1、1 热交换器 戴季煌 2 热交换器 2015.01 第一部分 GB151-2014 1. 修改了标准名称，扩大了标准适用范围： 1.1 提出了热交换器的通用要求，也就是适用于其他结构型式热交换器。并对安装、使用等提出要求。 1.2 规定了其他结构型式的热交换器所依据的标准。 2. 范围： GB151-201X热交换器规定公称直径范围（DN4000mm，原为 2600mm） 、公称压力（PN35MPa） 及压力和直径乘积范围（PN DN2.710 4，原为 1.75104） 。并且管板计算公式推导过程的许多简化假定不 符合。也给制造带来困难。TEMA 控制壳体壁厚 3（76mm） 、双头螺柱最大
2、直径为 4（102mm ） 。 3.术语和定义 3.1 公称直径 DN 3.1.1 卷制、锻制、圆筒 以圆筒内直径（mm）作为换热器的公称直径。 3.1.2 钢管制圆筒 以钢管外径（mm）作为换热器的公称直径。 3.2 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 形管的直管段长度。 3.3 换热面积 A 3.3.1 计算换热面积 换热面积是以换热管外径为基准，以二管板内侧的换热管长度来计算换热面积，计算得到的管束外表面积 （m 2） ；对于 U 形管换热器，一般不包括 U 形管弯管段的面积。当需要把 U 形弯管部分计入换热
3、面积时，则应 使 U 形端的壳体进（出）口安装在 U 形管末端以外，以消除 U 形管末端流体停滞的换热损失。 3.3.2 公称换热面积 公称换热面积是将计算面积经圆整后的换热面积（m 2） ，一般取整数。 4.工艺计算（新增加） 4.1 设计条件（用户或设计委托方应以正式书面形式向设计单位提出工艺设计条件） ，内容包含 4.1.1 操作数据：包括流量、气相分率、温度、压力、热负荷等； 4.1.2 物性数据：包括介质密度、比热、粘度、导热系数或介质组成等； 4.1.3 允许阻力降； 4.1.4 其他：包括操作弹性、工况、安装要求（几何参数、管口方位）等。 4.2 选型应考虑的因素 4.2.1 合
4、理选择热交换器型式及基本参数，满足传热、安全可靠性及能效要求； 4.2.2 考虑经济性，合理选材； 4.2.3 满足热交换器安装、操作、维修等要求。 4.3 计算 热交换器工艺计算时应进行优化，提高换热效率，满足工艺设计条件要求。需要时管壳式热交换器还应考 虑流体诱发振动。 5.设计参数 5.1 压力 5.1.1 压差设计 同时受管、壳程压力作用的元件，当能保证制造、开停工、及维修时都能达到按规定压差进行管、壳程同 时升、降压和装有安全装置时，方可按元件承受的压差设计。 5.1.2 真空设计 真空侧的设计压力，应按 GB150 的规定，当元件一侧受真空作用，另一侧受非真空作用时，其设计压力应
5、为两侧设计压力之和，即为最苛刻的压力组合。 3 5.1.3 试验压力 试验压力 pT=1.25/t，当容器元件所用材料不同时，应取各元件材料的 /t 比值中最小者。 外压容器和真空容器以内压进行压力试验。 1）当 ptp s 时，各程分别按上述办法试压。当 pt（或 ps）为真空时，则 ps0.1（或 pt0.1）再乘以规定 值。 2）当 ptp s 时，壳程试验压力按管程试验压力。 5.2 温度 5.2.1 设计温度 换热器在正常的工作情况下，设定的元件金属温度（沿元件金属横截面的温度平均值） ，它与设计压力一起 作为设计载荷条件，设计温度不得低于元件金属在工作状态下可能达到的最高温度，对于
6、 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。 管程设计温度是指管程的管箱设计温度。非换热管的设计温度。 对于同时受两程温度作用的元件可按金属温度确定设计温度，也 可取较高侧设计温度。 在任何情况下元件金属的温度不得高于材料允许使用的温度。 5.2.2 元件金属温度确定。 5.2.2.1 传热计算求得 1）换热管壁温 tt 热流体热量通过管壁传给冷流体（图 1） 。换热管壁温 tt （1） tctht2 1 2）壳体圆筒壁温 ts 图 1 壳体圆筒壁温计算与换热管壁温相同，不同的地方圆筒外为大气温度，有保温的基本是圆筒外壁温度。 5.2.2.2 已使用的同类换热器上测定 5
