第六 章管壳式换器热机械的设 （计eMhacnica lesiDn gf Sohle ald nTub eHeat Excahnerg） 61 .述
换概器热工业是门广泛应部的用用通艺设工。备根不据的目同，的换器热可以是热换 器交（eHa texhangerc、加）热（器eHter）a、却器（冷Coloer、蒸）器 （E发vaoprator、）凝冷（器ondCnser）e，等结型构式多也多样，种用的常热换有板 器式热器（换lPat eeat hxcehanger、）管式壳换器热（hSll ean tdbu eheta xcehngea）。r 管式壳热器又换列管称式热换。管器壳换热式具有处理能器大适应力性，强靠性可 高设计，和制造艺工熟成生，成本产，低清较为方便等洗点优是目，生产中前最广 泛使用为的种一热换设。 备壳管式换热器的设和计选除用了满足规的定工工化条件外，艺还需足下列满项各基本要求： 1（换热效率高； ）2）（流流体阻动小力，压力即降小； （3结构可）靠，制成本低造 ；4（便于安装、检修。
）
.61.1管壳 式换热器的结构主及要零部
件
热换器构名称件
6
1.2 .壳式换热器的管类分（laCsifisctionaof helSl and uTe Hebt axcEhngea）
管r壳式热器种类很多换根据换，器所受热温应力差及以否采是温用补差装偿，置分为性结构和 具有温刚差补的两偿。常类的管用壳式换热有器固定管式板浮，头，式填函和U型式管式。1 固定管板式换、器（热Fxide tubehe at echxnage）r 定管板式固热换器为分性刚构的固结定管板式带膨胀节的固和定板管式两种。换热器壳和体束管通 过端两的板刚性管连在地一。
起
定管板式固热换器
带膨
胀节的定管板式换热器
固
优：换热点结构简器单、造低，价根每管都子单能独换更管，便于内清 缺点：管洗外洗困难，管清间壳温差应力有在存当。种两质温差较大时，介须设置膨必节胀。固定 板式换热器管用适壳于介程清洁质、不易结、温差垢大不壳和压程不高力场合的。
2
、浮头换热器式（lFatoin hgaed eaht xehacngre）浮头 式换器中热有只一块板与壳管刚性固定在体起，一一另的管板可端在体内壳由自动。管移 束和壳体不同在温下度胀自由，互膨不牵连
。浮头换热式器
优：点种这换器热消除了温应差的影力，响用于可温较差的两大种介的换热质。程管壳程和均能 承受高的介质较力压。束管从可壳一端程抽出，壳与管程的清洗均很方便程 缺点：。由换于器热束管与程壳间之在较存的环隙大，设的紧备性凑差，传效热较低。结率复 杂构，浮部头分活动管板、浮由盖和头勾组圈，浮成头处生内发不便漏查检。属消金量大，造耗 价也较。
高
、填3式函换器热（Fil lufcniont heat xcehangre）填函式换 热器浮头与的体间壳用填采料进行函密封和补偿。热
填函换式热 器
优点：构简结，单价较浮造头式低。修检、清洗易，填容函的泄处能及时发现漏 。缺：点程受壳到料密封填的限，制能不承过受的高力和压温度。壳程且内质有介漏的外可，能 程壳内不宜处理易发挥易燃、易、爆有毒、的介质 。减为管少束壳体与间的之环隙可，采用动式滑板结构管
。
4、
型管式U热器换U-（tub eeat exhcanhge）r换热器 的管弯束成型U，U管两型端定在固同块一板上管在管箱中加，有块一隔板。
型U式换热器管 优：点热器只换有块管一板结，简单，造构便宜。管束价可抽出以洗清，子管以自由可胀。膨缺 ：点内管便不洗，清板上管管布，结少不紧构凑。管介外质短路易影响传热效，。果内层管 损坏后不子易更。换 U型式管换器热主要于用管清洁而不结垢的内高、高温介压。壳质介层适质性强，常应于高用压 高温、、粘度较的场大合
。
.163. 壳管式换热机器械计内设
