生产工艺几乎都离不开它。
在其他方面如动力、原子能、冶金、轻工、制造、食品、交通、家电等行业也有着广泛的应用。
70年代的世界能源危机，有力地促进了传热强化技术的发展，为了节能降耗，提高工业生产经济效益，要求开发适用于不同工业过程要求的高效能换热设备[1]。
这是因为，随着能源的短缺(从长远来看，这是世界的总趋势)，可利用热源的温度越来越低，换热允许温差将变得更小，当然，对换热技术的发展和换热器性能的要求也就更高[2]。
所以，这些年来，换热器的开发与研究成为人们关注的课题，最近，随着工艺装置的大型化和高效率化，换热器也趋于大型化，向低温差设计和低压力损失设计的方向发展。
同时，对其一方面要求成本适宜，另一方面要求高精度的设计技术。
当今换热器技术的发展以CFD(Computational Fluid Dynamics)、模型化技术、强化传热技术及新型换热器开发等形成了一个高技术体系[3]。
当前换热器发展的基本趋势是：继续提高设备的传热效率，促进设备结构的紧凑性，加强生产制造的标准化系列化和专业化，并在广泛的范围内继续向大型化的方向发展。
各种新型高效紧凑式换热器的应用范围将得到进一步扩大。
在压力、温度和流量的许可范围内，尤其是处理强腐蚀性介质而需要使用贵重金属材料的场合下，新型紧凑式换热器将进一步取代管壳式换热器。
总之，为了适应工艺发展的需要，今后在强化传热过程和换热设备方面，还将继续探索新的途径。
TEMA(列管式换热器制造商协会标准)规格的管壳式换热器设计原则
TEMA规格的管壳式换热器设计原则——摘引自《PERRY’S CHEMICAL ENGINEER’S HANDBOOK 1999》设计中的一般考虑流程的选择在选择一台换热器中两种流体的流程时，会采用某些通则。
管程的流体的腐蚀性较强，或是较脏、压力较高。
壳程则会是高粘度流体或某种气体。
当管壳程流体中的某一种要用到合金结构时，碳钢壳体加合金质壳程元件比之壳程流体接触部件全用合金加碳钢管箱的方案要较为节省费用。
清晰管子的内部较之清洗其外部要更为容易。
假如两侧流体中有表压超过2068KPa(300 Psig)的,较为节约的结构形式是将高压流体安排在管侧。
对于给定的压降，壳侧的传热系数较管侧的要高。
换热器的停运最通常的原因是结垢、腐蚀和磨蚀。
建造规则“压力容器建造规则，第一册”也就是《ASME锅炉及压力容器规范Section VIII , Division 1》, 用作换热器的建造规则时提供了最低标准。
一般此标准的最新版每3年出版发行一次。
期间的修改以附录形式每半年出一次。
在美国和加拿大的很多地方，遵循ASME 规则上的要求是强制性的。
最初这一系列规范并不是为换热器制造所准备的。
但现在已添加了固定管板式换热器上管板与壳体间的焊接接头的有关规定，并且还包含了一个非强制性的有关管子－管板接头的附件。
目前ASME 正在研究有关换热器的其他规定。
列管式换热器制造商协会标准, 第6版., 1978 (通常引称为TEMA 标准*), 用作在除套管式换热器而外的所有管壳式换热器的应用中对ASME规则的补充和说明。
TEMA “R级”设计就是“用于石油及相关加工应用的一般性苛刻要求。
按本标准制造的设备是设计目的在于在此类应用中严苛的保养和维修条件下的安全性、持久性。
”TEMA “C级”设计是“用于商用及通用加工用途的一般性适度要求。
”而TEMA“B级”是“用于化学加工用途”*译者注：这已经不是最新版的，现在已经出到1999年第8版3种建造标准的机械设计要求都是一样的。
管壳式换热器毕业设计简介
管壳式换热器（过热蒸汽0.65MPa,295℃;水0.8MPa,50℃）摘要本设计说明书是关于固定管板是换热器的设计，设计依照GB151-1999《钢制管壳式换热器》进行，设计中对换热器进行化工计算、结构设计、强度计算。
设计第一步是对换热器进行化工计算，主要根据给定的设计条件估算换热面积，初定换热器尺寸，然后核算传热系数，计算实际换热面积，最后进行阻力损失计算。
设计第二步是对换热器进行结构设计，主要是根据第一步计算的结果对换热器的各零部件进行设计，包括管箱、定距管、折流板等。
设计第三步是对换热器进行强度计算，并用软件SW6进行校核。
最后，设计结果通过图表现出来。
关键词：换热器，固定管板，化工计算，结构设计，强度计算。
