换热器设计大全
换热器设计大全
GB150-151
专注于国标、ASME、EN 13445规则和分析设计，服务于设计人员审核考试
| 固定管板式 | U形管式 | 浮头式 | 填料函式 |
| 螺纹锁紧环 | 发卡式 | 缠绕管式 | 空冷器 |
| 夹套式 | 套管式 | 蛇管 | 喷淋式 |
| 折流杆式 | 螺旋板式 | 板式 | 热管式 |
| 螺纹管 | 波纹管 | 波节管 | 翅片管 |
| T型槽管 | 内波外螺纹 | 内槽管 | 套装翅片管 |
1. 固定管板式换热器
难点：a.封闭缝焊接接头系数 b. 双管板换热器设计 c. 膨胀节的设计
a. 换热器壳程筒体最后一道合拢缝是通常无法进行检测的。 管板与壳程筒体环向焊接接头取0.6还是1.0民间一直有争议。
管板与壳程筒体 环向焊接接头可能为B类，也可能为C类，如下图所示。 因为在国标中，只有A、B类对接接头有焊缝系数这个概念，而角接接头是没有所谓焊缝系数的（GB151-99释义中有说明）。参照附录I 管板与管箱、壳体的焊接连接。
注意，这个环向焊缝系数只用于校核壳程圆筒轴向拉应力；对于壳程圆筒轴向压应力没有影响。
b. 在多晶硅行业中，由于物料与水反应会产生盐酸，硅酸，从而引起腐蚀，甚至爆炸，为了避免物料的混合，故多采用双管板换热器。
另外生物制药装置中 ，美国FDA《高纯水系统检查指南》建议换热器采用双管板设计或连续监测两侧压差，并保证洁净端压力高于非洁净端；ASME BPE《生物工艺设备》对双管板换热器的设计、制造、检验等提出相关要求；另由于双管板换热器的换热管便于清洗有利于抑制微生物的繁殖，因此双管板换热器在生物制药行业的应用较为广泛。
由于我们现在所使用的国内强度计算软件SW6已经具有计算双管板的功能，所以在计算上不会有太大的难题，我们主要是考虑下双管板的连接结构及尺寸要求。但对于按照ASME或EN13445规范设计的压力容器，由于PV Elite 和VVD软件没法建模双管板换热器，那我们该怎么计算呢？
固定双管板工况计算：
① 外管板兼做法兰计算
② 内管板不兼做法兰计算
③（外管板）隔离腔作为壳程设计压力
④（内管板）隔离腔作为管程设计压力
c.GB/T 151中规定，当下述3个条件中任何一个不满足时，需要考虑加膨胀节
① 换热器的壳体和管束的轴向应力满足强度条件：
壳体轴向应力 σ s ≤3[σ]sτ υ
管束轴向应力 σ b ≤3[σ]bτυ
②换热器的壳体和管束的轴向压缩应力应满足稳定条件：
壳体的压缩应力︱N σs + T σs ︱≤B
管束的压缩应力 ︱N σb + T σb ︱≤[σ cr ]
③管板与换热管间的拉脱力q不得大于许用拉脱力[q](胀接)或3[q](焊接）
由于大部分设备设计的人膨胀节的知识都相对比较薄弱，用软件计算时候常常会出现一些问题，要么薄膜应力不过，要么平面失稳压力超标。花了很多精力在软件调试上却找不到方向。
问题1：波纹管周向薄膜应力不过， 波纹管组合应力超标，造成疲劳寿命不合格。
方法：控制位移量、增加波数、增加波高，也可做多层波纹管。
问题2：平面失稳压力超标。
办法：降低波高、增加壁厚、调整材料的设计温度下屈服强度（不超过1.5倍）。
2. U形管式换热器
难点：1. 双管板换热器设计；2.U形管的交叉设置；3. 釜式重沸器设计
1. 双管板换热器可以参照上面固定管板的思路理解，此处就不再赘述了。
2. U型管换热器交叉布管隔板槽间距及R值：∅25换热管：90.5/50.6 ；∅19换热管：75/43.3。数据就是法宝，懂得人自然懂。
特别说明的一点，GB/T151-2014中6.4.3对于U型管弯管半径R min 一般为2倍的换热管外径，但是API660-2015中7.5.1.4 条规定弯管半径为1.5倍的换热管外径！
我曾经设计过一个台湾的工程项目，客户工程文件规定弯管半径为1.5倍的换热管外径。让采购部咨询了弯管厂说1.5倍的弯管是可以弯制，看来国标还是偏于保守（补充说明：GB/T151比API660更新迟一年，没来得及copy）。
3. 釜式重沸器的关键点就是椎壳的计算（下文链接），制造过程中鞍座的垫板放样也是一大难点。
锥壳支撑线计算
3. 浮头式换热器
难点：1. 单管程浮头 2.折流杆换热器设计 3.换热管轴向压应力校核不合格
1. 单管程浮头换热器最大的难点在于进出口膨胀节的计算，一般的是找膨胀节设计人员辅助计算。 球冠型封头开孔补强也是比较棘手的一件事，最简单的做法就是进行有限元应力分析。
2. 折流杆换热器主要难点在于折流杆的布置。具体结构可以见我之前分享的洛阳院图册 （下文链接） 。
洛阳纸贵：洛阳院换热器图册大放送
3. 浮头冷凝器、重沸器（作为设计人员应该学会通过进出口温度么去判别换热器类型）中，换热管受轴向压缩力在较大折流板间距时，经常出现大于[δ] cr 的情况，但由于换热管在换热器内失稳是有约束的，所以正常操况下并未发生失稳破坏（负值不合格）。对于这一点GB151-99释义中对此有说明。
但是GB/T151-2014释义并未做此说明，因此在使用SW6计算时候如果客户要求严格，还是有必要将该问题解决掉。通常可以从以下两个方面考虑：
1.提高换热管的轴向压应力
①缩短折流板间距，减少换热管当量长度，但是折流板间距是工艺计算的，一般不允许设备修改，所以这一点很难实现。
②增加换热管壁厚，如果从成本上考虑，很多制造厂实现可能性也不大。
2.提高管板的刚度。
①增加管板厚度
②增大管间距，管间距是工艺计算的，一般不允许设备修改，所以这一点也很难实现。
4. 填料函式换热器
难点：填料函式换热器管头压力试验应用
GB151中规定外填料函式热交换器设计压力不宜高于2.5MPa,但我见过的国内著名的沈鼓集团设计的图纸设计压力在4MPa以上。 填料函式换热器广泛应用于浮头换热器管头的压力试验应用，下图是我早期的一些管头试压工装的笔记。
5. 空冷器
难点：1. 表面蒸发式冷凝器设计 2. 方形管板的计算
1. 表面蒸发式冷凝器综合了风机、翅片管管束、光管管束、捕雾器、喷淋管、水箱等部件。对设计人员综合能力要求较高。
2. SW6对于方形管板的计算现在越来越完善，加上一些人工编写的Excel，所以计算应该不是什么大问题。
6. 螺旋板式换热器
难点：1. 通道的计算 2. 制造
1. 差不多通过EXCEL公式，然后借助SW6就能完成螺旋板式换热的计算。
2. 螺旋板换热器的制造就是利用我们常用的三辊卷板机稍加改造即可。辊子半径按照螺旋折流板内筒半径。