传热与换热器设计

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1、1会计学传热与换热器设计传热与换热器设计一、传热的基本方式一、传热的基本方式 热传导、热对流、热辐射。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在管壳式换热器中的传热为间壁式热交换间壁式热交换。间壁式热交换热量传递的过程包括间壁式热交换热量传递的过程包括三个步骤三个步骤： 热流体将热量传递给固体壁面一侧热流体将热量传递给固体壁面一侧 ( (对流对流传热传热) )； 热量从固体壁面的一侧传递到另一侧热量从固体壁面的一侧传递到另一侧 ( (热热传导传导) )； 冷流体将热量取走冷流体将热量取走( (对流传热对流传热) )。从两流体无相变热量衡算式：从两流体无相变热量衡

2、算式： 1221hphhhcpcccQ W cTTW cTT可知：可知：要想对换热器进行计算，需要知道要想对换热器进行计算，需要知道4个个温度和温度和2个流量。个流量。第一部分 传热基本知识传热工艺流程的确定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。一侧，一般是管内。 具有腐蚀性的物料应走管内。具有腐蚀性的物料应走管内。 压力高的物料走管内。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。温度很高或很低的物料走管内，减少热损失。 第一部分 传热基本知识 蒸汽一般走壳程，便于排液，传热系数也大。蒸汽一般走壳

3、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，易于提给热系数小的流体如气体，应走壳程，易于提高速度。高速度。 流量小的流体走壳程，易改变流动状态提高湍流量小的流体走壳程，易改变流动状态提高湍动程度。动程度。第一部分 传热基本知识二、传热基本方程：二、传热基本方程：第一部分 传热基本知识emQK AtemQAKt0121iKRR1212ln()mttttt1 1、GB151-1999GB151-1999标准的适用范围标准的适用范围 （1 1）本标准适用于固定管板式、浮头式、）本标准适用于固定管板式、浮头

4、式、U形管式和填函式换热器；形管式和填函式换热器； （2 2）适用的参数为：）适用的参数为： DN2600mm，PN35MPa， 且且DNPN1.75104（mmMPa）。）。 （3 3）设计温度范围：按金属材料允许的使用）设计温度范围：按金属材料允许的使用温度确定。温度确定。第二部分 GB151-1999 （4 4）设计压力低于）设计压力低于0.1MPa及真空度低于及真空度低于0.02MPa的换热器，可按的换热器，可按JB/T4735及本标准的及本标准的有关规定进行设计、制造、检验和验收。有关规定进行设计、制造、检验和验收。第二部分 GB151-19992 2 、公称直径、公称直径DN （1

5、 1）卷制圆筒：以圆筒内直径作为换热器的）卷制圆筒：以圆筒内直径作为换热器的公称直径，一般为公称直径，一般为DN400mm，以，以100mm100mm为进级为进级档，必要时可以档，必要时可以50mm50mm进档；进档； （2 2）钢管制圆筒：以钢管外径（）钢管制圆筒：以钢管外径（mm）作为换）作为换热器的公称直径，一般为热器的公称直径，一般为DN400DN400mm的圆筒。的圆筒。3 3 、换热面积、换热面积A （1 1）计算换热面积：）计算换热面积：以换热管外径为基准，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；对于束外

6、表面积；对于U形管式换热器，一般不包括形管式换热器，一般不包括U形弯管段的面积，形弯管段的面积，m2。 （2 2）公称换热面积：）公称换热面积：经圆整后的计算换热面经圆整后的计算换热面积，积，m2，尾数为，尾数为0 0或或5 5。 （3 3）为满足传热要求的换热面积：）为满足传热要求的换热面积：第二部分 GB151-19994 4、公称长度、公称长度LN 以换热管的长度（以换热管的长度（m）作为换热器的公称长）作为换热器的公称长度。换热管为直管时，取直管长度；换热管为度。换热管为直管时，取直管长度；换热管为U形管时，取形管时，取U形管直管段的长度。形管直管段的长度。 第二部分 GB151-19

7、995 5、设计压力、计算压力和试验压力：、设计压力、计算压力和试验压力： 设计压力设计压力指设定的换热器管、壳程顶部的最指设定的换热器管、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。件，其值不得低于工作压力。 计算压力计算压力指在相应设计温度下，用以确定换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。当液柱静压力小于液柱静压力小于5%5%设计压力时，可忽略不计。设计压力时，可忽略不计。 试验压力试验压力指压力试验时，换热器管、壳程顶指压力试验时，换热

