一種管殼式換熱器的結構設計

李學忠段燊

1．武漢工業學院 430023；2．上海環保設備總廠 201108

一種管殼式換熱器的結構設計

李學忠1段燊2

1．武漢工業學院 430023；2．上海環保設備總廠 201108

1 引言

管殼式換熱器是一種應用廣泛的壓力容器，是工業換熱設備中的基本結構形式。在換熱設備中，應用最廣泛的是管殼式換熱器，它具有選材范圍廣，換熱表面清洗較方便,適用性較強，處理能力大，能承受高溫和高壓等特點。管殼式換熱器的結構設計，必須考慮諸多因素，如：材料、壓力、溫度、壁溫差、結垢情況、流體性質以及檢修與清理等。在工程設計中，要按其特定的條件進行設計[1]。本文根據客戶實際需求，按照國家標準設計一款管殼式換熱器,使之符合工廠客戶要求。

圖 1管殼式換熱器結構示意圖

設計要求為一臺管程介質為冷凍水，殼程介質為含水蒸氣的氫氣，4管程臥式固定管殼式換熱器。換熱管19×2，材質304鋼。換熱面積4.7m2，換熱管長度2500mm，換熱管間距25mm。設計壓力：管程0.4MA，殼程1.4MA。溫度：殼側進口42℃，出口12℃，管側進口7℃，出口10℃。其結構示意圖如圖1所示。

2 殼體設計

總的來說，殼體設計應滿足強度、剛度、穩定性、密封性、抗腐蝕性、節省材料等要求，此外，還要求制造方便、安裝簡易、維修容易等。

2.1 殼體材料

根據規定：直徑DN<400的圓筒，采用鋼管。換熱器圓筒的碳素鋼、低合金鋼鋼管應采用無縫鋼管。選用GB150-1998附錄A4.2奧氏體不銹鋼焊接鋼管，用做換熱器圓筒，要求采用不添加填充金屬的自動電弧焊或電阻焊焊接方法制造,壁厚不大于8mm[2]。

2.2 殼體厚度設計

殼體厚度可根據計算公式進行計算，根據傳統的強度設計觀點，當元件的應力水平達到材料的屈服強度時產生屈服，當應力水平達到材料的強度極限時發生斷裂。實踐表明，根據計算公式得到的圓筒厚度只能滿足強度要求，要考慮圓筒剛度必須滿足其最小壁厚。這是因為在制造、安裝和運輸中若剛度不足，極易造成過大的變形，從而影響使用。為此我國從目前的實際情況出發，規定了殼體的最小壁厚[2]：

當內徑Di≤3800mm時，Smin≥2Di/ 1000，且不小于3mm，腐蝕裕量另加；

若內徑Di>3800mm，由于容器大多在現場制造，所以Smin按運輸和現場制造、安裝條件確定；

從節約不銹鋼的角度考慮，對于由不銹鋼材料制造的殼體，取Smin≥2mm。

按GB150-1998 圓筒厚度計算，碳素鋼和低合金鋼圓筒的最小厚度不低于表1[2]規定：綜合考慮，選取殼體厚度為6mm圓筒型。

表1 圓筒最小厚度選取（mm）

3 管板結構設計

管板結構可分為整體管板和復合管板，結合本產品介質的低腐蝕性，本換熱器設計選擇整體管板即可滿足要求，故以下只討論整體管板的結構設計。

3.1 管板厚度設計

根據GB151-1999，管板與換熱管采用焊接連接時，管板的最小厚度應滿足結構設計和制造的要求，且不小于12mm。根據以上規定和以往經驗，本換熱器管板厚度選為22mm。管板管孔直徑為φ19.25mm，直徑偏差0+0.15。

3.2 管板與殼程的連接

管板與殼程的連接，可采用脹接，也可采用焊接。脹接一般應用于壓力較低的情形，設計溫度一般在350℃以下，焊接則要求材質有可焊接性。有時也采用脹接、焊接并用的方法，此法應用于管束承受交變壓力及易產生熱沖擊和熱變形的情形。

