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1、管壳式换热器（GB151-1999）传热与换热器设计,一、传热的基本方式 热传导、热对流、热辐射。,第一部分 传热基本知识,在管壳式换热器中的传热为间壁式热交换。间壁式热交换热量传递的过程包括三个步骤：热流体将热量传递给固体壁面一侧(对流传热)；热量从固体壁面的一侧传递到另一侧(热传导)；冷流体将热量取走(对流传热)。,从两流体无相变热量衡算式：,可知：要想对换热器进行计算，需要知道4个温度和2个流量。,第一部分 传热基本知识,传热工艺流程的确定 不洁净或易于分解结垢的物料应流经易清洗的一侧，一般是管内。具有腐蚀性的物料应走管内。压力高的物料走管内。温度很高或很低的物料走管内，减少热损失。,第
2、一部分 传热基本知识,蒸汽一般走壳程，便于排液，传热系数也大。粘度大的流体一般走壳程，便于提高流速。给热系数小的流体如气体，应走壳程，易于提高速度。流量小的流体走壳程，易改变流动状态提高湍动程度。,第一部分 传热基本知识,二、传热基本方程：,第一部分 传热基本知识,1、GB151-1999标准的适用范围（1）本标准适用于固定管板式、浮头式、U形管式和填函式换热器；（2）适用的参数为：DN2600mm，PN35MPa，且DNPN1.75104（mmMPa）。（3）设计温度范围：按金属材料允许的使用温度确定。,第二部分 GB151-1999,（4）设计压力低于0.1MPa及真空度低于0.02MPa
3、的换热器，可按JB/T4735及本标准的有关规定进行设计、制造、检验和验收。,第二部分 GB151-1999,2、公称直径DN（1）卷制圆筒：以圆筒内直径作为换热器的公称直径，一般为DN400mm，以100mm为进级档，必要时可以50mm进档；（2）钢管制圆筒：以钢管外径（mm）作为换热器的公称直径，一般为DN400mm的圆筒。,3、换热面积A（1）计算换热面积：以换热管外径为基准，扣除伸入管板内的换热管长度后，计算得到的管束外表面积；对于U形管式换热器，一般不包括U形弯管段的面积，m2。（2）公称换热面积：经圆整后的计算换热面积，m2，尾数为0或5。（3）为满足传热要求的换热面积：,第二部分
4、 GB151-1999,4、公称长度LN 以换热管的长度（m）作为换热器的公称长度。换热管为直管时，取直管长度；换热管为U形管时，取U形管直管段的长度。,第二部分 GB151-1999,5、设计压力、计算压力和试验压力：设计压力指设定的换热器管、壳程顶部的最高压力，与相应的设计温度一起作为设计载荷条件，其值不得低于工作压力。计算压力指在相应设计温度下，用以确定换热器元件厚度的压力，其中包括液柱静压力。当液柱静压力小于5%设计压力时，可忽略不计。试验压力指压力试验时，换热器管、壳程顶部的压力。,第二部分 GB151-1999,压力试验：液压和气压试验两种，优先选用前者。进行气压试验时，取=1.0
5、,第二部分 GB151-1999,（1）当管程压力低于壳程压力时，压力试验时，按正常试压就可以。试验压力的最低值按下述规定，试验压力的上限还应满足应力校核的要求。内压换热器的试验压力：,第二部分 GB151-1999,（注：液压时取1.25，气压时取1.15）,说明：A、当换热器铭牌上规定有最大允许工作压力时，试验压力公式中应以该最大工作压力代替设计压力。B、立式换热器卧置压力试验时，试验压力应计入试验介质的液柱静压力。C、当各元件所采用材料不同时，修正系数用各元件的最小值。,第二部分 GB151-1999,外压和真空换热器：,压力试验前的应力校核 压力试验前，应校核圆筒和封头试压时的应力强度
