固定管板换热器的设计

固定管板换热器的设计

贾瑶琴

身份证号码：32128219930304XXXX江苏靖江214500

摘要：固定管板式换热器是管壳式换热器的一种典型结构，也是目前应用比较广泛的一种换热器，是用于物料之间进行热量传递的过程设备，使热量从热流体传递到冷流体的设备，通过这种设备，能够使物料达到指定的温度从而满足工艺的需要。这类换热器具有结构简单、紧凑、可靠性高、适应性广的特点,并且生产成本低、选用的材料范围广、换热表面的清洗比较方便。固定管板式换热器管束与管板相连，管板与壳体焊接，其优点是结构简单，紧凑，能承受较高的的压力，造价低，管程清洗方便，管子损坏或堵塞时易更换。能承受较高的操作压力和温度，因此在高温高压和大型换热器中，其占有绝对优势。本次设计主要是针对固定管板换热器的筒体，封头，管箱，管板，设备法兰，折流板，支座及其他附属设备进行详细的结构分析和计算，使其在满足客户需要的同时花费最少的成本，拥有最好的质量。其中有许多部分的设计借鉴了国内外的一些先进理论和方法，不但节省了原料，更使换热器的质量得到了技术保证。以节省能耗与提高使用性能为设计原则，最终满足设计的目的，即低能耗、低成本、高质量。

关键词：换热器；固定管板式；结构

1绪论换热器概述

1.1换热器的分类

换热器是具有不同温度的两种或两种以上流体之间传递热量的设备。在工业生产过程中，进行着各种不同的热交换过程，其主要作用是使热量由温度较高的流体向温度较低的流体传递，使流体的温度达到工艺指标，以满足生产过程的需要。根据管壳式换热器的结构和特点，常将其分为固定管板式，浮头式，U型管式，填料式，双管式等[1]。

1.2换热器的结构

管壳式换热器的主要零部件有壳体、接管、封头、管板、法兰、换热管、折流板等，对温差较大的固定管板式换热器，还包括膨胀节。管壳式换热器的结构应该保证冷、热两种流体分别走管程、壳程，同时还要承受一定温度和压力的能力[6]。

2固定管板换热器的结构设计

2.1设计参数的确定

压力容器设计参数主要有设计压力、设计温度、厚度及其附加量，焊接接头系数和需用应力等。

2.1.1计算压力

指在相应设计温度下，用以确定元件厚度的压力，其中包括液柱静压力等附加载荷。通常情况下，计算压力等于设计压力加上液柱静压力。当元件承受的液柱静压力小于5%的设计压力，可忽略不计。

2.1.2设计压力

是指设定的容器顶部的最高压力与相应的设计温度一起作为载荷条件，其值不低于工作压力。

设计压力一般原则：

(1)容器的设计压力与容器最高工作压力的含义并不等同，但设计压力一般取略高于或等于最高工作压力。

(2)装设有安全泄压装置的压力容器，其设计压力不得低于安全阀的开启(整定)压力和爆破片装置的爆破压力。

(3)盛装液化气体的容器，无保温装置的，设计压力(最高工作压力)不低于所装液化气体在50℃时的饱和蒸气压力；有可靠的保温设施的，设计压力不低于其在试验实测的最高温度下的饱和蒸气压力。

2.1.3设计温度

它是指容器在正常情况下，设定元件的金属温度（沿元件金属截面的温度平均值）。

2.1.4焊接接头系数

焊接接头系数是指对接焊接接头强度与母材强度之比值。用以反映由于焊接材料、焊接缺陷和焊接残余应力等因素使焊接接头强度被削弱的程度，是焊接接头力学性能的综合反映。（实际上焊接接头系数并不真正反映焊缝处材料强度被削弱的程度，而是一个经验数据，表示焊缝质量的可靠程度。）

2.2材料的选取

压力容器材料的选取，压力容器材料费用占总成本的比例很大，一般超过30%。而材料的性能对压力容器运行的安全性有显著的影响，。选材不当，不仅会造成总成本的增加，而且有可能导致压力容器破坏事故，因此，合理选材是压力容器设计的关键之一。压力容器用材多种多样，有刚、金属、非金属、复合材料等。

压力容器用钢的基本要求是要有较高的强度、良好的塑性、韧性，介质性能和介质形容形容性。改善钢材性能的途径主要有化学成分的设计、组织结构的改变和零件表面改性。

2.2.1化学成分

钢材的化学成分对其性能和热处理有较大的影响。提高含碳量可使强度增大，但可是焊接性能变差，焊接时易在热影响区出现裂纹，因此，压力容器用钢的含碳量一般不大于0.25%。在钢中加入钒，钛，铌等元素，可提高钢的韧性和强度。硫和磷是钢材中最主要的有害元素。硫能促进非金属杂质的形成，使塑性和韧性降低。磷能增加钢的脆性，。将硫和磷等有害元素含量控制在很低的水平，即大大提高钢材的纯净度，提高钢材的韧性，抗回火脆化性能和耐腐蚀性能。因此，与一般结构钢相比，压力容器用钢对磷、硫氢等有害杂质元素含量的控制更加的严格。例如，中国压力容器用钢的硫和磷含量分别应低于0.02%和0.03%。随着治炼水平的提高，目前能将硫含量控制在0.002%以内。

