第六章 管壳式换热器
管壳式换热器的工作原理及结构
管壳式换热器的工作原理及结构一、管壳式换热器的基本概念管壳式换热器是一种常见的换热设备，其主要由管束和外壳两部分组成。
其中，管束是由许多平行排列的管子组成，而外壳则是将这些管子包裹在一起的结构。
通过这种结构，管壳式换热器可以实现两种介质之间的热量传递。
二、工作原理1. 热媒流动原理在管壳式换热器中，介质A和介质B分别通过内部的管子和外部的壳体进行流动。
其中，介质A通常为高温流体，而介质B则为低温流体。
当两种介质在内外两侧经过时，由于存在温度差异，会发生热量传递。
2. 热媒传递原理在介质A和介质B之间进行热量传递时，主要有三个过程：对流传热、传导传热和辐射传热。
其中，对流传热是最主要的一种方式。
3. 工作过程在工作过程中，高温流体通过内部的管子进入到换热器中，并沿着管子表面流动。
同时，低温流体从外部的壳体进入到换热器中，并沿着管子外表面流动。
在这个过程中，高温流体和低温流体之间进行了热量传递，使得高温流体的温度降低，而低温流体的温度升高。
三、结构特点1. 管束结构管束是管壳式换热器的主要组成部分之一。
在管束中，许多平行排列的管子被固定在两个端盖板上，并通过密封垫圈与外壳连接。
由于管子间距离较小，因此可以有效地增加热量传递面积。
2. 壳体结构外壳是管壳式换热器的另一个重要组成部分。
它通常由两个半球形或长方形壳体组成，并通过法兰连接。
在使用过程中，外壳起到保护内部管束不受损坏的作用。
3. 密封结构为了保证介质A和介质B之间不发生混合，在管壳式换热器中需要设置密封结构。
这种密封结构通常采用密封垫圈或波纹垫片等材料制成，可以有效地防止介质泄漏。
4. 清洗结构由于管壳式换热器在使用过程中会产生一定的污垢和腐蚀物，因此需要定期进行清洗。
为了方便清洗，管壳式换热器通常设置有进出口和排污口等结构。
四、应用领域管壳式换热器广泛应用于化工、石油、制药、食品等领域中。
在这些领域中，管壳式换热器可以实现高效的热量传递，提高生产效率，并减少能源消耗。
管壳式换热器内部结构
管壳式换热器内部结构
管壳式换热器的内部结构主要包括壳体、管板、管束、挡板及箱体等部分。
其中，壳体是圆形的，用于容纳管束和其他内部组件，并通过连接法兰与换热器其他部分连接在一起。
管板则位于壳体的两端，用于固定管束并防止管束在运行过程中发生位移或振动。
管束是换热器的核心部分，由许多小直径的管子组成，它们被固定在管板上，用于传输热流体。
挡板则位于管束的一侧，用于改变热流体的流动方向，增加湍流度并提高换热效率。
箱体则用于容纳所有内部组件，并作为外部框架，支撑和固定整个换热器。
此外，管壳式换热器还有许多其他的设计和结构变化，例如固定管板式、浮头式、U形管式、填料函式的浮头换热器等。
这些变化都是为了满足不同的工艺和操作要求。
以上信息仅供参考，如需了解更多信息，建议查阅相关书籍或咨询专业人士。
管壳式换热器
安装要点
安装要点
1）、热交换器应以最大工作压力的1.5倍做水压试验，蒸汽部分应不低于蒸汽供汽压力加0.3MPa；热水部 分应不低于0.4MPa。在试验压力下，保持10min压力不降。
2）、管壳式换热器前端应留有抽卸管束的空间，即其封头于墙壁或屋顶的距离不得小于换热器的长度，设 备运行操作通道净宽不宜小于0.8m。
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涡流热膜换热器涡流热膜换热器采用最新的涡流热膜传热技术，通过改变流体运动状态来增加传热效果， 当介质经过涡流管表面时，强力冲刷管子表面，从而提高换热效率。最高可达W/m2℃。同时这种结构实现了耐腐 蚀、耐高温、耐高压、防结垢功能。其它类型的换热器的流体通道为固定方向流形式，在换热管表面形成绕流， 对流换热系数降低。