8、器管、壳程顶部的压力。部的压力。第二部分 GB151-1999压力试验：压力试验： 液压和气压试验两种，优先选用前者。液压和气压试验两种，优先选用前者。 进行气压试验时，取进行气压试验时，取=1.0=1.0第二部分 GB151-1999（1 1）当管程压力低于壳程压力时，压力试验时，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。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。限还应满足应力校核的要求。 内压换热器的试验压力：内压换热器的试验压力： 1.25(1.15)Ttpp第二部分 GB151-1999（

9、注：液压时取（注：液压时取1.251.25，气压时取，气压时取1.151.15）说明：说明： A A、当换热器铭牌上规定有最大允许工作压、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力时，试验压力公式中应以该最大工作压力代替设计压力。替设计压力。 B B、立式换热器卧置压力试验时，试验压力、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。应计入试验介质的液柱静压力。 C C、当各元件所采用材料不同时，修正系数、当各元件所采用材料不同时，修正系数用各元件的最小值。用各元件的最小值。第二部分 GB151-1999外压和真空换热器：外压和真空换热器：1.2

10、5(1.15)Tpp 压力试验前的应力校核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压力试验前，应校核圆筒和封头试压时的应力强度是否足够大。力强度是否足够大。 圆筒应力校核：圆筒应力校核： 椭圆形封头应力校核：椭圆形封头应力校核：0.9(0.8)2TieTeLeLepDRR或0.50.90.82TieTeLeLepDRR（或）第二部分 GB151-1999 （2 2）而当管程压力高于壳程压力时，而当管程压力高于壳程压力时，GB151GB151规定：接头试压应按图样规定，或按供需双方商规定：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，一般按如下处定的方法进

11、行。出现上述工况时，一般按如下处理方法：理方法： 1 1）用）用0.9ReL的应力值计算壳程的试验压力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，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。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：时，可采取以下办法： 若差距不大，可以考虑适当增加厚度；若差距不大，可以考虑适当增加厚度； 如仍然相差甚远，则

12、只能以壳程允许的如仍然相差甚远，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、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充性试验。卤素渗透或氦渗透进行补充性试验。 2 2）对于可抽式管束，可先打管程高压，用）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。窥视镜从管板背面检查泄露情况。第二部分 GB151-1999气密性试验气密性试验 (P(PT T=p):=p): 当符合下述情况时，应在压力试验合格后作当符合下述情况时，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。在图

13、样上注明。 介质为易燃、易爆；介质为易燃、易爆； 介质的毒性程度为极度或高度危害；介质的毒性程度为极度或高度危害； 对真空有较严格要求；对真空有较严格要求； 管、壳程介质互漏会产生严重危害；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（如衬里等如有泄漏将危及容器的安全性（如衬里等）和正常操作者。）和正常操作者。第二部分 GB151-19996 6、设计温度：、设计温度： 是指换热器在正常工作条件下，设定的元件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），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。设计温度和

14、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在任何情况下，元件金属的表面温度不得超过材料的允许使用温度。过材料的允许使用温度。 设计温度不得低于元件金属在工作状态可能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。对于达到的最高温度。对于00以下的金属温度，设以下的金属温度，设计温度不得高于元件金属可能达到的最低温度。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。饱和蒸汽的温度须与其饱和压力相对应。第二部分 GB151-19997 7、腐蚀裕量、腐蚀裕量C C2 2 （1 1）对有腐蚀或磨蚀的零件，应根据预期的寿）对有腐蚀或磨蚀

15、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。命和介质的腐蚀速率的乘积来确定腐蚀裕量。 （2 2）换热器各元件受到的腐蚀程度不同时，可）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。采用不同的腐蚀裕量。 （3 3）介质为压缩空气、水蒸汽或水的碳素钢或）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，腐蚀裕量不小于低合金钢制换热器，腐蚀裕量不小于1mm。 （4 4）换热管不考虑腐蚀裕量。）换热管不考虑腐蚀裕量。 （5 5）拉杆、定距管、折流板（支持板）等非受）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。压元件，一般不考虑腐蚀裕量。第二部分 GB

16、151-19998 8、焊接接头系数、焊接接头系数 （1 1）钢制换热器焊接接头系数）钢制换热器焊接接头系数按下表选取。按下表选取。 焊接接头形式焊接接头系数全 检局 检双面焊对接接头和相当于双面焊的全焊透对接接头1.000.85单面焊对接接头（沿焊接接头根部全长有紧贴基本金属的垫板）0.900.80第二部分 GB151-1999 对于无法进行无损检测的固定管板式换热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，其焊接接头系数板时，其焊接接