7、.2.2.3 根据介质温度并结合外部条件确定。 6. 厚度附加量 6.1 钢材厚度负偏差 6.2 腐蚀裕量的规定 根据预期的容器寿命和介质对金属材料的腐蚀速率确定。 各元件受到的腐蚀程度不同时，可采用不同的腐蚀裕量， （表 1） 。 表 1 腐蚀率 无腐蚀 轻微腐蚀 有腐蚀 严重腐蚀 毫米/年 0.05 0.050.5 0.51.5 1.5 6.3 腐蚀裕量的考虑原则 6.3.1 各元件受到的腐蚀程度不同时，可采用不同的腐蚀裕量。 6.3.2 考虑两面腐蚀的元件：管板、浮头法兰、球冠形封头、分程隔板。 6.3.3 考虑内表面腐蚀的元件：管箱平盖、凸形封头、管箱、壳体、容器法兰和管法兰的内径面上
8、。 6.3.4 管板和平盖上开槽时：当腐蚀裕量大于槽深时，要加上两者的差值。 6.3.5 不考虑腐蚀裕量的元件：换热管、钩圈、浮头螺栓、拉杆、定距管、拆流板、支持板、纵向隔板。当 腐蚀裕量很大时也要考虑。 7.焊接接头分类（增加）与焊接接头系数。 对于换热管与管板连接的内孔焊，进行 100%射线检测时焊接接头系数 =1.0，局部射线检测时焊接接头 系数 =0.85，不进行射线检测时焊接接头系数 =0.6。 8.泄露试验 泄露试验的种类和要求应在图样上注明。 9.材料和防腐 换热器用钢材除采用 GB150.2 中所规定的材料外，作为 GB151 换热器的零部件还需要作进一步考虑。 4 9.1 管
9、板、平盖 管板、平盖一般情况用锻件优于用钢板，但用锻件的成本要高很多，故在条件不苛刻时，用板材作管板、 平盖依然很多。一般规定如下： 1）钢板厚度 60mm 时，宜采用锻件。 2）带凸肩的管板、内孔焊管板和管箱平盖采用轧制板材直接加工制造时，碳素钢、低合金钢厚度方向性能 级别不应低于 GB/T5313-2010（厚度方向性能管板）中的 Z35 级，并在设计文件上提出附件检验要求。 3）采用钢板作管板和平盖时，厚度大于 50mm 的 Q245R、Q345R，应在正火状态下使用。 9.2 复合结构的管板、平盖 管板、平盖可采用堆焊或爆炸复合结构，当管程压力不是真空状态时，平盖亦可采用衬层结构。 9
10、.2.1 堆焊结构 用堆焊制作的管板与平盖，其覆层与基层的结合是最好的，但堆焊的加工难度大，中间检验、最终检验及 热处理的要求高，堆焊一般有手工堆焊和带极堆焊两种方法。 （1）管板堆焊结构：其覆层完全可计入管板的有效厚度（以许用应力比值折算） ，与换热管连接采用强度 焊时，有充分的能力来承受换热管的轴向剪切载荷。 （2）常用带分程隔板槽管板堆焊结构见图 2。 单管程不带分程隔板槽的管板堆焊层大于或等于 8mm。 （a）正确结构图 （b）错误结构图 图 2 （3）管板堆焊技术要求： 9.2.2 爆炸、轧制复合板 管板和平盖采用的复合板等级要求见表 2。 表 2 元件标准 管板 平盖 NB/T47
11、002.1-2010 压力容器用爆炸焊接复合板 第 1 部分：不锈钢钢复合板 剪切强度210MPa 1 级，结合率 100% 剪切强度210MPa 3 级，结合率95% NB/T47002.2-2010 压力容器用爆炸焊接复合板 第 2 部分：镍钢复合板 剪切强度210MPa 1 级，结合率 100% 剪切强度210MPa 3 级，结合率95% NB/T47002.3-2010 压力容器用爆炸焊接复合板 第 3 部分：钛钢复合板 剪切强度 140MPa 1 级，结合率 100% 剪切强度140MPa 3 级，结合率95% NB/T47002.4-2010 压力容器用爆炸焊接复合板 第 4 部分
12、：铜钢复合板 剪切强度 100MPa 1 级，结合率 100% 剪切强度100MPa 3 级，结合率95% 9.2.3 规定了不得使用的衬层复合结构： 9.2.4 管板复合结构的评价 堆焊复合：其覆层完全可计入管板的有效厚度（以许用应力比值折算） ，与换热管连接采用强度焊时，有充 分的能力来承受换热管的轴向剪切载荷。 爆炸复合：采用标准中 1 级的复合钢板时，覆层是否计入管板有效厚度由设计者自行决定（钛、铜覆层不 5 能计入管板有效厚度内） ，但管板覆层与换热管的强度焊，可以承受换热管的轴向剪切载荷。 9.3 有色金属 9.3.1 铝及铝合金 （1）设计参数：p16MPa，含镁量大于或等于 3