3）、各类阀门和仪表的安装高度应便于操作和观察。
4）、加热器上部附件（一般指安全阀）的最高点至建筑结构最低点的垂直净距应满足安装检测的要求，并 不得小于0.2m。
执行标准
产品标准
工程标准
产品标准
《管壳式换热器》GB151-2014 《导流型容积式水加热器和半容积式水加热器(U型管束)》CJ/T 163-2002
分类
分类
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：
工程标准பைடு நூலகம்
管壳式换热器的工作原理
管壳式换热器的工作原理
管壳式换热器是一种常用的热交换装置，用于将两种介质之间的热量传递。
它由一个外壳和一组内部管子组成。
工作原理如下：
1. 媒体流动：热交换的两种介质通过各自的入口进入换热器，一个在管道内流动，被称为“管侧媒体”，另一个在外壳内流动，被称为“壳侧媒体”。
2. 热传导：管侧和壳侧媒体之间通过热传导进行热量交换。
通常，一个介质在管侧流动，将热量传递给壳侧的另一个介质。
3. 热量交换：热量通过管壁传导，从管侧媒体流向壳侧媒体。
热量传递的方向取决于各介质的温度差和流速。
4. 冷却或加热：根据实际需求，换热器可被用于冷却或加热流体。
冷却时，管侧媒体温度较高，而壳侧媒体温度较低，使得管侧媒体的热量传递到壳侧媒体中。
加热时，情况相反。
5. 出口排放：经过热交换后，已经冷却或加热的介质分别通过各自的出口排放。
总之，管壳式换热器通过管内和壳内的介质流动，使热量在两者之间传导，实现了热量交换的目的。
这种设计可以高效地将热量从一个介质传递到另一个介质，广泛应用于工业生产和能源领域。
管壳式换热器
换热管外径 用于炼油工业及易燃易爆 管板最 有毒介质等严格场合 小厚度 用于无害介质的一般场合
10 14 19 25 32
20
25 32
10 15 20 24
38 45 57 38 45 57 26 32 36
管壳式换热器的类型、标准与结构
管板和壳体的连接：有可拆和不可拆两种。
固定管板式换热器常用不可拆连接，两端的管板直接焊于外 壳上并延伸到壳体周围之外兼作法兰，拆下管箱即可检修胀口或 清扫管内污垢。把管板焊在壳体内不兼作法兰的结构用得较少。
（2）由于制造复杂，安装不便， 因而不常采用。
管壳式换热器的类型、标准与结构
标准
国家标准：《钢制管壳式换热器》(标准号为GBl51-89) 最新标准：《管壳式换热器》(标准号为GBl51-1999) 国标适用范围： (1)公称直径≤2000mm；(2)公称压力≤35MPa； (3)公称直径(mm)和公称压力(MPa)的乘积≯104。
管壳式换热器的类型、标准与结构
3) 浮头式换热器
结构：两端管板一端与壳体用法兰固定联接，称为固定端。另
一端管板不与壳体联接而可相对于壳体滑动，称为浮头端。由于 浮头位于壳体内部，故又称内浮头式换热器。
特点： （1）管束的热膨胀不受壳体的约束，故壳体与管束之间不会因
差胀而产生热应力； （2）在需要清洗和检修时，可将整个管束从固定端抽出； （3）浮头盖与管板法兰连接有相当大的面积，使壳体直径增大， 在管束与壳体之间形成了阻力较小的环形通道，产生旁流。
管壳式换热器的类型、标准与结构
换热器中主要部件名称