AbtractThe design statement is about the fixed tube sheet heat exchanger .In the design of the heat exchanger ,the chemical calculation,the structure design and the strength calculation must according to GB151-1999“Steel System Type Heat exchanger ”.The first step of the design is the chemical calculation .Mainly according to the given design conditions to estimate the heat exchanger area and select heat exchanger size.Then check the heat transfer coefficient, calculate the actual heat transfer area,and finally calculate the resistance loss.The second step of the design of heat exchanger is the structural design of the heat exchanger. The design of heat exchanger parts mainly according to the first step of calculation.such as tube boxes , the distance control tube, baffled plates .The third step of the design of heat exchanger is the strength calculation and using SW6 software to check. Finally, the design results are shown in figures.Key words: heat changer, fixed tude plate, chemical calculation,structure design, strength calculation.一、前言管壳式换热器是目前应用最广的换热设备，它具有结构坚固、可靠性高、适用性强、选材广泛等优点。
TEMA(列管式换热器制造商协会标准)规格的管壳式换热器设计原则
TEMA规格的管壳式换热器设计原则——摘引自《PERRY’S CHEMICAL ENGINEER’S HANDBOOK 1999》设计中的一般考虑流程的选择在选择一台换热器中两种流体的流程时，会采用某些通则。
管程的流体的腐蚀性较强，或是较脏、压力较高。
壳程则会是高粘度流体或某种气体。
当管壳程流体中的某一种要用到合金结构时，碳钢壳体加合金质壳程元件比之壳程流体接触部件全用合金加碳钢管箱的方案要较为节省费用。
清晰管子的内部较之清洗其外部要更为容易。
假如两侧流体中有表压超过2068KPa(300 Psig)的,较为节约的结构形式是将高压流体安排在管侧。
对于给定的压降，壳侧的传热系数较管侧的要高。
换热器的停运最通常的原因是结垢、腐蚀和磨蚀。
建造规则“压力容器建造规则，第一册”也就是《ASME锅炉及压力容器规范Section VIII , Division 1》, 用作换热器的建造规则时提供了最低标准。
一般此标准的最新版每3年出版发行一次。
期间的修改以附录形式每半年出一次。
在美国和加拿大的很多地方，遵循ASME 规则上的要求是强制性的。
最初这一系列规范并不是为换热器制造所准备的。
但现在已添加了固定管板式换热器上管板与壳体间的焊接接头的有关规定，并且还包含了一个非强制性的有关管子－管板接头的附件。
目前ASME 正在研究有关换热器的其他规定。
列管式换热器制造商协会标准, 第6版., 1978 (通常引称为TEMA 标准*), 用作在除套管式换热器而外的所有管壳式换热器的应用中对ASME规则的补充和说明。
TEMA “R级”设计就是“用于石油及相关加工应用的一般性苛刻要求。
按本标准制造的设备是设计目的在于在此类应用中严苛的保养和维修条件下的安全性、持久性。
”TEMA “C级”设计是“用于商用及通用加工用途的一般性适度要求。
”而TEMA“B级”是“用于化学加工用途”*译者注：这已经不是最新版的，现在已经出到1999年第8版3种建造标准的机械设计要求都是一样的。
化工设备机械基础第七章习题解答
《化工设备机械基础》习题解答第三篇: 典型化工设备的机械设计第七章管壳式换热器的机械设计一、思考题1．衡量换热器好坏的标准大致有哪些？答：传热效率高，流体阻力小，强度足够，结构可靠，节省材料；成本低；制造、安装、检修方便。