13、%的铝和铝合金，-269t65，其他牌号的铝和铝 合金，-269t200； （2）在低温下，具有良好的塑性和韧性； （3）有良好的成型及焊接性能； （4）铝和空气中的氧迅速生成 Al2O3 薄膜，故在空气和许多化工介质中有着良好的耐蚀性。 9.3.2 铜和铜合金 （1）设计参数：p35MPa； （2）纯铜：t200；铜合金：一般的铜合金在 200，但铁白铜管的性能稳定，可用到 400。 （3）具有良好的导热性能及低温性能； （4）具有良好的成型性能，但焊接性能稍差。 9.3.3 钛和钛合金 （1）设计参数：p35MPa，t315，钛钢复合板 t 350； （2）密度小（4510kg/m 3）
14、，强度高（相当于 Q245R） ； （3）有良好的低温性能，可用到-269； （4）钛钢不能焊，且铁离子对钛污染后会使耐腐蚀性能下降； （5）表面光滑，粘附力小，且表面具有不湿润性，特别适用于冷凝； （6）钛是具有强钝化倾向的金属，在空气或氧化性和中性水溶液中迅速生成一层稳定的氧化性保护膜，因 而具有优异的耐蚀性能。 （7）用于制造压力容器壳体时，应在退火状态下使用。 9.3.4 镍和镍合金 （1）设计参数：p35MPa； （2）有良好的低温性能，可用到-269； （3）具有良好的耐腐蚀性能； （4）具有良好的成型性能。 （5）用于制造压力容器受压元件时，应在退火或者固溶状态下使用。 9.3.
15、5 锆及锆合金 （1）设计参数：p35MPa； （2）有良好的低温性能，可用到-269； （3）具有良好的耐腐蚀性能； （4）具有良好的成型性能。 9.4 换热器材料 9.4.1 钢制无缝管 提高了管壳式热交换器管束的尺寸精度要求，规定为级、级管束。按 GB150 规定。 9.4.2 奥氏体不锈钢焊管 9.4.2.1 p10MPa（国外无此限制） 。 9.4.2.2 不得用于极度危害或高度介质。 9.4.2.3 钢管应逐根进行涡流检测，对比样管人工缺陷应符合 GB/T 7735 中验收等级 B 的规定。 9.4.2.4 奥氏体不锈钢焊管的焊缝系数 0.85。 9.4.3 强化传热管 实践证明在
16、蒸发、冷凝、冷却及无相变传热过程中，采用适当的强化传热管，将会起到显著的强化传热的 效果，但如果选择不当，反而会适得其反。 一般的强化传热管有螺纹管（整体低翘片管） 、波纹管、波节管（GB/T28713.1.3） ，以及特型管 （GB/T24590） 。此外应用较多的还有： 1）用于无相变传热：螺旋槽管、横槽管、缩放管、内翘片管及内插入管等。 2）适用有相变传热：单面或双面纵槽管、锯形翘片管、T 形翘片管及表面多孔管等。 6 9.4.4 GB150.2 对换热器的使用规定 在 GB150.2-2011 中 5.1.45.1.7 中规定钢管用作换热管均应选用高精度级的冷拔或冷轧钢管，同时根据 N
17、B/T47019.1-2011热交换器用管订货技术条件第一部分通则中表 1 和表 2 表述，热交换器用管均为冷拔 （轧）管且为高级精度，因此钢制管壳式换热器遵循 GB150.2-2011 规定均应设计为 I 级管束管板管孔直径允许 偏差应均按 I 级管束选定。 9.4.5NB/T47011.1NB/T 47011.8-2011锅炉、热交换器用管订货技术条件中用作换热管的规定，已和 老钢管标准及 GB151-1999 有较大变化，除与 GB150-2011 中变化外，还有以下变化。 1）外径允许偏差。 换热管外径和壁厚允许偏差均比 GB151-1999 标准严格。 2）非合金钢和合金钢无缝换热管
18、订货技术条件 例约定项目中晶间腐蚀试验，若介质易产生晶间腐蚀，钢管的材料要求，在设计文件中必须明确要求钢管 在出厂检验时必须通过晶间腐蚀检验。 3）无缝和有缝不锈钢换热管订货技术条件 在 NB/T47019.5-2011 规定了 GB13296锅炉、热交换器用不锈钢无缝钢管和 GB/T24593锅炉和热交换 器用奥氏体不锈钢焊接钢管用作换热管时的订货技术条件。 9.5 防腐 目前换热器防腐有如下几种措施： 9.5.1 防腐涂层。一般采用非金属涂层，常用的水冷器有防腐、防垢涂料 847 和 901，还有 NiP 镀层，但 在 油气系统使用较多的是涂陶瓷，现场证明效果较好。 9.5.2 金属涂层。
