管壳式换热器全面解析：类型、原理、设计

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管壳式换热器，亦被称为列管式换热器，是一种典型的间壁式换热器。其核心构造包括封闭在壳体内的管束，这些管束的壁面被用作传热面。这种换热器以其简单的结构、可靠的运行和广泛的材料适用性（主要采用金属材料）脱颖而出，尤其适用于高温、高压的工作环境，因此成为当前应用最为普遍的换热器类型。接下来，我们将深入探讨管壳式换热器的多方面知识。

管壳式换热器的结构与类型

管壳式换热器，由壳体、传热管束、管板、折流板（挡板）以及管箱等多个部件精心构成。其壳体通常呈现为圆筒形，内部则装载着管束，这些管束的两端被稳固地固定在管板上。在换热过程中，一种流体在管内流动，被称为管程流体，而另一种流体则在管外流动，被称为壳程流体。为了增强管外流体的传热效果，壳体内会巧妙地安装若干挡板。这些挡板能够提升壳程流体的流动速度，使其按照预设路径多次横向穿越管束，从而显著增加流体的湍流程度。此外，换热管的排列方式也至关重要，它们可以在管板上以等边三角形或正方形的方式布局。等边三角形排列紧密，有助于提高管外流体的湍动程度，进而增大传热分系数；而正方形排列则更便于管外清洗，特别适用于易结垢的流体。
流体在管壳式换热器中每通过管束一次，即完成一个管程；而每通过壳体一次，则为一个壳程。最基本的换热器类型是单壳程单管程换热器，简称1-1型换热器。为增加管内流体的速度，可在管箱两端设置隔板，将管子分为若干组，使流体在管束中往返多次，这即所谓的多管程设计。同样，为提升管外流速，壳体内可安装纵向挡板，迫使流体多次穿越壳体空间，即多壳程设计。多管程与多壳程可结合使用。

由于管内外流体存在温差，换热器的壳体与管束温度亦会有所不同。当温差过大时，换热器内部会产生显著的热应力，可能导致管子变形、断裂，甚至从管板上脱落。因此，当管束与壳体温差超过50℃时，必须采取适当的补偿措施来减少或消除热应力。根据所采用的补偿方式，管壳式换热器可分为多种类型，例如固定管板式换热器，其管束两端的管板与壳体相连结，结构简单，适用于冷热流体温差不大且壳程无需机械清洗的情况。若温差稍大且壳程压力适中，可在壳体上安装弹性补偿圈来减小热应力。
浮头式换热器设计独特，其管束一端的管板允许自由浮动，从而有效消除了热应力。此外，整个管束都可以轻松地从壳体中抽出，这一特点使得机械清洗和检修变得异常便捷。尽管浮头式换热器在应用上具有广泛性，但其复杂的结构和相对较高的造价也是不容忽视的。
U型管式换热器的设计独特，其每根换热管均弯成U形，两端分别固定在管板的不同区域，通过管箱内的隔板将换热器分为进出口两室。这种设计使得换热器能够完全消除热应力，相较于浮头式换热器，其结构更为简洁。然而，需要注意的是，U型管式换热器的管程清洗相对较为困难。
填料函式换热器

填料函式换热器的独特之处在于其管板仅在一端与壳体相连，而另一端则通过填料函进行密封。这种设计使得管束能够自由伸缩，从而有效避免了因壳壁与管壁温差而产生的温差应力。相较于浮头式换热器，其结构更为简单，制造便捷，且耗材较少，造价更低。此外，管束可以从壳体内轻松抽出，使得管内和管间的清洗变得轻而易举，维修起来相当方便。

