管壳式换热器又称列管式换热器。是以封闭在壳体中管束的壁面作为传热面的间壁式换热器。这种换热器结构较简单，操作可靠，可用各种结构材料（主要是金属材料）制造，能在高温、高压下使用，是目前应用最广的类型。今天我们就来借鉴学习一下管壳式换热器的相关知识内容。

  管壳式换热器由壳体、传热管束、管板、折流板（挡板）和管箱等部件组成。壳体多为圆筒形，内部装有管束，管束两端固定在管板上。

  进行换热的冷热两种流体，一种在管内流动，称为管程流体；另一种在管外流动，称为壳程流体。为提高管外流体的传热分系数，通常在壳体内安装若干挡板。

  挡板可提高壳程流体速度，迫使流体按规定路程多次横向通过管束，增强流体湍流程度。

  换热管在管板上可按等边三角形或正方形排列。等边三角形排列较紧凑，管外流体湍动程度高，传热分系数大；正方形排列则管外清洗方便，适用于易结垢的流体。

  流体每通过管束一次称为一个管程；每通过壳体一次称为一个壳程。图示为最简单的单壳程单管程换热器,简称为1-1型换热器。为提高管内流体速度,可在两端管箱内设置隔板，将全部管子均分成若干组。

  这样流体每次只通过部分管子，因而在管束中往返多次，这称为多管程。同样，为提高管外流速，也可在壳体内安装纵向挡板，迫使流体多次通过壳体空间，称为多壳程。多管程与多壳程可配合应用。

  管壳式换热器由于管内外流体的温度不同，因之换热器的壳体与管束的温度也不同。如果两温度相差很大，换热器内将产生很大热应力，导致管子弯曲、断裂，或从管板上拉脱。

  因此，当管束与壳体温度差超过50℃时，需采取适当补偿措施，以消除或减少热应力。根据所采用的补偿措施，管壳式换热器可分为以下几种主要类型：

  ①固定管板式换热器管束两端的管板与壳体联成一体，结构简单,但只适用于冷热流体温度差不大,且壳程不需机械清洗时的换热操作。当温度差稍大而壳程压力又不太高时，可在壳体上安装有弹性的补偿圈，以减小热应力。

  ②浮头式换热器管束一端的管板可自由浮动，完全消除了热应力;且整个管束可从壳体中抽出,便于机械清洗和检修。浮头式换热器的应用较广，但结构比较复杂，造价较高。

  ③ U型管式换热器 每根换热管皆弯成U形，两端分别固定在同一管板上下两区，借助于管箱内的隔板分成进出口两室。此种换热器完全消除了热应力，结构比浮头式简单，但管程不易清洗。

  ④填料函式换热器 填料函式换热器其结构特点是管板只有一端与壳体固定连接，另一端采用填料函密封。管束可以自由伸缩，不会产生因壳壁与管壁温差而引起的温差应力。

  填料函式换热器的优点是结构较浮头式换热器简单，制造方便，耗材少，造价低；管束可从壳体内抽出，管内、管间均能进行清洗，维修方便。其缺点是填料函耐压不高，一般小于4.0MPa；

  壳程介质可能通过填料函外漏，对易燃、易爆、有毒和贵重的介质不适用。填料函式换热器适用于管、壳壁温差较大或介质易结垢，需经常清理且压力不高的场合。

  ⑤釜式换热器 釜式换热器结构特点是在壳体上部设置适当的蒸发空间，同时兼有蒸汽室的作用。

  管束可以为固定管板式、浮头式或U 型管式。釜式换热器清洗维修方便，可处理不清洁、易结垢的介质，并能承受高温、高压。它适用于液-汽式换热，可作为最简结构的废热锅炉。

  一般来说，管壳式换热器制造容易，生产成本低，选材范围广，清洗方便，适应性强，处理量大，工作可靠，且能适应高温高压。虽然它在结构紧凑性、传热轻度和单位金属消耗量方面无法与板式和板翅式换热器相比，但它由于具有前述的一些优点，因而在化工、石油能源等行业的应用中仍处于主导地位。

  管壳式换热器是把管子与管板连接，再用壳体固定。它的型式大致分为固定管板式、釜式浮头式、U型管式、滑动管板式、填料函式及套管式等几种，前面我们简要介绍过。

  根据介质的种类、压力、温度、污垢和其他条件，管板与壳体的连接的各种结构型式特点，传热管的形状和传热条件，造价，维修检查方便等情况来选择设计制造各种管壳式换热器。

  一般来说，管壳式换热器制造容易，生产成本低，选材范围广，清洗方便，适应性强，处理量大，工作可靠，且能适应高温高压。虽然它在结构紧凑性、传热轻度和单位金属消耗量方面无法与板式和板翅式换热器相比，但它由于具有前述的一些优点，因而在化工、石油能源等行业的应用中仍处于主导地位。