1：平盖；2：平盖管箱(部件)；3：接管法兰；4：管箱法兰；5：固定管板；6：壳体 法兰；7：防冲板；8：仪表接口；9：补强圈；10：圆筒壳体；11：折流板；12：旁 路挡板；13：拉杆；14：定距管；15：支持板；16：双头螺柱或螺栓；17：螺母； 18：外头盖垫片；19：外头盖侧法兰；20：外头盖法兰；21：吊耳；22：放气口； 23：凸形封头；24：浮头法兰；25：浮头垫片；26：无折边球面封头；27：浮头管 板；28：浮头盖(部件)；29：外头盖(部件)；30：排液口；31：钩圈；32：接管；33： 活动鞍座(部件)；34：换热管；35：挡管；36：管束(部件)；37：固定鞍座(部件)； 38：滑道；39：管箱垫片；40：管箱短节；41：封头管箱(部件)；42：分程隔板
第六章 管壳式换热器
2、管子材料的选择（Choice of pipe material） 管子材料应根据设计压力、温度、介质的腐蚀等条件来选择，在满足以上条件的前提下，尽量选 择导热性能好的材料，对于一般介质，可选用普通碳素钢，特别是10、20号无缝钢管。
3、管子长度的选择（Choice of pipe length） 管子长度主要根据工艺计算和整个换热器的几何尺寸的布局来确定，管子越长，换热器单位材料 消耗越低。但管子不能太长，否则对流体产生较大阻力，维修、清洗、运输、安装都不方便，管 子本身受力也不好。常用管长规格为1.5、2、2.5、3、4.5、5、6、7.5、9、12m等。
6.2.3 管板结构（Tube Plate Structure）
1、 管子在管板上的排列（Arrangement of tube） 管壳式换热器的管子在管板上的布置不单只考虑设备的紧凑性，还要考虑流体的性质、结构设计 以及加工制造方面的情况。常用正三角形排列、转角三角债排列、正方形排列、转角正方形排列。
1、管箱与分程隔板 换热器管内流体进出口的空间称为管箱。管箱位于换热器的两端，将介质均匀地分布到各换热管 中，或将管内流体汇集后输送出来。为了便于清洗、检修管子，管箱应采用可拆结构。
固定管板换热器是利用管箱来实现管束分程。在换热器一端或两端管箱内分别安置一定数量的隔 板，将换热器做成多管程。分程隔板有单层和双层两种。
（4）折流板的选择与计算； （5）管子拉脱力的计算； （6）温差应力计算。
6.2 管壳式换热器的结构设计（Shell and Tube Heat Exchanger Design）
6.2.1 管子的选用（Selection of pipe）
1、管子直径的选择（Choice of pipe diameter） 换热管直径的确定要考虑管内介质的物性和管内流速、流量。为了提高传热效率，通常要求管内 流体呈湍流，故一般要求管径较小；而且采用小直径的管子，换热器单位体积的换热面积大些， 设备较紧凑。但制造较麻烦，容易结垢，不易清洗，适用于较清洁的流体。粘度大或污浊的流体， 宜选用大直径的管子。 常用的碳钢和低合金钢无缝钢管的规格有Ø19×2、 Ø25×2.5、 Ø32×3、 Ø38×3、不锈钢常采用 Ø25×2、 Ø38×2.5。
管壳式换热器
应用：
有缝隙腐蚀； 需使用复合管板等的场合
53
6.2.2 管壳式换热器结构
过程设备设计
切除管子端部
54
6.2.2 管壳式换热器结构
过程设备设计
课堂讨论
关于先焊还是先胀的讨论 机械胀接——先焊后胀 液压胀接——先胀后焊
55
过程设备设计
第六章 换热设备
6.1 概述 6.2 管壳式换热器 6.3 传热强化技术
12
14
19
25
32
38
45
57
换热管中心距
16
19
25
32
40
48
57
72
25
6.2.2 管壳式换热器结构
过程设备设计
26
6.2.2 管壳式换热器结构
过程设备设计
二、管板