19、一般有镀 Ni、Ti、铜等，工艺效果虽好，但造价昂贵是影响使用的障碍。 9.5.3 金属堆焊。一般采用碳钢、CrMo 钢堆焊不锈钢较多，用来抗硫化氢酸性腐蚀。该方法造价较低， 效 果很好，一般化肥、乙烯、炼油中加氢、重整、预加氢使用很多。另外，还有复合板、双向钢钢管用量也较大， 效果较好。 9.5.4 缓蚀剂。目前炼油装置、化工装置多采用一脱四注的方式较多，效果也较明显。 10. 管壳式换热器类型 管壳式换热器在工业中用量约占换热器总量 90%，是应用最为广泛的一种换热器。 典型管壳式换热器的结构形式有固定管板换热器、U 型管换热器、浮头式换热器、填料函式换热器、釜式 重沸器、双管板式换热器、
20、拉撑管板换热器、挠性管板换热器和缠绕管换热器。 10.1 固定管板换热器 固定管板换热器（图 3）是二端管板与壳体固定连接（整体或夹持式） 。 这是使用最为广泛的一类换热器。换热管两端固定在管板上，管板焊于壳体上。 固定管板换热器宜用于场合： 1）管、壳程金属温差不是很大，而压力较高的场合。当管、壳程金属温差较大时，压力就不能太高，因为 温差大，必然增加膨胀节，由于膨胀节耐压能力差。 2）由于壳程无法机械清洗，因此要求壳程介质干净；或虽会结垢，但通过化学清而能去除的场合。 （1）优点： 1）其结构简单，锻件使用较少，制造成本低。 2）管程可以分成各种形式的多程，壳程也分成二程。 3）传热面积比
21、浮头式换热器大 20%30% 。 4）旁路漏流较小。 7 图 3 （2）缺点： 1）不适用于换热管与壳程圆筒的热膨胀变形差很大的场合，管板与管端之间易产生温差应力而损坏。 2）管子腐蚀后造成连同壳体报废，壳体部件寿命决定于管子寿命，故设备寿命相对较低。 3）壳程不能清洗，检查困难。 10.2 U 型管换热器 U 型管换热器（图 4）是换热管二端固定在同一块管板上，管板与壳体固定连接（整体或夹持式） 。 图 4 U 型管换热器可用于以下场合 1）管程走清洁流体。 2）管程压力特别高。 3）管、壳程金属温差很大，固定管板换热器连设置膨胀节都无法满足要求的场合。 （1）优点： 1）U 形换热管尾端的
22、自由浮动解决温差应力，可使用于两种介质温差较大。管、壳程金属温差不受限制。 2）管束可抽出，便于要经常清洗换热管外壁。 3）只有一块管板，加之法兰的数量也少，故结构简单而且泄漏点少，造价较低。 4）可在高温、高压下工作，一般适用于 t500，p10MPa 。 5）可用于壳程结垢比较严重的场合。 （2）缺点： 1）管程流速太高时，将会对 U 形弯管段产生严重的冲蚀，影响寿命，尤其 R 小的管子，应控制管内流速。 2）管程不适用结垢较重的场合。 3）由于弯管 Rmim 的限制，分程间距宽，故比固定管板换热器排管略少。 4）换热管泄漏时，除外圈 U 形管外，不能更换，只能堵管。 5）管束中心部位孔隙
23、较大，流体易走短路，影响传热效果，应增加隔板，减少短路现象。 6）因死区较大，只适用于内导流筒。 7）管板上排列换热管数较少。 8）最外排的管子 U 型弯曲段，因为无支撑的跨度较大，宜导致流体诱发振动问题。 9）有应力腐蚀要求时应慎重考虑。 10.3 浮头式换热器 浮头式换热器（图 5）是一端管板与壳体固定连接（夹持式） ，另一端的浮头管板（包括浮头盖、勾圈等） 在管箱内自由浮动，故无需考虑温差应力，管、壳程金属壁温差很大场合。 （1）优点： 8 图 5 1）管束可以抽出，以方便清洗管、壳程。 2）壳体壁与管壁不受温差限制。 3）可在高温、高压下工作，一般 t450，p6.4MPa。 4）可用