2．列管式换热器主要有哪几种？各有何优缺点？3．列管式换热器机械设计包括哪些内容？答：①壳体直径的决定和壳体壁厚的计算；②换热器封头选择，压力容器法兰选择；③管板尺寸确定；④管子拉脱力的计算；⑤折流板的选择与计算；⑥温差应力计算。
此外还应考虑接管、接管法兰选择及开孔补强等。
4．我国常用于列管式换热器的无缝钢管规格有哪些？通常规定换热管的长度有哪些？答：我国管壳式换热器常用无缝钢管规格（外径×壁厚），如下表2所示。
换热管长度规定为：1500mm, 2000mm, 2500mm, 3000mm, 4500mm, 5000mm, 6000mm, 7500mm, 9000mm, 12000mm。
换热器的换热管长度与公称直径之比，一般在4~25之间，常用的为6~10。
立式换热器，其比值多为4~6。
表 2 换热管规格（mm）5．换热管在管板上有哪几种固定方式？各适用范围如何？答：固定方式有三种：胀接、焊接、胀焊结合。
胀接：一般用在换热管为碳素钢，管板为碳素钢或低合金钢，设计压力不超过4.0MPa，设计温度在350℃以下，且无特殊要求的场合。
焊接：一般用在温度压强都较高的情况下，并且对管板孔加工要求不高时。
胀焊结合：适用于高温高压下，连接接头在反复的热冲击、热变形、热腐蚀及介质压力作用，工作环境极其苛刻，容易发生破坏，无法克服焊接的“间隙腐蚀”和“应力腐蚀”的情况下。
6．换热管胀接于管板上时应注意什么？胀接长度如何确定？答：采用胀接时，管板硬度应比管端硬度高，以保证胀接质量。
这样可避免在胀接时管板产生塑性变形，影响胀接的紧密性。
如达不到这个要求时，可将管端进行退火处理，降低硬度后再进行胀接。
管壳式换热器设计
1 概 述
2、冷凝器（condenser） 1）分离器 2）全凝器 3、加热器（一般不发生相变）（heater） 1）预热器（preheater）——粘度大的液体，喷雾 状不好，预热使其粘度下降； 2）过热器（superheater）——加热至饱和温度以 上。 4．蒸发器(etaporater)——发生相变 5．再沸器（reboiler） 6．废热锅炉（waste heat boiler）
1 概 述
2、浮头式换热器 优点：管束可以抽出，便于清洗； 缺点：换热器结构较复杂，金属耗量较大。 适用场合：适用于介质易结垢的场合。
3、填料函式换热器 优点：造价比浮头式低，检修、清洗容易，填料函处泄漏能 及时发现； 缺点：壳程内介质由外漏的可能，壳程中不宜处理易挥发、 易燃、易爆、有毒的介质。 适用场合：适用于低压小直径场合。
2 管子的选用及其与管板的连接
结构：主要有4种
2 管子的选用及其与管板的连接
3、胀焊并用 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。
3 管板结构
2、正方形和转角正方形排列
正方形和转角正方形排列，管间小桥形成一条直线通道，便于机械清洗。要 经常清洗管子外表面上的污垢时，多用正方形排列或转角正方形排列。
3 管板结构
3．组合排列法 多程换热器中。 3.2 管间距： 管间距指两相邻换热管中心的距离。其值的确定需要考虑以下几个因素： ① 管板强度； ② 清洗管子外表面时所需要的空隙； ③ 换热管在管板上的固定方法。 一般要求管间距≥1.25d0，还应符合规定：
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进行机械设计。
①壳体直径的决定和壳体壁厚的计算；
②换热器封头选择，压力容器法兰选择； ③管板尺寸确定；
④管子拉脱力的计算；
⑤折流板的选择与计算；
⑥温差应力计算。
此外还应考虑接管、接管法兰选择及开孔补强等。
第七章 管壳式换热器
第二节 管子的选用及其与管扳的连接
1、换热管的尺寸、规格及材料
第七章 管壳式换热器
1、胀接 利用胀管器挤压伸入管板孔中的管子端部，使管端发生塑性 变形，管板孔同时产生弹性变形，取去胀管器后，管板与管 子产生一定的挤压力，贴在一起达到密封紧固连接的目的。
（a）胀管前
（b）胀管后
胀管前后示意图
第二节 管子的选用及其与管扳的连接
二、管子与管板的连接 1、胀接
适用范围：换热管为碳素钢，管板为碳素钢或低合金钢， 设计压力≤4MPa，设计温度≤300℃，管外径＞14mm且无特 殊要求的场合。
三、管壳式换热器机械设计内容
第七章 管壳式换热器
设计一个比较完善的换热器，除满足传热方面的要求，还应该是传
热效率高、体积小、重量轻、消耗材料少，制造成本低，清洗、维护方便
和操作安全等。 管壳式换热器的设计，首先根据生产工艺条件确定换热
器的传热面积，同时选择管径、管长、决定管数、管程数和壳程数，然后
填料函式密封
填料函式换热器
列管式换热
器
优点
缺点
种类
固定管板式
结构较 对其它 最薄。
简 列
单， 管式
造 换
价 热