另外，化学成分对材料的热处理性能也有重要的影响，如果成分控制不严，就达不到预期的热处理效果。

2.2.2力学与性能

由于载荷和应力状态的不同，以及刚才在受力状态下所处工作环境的不同，钢材受力后所表现出的不同行为，称为材料的力学行为。钢材的力学行为，不仅与化学成分、组织结构有关，而且与材料所处的应力状态和环境有密切的关系。

2.2.3制造工艺性能

材料制造工艺性能的要求与容器结构形式和使用条件密切相关。制造过程中进行冷卷、冷冲压加工的零部件，要求钢材有良好的冷加工成型性能和塑性其延伸率应在15%-20%以上。为检验钢板承受弯曲变形能力，一般应根据钢板的厚度，选取合适的弯曲直径，在常温下做弯曲角度180度的弯曲试验，。试样外表面无裂纹的钢材方可用于压力容器的制造。

压力容器各零件间主要采用焊接连接，良好的焊接性是压力容器用钢的一项及其重要的指标，可焊性是指在一定的焊接工艺条件下，获得优质焊接焊接接头的难易程度。钢材的可焊性主要取决于它的化学成分，其中影响最大的是碳含量，含碳量越低，越不容易产生裂纹，可焊性越好。

2.3管程结构

流体流经换热管内的通道及与其相通部分称为管程

2.3.1换热管

换热管是换热器的元件之一，置于筒体之内，用于两介质之间热量的交换。

2.3.1.1换热管形式

除光管外，换热器还可采用各种各样的强化传热管，如翅片管、螺纹管、螺旋槽管等。当管内直径两侧给热系数相差较大时，翅片管的翅片应布置在给热系数低的一侧。

2.3.1.2换热管尺寸

换热管常用的尺寸（外径x壁厚）主要为Φ19mmx2mm、Φ25mmx2.5mm和Φ38mmx2.5mm的无缝钢管以及Φ25mmx2mm和Φ38mmx2.5mm的不锈钢管。标准管长有1.5、2.0、3.0、4.5、6.0、9.0m等。采用小管径，可使单位体积的传热面积增大、结构紧凑、金属耗量减少、传热系数提高。据估算，将同直径换热器的换热管由Φ25mm改为Φ19mm，其传热面积可增加40%左右，节约金属20%以上。但小管径流体阻力大，不便清洗，易结构堵塞。一般大直径管子用于粘性大或污浊的流体，小直径管子用于较清洁的流体。

2.3.1.3换热管材料

常用材料有碳素钢、低合金钢、不锈钢、铜、铜镍合金、铝合金、钛等。此外还有一些非金属材料，如石墨、陶瓷、聚四氟乙烯等。设计时应该根据工作压力、温度和介质腐蚀性等选用合适的材料。

2.3.1.4换热管中心距

换热管在管板上的排列形式主要有正三角形、正方形和转角正三角形、转角正方形。正三角形排列形式可以在同样的管板面积上排列最多的管数，故用得最为普遍，但管外不易清洗。为便于管外清洗，可以采用正方形或转角正方形排列的管束。

换热管中心距要保证管子与管板连接时，管桥（相邻两管间的净空距离）有足够的强度和宽度。管间需要清洗时还要留有进行清洗的通道。换热管中心距宜不小于1.25倍的换热管外径，最常用的换热管中心距间下表。常用的换热管中心距mm

2.3.2管板

管板式管壳式换热器最重要的零件之一，用来排布换热管，将管程和壳程的流体分隔开来，避免冷热流体混合，并同时受管程，壳程压力和温度的作用。

2.3.2.1管板材料

在选择管板材料时除力学性能外，还应考虑管程和壳程流体的腐蚀性，以及管板和换热管之间的电位差对腐蚀的影响。当流体有腐蚀性或轻微腐蚀时，管板一般采用压力容器用碳素钢或低合金钢板或锻件制造。

当流体腐蚀性较强时，管板应采用不锈钢，铜、铝、钛等耐腐蚀性材料，但对于较厚的管板，若整体采用价格昂贵的耐腐蚀性，造价很高。例如，高压换热器中，管板厚度达300mm，有时为节约耐腐蚀材料，工程上常采用不锈钢贴面或堆焊。

2.3.2.2管板结构

当换热器承受高温、高压时，增大了管板的厚度，从而提高承受能力。但当管板两侧流体温差很大时，管板内部沿厚度方向的热应力，当迅速停止或进气温度突然变化，热应力往往会导致管板和换热管在连接处发生破坏。因此，在满足强度的前提下，应尽量减少管板的厚度。薄管板顾名思义是指对于采用相应标准，规范计算所得的管板厚度要薄很多的管板，一般厚度为8-20mm。