17、头系数=0.6=0.6。 （注：表（注：表3030、表、表3131） （2 2）铝、铜、钛及其合金的焊接接头系数）铝、铜、钛及其合金的焊接接头系数按附录按附录D D（有色金属设计数据）的规定。（有色金属设计数据）的规定。第二部分 GB151-19999 9、壳体与管箱的最小厚度、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度。换热器圆筒和管箱筒体的最小厚度要满足表8 8（碳素钢和低合金钢圆筒，（碳素钢和低合金钢圆筒，C C2 2=1=1mm）和表）和表9 9（高合金钢圆筒）的规定。高合金钢圆筒）的规

18、定。 第二部分 GB151-19991010、管箱、管箱 （1 1）管箱筒节的长度：）管箱筒节的长度：要满足管箱最小内侧要满足管箱最小内侧深度的要求，不受深度的要求，不受GB150GB150最小筒节长度最小筒节长度300mm300mm的要的要求限制。求限制。第二部分 GB151-1999 （2 2）管箱的最小内侧深度：）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深度应不小于接管内直径的1/31/3； 多程管箱的内侧深度应保证两程之间的最小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流通面

19、积不小于每程换热管流通面积的1.31.3倍；当倍；当操作允许时，也可等于每程换热管的流通面积。操作允许时，也可等于每程换热管的流通面积。 （3 3）分程隔板：）分程隔板： 分程隔板的最小厚度符合表分程隔板的最小厚度符合表6 6的要求，必的要求，必要时按下式计算：要时按下式计算： 第二部分 GB151-1999 1.5tpBb 必要时，分程隔板上可开设排净孔，直必要时，分程隔板上可开设排净孔，直径宜为径宜为6 6mm。 厚度大于厚度大于1010mm的分程隔板，密封面处的分程隔板，密封面处应削边至应削边至1010mm。1111、接管、接管 （1 1）接管的结构要符合）接管的结构要符合GB150GB

20、150的有关规定。的有关规定。 （2 2）接管的一般要求：接管的一般要求： a、接管宜与壳体内表面平齐；、接管宜与壳体内表面平齐； b、接管应尽量径向或轴向设置；、接管应尽量径向或轴向设置； c、设计温度高于或等于设计温度高于或等于300时，应采用时，应采用对焊法兰。对焊法兰。 d、有必要设置排气口或排液口，其最小、有必要设置排气口或排液口，其最小公称直径为公称直径为20mm。第二部分 GB151-19991212、换热管、换热管 （1 1）换热管的规格和尺寸偏差：见）换热管的规格和尺寸偏差：见GB151表表1010和附和附录录C（奥氏体不锈钢焊接钢管）（奥氏体不锈钢焊接钢管）。第二部分 GB

21、151-1999说明：说明：换热管束的分级换热管束的分级 1)1)采用碳素钢、低合金钢冷拔钢管做换热管采用碳素钢、低合金钢冷拔钢管做换热管时，其管束分为时，其管束分为、两级（两级（GB/T8163GB/T8163除外除外）。）。 级管束级管束: :较高级冷拔管，用在较重要的场合较高级冷拔管，用在较重要的场合，如无相变传热、易产生振动的场合。，如无相变传热、易产生振动的场合。 级管束：级管束：普通级冷拔管，用在重沸、冷凝普通级冷拔管，用在重沸、冷凝传热、无振动的传热、无振动的一般一般场合。场合。 2)2)不锈钢、铝及其合金、铜及其合金、钛及不锈钢、铝及其合金、铜及其合金、钛及其合金管均为高精度、

22、较高精度管，为其合金管均为高精度、较高精度管，为级管束级管束。第二部分 GB151-1999 3)3)由于管束的分级，造成后续设计上的差别由于管束的分级，造成后续设计上的差别： 管板上管孔直径的差别（表管板上管孔直径的差别（表16162121）。）。 如表如表1616、1717给出了碳素钢、低合金钢、不给出了碳素钢、低合金钢、不锈钢管锈钢管、级管束对应的尺寸。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（折流板（或支持板）上管孔直径的差别（表表35354040）。）。 如表如表3535给出了碳素钢、低合金钢、不锈钢管给出了碳素钢、低合金钢、不