24、于结垢比较严重的场合。 5）可用于管程腐蚀场合。 （2）缺点： 1）处于壳程介质内的浮头密封面操作中发生泄漏时很难采取措施。 2）结构复杂，金属材料耗量大，成本高。 3）浮头结构复杂，影响排管数。 4）压力试验时的试压胎具复杂。 5）金属材料耗量大，成本高 20%。 10.4 填料函式换热器 一端管板与壳体固定连接（夹持式） ，另一端的管板在填料函内自由浮动。 管束可以伸缩，可使用于两种介质温差较大。结构也较浮头简单，制造方便，成本优于浮头换热器。因管 束可抽出，易于检修清洗。宜使用于有严重腐蚀介质。 10.4.1 外填料函式换热器（图 6） 适用设备直径在 DN700mm 以下，且操作压力和
25、操作温度也不宜过高，一般用于 p2.0MPa 场合。 10.4.2 滑动管板填料函换热器 10.4.2.1 单填料函式换热器（图 7） 图 6 图 7 在填料内侧密封处，管壳程介质间仍会产生串流现象，不适用管壳程介质 不允许混合的场合。 10.4.2.2 双填料函式换热器（图 8） 该结构以内圈为主要密封，防止内、外漏，而以外圈以辅助密封，防止外 漏，且内外密封圈之间设置泄漏引出管与低压放空总管相连。该结构可用于中 度危害、易爆等介质。 10.5 釜式重沸器 釜式重沸器（图 9）是一端管板与壳体固定连接（夹持式） ，另一端为 U 形 管束或浮头管束，壳程为单（或双）斜锥具有蒸发空间的壳体，故管
26、程的温度 和压力比壳程高，一般为管程介质加热壳程介质。p6.4MPa。 （1）优点： 图 8 1）适用于塔底重沸器、侧线虹吸式重沸器。 2）节约设备重量 25%以上。 3）抗腐蚀性能良好。 4）有自清洗作用。管、壳程温差大的场合。 5）总传热系数提高 40%以上。 6）汽化率较高的场合（3080%） 。 9 7）重沸工艺介质的液相作为产品或分离要求高的场合。 8）抗腐蚀性能良好。 1偏心锥壳 2堰板 3液面计接口 图 9 （2）缺点： 1）在重油设备上，如渣油、原油设备无应用历史。 2）不适用于有湿硫化氢场合。 10.6 双管板式换热器 双管板式换热器（图 10）是每一侧有二块管板，换热管的一
27、端同时与二块管板连接。 主要用于管程和壳程之间介质相混合后，将会产生严重后果。但制造困难；设计要求高。 1）防腐蚀：管程和壳程二介质相混合后会引起严重腐蚀。 2）劳动保护：一程为剧毒介质，渗入另一程会引起系统大面积污染。 3）安全方面：管程和壳程介质相混合后，引起燃烧或爆炸。 4）设备污染：管程和壳程介质相混合后，引起聚合或生成树脂状物质。 5）催化剂中毒：另一程介质混入后造成催化剂性能改变或化学反应。 6）还原反应：管程和壳程介质相混合后，引起化学反应终止或限制。 图 10 7）产品不纯：管程和壳程介质相混合后，引起产品污染或产品质量下降。 10.6.1 双管板固定管板换热器（图 11） 图
28、 11 10.6.2 双管板 U 形管换热器（图 12） 10.6.3 双管板 U 形管釜式重沸器（图 13） 图 12 10 图 13 10.7 拉撑管板换热器 拉撑管板换热器（图 14）是管板厚度较薄，一般厚度在 1218mm 之间。 10.7.1 结构型式有： （1）贴面式（德国）：管板焊在设备法兰密封面上（图 14a） 。 （2）镶平式（原苏联 标准）：管板焊在设备法兰密封面其平（图 14b） 。 （3）角焊式（原上海医药设计院研制）：管板焊在壳体上（图 14c） 。 10.7.2 适用范围： a b c 图 14 1）设计压力：管程和壳程分别不大于 1.0 MPa； 2）温度范围：管
29、程和壳程的设计温度范围 0300；换热管与壳体平均壁温差不超过 30； 3）直径范围：壳体内径不大于 1200mm； 4）换热管长度：不超过 6000mm。 5）换热管应采用光管，且与壳体材料的线膨胀系数接近（两者的数值差不大于 10%） 。 10.7.3 不宜设置膨胀节。 HG21503-1992钢制固定式薄管板列管换热器标准中选用“角焊式”和“贴面式”两种结构。 薄管板的计算以换热管与壳体对管板是固定支撑，管板是在换热管与壳体固定支撑下的受压平板，因此换 热管必须在操作中保持刚性，壳体也不能设置膨胀节，所以管壁与壳壁温差不能太大，要保证换热管与壳体的 纵向稳定。换热管与管板必须采用焊接，但