容壳式管换热器的计，设首先据化工生根工艺产条件要的求，过化工通工艺计，确定换算器热的传热 积面，同时择选管。径管长，确定数、管管层和壳数层数然后，行进械设计。机机械设包 计括 ：（）1壳直体的决径和壳定体度厚计算的 （2；换热器）头选封择，力压容器法兰择；选 3（管）尺寸板定确 ；4）（折流的板选择与计算；（ ）5管子脱力拉的算计 （6；温）应差计算力。
6
.2管壳 式热器换的结设计构（Selhl ad nuTb eHaet Echxangr Deesgn）i6
..2 管子的1选（用Selectoni ofpip ）e1、 管子径的选直择（hCioe cfopip eiametder）换热 直管径确的要定考虑管内介的质性物和内流管速、量流为。了提高热传率效通，常求管要内 体流湍流呈，故一要求般管较径；小且而采小用直的径子，管换热单器位体积换的热面积大些 设，备紧较。但制凑造麻烦，较易结容垢，易不清洗，用适较于洁的清流。体粘度大污浊或流的 体，选宜大用直的径子。管常 的用钢和碳低金钢合缝钢无管规格有Ø的1×9、 Ø22×2.5、5 3Ø×2、3 38×3、Ø锈不常采钢用Ø 2×5、2Ø 382.5×。
、2管材料的选子择（hoCce iof pie pmatreal） 管i子材应根据料设压计、温度、力质介的蚀等腐件条选择来，在满以上条足的件提下前尽量选， 择热导能性的材好料，对一于介质般可选，用通普碳素，特别钢1是、200无号钢缝管。
3、
子管度的长选（择Coiheco pfipe lnegth ）管长度主要根子据工艺计和算整换个热器的何几寸的布尺来确局定管子，越长，换热器单材料 位耗越低消。管子不但能长太否则对，体流生较大阻产，力维修清、、洗运、安输都不方便装，管 本身子力也受不。常好管长规格为用1.5、、2.52、、3.54、、65、.5、97、1m2等。
4、
管子式型的选（择Coohs ehettyp eo fppei）管 一般都子光管，因用其为结构简、单造制便方但它，强传热的化性能不。为了强化传热足可 选用，殊特型的管式子
：
种异形管 几）扁平管ab 椭）管 c圆凹槽扁平） d管波纹）
管
向纵翅管片a）焊 接外翅片 管b整体）外翅式片管c） 镶式嵌翅外管 片）整体d式内翅外片管
径翅片管
向
纹螺管
6.
2. 管子与2管的板连接（Cnnoeticnoo f Tbe unadTube P late
管）与管板子的连间是管壳式接换热器设计制和造的主要中问题之一。要连接处求足有的够结合 力工，作气密性要好。常时用连的方接有胀法接、接焊和胀焊合结 1。、接胀（xpEasionn）胀接是 利用管器胀挤压伸管入板中的孔管端部子使管，发子生性变形塑管，孔同时产生弹性变板形 。当掉胀管器后，管取板孔性弹缩，管收与板管子就产间一定生的挤紧力压紧密而贴地一在起， 到达密封、固紧、连的接目。的缺点 ：胀结构随温度的升接，高子管或管材料板产生高温会变，蠕使接处应力头弛松或逐消 失，渐使接处连生泄漏，发成造接失连效因此胀接。结只适构用温度不超过于300、℃力压不过超4 PM的场合a 采。胀接型式，用板管的度硬须高于管必端度。硬常通对端作管退处理火，降以其硬度低后进胀 接行同时为提高管子。与板的连接质管，也可在管量孔板开内一或二个环形槽个 。胀接长度取（1）倍两热管换径外（2；50）m；m3（管）板厚减度m3三m者中最的小值
。
胀管前后示意图
的管
孔内开环形板槽
、焊2接（Wedinl） 管子与g管板间用焊接采接 优点连：连结接构简单适用、围范；广板管加的要工求低、 产生程过单、生简效率产高管子与；板管选材要 简化、求端管须退火不在；力压不的场高合 可用使薄较的管。 缺点：焊接接头板产处的生应热可力能造应成腐蚀力和破 ；裂子管与板管存间着在隙，间这间些中的隙 质会形介成区，造成间隙腐死。蚀
接焊隙间
管
板孔不开坡口上
管孔上开板06°坡口
管头部不突出子板管
孔的四周开沟槽
、胀焊并3（用Exapsnin oad neldWig）n由于 独单用胀采接单独采或用接焊均有一定的限局性为，此现出胀了加焊接接的式型。根 加据工次序分可：先胀为焊后和焊先后胀两种式形。用这采种接连构结可以消除隙，增间抗加 疲热劳的性，适用能于温高高压、的换设热备