23、锈钢管级管束对应的尺寸。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（表管板上钻孔孔桥宽度的差别（表51515252）。）。 如表如表5151给出了给出了级管束对应的孔桥宽度尺寸。级管束对应的孔桥宽度尺寸。第二部分 GB151-1999表51 （2 2）U形管：形管：U形管弯管的弯曲半径形管弯管的弯曲半径R R应不小于应不小于两倍的换热管外径，常用换热管的最小弯曲半径两倍的换热管外径，常用换热管的最小弯曲半径Rmin可按可按GB151GB151表表1111选取。选取。 U形弯管段弯曲前的最小壁厚按下式计算：形弯管段弯曲前的最小壁厚按下式计算： 其中其中0 0

24、、1 1分别为弯曲前换热管的最小壁分别为弯曲前换热管的最小壁厚和直管段的计算壁厚，厚和直管段的计算壁厚，mmmm。0114dR第二部分 GB151-1999（3 3）换热管的拼接：）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：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、对接接头应作焊接工艺评定。试件的数量、 尺寸、试验方法按尺寸、试验方法按JB4708JB4708的规定。的规定。 同一根换热管的对接焊缝，直管不得超过一同一根换热管的对接焊缝，直管不得超过一条；条；U形管不得超过二条；最短管长不

25、应小形管不得超过二条；最短管长不应小于于300mm300mm；包括至少；包括至少50mm50mm直管段的直管段的U U形弯管段形弯管段范围内不得有拼接焊缝；范围内不得有拼接焊缝； 管端坡口应采用机械方法加工，焊前应清洗管端坡口应采用机械方法加工，焊前应清洗干净；干净；第二部分 GB151-1999 对口错边量应不超过换热管壁厚的对口错边量应不超过换热管壁厚的15%15%，且不，且不大于大于0.5mm0.5mm；直线度偏差以不影响顺利穿管为；直线度偏差以不影响顺利穿管为限。限。 对接后，应按对接后，应按GB151GB151表表5050作通球试验。作通球试验。 对接接头应进行射线检测，抽查数量应不

26、少对接接头应进行射线检测，抽查数量应不少于接头总数的于接头总数的10%10%，且不少于一条，以，且不少于一条，以JB/T4730JB/T4730的的级为合格；如有一条不合格，级为合格；如有一条不合格，应加倍抽查；再出现不合格时，应应加倍抽查；再出现不合格时，应100%100%检查检查。 对接后的换热管，应逐根进行液压试验，试对接后的换热管，应逐根进行液压试验，试验压力为设计压力的验压力为设计压力的2 2倍。倍。第二部分 GB151-19991313、管板、管板 （1 1）管板的有效厚度：）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对整体管板而言，是指管程分程隔板槽底部的管板厚度减

27、去下列二者之和：的管板厚度减去下列二者之和： a a、管程腐蚀裕量超出管程分程隔板槽深度、管程腐蚀裕量超出管程分程隔板槽深度的部分；的部分； b b、壳程腐蚀裕量与管板在壳程侧的结构开、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。槽深度二者中的较大值。 对复合管板而言，复层可计入有效厚度中，对复合管板而言，复层可计入有效厚度中，当复层材料强度低于基层时，要相应折减。当复层材料强度低于基层时，要相应折减。 第二部分 GB151-1999（2 2）管板厚度：）管板厚度：应不小于下列三者之和：应不小于下列三者之和： 管板的强度计算厚度或管板的强度计算厚度或5.6.25.6.2规定的最小厚

28、规定的最小厚度，取大者；度，取大者； 壳程腐蚀裕量或结构开槽深度，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。管程腐蚀裕量或分程隔板槽深度，取大值。（3 3）管板的最小厚度：）管板的最小厚度： 是满足结构设计和制造要求、不包括腐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蚀裕量的厚度。视换热管胀接和焊接取不同的厚度。见的厚度。见GB151GB151第第5.6.2.15.6.2.1和和5.6.2.25.6.2.2条。条。第二部分 GB151-1999（4 4）拼接管板：）拼接管板： 拼接管板的对接接头应进行拼接管板的对接接头应进

29、行100%RT100%RT或或UTUT检测检测，按，按JB/T4730RTJB/T4730RT检测不低于检测不低于级，或级，或UTUT检测检测中的中的级合格。级合格。 除不锈钢外，拼接后管板应作消除应力热处除不锈钢外，拼接后管板应作消除应力热处理。理。（5 5）关于孔桥宽度：）关于孔桥宽度： 管板上钻孔孔桥宽度应按管束级别分别按照管板上钻孔孔桥宽度应按管束级别分别按照GB151GB151表表5151（级管束）和表级管束）和表5252（级管束）级管束）查取。当管板厚度值不是表中值时，可按内查取。当管板厚度值不是表中值时，可按内插方法。插方法。第二部分 GB151-1999第二部分 GB151-1