30、实际情况下，薄管板亦不能采用胀接办法，因薄管板的厚度一般为 1216mm 左右，如采用胀接时，管板将塑性变形，不能达到强度和密封性的要求。同时要求管板不兼作法兰， 因薄管板承受不了法兰传过来的弯矩。因此采用薄管板必须满足上述要求。 薄管板亦可用于多程换热器，密封槽和分程槽均可直接开在薄管板上，因管板的强度计算厚度较小，开槽 后强度也是足够的。但角焊式（原上海医药设计院研制）的结构，因薄管板的焊接形式不同，多程时需焊上用 以开分程槽的隔板。 由于薄管板与法兰的连接形式各不相同，因而各有其优缺点，现分析如下。 1）受力和强度方面 从管板强度来看，角焊式（原上海医药设计院研制）研制的结构较好，它具有
31、较大灵活性，主要是管板离 开法兰，减少法兰力矩对管板的影响，从而降低了管板由法兰螺栓引起的应力。因法兰力矩引起的管板上应力 是主要的，因此减小法兰力矩引起的应力，相应降低了管板总的应力。法兰螺柱在预紧时，法兰变形使管板受 11 到周向压缩，而管板的周向刚度很大，给法兰以反力矩，减小了法兰的变形，亦减小了管板的应力。反力矩的 大小决定于管板中心面与法兰中心面的偏心距 e 和管板周向刚度。角焊式（原上海医药设计院研制）研制的结 构中的 e 值可由设计者自由选择，就显得有较大的灵活性。但 e 值不能选择过大，过大增加筒体长度，增加投 资。 前苏联的结构，因管板中性面与法兰中性面接近，受法兰的力矩最大
32、。德国的结构形式，较优于前苏联的 结构形式。 2）在防腐蚀方面 从防腐蚀要求来考虑，前苏联的结构无任何优点，而德国的结构和角焊式（原上海医药设计院研制）研制 的结构各有优缺点。当管程介质为腐蚀性介质时，选用德国结构较好，因法兰与管程腐蚀介质不接触，而不需 选用耐腐蚀材料制造法兰；当壳程介质为腐蚀性介质时，选用角焊式（原上海医药设计院研制）研制结构较好， 这时法兰与壳程腐蚀介质不接触，法兰可选用普通钢材制造；当壳程和管程介质均为腐蚀性介质，则选用上海 医药设计院研制结构较好，因选用该结构时，可选用带衬环法兰，以达到防腐蚀要求。而前苏联的结构无论何 种情况，腐蚀介质均要与法兰接触，法兰不能不选耐腐
33、蚀材料。 10.8 挠性管板换热器 适用于管程介质为气体，壳程产生饱和水蒸气的卧式管壳式余（废）热锅炉。 型管板与壳体（管箱）的连接（见图 15a）和型管板与壳体（管箱）的连接（见图 15b） 。 图 15 挠性管板换热器 适用范围： 1）管程设计压力不大于 1.0MPa，壳程设计压力不大于 5.0 MPa 且壳程压力应大于管程压力； （1）型用于管程设计压力小于或等于 0.6MPa； （2）型用于管程设计压力小于或等于 1.0MPa。 2）壳体直径与换热管长度分别为 2500mm 和 7000mm。 10.9 高效缠绕管换热器 （a） 多头换热器管板 （b）现场缠管一 （c） 现场缠管二 图
34、 16 为节省设备投资，在有限换热器壳体容积中，布置最大换热管传热面积，提高换热效率，管壳式缠绕管换 热器（图 16）应运而生。此类换热器为多层多头在芯棒上缠绕焊接不锈钢小直径换热管，结构如图 16 所示。 10.10 奥氏体不锈钢波纹换热管换热器 1）适用范围： （1）设计压力不大于 4.0MPa； （2）设计温度不大于 300； （3）公称直径不大于 2000mm； （4）公称直径不大于与设计压力的乘积不大于 4000。 2）不适用的场合 （1）毒性程度为极度或高度危害的介质； （2）易爆介质； 12 （3）存在应力腐蚀倾向的场合。 11. 热交换器类别的划分 根据管程和壳程的工作（设计）
35、压力、介质特性、容积等参数，按固容规分别确定管程和壳程的容器 类别，按容器类别高的作为该台换热器的容器类别。但应当按照管程和壳程各自类别分别提出设计，制造技术 要求。 12.管程和壳程 12.1 管程 介质流经换热管内的通道及与其相贯通部分。 12.1.1 管箱圆筒壁厚 GB151 规定管箱圆筒壁厚最小厚度的规定。管箱仅封头时可不按此规定。 12.1.2 管箱深度 最小内侧深度规定： 1）轴向接管单管程：主要考虑流体均匀分布到换热管内，一般说问题不大。 2）多程：两程之间的最小流通面积不小于每程换热管流通面积 1.3 倍，每程换热管流通面积即每程换热管 数 n 乘上换热管内流通的截面积。 12