用来排布换热管；
作用
将管程和壳程流体分开，避免冷、热流体混合； 承受管程、壳程压力和温度的载荷作用。
27
6.2.2 管壳式换热器结构
应用
除较大振动和缝隙腐蚀场合外，该方法应用广泛; 薄管板不能胀，只能焊。
52
6.2.2 管壳式换热器结构
过程设备设计
3.胀焊并用
主要有强度胀+密封焊、强度焊+贴胀、强度焊+强度胀等 不仅能提高连接处的抗疲劳性能， 而且还可消除应力腐蚀和缝隙腐蚀， 提高使用寿命
密封性能要求较高； 承受振动和疲劳载荷；
过程设备设计
1.管板材料
力学性能
介质腐蚀性（及tube-tubesheet间电位差对腐蚀影响）
贵重钢板价格
流体无腐蚀性或有轻微腐蚀性时， 管板采用压力容器用碳素钢或低合金钢板或锻件制造；
过程设备设计-第六章(6.1)
热流体
冷流体
图6-2 蓄热式换热器
7
图6-3
沉浸式蛇管
8
图7.3 沉浸式蛇管
过程设备设计
3
水
1
4
2
图6-4
喷淋式冷却器
1-直管；2-U形管；3-水槽；4-齿
9
内管
外管
型肘管
图6-5 套管式换热器
图7.5 套管式换热器
10
过程设备设计
4 3 2
1 6 5
过程设备设计
第六章 换热设备
6.1 6.2 6.3 概述 管壳式换热器 传热强化技术
1
6.1
一、应 用：
定义 应用
概述
过程设备设计
使热量从热流体传递到冷流体的设备称为换热设备
它是化工、炼油、动力、食品、轻工、原子能、制 药、机械及其它许多工业部门广泛使用的一种通用 设备
化工厂中，约占总投资的10%～20%； 炼油厂中，约占总投资的35%～40%。
5
热流体
过程设备设计
优点—— 传热效率高、单 位容积传热面积大、 设备结构简单、价格 便宜等。
冷流体ห้องสมุดไป่ตู้
但仅适用于工艺 上允许两种流体 混合的场合
热流体
冷流体
图6-1
直接接触式换热器
6
冷流体
热流体
优点——
结构紧凑、价格 便宜、单位体积 传热面大，适用 于气—气热交换。 如回转式空气预 热器。
载热体
局限——
1-管子；2-封头；3-壳体；4-接管；5-管板；6-折流板
图7.6 管壳式换热器 1-管子 2-封头 3-壳体 图6-6 管壳式换热器 4-接管 5-管板 6-折流板
管壳式换热器的工作原理及结构
管壳式换热器的工作原理及结构
管壳式换热器是一种常见的换热设备，广泛应用于化工、石油、制药、食品等行业中。
它的工作原理是利用管内流体与管外流体之间的热量传递，将热量从一个介质传递到另一个介质中，以达到加热、冷却或蒸发等目的。
管壳式换热器的结构主要由管束、壳体、管板、支撑件、密封件、进出口管道等组成。
其中，管束是由许多平行排列的管子组成的，管子的材质可以是不锈钢、铜、钛等，根据不同的介质选择不同的材质。
壳体是管束的外壳，通常采用碳钢、不锈钢等材质制成，具有良好的耐腐蚀性能。
管板是将管束固定在壳体内的关键部件，它可以分为固定管板和浮动管板两种类型。
支撑件是用于支撑管束的部件，通常采用钢制材料制成。
密封件则是用于保证管束与壳体之间的密封性能，通常采用橡胶、聚四氟乙烯等材料制成。
进出口管道则是用于将介质引入或排出换热器的管道。
管壳式换热器的工作原理是将需要加热或冷却的介质通过管道引入管束内，然后通过管子的壁面与管外流体进行热量传递，最后将加热或冷却后的介质从管束中排出。
管外流体则通过壳体内的流道流动，将管内流体传递过来的热量带走，以达到加热或冷却的目的。
在换热过程中，管束和壳体之间的热量传递效率取决于管束的布置方式、管子的材质、流体的流速等因素。
管壳式换热器是一种高效、可靠的换热设备，具有结构简单、维护