30、9991414、布管与分程、布管与分程 （1 1）换热管的排列形式：）换热管的排列形式： （2 2）换热管中心距：）换热管中心距： 宜不小于宜不小于1.25d1.25d0 0，常用的换热管中心距见，常用的换热管中心距见GB151GB151表表1212。 第二部分 GB151-1999 浮头式换热器的布管浮头式换热器的布管限定圆直径限定圆直径DL见右图。见右图。第二部分 GB151-1999（3 3）布管限定范围：）布管限定范围： 固定管板式换热器或固定管板式换热器或U U形管换热器管束最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外层换热管外表面至壳体内壁的最短距离为0.25d0.2

31、5d0 0，一般不小于，一般不小于8mm8mm。（4 4）管束分程：）管束分程： 在满足流量和压降的前提下，采用多管程可在满足流量和压降的前提下，采用多管程可提高流速，达到强化传热的目的，管程数一般有提高流速，达到强化传热的目的，管程数一般有1 1、2 2、4 4、6 6、8 8、1010、1212等等7 7种，种，布管原则为：布管原则为： 应尽可能使各管程的换热管数大致相等；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在可能的情况下，宜使相邻程间温差不要超过超过2020。 分程隔板槽形状简单，密封面长度较短。分程隔板槽形状简单，密封面长度较短。第二部分 GB15

32、1-1999第二部分 GB151-1999（5 5）分程隔板槽：）分程隔板槽： a a、槽深宜不小于、槽深宜不小于4mm； b b、分程隔板槽的宽度：、分程隔板槽的宽度： 碳钢碳钢12mm，不锈钢，不锈钢11mm； c c、分程隔板槽拐角处的倒角一般为、分程隔板槽拐角处的倒角一般为4545，倒角宽度近似等于分程垫片的圆角半径。倒角宽度近似等于分程垫片的圆角半径。第二部分 GB151-19991515、 换热管与管板的连接：换热管与管板的连接： 强度胀接、强度焊接和胀焊结合。强度胀接、强度焊接和胀焊结合。 （1 1）强度胀接：适用范围）强度胀接：适用范围 a a、设计压力不超过、设计压力不超过4

33、MPa4MPa； b b、设计温度不超过、设计温度不超过300300； c c、操作中无剧烈振动，无过大温度变化及无、操作中无剧烈振动，无过大温度变化及无明显的应力腐蚀。明显的应力腐蚀。第二部分 GB151-1999一般要求：一般要求： a、换热管材料硬度一般须低于管板材料；、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、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。法来降低换热管的硬度。结构尺寸：祥见结构尺寸：祥见5.8.2.3第二部分 GB151-1999 （2 2）强度焊接：）强度焊接： 可适用于本标准规定的设计压力，但不适用可适用于本标准规定

34、的设计压力，但不适用于有较大振动及有间隙腐蚀的场合。于有较大振动及有间隙腐蚀的场合。 结构祥见结构祥见5.8.3.25.8.3.2。 （3 3）胀焊结合：适用于）胀焊结合：适用于 a a、密封性能要求较高的场合；、密封性能要求较高的场合； b b、承受振动或疲劳载荷的场合；有间隙腐蚀、承受振动或疲劳载荷的场合；有间隙腐蚀的场合；的场合； c c、采用复合管板的场合。、采用复合管板的场合。 结构祥见结构祥见5.8.4.25.8.4.2。第二部分 GB151-19991616、 管板与壳体的连接管板与壳体的连接（1 1）延长部分兼作法兰的管板：）延长部分兼作法兰的管板：第二部分 GB151-199

35、9第二部分 GB151-1999延长部分兼作法兰的管板延长部分兼作法兰的管板（2 2）不兼作法兰的管板：）不兼作法兰的管板：第二部分 GB151-19991717、 管板计算管板计算（1 1）力学模型：）力学模型： 承受均布载荷、承受均布载荷、放置在弹性基础上、放置在弹性基础上、且受管孔均匀削弱的且受管孔均匀削弱的当量圆平板。当量圆平板。（2 2）内力分析图：）内力分析图： 详见右图。详见右图。第二部分 GB151-1999（3 3）设计条件的四种危险组合：）设计条件的四种危险组合： 如果不能保证如果不能保证p ps s和和p pt t在任何情况下都能同时在任何情况下都能同时作用时，则不允许以