。
.2.63管 结构（板Tue bPalteS rtucure）
t1 管、在子板管的上列排（rAargnment ef tuobe 管）式壳换器的热子管在管上板的布置不只单虑设考的紧备凑，性还要考虑体流性质的结、构设 计以及加工制造面方的情。常况正用角三排列、转形角三角排列、债方形正列、转角排正方
形排列
。
三角正排列形管的子
正形排方的列子 管当壳程清为洁、结不的垢体流，宜时用正三选角形列排。
组排列法合
壳程流体粘较度大易或结垢需定期清洗壳程时一，采用正般形方排。列 多程热换器常，用采三角形和正方正形组合排列方，以便安法排板隔置。对位直径于较、管大子 多较，按三正角排形列子管总数超过17根时必2在管须束周围的弓形空尽间量再配附置换加管热。
2 管间距、T（ueb pacsing 管）上两板换管热中的距离称为管心距间确。管定距既要考虑间构结凑紧性、热传率效又，要考 虑管板度和强清洗空间及管以子管在板固定上的影响。于正对角形排三，管列距应大于等于间子 管直的径125倍，且.不于d小0+ m6。m最 层换外管的热壁与管壳体壁间的内离不距小于得1 m0。m换热管 中距 心(m)m
、3 管受板及其设力计法 方列式管热器的换管板一采般用管板，平圆平在上开孔装板设束，管板又管与壳相连。体管板受 所的荷除管载程与程壳力压之外还，受管壁与壳壁的温差引承的变形不起调协而产生温差应力的 。响管影应板力大小以下因素有 ：（）管1板自身直的、径厚、材度强料、度用温使度等对管应力有显板的著响。 （影）2管对管板的支撑作用束 。3）管孔（对板强管和度度削刚的影响弱 （。4管板）边支承形周式影的。 响（5）温对度板管影的响。
我国《
壳管式换器热》（G151B-9919）用以下采的计设法进方行管厚度计板： 算将束管作弹性当支承，管板而则为作置于放弹该基性础的圆上板，然平根后据荷大小、载管束 刚的度及边周支撑情的来确定况板的弯管曲力并进应强度行计算。通常可 以根管板的公据压称力《从制钢列管固式定管换热器结板设计构册》手中接查取管直板的尺 寸。
.2.4 6板与壳管体连的接构结（Cnoenctngi o tufb elape atd snehl）
l管壳式热换器板与管体壳的接结构分为连可拆和式可拆不两大式。固定管板类式热器换管板的和壳 体采用不间可拆的焊接接，连浮头式而U、管式和填函型换式器热的板管与体间壳采需可用拆 构。
结
1 固、定板管换热式器板与管体的连接壳
兼作
法兰时板与壳管体的接结构连
不
作兼法时兰板管壳与的体连结构
2、接浮头式 U、管式和填型函换式热器管的板与壳体的接连 于浮头式由、U管式型填和式函热器的管束要换壳从体抽中，出以进便行清，故需洗将管做板 成可连拆接
。
管板壳与体拆结可
构
.62. 5管箱管程分与程T（ube oxb adn ubt eplsti
1）、箱管与程隔板分换热器 内管流进体口出空的间为管称箱。管位箱于热器的换端两将介质均，匀分地到布换热各管中 ，或将管流体汇内后
集
输送来。为了出便于清、检洗修子，管箱管采用可应拆构结
。定管板固热换器利是用管箱实来现束分程管。在热器一换或两端端箱管内分安置一定数量别的 隔板将换热器做，成管多程。分程隔板有层单双和层两种。
单层板与管板隔的封密
层隔双板管与的板封
密
2 、
管分程 程程管层布置分尽量做到各，程的速基本相同流，使各程数管大相致。等常用管的数有1、程、2、46 8、、0、121。
等用常管分程程
图6.2
6.挡板与 流导筒（Baflfe adndraf tute）
壳b接管程的结设计直构影接响热换的传热器效与率使用命寿当介。为质气蒸或高流速进入体壳程 时，口入处管子的将到很大冲击，受甚至生震动发为了保。护束，通常管在口入处设立流筒导或挡 板导流。筒可以还加使蒸热或气流体从近靠管处进入管板间，充分用传利热面。
积流导筒
挡
板