方便、适用范围广等优点。
在工业生产中，它被广泛应用于加热、冷却、蒸发等工艺过程中，为生产提供了重要的支持。
管壳式换热器
管壳式换热器的类型、标准与结构
3) 浮头式换热器
结构：两端管板一端与壳体用法兰固定联接，称为固定端。另
一端管板不与壳体联接而可相对于壳体滑动，称为浮头端。由于 浮头位于壳体内部，故又称内浮头式换热器。
特点： （1）管束的热膨胀不受壳体的约束，故壳体与管束之间不会因
差胀而产生热应力；
（2）在需要清洗和检修时，可将整个管束从固定端抽出；
安装：焊接在管箱上，在管板上设分程隔板槽，槽的宽度、深度
及拐角处的倒角等均有具体规定。
管壳式换热器的类型、标准与结构
常见管板分程布臵
管壳式换热器的类型、标准与结构
折流板和支持板
作用：（1）使流体横掠管束，增大传热系数；（2）支撑管束；
（3）防止管束振动和弯曲。
常用形式：（1）弓形折流板，（2）盘环形(或称圆盘一圆环形)
管板与壳体的不可拆连接
对于U形管式、浮头管式等设备，为使壳 程便于清洗，常将管板夹在壳体法兰和管箱法 兰之间构成可拆连接。
管板与壳体的可拆连接
管壳式换热器的类型、标准与结构
分程隔板
目的：将换热器的管程分为若干流程，提高流速，增大传热系数 原则：（1）每一程管数大致相等；（2）分程隔板的形状简单，
管壳式换热器的类型、标准与结构
管壳式换热器的类型、标准与结构
管壳式换热器的类型、标准与结构
管子在管板上的固定与排列
1) 管子在管板上的固定 原则：保证连接牢固，不产生大的热应力； 方法：（1）胀接；（2）焊接；（3）胀焊并用； 胀接：基本连接方式，但压力温度受限
压力低于4MPa，温度低于300oC
折流板，（3）扇形折流板，（4）管孔形折流板
在弓形折流板中，流动死区较小，结构简单，因而用得最多； 盘环形结构比较复杂，不便清洗，一般用在压力较高和物料比较清 洁的场合；扇形和管孔形的应用较少。
管壳式换热器的工作原理及结构
管壳式换热器的工作原理及结构一、引言管壳式换热器作为一种常见的换热设备，在工业生产和能源领域得到广泛应用。
它能够将热量从一个介质传递到另一个介质，实现能量的转移。
本文将深入探讨管壳式换热器的工作原理及结构。
二、工作原理管壳式换热器的工作原理可以概括为传导、对流和辐射三种方式的能量传递。
2.1 传导传热传导是指由于不同温度物体之间的热运动，热量通过颗粒的碰撞和传递实现。
在管壳式换热器中，传导传热主要发生在管壳内部。
热源通过传导方式将热量传递给管壳内的管道，然后通过管道的传导传递给另一介质。
2.2 对流传热对流传热是指热源通过流体的对流方式将热量传递给另一介质。
在管壳式换热器中，热源和另一介质通过管道分别进入管壳内部，热源通过管壁将热量传递给管道内的流体，流体再通过对流方式将热量传递给另一介质。
2.3 辐射传热辐射传热是指热源通过辐射方式将热量传递给另一介质。
辐射传热不需要介质的介入，可以在真空中传递热量。
在管壳式换热器中，热源通过辐射方式将热量传递给管道内壁，然后再通过传导或对流方式将热量传递给另一介质。
三、结构管壳式换热器由管壳和管束两部分组成，具有复杂的结构设计。
3.1 管壳管壳是管壳式换热器的外壳，起到固定管束和流体的作用。
常见的管壳材料有碳钢、不锈钢和铜等。
管壳主要由头盖、壳体、管板和尾盖等部分组成。
3.2 管束管束是管壳式换热器中的核心部件，由管子和管板组成。
管子通常采用无缝钢管或螺旋钢管制成，根据换热要求可以采用不同的布管方式，如并列布管、单列布管和交叉布管等。
管板用于固定管子，保证管子之间的间距。
3.3 流体分流器流体分流器位于管束的进出口处，起到将流体引导到相应的管子中去的作用。