6、是否足够大。圆筒应力校核：椭圆形封头应力校核：,第二部分 GB151-1999,（2）而当管程压力高于壳程压力时，GB151规定：接头试压应按图样规定，或按供需双方商定的方法进行。出现上述工况时，一般按如下处理方法：1）用0.9ReL的应力值计算壳程的试验压力，以尽量提高壳程试验压力使其达到管程试验压力，但此时必须注意壳程其它元件是否也能承受在此试验压力下的强度及密封性能。,第二部分 GB151-1999,用上述办法不能提高到规定的管程试验压力时，可采取以下办法：若差距不大，可以考虑适当增加厚度；如仍然相差甚远，则只能以壳程允许的最大试验压力试压，其后，再在壳程用氨渗透、卤素渗透或氦渗透进行补
7、充性试验。2）对于可抽式管束，可先打管程高压，用窥视镜从管板背面检查泄露情况。,第二部分 GB151-1999,气密性试验(PT=p):当符合下述情况时，应在压力试验合格后作气密性试验，试验压力、试验介质和检验要求应在图样上注明。介质为易燃、易爆；介质的毒性程度为极度或高度危害；对真空有较严格要求；管、壳程介质互漏会产生严重危害；如有泄漏将危及容器的安全性（如衬里等）和正常操作者。,第二部分 GB151-1999,6、设计温度：是指换热器在正常工作条件下，设定的元件金属温度（沿元件金属横截面的温度平均值），设计温度和设计压力一起作为设计载荷条件。在任何情况下，元件金属的表面温度不得超过材料的允
8、许使用温度。设计温度不得低于元件金属在工作状态可能达到的最高温度。对于0以下的金属温度，设计温度不得高于元件金属可能达到的最低温度。饱和蒸汽的温度须与其饱和压力相对应。,第二部分 GB151-1999,7、腐蚀裕量C2（1）对有腐蚀或磨蚀的零件，应根据预期的寿命和介质的腐蚀速率的乘积来确定腐蚀裕量。（2）换热器各元件受到的腐蚀程度不同时，可采用不同的腐蚀裕量。（3）介质为压缩空气、水蒸汽或水的碳素钢或低合金钢制换热器，腐蚀裕量不小于1mm。（4）换热管不考虑腐蚀裕量。（5）拉杆、定距管、折流板（支持板）等非受压元件，一般不考虑腐蚀裕量。,第二部分 GB151-1999,8、焊接接头系数（1）钢
9、制换热器焊接接头系数按下表选取。,第二部分 GB151-1999,对于无法进行无损检测的固定管板式换热器壳程圆筒的环向焊接接头，当采用氩弧焊打底或沿焊接接头根部全长有紧贴基本金属的垫板时，其焊接接头系数=0.6。（注：表30、表31）（2）铝、铜、钛及其合金的焊接接头系数按附录D（有色金属设计数据）的规定。,第二部分 GB151-1999,9、壳体与管箱的最小厚度 是指满足制造、运输和安装等刚度要求的厚度。换热器圆筒和管箱筒体的最小厚度要满足表8（碳素钢和低合金钢圆筒，C2=1mm）和表9（高合金钢圆筒）的规定。,第二部分 GB151-1999,10、管箱（1）管箱筒节的长度：要满足管箱最小内
10、侧深度的要求，不受GB150最小筒节长度300mm的要求限制。,第二部分 GB151-1999,（2）管箱的最小内侧深度：轴向开口的单管程管箱，开口中心处的最小深度应不小于接管内直径的1/3；多程管箱的内侧深度应保证两程之间的最小流通面积不小于每程换热管流通面积的1.3倍；当操作允许时，也可等于每程换热管的流通面积。,（3）分程隔板：分程隔板的最小厚度符合表6的要求，必要时按下式计算：,第二部分 GB151-1999,必要时，分程隔板上可开设排净孔，直径宜为6mm。厚度大于10mm的分程隔板，密封面处应削边至10mm。,11、接管（1）接管的结构要符合GB150的有关规定。（2）接管的一般要求