  管壳式换热器是把管子与管板连接，再用壳体固定。它的型式大致分为固定管板式、釜式浮头式、U型管式、滑动管板式、填料函式及套管式等几种，前面我们简要介绍过。

  根据介质的种类、压力、温度、污垢和其他条件，管板与壳体的连接的各种结构型式特点，传热管的形状和传热条件，造价，维修检查方便等情况来选择设计制造各种管壳式换热器。

  管壳式换热器：是以封闭在壳体中管束的壁面作为传热面的间壁式换热器，这种换热器结构较简单、操作可靠，可用各种结构材料（主要是金属材料）制造，能在高温、高压下使用，是目前应用最广的类型。（设计制造遵循标准：国外 TEMA ASME 国内 GB151、GB150）

  后封头又分为固定式、浮头式以及U型管，相对于固定式，浮头式造价更高、需要更大的壳径、低的换热效果（由于泄漏流C的存在），优点则是一端具有自由度可以处理好热膨胀问题。

  C型封头：带管板和可拆盖，管侧清洗方便，可以处理管程高压和高危介质（适当），适于壳侧管束较重以及壳侧需要清洗的情况。

  N型封头：带管板和可拆盖，管束不可拆，此种封头经济性最好，接近管板容易；可以处理壳侧高危介质。

  A型封头与B型封头相比多了一片法兰，其耐压性没有B型封头好，其优点是换热器检修时不许将封头拿掉，相对于B型封头来说更加方便。C型封头、N型封头换热器中的管束是可抽出的，其中C型封头的换热器中的管板和管箱是焊在一起的。

  U型：U型管束，管束可移动，壳侧容易清洗；热膨胀处理优秀，经济（无法兰）；缺点是管侧无法清洗，更换管束困难，弯头部位容易冲刷损伤。

  S型封头：其尺寸特点是其后封头要比壳体的直径大，优点是可以解决换热器设计过程中的两个问题，一是可以消除换热器的热应力，二是换热器的管壳侧都可以进行清洗。

  T型封头和S型封头相似，但其后封头尺寸和壳体直径相同，且其内封头和管束可以直接抽出,但T型封头和S型封头相比，受力情况没有S型封头好，唯一的好处是抽芯方便，在工程设计中一般不选用T。

  E型壳体：为单程壳体，在设计过程中一般优先选择，它适用于所有的情况，单相换热更优，缺点是压降较大。

  F型壳体：适用于场地受限，需要双壳程的情况，比较适合于单相换热，纯逆流换热，传热温差大；缺点是F型壳体有分程隔板，此处会发生漏流，而且壳程进口与出口处的压差和温差都是最大的，会发生漏温且分程隔板也容易发生变形。所以F型壳体适用于压差和温差都不大的情况下。

  G型壳体：属于平行流换热器，该换热器的热流体出口温度可以比冷流体出口温度低，适用于需要做壳侧强化的卧式热虹吸再沸器、冷凝器等。

  H型壳体：双平行流换热器，主要用于冷凝和蒸发的工况下，而且壳体中不使用折流板。G/H型壳体的优点是传热温差大，比E型要高。

  J型壳体：分流壳体，一是适用于壳体气相压降较大，振动解决不了的情况；二是用于再沸器，相对于E型使得传热的效果比较稳定；三是用于部分冷凝的工况，其缺点则是传热温差较小，传热系数也不大。

  X型壳体：冷热流体属于错流流动，其优点是压降非常小，当采用其他壳体发生振动，且通过调整换热器参数无法消除该振动时可以使用此壳体形式，其不足之处是流体分布不均匀，X型壳体并不经常使用。

  在化工工艺手册中，I型壳体类型可EDR软件中的不是同一种壳体，其形式见I1，它的使用方式仅有一种搭配，就是BIU，U型管换热器。

  单弓形折流板：优点是可以达到最大的错流，缺点是压降较高，且窗口的管束容易发生振动；设计要点是折流板圆缺率在17%-35%之间，折流板间距在0.2-1.0倍的壳径。此种类型折流板适用于大部分场合。

  NITW：该折流板窗口不布管，管子支撑完美，不引起管束振动，缺点是相同的壳径大小，布管数较少，需要的壳体直径大。设计要点：15%的折流板圆缺率。适合的场合是气体振动和压降受限。

  双弓形折流板：优点是压降低，更好的规避振动的问题；缺点是大的窗口流动面积；设计要点：5%-30%的圆缺率，默认两排管重叠；适合场合时振动和压力受限的换热器（相对于单弓形折流板来说）。

  螺旋折流板：分为单螺旋折流板和双螺旋折流板优点是换热好，压降低，流动均匀；缺点是制造困难；设计要点是螺旋角度5-45°，适合的场合时压降受限，容易结垢的场合。

  折流杆：优点是支撑优，流动均匀，压降低基本无振动问题；缺点是低的换热效果；管子布置只能为45°和90°；适合场合是低压降气体冷凝和换热。

  窝巢型：支撑优，流动均匀，压降低；缺点是比换热效果不好，设计基本无要求。

  换热设备的类型很多，对每种特定的传热工况，通过优化选型都会得到一种最合适的设备型号，如果将这个型号的设备使用到其他工况，则传热的效果可能有很大的改变。因此，针对具体工况选择换热器类型，是很重要和复杂的工作。对管壳式换热器的设计，有以下因素值得考虑。