然而，填料函式换热器也存在一定的局限。由于其填料函的耐压能力相对较低，通常不超过0MPa，因此在使用时需要特别谨慎。另外，壳程介质有可能通过填料函发生外漏，这一特性使其不适用于易燃、易爆、有毒或贵重的介质。总的来说，填料函式换热器最适合用于管、壳壁温差较大或介质易结垢的场合，并且需要经常进行清理，同时其工作压力不宜过高。
釜式换热器
釜式换热器独具特色，其壳体上部巧妙地设置了蒸发空间，这一设计同时发挥了蒸汽室的功能。管束的类型可以是固定管板式、浮头式或U型管式，灵活多变。这种换热器的清洗和维修相当便捷，非常适合处理不清洁或容易结垢的介质。此外，它还能承受高温和高压的环境，广泛应用于液-汽式换热场合，甚至可以作为结构最简单的废热锅炉使用。
管壳式换热器的传热机理及其结构与制造标准
管壳式换热器以其独特的传热机理和多样的结构型式，在化工、石油能源等行业发挥着不可或缺的作用。其传热机理在于管子与管板的有效连接，并通过壳体进行固定，形成间壁式换热器。这种换热器不仅结构简单、操作可靠，而且选材广泛，适应性强，能满足高温高压的工作环境。

在制造方面，管壳式换热器遵循一系列严格的标准，如国外的TEMA和ASME，以及国内的GB151和GB150等。这些标准确保了换热器的质量与性能，使其在各种应用场合下都能发挥出色的换热效果。

换热器封头选取原则

在选取换热器的封头时，需要考虑多个因素。首先，要确定管壳侧是否需要清洗，这将影响封头的设计和材料选择。其次，是否需要移动管束也是一个重要的考量点，因为这关系到封头的可移动性和结构强度。最后，热膨胀问题也是不可忽视的因素，它会影响封头的热性能和使用寿命。

根据不同的需求，前封头可以选择A、B、C、D、N等类型，而后封头则可以选择L、M、N、P、S、T、W等类型。后封头的设计更为复杂，它分为固定式、浮头式以及U型管等多种形式。浮头式封头虽然造价更高、需要更大的壳径且换热效果略低，但其一端具有自由度，能够更好地处理热膨胀问题，因此在某些场合下仍是优选。
A型封头：适用于管程流体较脏，需要频繁清洗的场合。
B型封头：经济实惠，单法兰设计便于采购，是常用的封头类型。
C型封头：配备管板和可拆盖，方便管侧清洗，适用于处理管程高压和高危介质，同时也适用于壳侧管束较重或需要清洗的情况。
D型封头：为特种高压型，专为特殊高压工况设计（管箱与管板焊接）。
N型封头：同样配备管板和可拆盖，但管束不可拆，经济性优越，接近管板容易；特别适用于处理壳侧高危介质。

相较于B型封头，A型封头增加了法兰片，虽然其耐压性稍逊，但优势在于换热器检修时无需移除封头，操作更为便捷。C型封头和N型封头的换热器中，管束可抽出，其中C型封头的管板与管箱是焊接的。
L型后封头与A型前封头相一致；
M型后封头则类似于B型前封头的特性；
N型后封头则与N型前封头相同；
U型管束设计，其管束可灵活移动，使得壳侧清洗变得容易。同时，其热膨胀处理也表现出色，经济实惠（无法兰设计）。但需注意，其管侧无法进行清洗，更换管束时存在困难，且弯头部位容易因冲刷而受损。
P型和W型封头已不再使用。
S型封头的特点在于其后封头的尺寸大于壳体直径。这一设计巧妙地解决了换热器设计中的两个难题：一是有效消除了换热器的热应力；二是允许对换热器的管壳侧进行清洗。
T型封头与S型封头相似，但其后封头尺寸与壳体直径相同。此外，其内封头和管束可以直接抽出。然而，与S型封头相比，T型封头的受力情况略逊一筹。在工程设计中，由于抽芯方便，T型封头有时会被选用，但并不常见。

E型壳体

为单程壳体，设计时常常作为首选，其适用于各种情况，尤其在单相换热方面表现优异。然而，其缺点是压降相对较大。

F型壳体

适用于场地受限且需要双壳程的场合。它同样适用于单相换热，并能实现纯逆流换热，具有较大的传热温差。但需注意，由于存在分程隔板，可能发生漏流现象，且壳程进口与出口处的压差和温差都较大，可能导致漏温和隔板变形。因此，F型壳体更适宜于压差和温差适中的情况。