11、：a、接管宜与壳体内表面平齐；b、接管应尽量径向或轴向设置；c、设计温度高于或等于300时，应采用对焊法兰。d、有必要设置排气口或排液口，其最小公称直径为20mm。,第二部分 GB151-1999,12、换热管（1）换热管的规格和尺寸偏差：见GB151表10和附录C（奥氏体不锈钢焊接钢管）。,第二部分 GB151-1999,说明：换热管束的分级 1)采用碳素钢、低合金钢冷拔钢管做换热管时，其管束分为、两级（GB/T8163除外）。级管束:较高级冷拔管，用在较重要的场合，如无相变传热、易产生振动的场合。级管束：普通级冷拔管，用在重沸、冷凝传热、无振动的一般场合。2)不锈钢、铝及其合金、铜及其合金
12、、钛及其合金管均为高精度、较高精度管，为级管束。,第二部分 GB151-1999,3)由于管束的分级，造成后续设计上的差别：管板上管孔直径的差别（表1621）。如表16、17给出了碳素钢、低合金钢、不锈钢管、级管束对应的尺寸。,第二部分 GB151-1999,表16,表17,折流板（或支持板）上管孔直径的差别（表3540）。如表35给出了碳素钢、低合金钢、不锈钢管级管束对应的尺寸。,第二部分 GB151-1999,表35,管板上钻孔孔桥宽度的差别（表5152）。如表51给出了级管束对应的孔桥宽度尺寸。,第二部分 GB151-1999,表51,（2）U形管：U形管弯管的弯曲半径R应不小于两倍的换
13、热管外径，常用换热管的最小弯曲半径Rmin可按GB151表11选取。U形弯管段弯曲前的最小壁厚按下式计算：其中0、1分别为弯曲前换热管的最小壁厚和直管段的计算壁厚，mm。,第二部分 GB151-1999,（3）换热管的拼接：换热管如不允许拼接，应在图样上注明。换热管拼接时，应符合以下要求：对接接头应作焊接工艺评定。试件的数量、尺寸、试验方法按JB4708的规定。同一根换热管的对接焊缝，直管不得超过一条；U形管不得超过二条；最短管长不应小于300mm；包括至少50mm直管段的U形弯管段范围内不得有拼接焊缝；管端坡口应采用机械方法加工，焊前应清洗干净；,第二部分 GB151-1999,对口错边量应
14、不超过换热管壁厚的15%，且不大于0.5mm；直线度偏差以不影响顺利穿管为限。对接后，应按GB151表50作通球试验。对接接头应进行射线检测，抽查数量应不少于接头总数的10%，且不少于一条，以JB/T4730的级为合格；如有一条不合格，应加倍抽查；再出现不合格时，应100%检查。对接后的换热管，应逐根进行液压试验，试验压力为设计压力的2倍。,第二部分 GB151-1999,13、管板（1）管板的有效厚度：对整体管板而言，是指管程分程隔板槽底部的管板厚度减去下列二者之和：a、管程腐蚀裕量超出管程分程隔板槽深度的部分；b、壳程腐蚀裕量与管板在壳程侧的结构开槽深度二者中的较大值。对复合管板而言，复层
15、可计入有效厚度中，当复层材料强度低于基层时，要相应折减。,第二部分 GB151-1999,（2）管板厚度：应不小于下列三者之和：管板的强度计算厚度或规定的最小厚度，取大者；壳程腐蚀裕量或结构开槽深度，取大者；管程腐蚀裕量或分程隔板槽深度，取大值。（3）管板的最小厚度：是满足结构设计和制造要求、不包括腐蚀裕量的厚度。视换热管胀接和焊接取不同的厚度。见GB151第和条。,第二部分 GB151-1999,（4）拼接管板：拼接管板的对接接头应进行100%RT或UT检测，按JB/T4730RT检测不低于级，或UT检测中的级合格。除不锈钢外，拼接后管板应作消除应力热处理。（5）关于孔桥宽度：管板上钻孔孔桥