当要求严格禁止管程和壳程中的介质互相混合时，采用双管板结构。在双管板结构中管子分别固定在两块管板上，两块管板保持一定的距离，如果管板与管子连接处有少量的流体漏出，可让其从连接管板之间的空隙泄放到外界，也可利用一薄壁圆筒将此空隙封闭起来，充入惰性气体，使其压力高于壳程和管程的压力，达到避免两种介质混合的目的。

2.3.3管箱

壳体直径较大的换热器大多采用管箱结构。管箱位于管壳式换热器的两端，管箱的作用是把管道输送过来的流体均匀的分布到各换热管，把管内流体汇集到一起送出换热管。在多管程换热管中，管箱还起改变流体方向的作用。管箱的结构形式主要以换热器是否需要清洗或管束是否需要分程等原因来觉得的。

2.3.4管束分程

在管壳式换热器中，在管内流动的流体从管子的一端流到另一端，称为一个管程。在管壳式换热器中，最简单常用的是单管程的换热器。如果根据换热器工艺设计要求，需要加大换热面积时，可以采用增加管长或者管数的方法。但前者受到加工，运输，安装以及维修等方面的限制，故经常采用后一种的方法。增加管数可以增加换热面积，但介质在管束中的流速随着换热管数的增多而下降，结果反而使得流体的传热系数降低，故不能仅仅采用增加换热管数的方法来达到提高传热系数的目的。为解决这个问题，使流体在管束中保持较大流速，可将管束分程若干程数，使流体一次流过各程管子，以增加流体速度，提高传热系数。

管束分程可采用多种不同组合方式，对于每一程的管束应大致相等，且程与程之间温度相差不宜过大，温度以不超过20℃左右为宜，否则在管束与管板中将产生很大的热应力。

从制造，安装，操作等角度考虑，偶数管程有更多的方便之处，最常用的程数为2、4、6。

2.3.5换热管与管板的连接

换热管与管板的连接方法主要有胀接、焊接和胀焊并用。

2.4壳程结构

壳程主要使用壳体，折流板，拉杆等元件组成。

2.4.1壳体

壳体一般是个圆筒，在壳壁上含有接管，供壳体流体进入和排出之用。为防止进口流体直接冲击管束而造成管子的侵蚀和振动，在壳程进口接管处常装有防冲挡板。当壳体法兰采用高颈法兰或壳体进出口接管直径过大或采用活动管板的时候，壳体进出口接管距管板较远，流体停滞区较大，靠近两端管板的传热面积利用率很低，为克服这一缺点，可采用导流筒结构。导流筒结构除了可以减小流体停滞区，改善两端流体的分布，增加换热管的有效换热管长度，提高传热效率外，还起防冲挡板的作用，避免管束收到冲击破坏。

2.4.2折流板

折流板顾名思义是用来改变流体流向的板，常用于管壳式换热器设计壳程介质流道，根据介质性质和流量以及换热器大小确定折流板的多少。折流板被设置在壳程，它既可以提高传热效果，还起到支撑管束的作用。折流板有弓形和圆盘-圆环形两种，弓形折流板有单弓形、双弓形和三弓形三种。

弓形折流板缺口高度应使流体通过缺口时与横过管束时的流速相近，缺口大小用切去的弓形弦高占圆筒内直径的百分比来确定，单弓形折流板缺口如图，缺口弦高h值，宜取0.2~0.45倍的圆筒内直径。弓形折流板的缺口可按图所示，切在管排中心线以下，或切于两排管孔的小桥之间。

2.4.3壳程分程

根据工艺设计要求，或为增大壳程流体传热系数，也可以将换热器壳程分为多程结构。

2.5开孔和开孔补强设计

由于各种工艺和结构上的要求，不可避免的要在容器上开孔并安装接管，开孔以后，除消除器壁的强度外，在壳体和接管的连接处，因结构连续被破坏，会产生很高的局部应力，给容器的安全操作带来隐患，因此压力容器的设计必须考虑开孔和开孔补强的问题。

2.5.1补强结构

压力容器接管补强结构通常采用局部补强的结构主要有补强圈补强，厚壁接管补强和整锻件补强三种基本形式。

2.5.2开孔补强设计准则

开孔补强设计就是指采取适当增加壳体或接管厚度的方法将应力集中系数减少到某一允许值。目前通用的，也是最早的开孔补强设计的准则是基于弹性失效设计准则的等面积补强法，但随着各国开孔补强方法的深入研究，出现了许多新的设计思想，形成新的设计准则，对于不同的使用场合和载荷性质可采用不同的设计方法。设计时，对于不同时使用场合和载荷性质可采用不同的设计方法。

结论

通过工艺计算对设备进行选材并确定了零件的结构尺寸，及对所选材料进行了强度校核和局部水压试验。确定了壳体、管箱、封头的材料均为16MnR，管板及由管板延长兼带的法兰、换热管的材料均为不锈钢0Cr18Ni9，而接管法兰、折流板、支座、吊耳等结构的材料则均为Q235-B；而计算部分的重点则是对管板的计算，在参照GB151《热交换器》设计思路的同时，又兼顾设备本身的要求，使之既符合设计规定又能满足客户要求。

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作者简介

贾瑶琴，籍贯靖江，出身年月19930304，学历本科，研究方向固定管板换热器设计。