G型壳体

属于平行流换热器，其特点在于热流体出口温度可低于冷流体出口温度。这种设计特别适用于需要强化壳侧的卧式热虹吸再沸器和冷凝器等。

H型壳体

为双平行流换热器，主要用于冷凝和蒸发工况，且无需折流板。与G型壳体相似，其传热温差也较大。

J型壳体

为分流壳体，适用于壳体气相压降大、振动问题难以解决的情况，以及再沸器和部分冷凝工况。但需注意，其传热温差和传热系数相对较小。

K型壳体

专为管程热介质和壳侧蒸发工况设计，常用于废热回收。

X型壳体

其冷热流体呈错流流动，压降极小。在其他壳体产生振动且无法通过调整参数消除时，可选用此壳体。但需注意，其流体分布可能不均匀，因此并不常用。
此外，I型壳体在化工工艺手册中与EDR软件中的描述并非完全一致。其使用方式仅限于与BIU搭配，即U型管换热器。
单弓形折流板：其设计可以最大化错流效果，但可能面临较高的压降，同时管束在窗口处容易发生振动。设计时，折流板的圆缺率应控制在17%-35%之间，而折流板间距则约为2-0倍的壳径。这种类型的折流板适用于多种场合。

NITW折流板：其特点在于窗口不布管，从而避免了管束振动的问题。然而，相较于其他折流板，其布管数相对较少，可能需要更大的壳体直径。设计时，应遵循15%的折流板圆缺率。这种折流板特别适合于气体振动和压降受限的场合。

双弓形折流板：其优点在于较低的压降和更好的振动控制。但需注意，其大窗口流动面积可能不适合所有场合。设计时，圆缺率控制在5%-30%之间，并默认两排管重叠。这种折流板特别适合于振动和压力受限的换热器。

螺旋折流板：包括单螺旋和双螺旋两种类型，它们具有出色的换热效果、低的压降和均匀的流动特性。然而，制造方面可能存在困难。设计时，螺旋角度应控制在5-45°之间。这种折流板特别适合于压降受限和容易结垢的场合。

折流杆：其优点包括优秀的支撑效果、均匀的流动和较低的压降，几乎无振动问题。但需要注意的是，其换热效果相对较低，且管子布置仅限于45°和90°两种角度。这种折流杆特别适合于低压降气体冷凝和换热的场合。

窝巢型和蛋框型折流板：这两种类型在支撑效果和流动均匀性方面表现良好，同时压降也相对较低。然而，窝巢型的换热效果稍差，而蛋框型在高温环境下可能发生变形。这两种类型的设计基本无特别要求。

在考虑管壳式换热器的设计时，还需要关注多个因素，如流速的选择、传热工况的优化等。针对不同的工况和需求，选择合适的换热器类型是至关重要的。
采用较高的流速，虽然能够带来两个显著的好处：一是通过提升总传热系数来减小所需的换热面积，二是降低管子表面污垢生成的概率，但同时也增加了阻力和动力消耗。因此，在确定适宜流速时，需要进行全面的经济比较。此外，在选择流速时，还需充分考虑结构方面的要求，以确保设备不会因流速过高而遭受严重磨损。为此，所选取的流速不应超越最大允许的经验流速。以下是相关表格，详细展示了介质流速范围与水在管内流速的余材质关系等信息。

允许压力降的选取

选择较高的压力降能够提升流速，进而强化传热效果，减少所需的换热面积。然而，压力降的增大也会增加泵的操作成本。在确定合适的压力降时，需要以换热器的年总费用为目标，通过反复调整设备尺寸和进行优化计算来得出最佳值。