36、.1.3 管程防冲板 当液体 v22230kg/ （ms 2） （介质密度 kg/m3；v介质流速，m/s）时，采用 轴向入口接管的管箱宜设置防冲板。 12.1.4 分程隔板 最小厚度的规定，比 GB151-199 增加厚度。 结构：大直径换热器隔板应设计为双层结构，既增加刚度又有利隔热。 卧式换热器分程隔板上要开设排净孔（泪孔） ，主要能把残液排放干净。 12.1.5 管箱热处理 当碳钢、低合金钢制的焊有分程隔板的管箱以及管箱的侧向开孔大于 1/3（即 dD/3）圆筒内经的管箱（图 17） ，管箱要进行整体热处理。 图 17 12.1.6 分程隔板与管箱内壁应采用双面连续焊，最小焊脚尺寸为
37、3/4 倍的隔板厚度。 12.2 壳程 介质流经换热管外的通道及与其相贯通部分。 壳程内主要由折流板、支持板、纵向隔板、旁路挡板、防冲板、拉杆、定距管、导流筒、滑板等元件组成。 由于各种形式换热器的工艺性能、使用场合不同，壳程内各种元件的设置亦不同，以满足设计要求。 各元件在壳程内设置，按其不同的作用，可分为两类。 圆筒最小厚度的规定主要保证刚度和支座处的局部应力。 13.布管 13.1 三角形排列 13.1.1 正三角形排列 图 18 图 19 正三角形排列（图 18） ，介质流经折流板缺口是垂直正对换热管，冲刷换热管外表面， 传热上称为错列，介质流动时形成湍流，对传热有利，管外传热系数较高
38、。 正三角形排列用于壳程介质较清洁，换热管外不需清洗。 13.1.2 转角三角形排列 转角三角形排列（图 19） ，介质流经折流板缺口是平行于三角形的一边，传热上称为直 列，介质流动时有一部分是层流，对传热有不利影响。对有相变的换热器，宜采用转角三 角形排列，因为卧式冷凝器的折流板的缺口边是左、右布置，气体流动方向与冷凝液流动 方向是垂直的（图 20） ，当冷凝液向下流动是，气体对下滴的冷凝液有吹除和切割作用，使 管外壁的液膜厚度相对减少。 图 20 13.2 正方形排列 13.2.1 正方形排列（图 21） ，介质流经折流板缺口是平行于正 方形，传热上称为直列，介质流动是层流，对传热有不利影
39、响。 13 13.2.2 转角正方形排列 转角正方形排列（图 22） ，介质流经折流板缺口是垂直正对换热管，冲刷换热管外表面，传热上称为错列， 介质流动时形成湍流， 图 21 图 22 对传热有利。 13.3 同心圆 同心圆靠近壳体的地方布管较均匀，小直径比三角形排列多，超过 6 圈就较三角形排列少。 13.4 布管设计 换热器经化工工艺专业传热计算和管壳程压力降计算后,确定了换热器型式、换热面积、换热管管径、管间 距、管壳程程数、折流板型式、块数和缺口布置及切割比例，而由换热器机械设计专业进行施工图布管设计。 设计中必须考虑如下因素。 13.4.1 布管限定圆 布管限定圆是指换热管外壁所限定
40、圆直径 DL。 浮头式换热器从结构上考虑。 13.4.2 管板分程隔板槽 槽深应大于垫片厚度，且不宜不小于 4mm，这主要考虑采 用石棉橡胶板或金属包垫，采用缠绕垫时，槽深应大于 4mm。 槽宽 a2 宜为 8 mm14 mm，当分程隔板厚度大于 10mm 时， 图 23 图 24 密封面处应削至 10mm。 分程垫片转角处一定要有 R（图 25） ， 不然垫片很易断裂。 确定分程隔板槽两侧相邻管中心距 Sn（见图 26） 。 若在布管限定圆中不能布下要求换热器 管管数，则按图 27 排列方法。图中 S1、S 2 小于 U 形管最小弯曲半径 Rmin，这样布置可排列较多的换热管，在 最靠近管板
41、中心线两 图 25 图 26 侧的交叉排列可增大弯管曲率半径。 13.4.3 中心距 换热管中心距不小于 1.25 倍的换热管外径，主要考虑到管孔间小桥在胀接时有足够强度和便于焊接。换热 管外需要清洗时，应采用正方形排列。 图 27 S1、S 2 小于 U 形管最小弯曲半径时的几种排列方法 14.分程 14.1 管程分程 分程目的：当用增加管数来增加换热面积时，流体在管束中流速随着换热管数的增加而下降，造成流体的 给热系数的下降，故仅采用增加换热管数是不行，则在保证流体在管束中保持较大流速，则可将管束分成若干 程数。 管程分程应考虑下列几方面（以四程为例图 28）： 14 1）应尽量使各管程的