流体分流器的设计关系到换热效率和流体的流动状态。
3.4 密封装置密封装置用于防止热源和另一介质之间的交叉污染，同时保证换热过程中的密封性。
四、工作过程管壳式换热器的工作过程可以分为进料、加热和出料三个阶段。
管壳式换热器工作原理
管壳式换热器工作原理
管壳式换热器是一种常用的热交换设备，其工作原理如下：
1. 冷热介质流经换热器：冷介质（通常是待加热流体）从进口管道进入换热器的壳程，热介质（通常是用于加热的流体）从进口管道进入换热器的管程。
2. 介质的传热过程：在管壳式换热器内，冷、热介质通过管程和壳程之间的管板进行传热。
冷介质在管程的管道中流过，热量通过管壁传递给热介质。
热介质流经壳程的壳体，将热量传递给壳程的外壁，而冷介质则从壳程外侧带走吸收的热量。
3. 介质的流动操作：管壳式换热器内冷热介质的流动方式有多种，常见的有串流（串流换热器），并流（并流换热器）和逆流（逆流换热器）。
4. 热量交换完成后，介质流出换热器：经过传热过程后，冷介质和热介质的温度发生变化，冷介质在换热器的出口处流出，热介质也在换热器的出口处流出。
总结来说，管壳式换热器通过管程和壳程之间的传热，将热量从热介质传递给冷介质。
冷热介质在换热器内部流动，通过壳体和管道壁的传热，完成热量交换，最终达到热能转移的目的。
不同的流动方式和操作条件，会影响换热的效果和效率。
管壳式换热器讲解
管壳式换热器讲解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。
构成：管壳式换热器由管箱、壳体、管束等主要元件构成。
管束是管壳式换热器的核心，其中换热管作为导热元件，决定换热器的热力性能。
另一个对换热器热力性能有较大影响的基本元件是折流板（或折流杆）。
管箱和壳体主要决定管壳式换热器的承压能力及操作运行的安全可靠性。
工作原理：管壳式换热器属于间壁式换热器，其换热管内构成的流体通道称为管程，换热管外构成的流体通道称为壳程。
管程和壳程分别通过两不同温度的流体时，温度较高的流体通过换热管壁将热量传递给温度较低的流体，温度较高的流体被冷却，温度较低的流体被加热，进而实现两流体换热工艺目的。
类型：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）固定管板换热器结构：管束连接在管板上，管板与壳体相焊。
优点：结构简单紧促，能承受较高压力，造价低，管程清洗方便，管子损坏时方便堵管或更换。
排管数比U形管换热器多。
缺点：管束与壳体的壁温或材料的线胀系数相差较大时，壳体和管束中将产生较大热应力，为此应需要设置柔性元件（如膨胀节）。
不能抽芯无法进行机械清洗。
不能更换管束，维修成本较高。
适用范围：壳程侧介质清洁不易结垢，不能进行清洗，管程与壳程两侧温差不大或温差较大但壳侧压力不高的场合。
2）浮头换热器结构：两端管板中只有一端与壳体固定，另一端可相对壳体自由移动，称为浮头。
浮头由浮头管板，钩圈和浮头盖组成，是可拆连接，管束可从壳体中抽出。
管壳式换热器ppt课件
类型与结构
类型
根据结构特点和使用要求，管壳式换热器可分为固定管板式 、浮头式、U形管式、填料函式等类型。
结构
主要由壳体、管束、管板、封头等组成，其中管束是换热器 的核心部件，通过两端固定在管板上，与壳体形成封闭空间 。
02
管壳式换热器的工作原理
传热原理
热传导
管壳式换热器中的传热过程主要 以热传导为主，热量从高温介质 传递到低温介质，通过管壁和壳
适用范围与限制
适用范围