管板與殼體及管箱間的連接，視管板是否可拆卸而定。固定管板式常采用不可拆連接，即將管板直接焊于外殼上，并伸出殼體圓周外兼作法蘭。此時拆下管箱即可檢查焊口或脹口并清掃管內。不可拆卸的焊接式有2種：管板兼做法蘭和管板不兼做法蘭，不兼作法蘭而把管板直接焊在殼體上的結構則較少采用。下圖2為換熱器殼程設計壓力在1MPa～4MPa之間，兼作法蘭、符合本換熱器規格的管板連接方式：

圖2 管板與殼體連接方式示意圖

這種管板與殼體的連接方式采用氬弧焊打底的全焊透結構，是目前國內采用得最多的一種方式，但是如果殼體太厚則導致焊縫太寬，焊接時管板易變形。本換熱器從強度、經濟性等綜合方面考慮，選取固定管板式，即管板直接焊接在殼體上，兼作法蘭與管箱上法蘭連接。由于介質腐蝕性低，故厚度取為22mm。

4 換熱管的設計

4.1 換熱管的選取

當采用圓截面的管子時，應盡量采用標準尺寸的管子。管徑小時，單位體積傳熱面積大結構緊湊性高，金屬耗量小，而且在其他條件相同時，小直徑的管子對流換熱系數大，但管徑小時流體流動阻力大，不便清洗。因此，一般粘度大或污濁流體應選用直徑較大的管子。根據我國的有關規定[3]，可采用的管徑和壁厚（mm）為：

碳鋼管：φ14x2；φ19x2；φ25x2. 5；φ32x3；φ30x3；φ45x3；φ57x3. 5

不銹鋼、耐酸鋼管：φ14x2；φ19x2；φ25x2；φ32x2；φ38x2.5；φ45x2.5；φ57x2.5；

換熱器的管子較長時，單位面積材料耗量低，但管子過長，清洗和安裝均不方便，因此一般取6m以下，且應盡量采取標準管長或其等分。常用尺寸為 1. 5，2，2.5，3，4，6m，但目前隨著管殼式換熱器日益向大型化發展，管長也出現增長趨勢，工程上一般用管長與殼徑之比來判斷管長的合理性。對于臥式設備，其比值應在6～10范圍內。結合本產品，按GB151-1999，選取φ19x2不銹鋼換熱管Ⅰ級管束，其在管板最小伸出量為1.5mm。

4.2 換熱管的數量

由于管長在訂單中已有規定，L=2500mm，而換熱面積Q=4.7m2，換熱管外徑D=19mm，故：

每根換熱管換熱面積為：

19x10-3x3.14x2500x10-3=0.14915 m2；

總共需要換熱管的數量為：

4.7m2/0.14915 m2=31.512 =32

4.3 布管原則

① 在布管限定圓內應布滿管；

② 多管程的各管程數應盡量相等；

③ 換熱管應對稱排列。

4.4 管束排列

管子在管板上的排列，應力求分布均勻、緊湊，也需考慮清掃和整體結構的要求。基本的排列方式有以下幾種[3]：

1）.正三角形和轉角正三角形排列

三角形排列緊湊，傳熱效果好，同一板上管子比正方形多排10%左右，同一體積傳熱面積更大。適用于殼程介質污垢少，且不需要進行機械清洗的場合，本設計即采用正三角形排列。它與轉角三角形排列相比，在同一管板面積上布置相同管子數時可節省15%左右的管板面積，且傳熱系數較高，便于在管板上劃線和鉆孔。

圖3 正三角形排列管子示意圖

2）. 正方形和轉角正方形排列

正方形和轉角正方形排列，管間小橋形成一條直線通道，便于機械清洗。要經常清洗管子外表面上的污垢時，多用正方形排列或轉角正方形排列。

圖4 正方形排列管子示意圖

3）．組合排列法：用于多程換熱器中。

4）. 管間距：

管間距指兩相鄰換熱管中心的距離。

國標規定[2]，要求管間距≥1.25d0，便于管子與管板間的連接，因為對于脹接或焊接來講，管子間距離太近，那么都會影響連接質量。最外層管壁與殼壁之間的距離為10mm，主要是為折流板易于加工，不易損壞。