16、宽度应按管束级别分别按照GB151表51（级管束）和表52（级管束）查取。当管板厚度值不是表中值时，可按内插方法。,第二部分 GB151-1999,第二部分 GB151-1999,14、布管与分程（1）换热管的排列形式：（2）换热管中心距：宜不小于1.25d0，常用的换热管中心距见GB151表12。,第二部分 GB151-1999,浮头式换热器的布管限定圆直径DL见右图。,第二部分 GB151-1999,（3）布管限定范围：固定管板式换热器或U形管换热器管束最外层换热管外表面至壳体内壁的最短距离为0.25d0，一般不小于8mm。,（4）管束分程：在满足流量和压降的前提下，采用多管程可提高流速，
17、达到强化传热的目的，管程数一般有1、2、4、6、8、10、12等7种，布管原则为：应尽可能使各管程的换热管数大致相等；在可能的情况下，宜使相邻程间温差不要超过20。分程隔板槽形状简单，密封面长度较短。,第二部分 GB151-1999,第二部分 GB151-1999,（5）分程隔板槽：a、槽深宜不小于4mm；b、分程隔板槽的宽度：碳钢12mm，不锈钢11mm；c、分程隔板槽拐角处的倒角一般为45，倒角宽度近似等于分程垫片的圆角半径。,第二部分 GB151-1999,15、换热管与管板的连接：强度胀接、强度焊接和胀焊结合。（1）强度胀接：适用范围 a、设计压力不超过4MPa；b、设计温度不超过30
18、0；c、操作中无剧烈振动，无过大温度变化及无明显的应力腐蚀。,第二部分 GB151-1999,一般要求：a、换热管材料硬度一般须低于管板材料；b、有应力腐蚀时，不应采用管端局部退火方法来降低换热管的硬度。结构尺寸：祥见,第二部分 GB151-1999,（2）强度焊接：可适用于本标准规定的设计压力，但不适用于有较大振动及有间隙腐蚀的场合。结构祥见。（3）胀焊结合：适用于 a、密封性能要求较高的场合；b、承受振动或疲劳载荷的场合；有间隙腐蚀的场合；c、采用复合管板的场合。结构祥见。,第二部分 GB151-1999,16、管板与壳体的连接（1）延长部分兼作法兰的管板：,第二部分 GB151-1999
19、,第二部分 GB151-1999,延长部分兼作法兰的管板,（2）不兼作法兰的管板：,第二部分 GB151-1999,17、管板计算（1）力学模型：承受均布载荷、放置在弹性基础上、且受管孔均匀削弱的当量圆平板。（2）内力分析图：详见右图。,第二部分 GB151-1999,（3）设计条件的四种危险组合：如果不能保证ps和pt在任何情况下都能同时作用时，则不允许以壳程压力和管程压力的压力差进行管板设计。如ps和pt之一为负压时，还应考虑压差的危险组合。1）不带法兰的管板：ps0，pt0，不计膨胀变形差；ps0，pt0，同时计入膨胀变形差；pt0，ps0，不计膨胀变形差；pt0，ps0，同时计入膨胀变
20、形差。,第二部分 GB151-1999,2）其延长部分兼作法兰的管板：除应考虑以上的组合之外，还应考虑到法兰力矩对管板强度的影响。,第二部分 GB151-1999,（4）管板应力的调整：在设计中，管板应力超过许用应力后，为使其满足强度要求，可采用两种方法调整厚度。,1）增加管板厚度：增加管板厚度，可以大大提高管板的抗弯截面模量，有效地降低管板应力，因此一般在压力引起的管板应力超过许用应力时，通常采取增加管板厚度的方法。2）降低壳体轴向刚度：由于管束和壳体是刚性连接，当管束与壳壁的温差较大时，在换热管和壳体上将产生很大的轴向热应力，从而使管子产生较大的变形量，出现挠曲现象，使管板应力增加。这时可