36、壳程压力和管程压力的压力作用时，则不允许以壳程压力和管程压力的压力差进行管板设计。如差进行管板设计。如p ps s和和p pt t之一为负压时，还应之一为负压时，还应考虑压差的危险组合。考虑压差的危险组合。 1 1）不带法兰的管板：）不带法兰的管板： p ps s00，p pt t0 0，不计膨胀变形差；，不计膨胀变形差； p ps s00，p pt t0 0，同时计入膨胀变形差；，同时计入膨胀变形差； p pt t00，p ps s0 0，不计膨胀变形差；，不计膨胀变形差； p pt t00，p ps s0 0，同时计入膨胀变形差。，同时计入膨胀变形差。第二部分 GB151-19992 2）

37、其延长部分兼作法兰的管板：）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。力矩对管板强度的影响。 第二部分 GB151-1999（4 4）管板应力的调整：）管板应力的调整： 在设计中，管板应力超过许用应力后，为使在设计中，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。其满足强度要求，可采用两种方法调整厚度。1 1）增加管板厚度：）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模量，有效地降低管板应力，

38、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。度的方法。2 2）降低壳体轴向刚度：）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。这时可采取降低壳体轴向现象，使管板应力增加。这时可采取降低壳体轴向刚度的方法，如设置膨胀节。刚度的方法，如设置膨胀节。第二部分 GB151-1999

39、 （5 5） 计算软件计算软件SW6SW6： 使用使用SW6进行换热器设计时，首先应输进行换热器设计时，首先应输入一系列的设计条件，例如：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：主体设计参数： 第二部分 GB151-1999,12ww hw cttt 管壁壁温管壁壁温t tw w的计算（附录的计算（附录F F）：）： 、热流体侧的壁温计算公式：、热流体侧的壁温计算公式： 、冷流体侧的壁温计算公式：、冷流体侧的壁温计算公式：,1w hms hmhtTK

40、Rt 式中：式中：T Tm m、t tm m热流体、冷流体的平均温度，热流体、冷流体的平均温度， ttm m两种流体平均温度差，两种流体平均温度差，,1w cms cmcttKRt一般情况下，取：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：第二部分 GB151-1999mhmcthcTtt两种流体平均温度差：两种流体平均温度差： a、纯逆流或并流：、纯逆流或并流： b、多程换热器：、多程换热器：1212lnmttttt mtt逆流 流体的平均温度流体的平均温度： 、液体的平均温度（过渡流及湍流阶段）：、液体的平均温度（过渡流及湍流阶段）：第

41、二部分 GB151-1999、液体（层流阶段）和气体的平均温度：、液体（层流阶段）和气体的平均温度：000.40.60.40.6mimiTTTttt000.5()0.5()mimiTTTttt 有的参考书中还给出以下壁温计算公式：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：、热流体在管内、冷流体在管外的壁温公式：0,mmwmwmiKtKttTtt0,mmwmwmiKtKttTtt式中：式中：T Tm m、t tm m热流体、冷流体的平均温度，热流体、冷流体的平均温度， ttm m

42、两种流体平均温度差，两种流体平均温度差，第二部分 GB151-1999 筒体数据参数：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：管板数据参数： 、管板设计数据（、管板设计数据（1 1）：）： 第二部分 GB151-1999 、管板设计数据（、管板设计数据（2 2）：）： 第二部分 GB151-1999 换热管受压失稳当量长度：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）端管箱数据参数： 、前（后）端管箱筒体数据：、前（后）端管箱筒体数据： 第二部分 GB151-1999 、前（后）端管箱封头数据：

43、、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： 、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：、任意式法兰结构数据： 第二部分 GB151-1999 、螺栓及垫片结构参数：、螺栓及垫片结构参数： 第二部分 GB151-1999 筒体法兰数据：（略）筒体法兰数据：（略） 运行结果（只以管板为例说明）：运行结果（只以管板为例说明）： 、管子数、管子数 n=1001n=1001根：根：、管子数、管子数 n=800n=800根：根：第二部分 GB151-19991818、膨胀节的设置、膨胀节的设置 （1