所以本換熱器采取的管間距為25mm> 1.25x19=23.75mm，滿足要求。

5 分程隔板的設計

5.1 分程作用

當換熱器所需的換熱面積較大，而管子做得太長時，就得增大殼體直徑，排列較多的管子。此時，為了增加管程流速，提高傳熱效果，須將管束分程，使流體依次流過各程管子。

5.2 分程原則[4]

①各程換熱管數應大致相等；

②相鄰管程間平均壁溫差一般不應超過28℃；

③各程間的密封長度應最短；

④分程隔板的形狀應簡單。

5.3 分程隔板

分程隔板分為單層和雙層兩種。下圖5為本換熱器采用的單層隔板示意圖。

圖 5 單層隔板結構示意圖

5.4 分程隔板規格[4]：

1）.槽深一般不小于4mm；

2）.分程隔板槽寬：不銹鋼為11mm（碳鋼為12mm）；

3）.分程隔板槽拐角處的倒角為45°，倒角寬度b近似等于分程墊片的圓角半徑R。

5.5 分程方式：

如下圖6及圖7所示：右管箱中 A 為管側冷凍水入口，經過換熱管第一管程傳遞后，流入左管板，從左管板上B 進入左管箱，又從C 進入換熱管，經換熱管第二管程傳遞，流回右管板D，進入右管箱，接著從E 進入換熱管，經換熱管第三管程傳遞，流入F，再次進入左管箱，然后從左管箱的G 進入換熱管，經換熱管第四管程傳遞后回到右管箱，并從右管箱排出。

圖 6 分程結構示意圖

這樣的四管程管束分隔方法可使本換熱器實現在相同流量及傳熱面積的前提下減小管程流通截面積，但是在此分程過程中，應避免出現溫度交叉現象，因為本換熱器中殼程流體為含水蒸氣的氫氣，溫度變化從入口的42℃到出口的12℃，分程液體之間溫差較大，為此在筒體兩端各設置一個排污口以便排出冷凝出的水。

圖 7 分程工作原理圖

6 結束語

管殼式換熱器是一種應用廣泛的壓力容器，是工業換熱設備中的基本結構形式。本文根據客戶實際需求，按照國家標準設計一款管殼式換熱器,對其主要部件的結構設計進行了詳細介紹,對壓力容器設計有一定的借鑒作用。

[1]唐淑萍. 管殼式換熱器的結構設計[J].化學工業與工程技術.2002，23卷第5期，39~41

[2]國家技術監督局.GB150-1998鋼制壓力容器.1998.3.20發布

[3]國家質量技術監督局.GB151-1999管殼式換熱器.1999.2.26發布

[4]葉文邦,張建榮,曹文輝等.壓力容器設計指導手冊.云南出版集團公司.云南科技出版社.2006.8

[5]《壓力容器使用技術從書》編寫委員會.壓力容器設計知識[M].化學工業出版社.2005

[6]吳宗澤等.機械設計手冊.2003.6

Structure design for shell-and-tube heat exchange

LI Xuezhong1，DUAN Shen2
1．Wuhan Polytechnical of University，Wuhan 430023，China；2．Shanghai Environmental Protection Equipment Plant，Shanghai 201108， China

管殼式換熱器是一種應用廣泛的壓力容器，是工業換熱設備中的基本結構形式。根據客戶實際需求，按照國家標準設計一款管殼式換熱器。主要介紹：壓力容器殼體結構設計；管板及換熱管結構設計；分程隔板及管板與殼體連接結構設計。

換熱器；結構設計；管板；殼體；分程隔板

Shell-and-tube heat exchanger is a kind of wide applied pressure vessel, and also it is the basic shape of heat transfer equipment. In this paper, based on the actual needs of custom-made for customers, a Shell-and-tube heat exchanger is designed according to the technique request of the nation standard. The main work of the thesis includes: the pressure vessel shell structure has been designed; the tube plate and heat exchanger tube structure have been designed; finally, the structure design of pass partition plate and connection type between tube plate and shell are proposed.

heat exchanger；structure design；tube plate；shell；pass partition plate

10.3969/j.issn.1001-8972.2010.21.060

李學忠(1968-)，男，湖北武漢人，碩士，武漢工業學院副教授，研究方向：包裝設備設計及控制。