21、采取降低壳体轴向刚度的方法，如设置膨胀节。,第二部分 GB151-1999,（5）计算软件SW6：使用SW6进行换热器设计时，首先应输入一系列的设计条件，例如：主体设计参数；筒体数据；管板数据；前端管箱数据；后端管箱数据；前端管箱法兰数据；筒体法兰数据；等。,第二部分 GB151-1999,主体设计参数：,第二部分 GB151-1999,管壁壁温tw的计算（附录F）：、热流体侧的壁温计算公式：、冷流体侧的壁温计算公式：,式中：Tm、tm热流体、冷流体的平均温度，tm两种流体平均温度差，,一般情况下，取：,第二部分 GB151-1999,当管壁热阻很小，且管壁很薄时，也可按下式进行估算：,第二部
22、分 GB151-1999,两种流体平均温度差：a、纯逆流或并流：b、多程换热器：,流体的平均温度：、液体的平均温度（过渡流及湍流阶段）：,第二部分 GB151-1999,、液体（层流阶段）和气体的平均温度：,有的参考书中还给出以下壁温计算公式：、热流体在管外、冷流体在管内的壁温公式：、热流体在管内、冷流体在管外的壁温公式：,式中：Tm、tm热流体、冷流体的平均温度，tm两种流体平均温度差，,第二部分 GB151-1999,筒体数据参数：,两管板内侧间距,第二部分 GB151-1999,管板数据参数：、管板设计数据（1）：,第二部分 GB151-1999,、管板设计数据（2）：,第二部分 GB1
23、51-1999,换热管受压失稳当量长度：,（a）,（b）,（c）,第二部分 GB151-1999,前（后）端管箱数据参数：、前（后）端管箱筒体数据：,第二部分 GB151-1999,、前（后）端管箱封头数据：,第二部分 GB151-1999,前端管箱法兰数据：、前端管箱法兰数据：,第二部分 GB151-1999,、任意式法兰结构数据：,第二部分 GB151-1999,、螺栓及垫片结构参数：,第二部分 GB151-1999,筒体法兰数据：（略）运行结果（只以管板为例说明）：、管子数 n=1001根：,、管子数 n=800根：,第二部分 GB151-1999,18、膨胀节的设置（1）设置条件 当以
24、下任意一条不能满足时：a、壳体中的轴向应力不能满足强度条件时；b、管子中的轴向应力不能满足强度条件时；c、管子稳定性不够时；d、管子的拉脱力过大时。,第二部分 GB151-1999,（2）、应力和稳定性计算：1）根据温差引起的轴向力所产生的温差应力和流体压力引起的轴向力所产生的应力进行叠加，然后进行应力校核，要满足应力条件（2t）。温差引起的轴向力：,第二部分 GB151-1999,在弹性变形范围以内，按照虎克定律，管子被压缩的量为：,壳体被拉长的量为：,合并以上两式，消去得：,第二部分 GB151-1999,令：e=t-s,得：,并结合：,有：,第二部分 GB151-1999,流体压力引起的
25、轴向力：,Q,第二部分 GB151-1999,2）管子的拉脱力要满足：3）管子受压时，还要满足稳定性要求：tcr,应力评定：,第二部分 GB151-1999,（2）膨胀节的标准：GB16749。,19、折流板（支持版）（1）弓形折流板的缺口高度：应使流体通过缺口时与横过管束时的流速相近。单弓形缺口弦高宜取h（0.200.45）Di。弓形折流板的缺口应切在管排中心线以下，或切于两排管孔的小桥之间。,第二部分 GB151-1999,（2）折流板的间距：折流板最小间距一般圆筒内直径的1/5，且不小于50mm；特殊情况也可取更小的间距；,折流板最大间距应满足最大无支撑跨距要求。按换热管的外径和材料查G