  流速是换热器设计的重要变量，提高流速则提高传热系数，同时压力降与功耗也会随之增加，如果采用泵送流体，应考虑将压力降尽量消耗在换热器上而不是调节阀上，这样可依靠提高流速来提高传热效果。

  采用较高的流速有两个好处：一是提高总传热系数，从而减小换热面积；二是减少在管子表面生成污垢的可能性。但是也相应的增加了阻力和动力的消耗，所以需要进行经济比较才能最后确定适宜的流速。

  此外在选择流速上，还必须考虑结构上的要求。为了避免设备的严重磨损，所算出的流速不应超过最大允许的经验流速。

  选择较大的压力降可以提高流速，从而增强传热效果减少换热面积。但是较大的压力降也使得泵的操作费用增加。合适的压力降值需要以换热器年总费用为目标，反复调整设备尺寸，进行优化计算而得出。

  在大多数设备中，可能会发现一侧的热阻明显的高于另一侧，此侧的热阻成为控制热阻。可壳程的热阻是控制侧时，可以用增加折流板块数或者缩小壳径的方法，来增加壳侧流体流速、减少传热热阻，但是减少折流板间距是有限制的，一般不能小于壳径的1/5或50mm。当管程的热阻是控制侧时，则依靠增加管成熟来增加流体流速。

  在处理粘稠物料时，如果流体处于层流流动则将此物料走壳程。由于在壳程的流体流动易达到湍流状态，这样可以得到较高的传热速率，还可以改进对压力降的控制。

  主要根据流体的操作压力和温度、可以利用的压力降、结构和腐蚀特性，以及所需设备材料的选择等方面，考虑流体适宜走哪一程。下面的因素可供选择时考虑：

  适于走管程的流体有水和水蒸气或强腐蚀性流体；有毒性流体；容易结构的流体；高温或高压操作的流体等。

  适于走壳程的流体有塔顶馏出物的冷凝；烃类的冷凝和再沸；管件压力降控制的流体；粘度大的流体等。

  当上述情况排除后，介质走哪一程的选择，应着眼于提高传热系数和最充分的利用压力降上。由于介质在壳程的流动容易达到湍流（Re≥100），因而将粘度大的或流量小的流体，即雷诺数低的流体走壳程一般是有利的。

  反之，如果流体在管程能够达到湍流时，则安排走管程较合理。若从压力降的角度考虑，一般是雷诺数低的走壳程合理。

  换热终温一般由工艺过程的需要确定。当换热终温可以选择时，其数值对换热器是否经济合理有很大的影响。在热流体出口温度与冷流体出口温度相等的情况下，热量利用效率最高，但是有效传热温差最小，换热面积最大。

  另外，在确定物流出口温度时，不希望出现温度交叉现象，即热流体出口温度低于冷流体出口温度。

  对于一定的工艺条件，首先应确定设备的形式，例如选择固定管板形式还是浮头形式等。参照下表1-7.

  在换热器设计过程中，强化传热总的目标概括有：在给定换热量下减少换热器的尺寸；提高现有换热器的性能；减小流动工质的温差；或者降低泵的功率。

  传热过程是指两种流体通过硬设备的壁面进行热交换的过程，按照流体的传热方式基本上可以分为无相变和有相变两种类型。无相变过程强化传热技术的研究，一般依据控制热阻侧而采取相应的措施：

  如采用扩展管内或者管外表面；采用管内插异物；改变管束支撑件形式；加入不互溶的低沸点添加剂等方法，以增强传热效果。

  在管子类型中，螺纹管属于管外扩展表面的类型，在普通换热管外壁轧制成螺纹状的低翅片，用以增加外侧的传热面积。螺纹管表面积比光管可扩展1.6-2.7倍，与光管相比，

  当管外流速一样时，壳程传热热阻可以缩小相应的倍数，而管内流体因管径的减小，则压力降会略有增大。螺纹管比较适宜于壳程传热系数相当于管程传热系数1/3-3/5的工况。

  以改变管内流体流动状态、增强传热效果的典型管形为波纹管、内插物管。波纹管是在无切削的机加工中，管内被挤出凸肋从而改变了管内壁滞流层的流动状态，减少了流体传热热阻，增强了传热效果。

  折流杆换热器、双弓板换热器、盘环式换热器、旋流式换热器等，都属于通过壳程管束支撑件、大幅度降低阻力提高流速或改变流动方式从而达到强化传热的目的。折流杆换热器每根换热管的四个方向上，用折流杆加以固定，具有很好的防震性能。