在实际应用中，可能会发现某些设备一侧的热阻显著高于另一侧，此时，热阻较高的一侧便成为了控制热阻。例如，当壳程的热阻占据主导地位时，可以通过增加折流板块的数量或缩小壳径来提高壳侧流体的流速，从而降低传热热阻。但需要注意的是，减少折流板间距的操作是有限度的，通常不应小于壳径的1/5或50mm。另一方面，当管程的热阻成为控制因素时，则可以通过增加管束来提升流体流速。

在处理粘稠物料时，若流体处于层流状态，建议将此类物料引入壳程。由于壳程流体容易达到湍流状态，这不仅有助于提高传热速率，还能实现对压力降的更有效控制。以下是不同介质在不同设备类型中的允许压力降参考值图示：

管壳程流体的选择

在选择管壳程流体时，需要考虑多个因素，包括流体的操作压力和温度、可利用的压力降、结构和腐蚀特性，以及所需设备材料等。以下是一些可供参考的选择原则：

• 适于走管程的流体包括水、水蒸气或强腐蚀性流体、有毒性流体、容易结构的流体，以及在高温或高压下操作的流体。
• 适于走壳程的流体则包括塔顶馏出物的冷凝、烃类的冷凝和再沸、需要控制管件压力降的流体，以及粘度大的流体。
  

在排除上述情况后，选择介质走哪一程时，应着重于提高传热系数和充分利用压力降。由于壳程流体容易达到湍流状态（Re≥100），因此将粘度大或流量小的流体，即雷诺数低的流体，安排在壳程通常是有利的。相反，如果流体在管程能形成湍流，那么走管程则更为合理。从压力降的角度考虑，雷诺数低的流体走壳程更为适宜。

换热终温的确定

换热终温通常由工艺过程的需求来决定。在热流体和冷流体的出口温度相等的情况下，热量利用效率达到最高，但此时有效传热温差最小，换热面积需求最大。同时，应避免出现温度交叉现象，即热流体的出口温度低于冷流体的出口温度。

设备结构的选择

针对特定的工艺条件，首先需要确定换热器的形式，例如选择固定管板式还是浮头式等。设备结构的选择对传热效果和流体流动特性有着显著的影响。

在换热器设计过程中，强化传热是核心目标之一。这包括在给定换热量下减小换热器的尺寸、提高现有换热器的性能、减小流动工质的温差以及降低泵的功率。传热过程是两种流体通过硬设备壁面进行热交换的过程，根据流体的传热方式可分为无相变和有相变两种类型。针对无相变过程的强化传热技术，通常依据控制热阻侧来采取相应措施，如扩展管内或管外表面、采用管内插异物、改变管束支撑件形式以及加入不互溶的低沸点添加剂等。

接下来，我们将探讨螺纹管在换热器中的应用及其性能特点。
在换热器中，螺纹管作为一种独特的管子类型，其外壁经过特殊轧制，形成了螺纹状的低翅片，从而显著增加了其外侧的传热面积。相较于普通的光管，螺纹管的表面积能够扩展6至7倍。在相同的管外流速条件下，壳程的传热热阻可以相应地减少这么多倍。同时，由于管内流体在螺纹管中流动时，管径会有所减小，因此压力降会略有提升。螺纹管特别适用于那些壳程传热系数约为管程传热系数1/3至3/5的工况。

波纹管换热器的性能特点

波纹管，作为一种独特的管形，通过改变管内流体的流动状态来增强传热效果。在无切削的机加工过程中，管内被巧妙地挤出凸肋，这显著地改变了管内壁滞流层的流动特性。由于流体传热热阻的减少，波纹管进一步优化了传热效果。

折流杆换热器的性能特点

折流杆换热器，与双弓板换热器、盘环式换热器、旋流式换热器等一样，都是通过壳程管束支撑件来达到强化传热的效果。它们能够大幅度降低阻力，提高流速，或改变流动方式，从而优化传热。折流杆换热器独具特色，其每根换热管在四个方向上都被折流杆稳固支撑，展现出卓越的防震性能。