44、 1）设置条件）设置条件 当以下任意一条不能满足时：当以下任意一条不能满足时： a a、壳体中的轴向应力不能满足强度条件时；、壳体中的轴向应力不能满足强度条件时； b b、管子中的轴向应力、管子中的轴向应力不能满足强度条件时不能满足强度条件时； c c、管子稳定性不够时；管子稳定性不够时； d d、管子的拉脱力过大时。、管子的拉脱力过大时。 第二部分 GB151-199900()()tttsssLL第二部分 GB151-1999 在弹性变形范围以内，按照虎克定律，管子在弹性变形范围以内，按照虎克定律，管子被压缩的量为：被压缩的量为：壳体被拉长的量为：壳体被拉长的量为：合并以上两式，消去合并以上

45、两式，消去得：得：1tttF LEA1SSSF LEA111()tsttssF LEAEA第二部分 GB151-1999令：令：e=t-s得：得：00()()ettssL 111()tsttssF LEAEA并结合：并结合：有：有：1()ettssttssE A E AFL E AE A第二部分 GB151-1999222220022200(2) ()44444 (2)()4itittisttisQD pDndpDndpn dpDn dp2323ttssssttFFFFEAEAEAEAQ23ttssttssssttEAFQEAEAEAFQEAEA第二部分 GB151-19990 taqqMPa

46、d l 应力评定：应力评定：12132 2tSsSttttFFAFFA 第二部分 GB151-1999（2 2）膨胀节的标准：）膨胀节的标准： GB16749GB16749。1919、折流板（支持版）、折流板（支持版） （1 1）弓形折流板的缺口高度：）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近。单弓形缺口弦高宜取hh（0.200.200.450.45）D Di i。 弓形折流板的缺口应切在管排中心线以下，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。或切于两排管孔的小桥之间。第二部分 GB15

47、1-1999（2 2）折流板的间距：）折流板的间距： 折流板最小间距一般折流板最小间距一般圆筒内直径的圆筒内直径的1/51/5，且不小于且不小于50mm50mm；特殊情况也可取更小的间距；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求。按换热管的外径和材料查GB151GB151表表4242确定。确定。 第二部分 GB151-1999（3 3）折流板的布置：）折流板的布置： 折流板一般应按等距离布置、管束两端的折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。流板尽可能的靠近壳程进出口接管。

48、卧式换热器的壳程为单相清洁流体时，折流板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，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（最高处开通气口，如下图（a a）、（）、（b b）所示。）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，折为气、液相共存或液体中含

49、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（开通液口，如下图（c c）所示。）所示。第二部分 GB151-1999第二部分 GB151-1999（4 4）折流板的固定：）折流板的固定：拉杆拉杆- -定距管结构。拉杆应定距管结构。拉杆应尽量均匀布置在管束的外边缘。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拉杆的直径和数量分别见表4343和表和表4444。 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。2020、支座、支座 换热器鞍式支座、换热器鞍式支座、耳式支座耳

50、式支座按按JB/T4712JB/T4712选用。选用。 （1 1） 鞍式支座在换热器上的布置（见下图）鞍式支座在换热器上的布置（见下图）按下列原则确定：按下列原则确定： 当当L3000mmL3000mm时，取时，取L LB B= =（0.40.40.60.6）L L； 当当L L3000mm3000mm时，取时，取L LB B= =（0.50.50.70.7）L L； 尽量使尽量使LcLc和和L LC C/ /相近。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。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：

51、耳式支座在换热器上的布置应按下列原则确定： a a、DN800mmDN800mm时，至少安装两个支座，且应时，至少安装两个支座，且应对称布置；对称布置； b b、DNDN800mm800mm时，至少安装四个支座，且应时，至少安装四个支座，且应均匀布置。均匀布置。2121、管箱、浮头盖的热处理、管箱、浮头盖的热处理 （1 1）碳钢、低合金钢制的焊有分程隔板的管）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箱和浮头盖以及管箱的侧向开孔超过1/31/3圆筒内圆筒内直径的管箱，在施焊后作消除应力热处理，设备直径的管箱，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；法兰

52、密封面应在热处理后加工； （2 2）除图样另有规定外，奥氏体不锈钢制管）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。箱、浮头盖可不进行热处理。第二部分 GB151-19992222、防冲板的设置、防冲板的设置 （1 1）管程设置防冲板的条件：当管程采用轴）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向入口接管或换热管内流体流速超过3m/s3m/s时，应时，应设置防冲板，以减少流体的不均匀分布和换热管设置防冲板，以减少流体的不均匀分布和换热管管端的冲蚀。管端的冲蚀。 （2 2）壳程设置防冲板（导流筒）的条件：）壳程设置防冲板（导流筒）的条件： a a、当壳程