.26. 折7板和流支撑（Ba板ffl end suppaotr patl）
折流板的作e是用提壳高内液程速度和体强湍流加度，程时同还支起换热撑的作用管。折流和板支 撑的板常形用式弓有、形圆-圆环形盘带扇和形切三种。
弓口折形板流
盘圆圆环-形折流板
带
形扇切口折的板
流
折流板支撑和的板定固是过通杆拉和距定来管现实。拉的是一根杆两皆端螺有纹长的杆一，端拧入 板管，流板折穿就拉杆在上各，之间板以套则拉在上杆的距管定保持板间来距离，后最块折流一 板可螺母拧用拉杆上在以予固定
。流板的折装组
.6 管壳式换3器热强的度计算Str（egnht designof she l anld ubet heat xecahnger）换
热器除满了足工艺求外要还，要足满度强求要。换热作器为受压容器，既具有它一与容般器相 的同构，又结一有容器所没有的结构般，如管、管板子膨胀节等。因、此，管壳式换器的强度热 计包算括部两内分：容第一部 是壳体分、法、兰孔及开支座等，与般容一相同器；第二部分 换热器为有的强度特算，包计括板的强度管设计管、子脱拉力计的、算膨节的设胀计 等
。6.3.1 温应力差The（ral strmes） 由s材料于温、等度的同，不固管定板式换热中的壳器体与管 子的由自长伸量也会同。不但由是于壳体与管子刚 连接性的，们的它伸长互制相约产而附生应 力，这种应力加称温差为应力又称热，力应 。管子和体中壳的温轴向力为：
F
差
t tt 0 t s t s t0 1 1
t AEtE s A
壳s体管与的膨胀与压缩
在子管子壳及体的中温差力为应：
F
t At t
0装安的时度，温；℃
F sA s
式中
： ，t s分别为管子 和体材壳的温料度膨系胀，数1/；℃
t ，tst 别分操为作态状管壁下温度和壁壳度温 ℃；
，E t，s E分为管别子和
壳
体材弹料性量，模PaM； A ，ts A分为换别管总截热面积和壁壳横截面积，m面2。
m.6.32管子拉 脱的力计算Calcul（aitono fp pe pill outu orce）
换f器热在操作中，受流体承力压和壳管温差应力的壁同作用，共管在与管子的连板接头处接生产一 拉脱个，力管子使与管有脱板离倾向。拉的力的脱定义是管子每平米方胀周接边所上受到的 ，力单位为帕Pa）（对于管子。管与板是接的胀头接拉，力有脱可能引起头处密封接的性坏破或 使子拉管脱。为保管端与证管板牢地固接和良连好的封性能密须进行拉必脱的力校核。在操 作力压作用，每平方下米胀周接边所受的到 q力 ：
ppf qp d 0l
式 中 p 设：计力，取压程压管力tp和壳压力ps程者而的中较值大MPa；，
d0
子外管径 ，mm； fl
子胀接管长，度mm；每 四根子之间的面积，管m2m。
管成子角形排三时列：
f 0.866a2 管子
正方成排形列时：
4
d2
f0 a 2
4
d 02
管子之间的积
面其a为中间距，管m。m
在温差应力
用作下，管每平子方米接周边所产胀生的
力
qt
：q t
td 2 0 i2d
4d0l
中式： t管子中温的差力应MP，a
；ta每 管根子管壁横面积截， mm；
di 管2的子内径，m。 m根温据和差压力产生管的子周力方向的不同进边行组合到管得的子拉力，脱要其求小许用拉于脱 q力 。用许脱拉 力MP（a
）
.6.3 3膨节胀（Epanxsin Jooint）1
膨、胀节的型式固定管板式换 器热温度补需偿时常，壳壁在上装上一个或个多形膨胀节的波挠性元件壳、对的管变 进形行补偿以，除或减小消不利温的应差。力 换热器中在用的采膨节有胀三种式：平型板接膨焊节、波形膨胀胀节和夹式壳膨节。平胀板接焊膨胀节结构 简、便于单造，制但适只于常压用低和压的场合夹；壳式胀膨可用于压力较高节场合的；最常用的膨胀节 波为膨胀节形也可，采用多膨胀波节。
平
板焊接膨胀
节波形膨胀
节
夹壳式膨胀
节
2、
必设须置膨节的胀件 条《钢管制壳式换器设热计定规中要》：求若满以下足条件一者之必，设置膨胀节