较低 器其
， 管
相 板
管外清洗困难； 管壳间有温差应力存在； 当两种介质温差较大时必须 设置膨胀节。
一端管板固定，另一端管板 结构较复杂，金属耗量较大；
浮头式
可在壳体内移动；管壳间不 浮头处发生内漏时不便检查； 产 生 温 差 应 力 ； 管 束 可 抽 出 ，管束与管体间隙较大 ，影响传
U型管式换热器结构图
3、U形管式换热器
第七章 管壳式换热器
2）适用场合：特别适用于管内走清洁而不易结垢的高温、高 压、腐蚀性大的物料。
U型管式换热管箱器 结构图
U型换热管结构图
一、管壳式换热器的分类
第七章 管壳式换热器
4、填料函式换热器
1）、结构特点：该换热器的结构与浮头式换热器的结构相似， 只是浮头伸到了壳体外，浮头与壳体之间采取填料函密封。
要求：管板硬度>管子 硬度，否则将管端退火后 再胀接。
液压胀管器
二、管子与管板的连接
第二节 管子的选用及其与管扳的连接
列管式换热器虽在传热效率、紧凑性、金属消耗量等 方面均不如板式换热器，但其结构坚固、可靠程度高、适 应性强、材料范围广。
第七章 管壳式换热器
一、管壳式换热器的结构及主要零部件
管壳式换热器是把换热管束与管板连接后，再用筒体与管箱包 起来，形成两个独立的空间：管内通道及与其相贯通的管箱，称为 管程空间；换热管外的通道及与其贯通的部分，称为壳程空间。
2、浮头式换热器
第七章 管壳式换热器
结构特点：管板一为固定，一可在壳体内移动。
优点：管、壳间没有温差应力，便于清洗。
缺点：结构胶复杂，金属耗量较大，内漏不便检查，管
束与壳体间隙较大，影响传热。
浮头式换热器
一、管壳式换热器的分类
3、U形管式换热器
第七章 管壳式换热器
结构特点 只有一块管板，结构简单，换热管呈U形
（2）根据不同的目的，换热器可以是热交换器、加热器、 冷却器、蒸发器、冷凝器等。
（3）衡量一台换热器好坏的标准：传热效率高，流体阻 力小，强度足够，结构可靠，节省材料，成本低，制造、 安装、检修方便。
（4）任何一种换热器不可能十全十美。
第一节 概论
第七章 管壳式换热器
概述：
板式换热器传热效率高、金属消耗量低，但流体阻力 大、强度和刚度差，制造、维修困难。
固定管板式换热器
从结构上分
浮头式换热器 U形管式换热器
填料函式换热器
一、管壳式换热器的分类
第七章 管壳式换热器
1、固定管板式换热器
1）、结构特点：两块管板均与壳体相焊接（加入了热补偿 原件——膨胀节）。 2）、适用场合：适用于壳程介质清洁，不易结垢，管程需清
洗以及温差不大或温差虽大但是壳程压力不大的场合。 3)、优点：结构比较简单，造价较低。 4）、缺点：管外清洗困难，管、壳间有温差应力。
第七章 管壳式换热器
第一节 概论 第二节 管子的选用及管板的连接 第三节 管板结构 第四节 折流板、支承板、旁路挡板及拦液板的作用 第五节 温差应力 第六节 管箱与壳程接管 第七节 管壳式换热器的机械设计举例
第一节 概论
第七章 管壳式换热器
概述：
（1）换热器是许多工业部门广泛应用的通用工艺设备。 在化工厂的建设中，换热器约占总投资的11％～ 40％ 。
第二节 管子的选用及其与管扳的连接
一般对清洁流体用小直径管子，粘性较大的或污染的流体采用 大直径管子。
我国管壳式换热器常用换热管为：
长度规格：1、1.5、2.0、2.5、3.0、4.5、6.0、7.5、 9.0、12.0m，
第二节 管子的选用及其与管扳的连接
二、管子与管板的连接
管子与管板的连接方法有：胀接、焊接、胀焊接结合等。
便于清洗。
热。
管束一端可自由膨胀；造价 壳程内介质有外漏的可能； 填料函式 比浮头式低；检修、清洗容 壳程中不宜处理易挥发、易燃、
易 ； 填 函 处 泄 漏 能 及 时 发 现 。易爆、有毒的介质。
U型管式
只有一个管板 两程； 管束可以抽出 自由膨胀。
； 清
管 洗
程至 ；管构不紧凑， 管外介质易短路，影响传热效 果； 内层管子损坏后不易更换。
1 列管式换热器的主要结构：
第七章 管壳式换热器
横 向 壳体、管板、管束、顶盖（封头）、挡板 纵 向
1 列管式换热器的主要结构：
第七章 管壳式换热器
2 列管式换热器的工作原理：
第七章 管壳式换热器
T1
t0（ 环 境 ）
Tw
T
tw
t
t1
t2
T2
列管式
列管式换热器
一、管壳式换热器的分类
第七章 管壳式换热器
一、管壳式换热器的分类
1、固定管板式换热器
第七章 管壳式换热器
固定管板式换热器
带膨胀节的固定管板式换热器
膨胀节的作用：减少热应力，吸收热膨胀差。
一、管壳式换热器的分类
第七章 管壳式换热器
补偿圈补偿-----固定管板式换热器
当壳体和管子之间的温差较大(60∽70℃ )且壳体承 受压力不太高时，可采用补偿圈（膨胀节）。