53、进口管流体的、当壳程进口管流体的vv2 2值为下列值时值为下列值时，应在壳程进口管处设置防冲板或导流筒：，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，非腐蚀、非磨蚀性的单相流体，vv2 22230kg/2230kg/（m ms s2 2）者；）者； 其他液体，包括沸点下的液体，其他液体，包括沸点下的液体， vv2 2740 740 kg/kg/（msms2 2）者；）者； b b、有腐蚀或有磨蚀的气体，蒸汽及气液混合、有腐蚀或有磨蚀的气体，蒸汽及气液混合物，应设置防冲板；物，应设置防冲板； c c、当壳程进出接管距管板较远，流体停滞区、当壳程

54、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。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 3）防冲板的结构、尺寸：）防冲板的结构、尺寸： a a、防冲板外表面到圆筒内壁的距离，应不、防冲板外表面到圆筒内壁的距离，应不小于接管外径的小于接管外径的1/41/4； b b、防冲板的直径或边长，应大于接管外径、防冲板的直径或边长，应大于接管外径50mm50mm； c c、防冲板的最小厚度：碳钢为、防冲板的最小厚度：碳钢为4.5mm4.5mm，不锈，不锈钢为钢为3mm3mm。第二部分 GB151-1999 防冲板的固定：防冲板的固定： a a

55、、焊在圆筒上；、焊在圆筒上； b b、用、用U U形螺栓固定在换热管上；形螺栓固定在换热管上； c c、焊在定距管或拉杆上，也可同时焊在靠、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。近管板的第一块折流板上。第二部分 GB151-19992323、防短路结构、防短路结构 （1 1）旁路挡板；）旁路挡板； （2 2）挡管；）挡管； （3 3）中间挡板。）中间挡板。第二部分 GB151-19992424、低温管壳式换热器、低温管壳式换热器 设计温度低于或等于设计温度低于或等于-20-20。低温换热器的设。低温换热器的设计、制造、检验和验收须遵循计、制造、检验和验收须遵循GB151附录

56、附录A。但。但当满足当满足“低温低应力工况低温低应力工况”时，其设计温度加时，其设计温度加50后，高于后，高于-20时时可除外。但可除外。但“低温低应力工低温低应力工况况”不适用于钢材不适用于钢材b540MPa的低温换热器。的低温换热器。 对低温换热器的焊接接头采用局部探伤时，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检查长度不得少于各条焊接接头长度的50%，且，且不小于不小于250mm。第二部分 GB151-1999 低温低应力工况：低温低应力工况：指换热器壳体或其受压元指换热器壳体或其受压元件的设计温度虽然低于或等于件的设计温度虽然低于或等于-20，但其环向应

57、，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，力小于或等于钢材标准常温屈服点的六分之一，且不大于且不大于50MPa时的工况。时的工况。 第二部分 GB151-1999二、传热基本方程：二、传热基本方程：第一部分 传热基本知识emQK AtemQAKt0121iKRR1212ln()mttttt 3)3)由于管束的分级，造成后续设计上的差别由于管束的分级，造成后续设计上的差别： 管板上管孔直径的差别（表管板上管孔直径的差别（表16162121）。）。 如表如表1616、1717给出了碳素钢、低合金钢、不给出了碳素钢、低合金钢、不锈钢管锈钢管、级管束对应的尺寸。级管束对应的尺寸。第二部分

58、GB151-1999表16表17（3 3）设计条件的四种危险组合：）设计条件的四种危险组合： 如果不能保证如果不能保证p ps s和和p pt t在任何情况下都能同时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。如差进行管板设计。如p ps s和和p pt t之一为负压时，还应之一为负压时，还应考虑压差的危险组合。考虑压差的危险组合。 1 1）不带法兰的管板：）不带法兰的管板： p ps s00，p pt t0 0，不计膨胀变形差；，不计膨胀变形差； p ps s00，p pt t0 0，同时计入膨胀变形差；，同时计入膨

59、胀变形差； p pt t00，p ps s0 0，不计膨胀变形差；，不计膨胀变形差； p pt t00，p ps s0 0，同时计入膨胀变形差。，同时计入膨胀变形差。第二部分 GB151-1999 管板数据参数：管板数据参数： 、管板设计数据（、管板设计数据（1 1）：）： 第二部分 GB151-1999 前端管箱法兰数据：前端管箱法兰数据： 、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：、任意式法兰结构数据： 第二部分 GB151-1999 卧式换热器、冷凝器和重沸器的壳程介质卧式换热器、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（开通液口，如下图（c c）所示。）所示。第二部分 GB151-1999