26、B151表42确定。,第二部分 GB151-1999,（3）折流板的布置：折流板一般应按等距离布置、管束两端的折流板尽可能的靠近壳程进出口接管。,卧式换热器的壳程为单相清洁流体时，折流板缺口应水平上下布置，若气体中含有少量液体时，则应在缺口朝上的折流板的最低处开通液口；若液体中含有少量的气体时，则应在缺口朝下的折流板最高处开通气口，如下图（a）、（b）所示。,第二部分 GB151-1999,卧式换热器、冷凝器和重沸器的壳程介质为气、液相共存或液体中含有固体物料时，折流板缺口应垂直左右布置，并在折流板最低处开通液口，如下图（c）所示。,第二部分 GB151-1999,第二部分 GB151-199
27、9,（4）折流板的固定：拉杆-定距管结构。拉杆应尽量均匀布置在管束的外边缘。拉杆的直径和数量分别见表43和表44。,注：在保证表44拉杆总截面积时，拉杆直径和数量可以变动，但其直径不得小于10mm，数量不少于4根。,20、支座 换热器鞍式支座、耳式支座按JB/T4712选用。（1）鞍式支座在换热器上的布置（见下图）按下列原则确定：当L3000mm时，取LB=（0.40.6）L；当L3000mm时，取LB=（0.50.7）L；尽量使Lc和LC/相近。,第二部分 GB151-1999,固定支座应尽量布置在大管端或多管端。,第二部分 GB151-1999,耳式支座在换热器上的布置应按下列原则确定：a
28、、DN800mm时，至少安装两个支座，且应对称布置；b、DN800mm时，至少安装四个支座，且应均匀布置。,21、管箱、浮头盖的热处理（1）碳钢、低合金钢制的焊有分程隔板的管箱和浮头盖以及管箱的侧向开孔超过1/3圆筒内直径的管箱，在施焊后作消除应力热处理，设备法兰密封面应在热处理后加工；（2）除图样另有规定外，奥氏体不锈钢制管箱、浮头盖可不进行热处理。,第二部分 GB151-1999,22、防冲板的设置（1）管程设置防冲板的条件：当管程采用轴向入口接管或换热管内流体流速超过3m/s时，应设置防冲板，以减少流体的不均匀分布和换热管管端的冲蚀。（2）壳程设置防冲板（导流筒）的条件：a、当壳程进口管
29、流体的v2值为下列值时，应在壳程进口管处设置防冲板或导流筒：,第二部分 GB151-1999,非腐蚀、非磨蚀性的单相流体，v22230kg/（ms2）者；其他液体，包括沸点下的液体，v2740 kg/（ms2）者；b、有腐蚀或有磨蚀的气体，蒸汽及气液混合物，应设置防冲板；c、当壳程进出接管距管板较远，流体停滞区过大时，应设置导流筒，以减少流体流动死区。,第二部分 GB151-1999,（3）防冲板的结构、尺寸：a、防冲板外表面到圆筒内壁的距离，应不小于接管外径的1/4；b、防冲板的直径或边长，应大于接管外径50mm；c、防冲板的最小厚度：碳钢为4.5mm，不锈钢为3mm。,第二部分 GB151
30、-1999,防冲板的固定：a、焊在圆筒上；b、用U形螺栓固定在换热管上；c、焊在定距管或拉杆上，也可同时焊在靠近管板的第一块折流板上。,第二部分 GB151-1999,23、防短路结构（1）旁路挡板；（2）挡管；（3）中间挡板。,第二部分 GB151-1999,24、低温管壳式换热器 设计温度低于或等于-20。低温换热器的设计、制造、检验和验收须遵循GB151附录A。但当满足“低温低应力工况”时，其设计温度加50后，高于-20时可除外。但“低温低应力工况”不适用于钢材b540MPa的低温换热器。对低温换热器的焊接接头采用局部探伤时，检查长度不得少于各条焊接接头长度的50%，且不小于250mm。,第二部分 GB151-1999,低温低应力工况：指换热器壳体或其受压元件的设计温度虽然低于或等于-20，但其环向应力小于或等于钢材标准常温屈服点的六分之一，且不大于50MPa时的工况。,第二部分 GB151-1999,