须s 0 且 s B；（）管4拉子脱 力 q q1（） s 2 ；（2）st 2 t；（3 ）
t
t壳
和管体子的应力按中下式算：计
FF s 1 As2
t
1 FF3 At
式中，
1为由壳体F和子之间的管差所温产的轴向力，生N
；F1
t t t0 t s t st0
1 1 Et tA Es s
FA2由于壳程和管压程作用力壳体于的轴向力上，；
NF2
其中，
Q
A Ess As s AEt Et
Q
2 D i n 0d p2s n 0d 2S t2 tp
4
F3由于
壳程管和压力程用作于
管
子上轴的力向N，；
Q t AtE F As3E s At t
E6.4
管壳换式热设器计型号选与择 D（eisn gad Mndeo Sellectino ofS ell hna dTbu eeaHt Excanherg 6.）4.1固定 板式管换热器的算（计aCclulaiotn f foxed iube pltae tehat xecahgnr）e列
管式热换的器设与计选是在择艺计工算基础上进的行的其计，算步如下：骤1. 根 两种介质的流据量、出进口温度、作压操等算出力热器所换需递的传量。热 2 .据根介质性质（的度、粘浓度腐、蚀性能）选择合适材料； 的. 3根流量、压据力温、度介质、性、传递热质量大小以及制、维造方修等因便选素择换器的热 构型结式 ；4 .确定热器换流程的（一般为～121）程和向流并、（逆错、流）及、管壳程分走别种介质；何5. 计 出所算换需热面，积步确定初径、管管数、子管数程管、长壳和体径等直寸尺并，根这些 尺据校核寸流阻力体，后最标准按选用换器型号热按G或151进B换行器热的设计
。
64..2 固定板式管换器的热选
择热面积换计的
算 F d 0 L 0 1.
n
式中 ：0 换d热外管径mm，； L换管热长，度mmn 换热；管数 壳体公称径直：N为159、2D7、323的壳体5采用无缝钢；DN40管0、50、600、80001000、、2010 1、004、16001、80等0采用钢板卷而成。焊壳体厚 度
按
S pc D i/ 2 p c C 定。确为了证保足够刚的，应考度最虑小厚要度。求
t
称公压：力操作当度温大于200不时，公压称分力0为6.1、.、10.62.、MPa。5换热管材料 ：常碳素结用构钢低合、钢、金不钢锈。换热 规管：碳格钢低合和金常钢用采Ø192、× 25Ø×.52 、Ø3×23 Ø38×、3、Ø5 ×73.5、不锈钢 常用采2Ø×5、 23Ø8×.2。5 换管长度：热10052000、3000、6、00。 管0子间的和距排列：子管距间般为一子外管径1的.25。外倍层子外表管与面体壳内表的面距离应不 于管子小径外0的25倍.固。定板式管热器换按边等角三排列形
6.。.3 固4定板式换热器型管号介
绍了方便为壳管式换热器的计和设择选制，了定壳管式换热国标。器换热面凡、温积、度质压介 在标力准范围内，者以选用准标换器热宜为。 热器换型号表方法为：
示
换热器
号型示： 例1固定、管式板热换 器封头箱管公，直径70称0mm管程，计设力2.压5MPa壳，程设压计1力.MPa，6称公热换积面 0202m，热管换外径5mm，管29长m4，程管，壳程单定固板管换热器，其型式号为
2.
59 20 0 4BEM 70 0 .6 12
25U、型换热管 封器管头箱公，直径称005m，m管设程计力4压MP，壳a程计压设力.16MaP，公换称热面积7m25，换 热管外19径m，m管6m，长2管，单壳程的U型管程换器，热型号为
其4.0
675 2 B I 5U00 1 .61 9
、3浮头冷式凝 器封管箱，头称公径直210mm0
，管设程压力计.2M5P，a壳程计压力设.10PM，a称公换面积 61热0m2换热，外径2管5mm，长9管，4管程m，壳单程浮的式头凝冷，其型器号
为2
5. B9S1200 J 60 1 4 10 .25
H 一W思考题 、二/ 标1各出部件名零
称