42、换热管数大致相等，其相对误差（N）应控制在 10以内，最大不得超过 20。 N= N cp-Nmin(max) /Ncp100 （2） 2）分程隔板槽形状简单以利加工，密封面长度较短，减少泄漏。 3）程与程之间的温度相差不易过多，一般温差不超过 10（50） 。 14.2 壳程分程 分程目的同上，不同的是一个保持壳程流速。壳程一般只分二程。 15. 管板 15.1 管板计算的理论基础 管壳式换热器结构复杂，影响管板强度的因素很多，特别固定管板热交换器的管板受力最 为复杂，各国设计规范基本上都是把管板作为承受均布载荷，放置在弹性基础上，且受管孔均 匀消弱的当量圆平板来考虑（图 29） 。 由于影
43、响管板强度的因数很多，因此正确地进行管板强度分析是较困难、较复杂，所以各 国对管板厚度计算公式都对管板作一定地简化、假定而得到地近似公式。 引起管板应力的载荷有压力（管程压力 Pt、壳程压力 Ps） 、管壳热膨胀差及法兰力矩。换 热器的管板计算方法的力学模型见图 30。 图 28 15.1.1 各国设计规范对于管板均不同程度地考虑了以下因素： 1）把实际的管板简化为受到规则排列的管孔削弱、同时又被管子加强的等效弹性基础上的均质等效圆平板， 已为现今大多数国家的管板规范所采用。 2）管板周边部分较窄的不布管区按其面积简化为圆环形实心板。 3）管板边缘可以有各种不同型式的连接结构，各种型式可能包
44、含有壳程圆筒、管箱圆筒、法兰、螺栓、垫片等多种元件。规范按 各元件对于管板边缘的实际弹性约束条件进行计算。 4）考虑法兰力矩对于管板的作用。 图 29 5）考虑换热管与壳程圆筒间的热膨胀差所引起的温差应力，还应考虑管板上各点温度差所引起的温度应力。 6）计算由带换热管的多孔板折算为等效实心板的各种等效弹 性常数与强度参数。 15.1.2 GB151 管板计算的理论基础 力学模型是将管板近似地视为轴对称结构，并假设：热交换器 两端的管板具有同样的材料和相同的厚度；对于固定管板热交换器 两块管板还应具有相同的边界支承条件。 1）管束对管板的支承作用 把管板视为均匀削弱的、放置在弹性基础上的当量圆平
45、板。这 是由于管壳式换热器结构中在绝大多数管子直径相对管板直径足够 小，而管子的数量又足够多，假定在管板上是均匀分布的，因而离 散的各个换热管对管板的支承作用可以认为是均匀连续的，管板承 受的载荷也认为是均匀分布的。 管束对管板在外载荷作用下的挠度和转角都有约束作用，管束 的约束作用可以减少管板的挠度和降低管板中的应力。管束对管板 转角又约束作用，对实际参数的分析计算，发现管束对管板转角的 约束作用对管板强度的影响是很小的，完全可以忽略不计，因此本 规范不考虑管束对管板转角的约束作用，只考虑管束对管板挠度的 约束作用，对于固定管板换热器的管板，以管子加强系数 K 表示。 开孔后管板的抗弯刚度为
46、 D 管束的弹性基础系数 N，表示为使管束在轴向产生单位长度的变形（伸长或缩短） ，在管板表面所需施加的 压力载荷。 15 （3） 图 30LAnaENt2 引入管子加强系数 K，代入 D，N 表达式，令 p= 0.3： （4） 2141324141 318.2 LEnaDEna ptiipti 该系数反映了弹性基础强弱相对于管板自身抗弯刚度的大小，即管束对管板承载能力的加强作用，这是表 征管束对管板加强作用的一个十分重要的参数。如果管板的弹性基础很弱，则换热管加强作用很小，即 K 值很 小，此时管板的挠度与弯矩等分布情况于无弹性基础的普通圆板，极而言之，K=0，即是普通圆平板。 根据弹性基础圆板理论，管板的挠曲形式不仅取决于管子加强系数 K，同时还与管板周边处的支承情况和 附加载荷有关，定量地以管板的总弯矩系数 m 表示。 （5）RVMDNm4 1 当管板周边为简支时，M R =0，则 m=0；当管板周边为固支时，其管板边缘转角 R=0，由此可求得某一特 定的 m 值（表达式从略） ；当管板周边仅承受弯矩的作用，即 VR =0 时，则 m=。 在一定的边界支承条件下，当 K 值逐渐增大时，管板的挠度、弯矩等自周边向中心呈衰减、波状分布，当 K 值越大时，则衰减越快，波数越多。在 K 值增大过程中，当经过某一确定的分界 K 值时，分布曲线会出现新 的波，同时在板中心处，曲