管壳式换热器适用于高温高压的工况， 以及需要承受较大压力和温度变化的场 合。此外，由于其结构简单、可靠性强 ，管壳式换热器也常用于工业生产中的 加热、冷却和冷凝等操作。
VS
限制
管壳式换热器的传热效率较低，因此不适 用于需要高效传热的场合。此外，由于其 体积较大，管壳式换热器也不适用于空间 受限的场合。
在石油化工领域，管壳式换热器的优点包括高可靠性、耐高温高压、良好的热效 率以及适应性强等，使其成为该领域不可或缺的设备之一。
能源工业领域
能源工业是另一个管壳式换热器得到广泛应用的重要领域。在火力发电、核能发电、水力发电等过程中，管壳式换热器都扮 演着重要的角色。
在能源工业中，管壳式换热器被用于加热和冷却各种流体，如水、蒸汽、油等，以实现能量的转换和回收。其高效可靠的运 行对于提高能源利用效率和降低能源成本具有重要的作用。
维护方便
管壳式换热器的结构简单，拆装方便，便于进行维修和清 洗。
缺点
01
02
03
传热效率较低
相比于其他类型的换热器 ，管壳式换热器的传热效 率相对较低。这是由于其 结构特点所决定的。
体积较大
管壳式换热器的体积较大 ，需要占用较多的空间。
管壳式换热器
第十七章管壳式换热器（shell and tube heat exchange）本章重点讲解内容：（1）熟悉管壳式换热器的整体结构及其类型；（2）熟悉主要零部件的作用及适用场合；（3）熟悉膨胀节的功能及其设置条件。
第一节总体结构管壳式换热器又称列管式换热器，是一种通用的标准换热设备。
它具有结构简单、坚固耐用、造价低廉、用材广泛、清洗方便、适应性强等优点，应用最为广泛，在换热设备中占据主导地位。
管壳式换热器是把换热管束与管板连接后，再用筒体与管箱包起来，形成两个独立的空间。
管内的通道及与其相贯通的管箱称为管程（tube-side）；管外的通道及与其相贯通的部分称为壳程（shell-side）。
一种流体在管内流动，而另一种流体在壳与管束之间从管外表面流过，为了保证壳程流体能够横向流过管束，以形成较高的传热速率，在外壳上装有许多挡板。
以下结合不同类型的管壳式换热器介绍其相应的总体结构。
1、固定管板换热器其由壳体、管束、封头、管板、折流挡板、接管等部件组成。
结构特点为：两块管板分别焊于壳体的两端，管束两端固定在管板上。
换热管束可做成单程、双程或多程。
它适用于壳体与管子温差小的场合。
图1 固定管板换热器结构示意图优点：结构简单、紧凑。
在相同的壳体直径内，排管数最多，旁路最少；每根换热管都可以进行更换，且管内清洗方便。
缺点：壳程不能进行机械清洗；当换热管与壳体的温差较大（大于50℃）时产生温差应力，需在壳体上设置膨胀节，因而壳程压力受膨胀节强度的限制不能太高。
固定管板式换热器适用于壳方流体清洁且不易结垢，两流体温差不大或温差较大但壳程压力不高的场合。
2、浮头式换热器浮头式换热器适用于壳体和管束壁温差较大或壳程介质易结垢的场合。
结构特点是两端管板之一不与壳体固定连接，可在壳体内沿轴向自由伸缩，称为浮头。
图2 浮头式换热器结构示意图优点：当换热管与壳体有温差存在，壳体或换热管膨胀时，互不约束，不会产生温差应力；管束可从壳体内抽出，便于管内和管间的清洗。
《过程设备设计——第三版》第六章换热器
6.2.4管壳式换热器的振动与防止 （1）流体诱导振动的危害 ①管束因碰撞、摩擦变薄二破坏 ②管子产生交变应力发生疲劳破坏 ③管束与管板接触处发生泄露 ④产生噪声 ⑤壳程压力降低 （2）原因： ①旋涡脱落 ②弹性挠动 ③湍流喘振 ④声振动 ⑤射流转换
（3）防振措施：
①改变流速 ②改变管子固有频率 ③增设消声板 ④抑制周期性漩涡 ⑤设置防冲板和导流筒
第六章
6 .1 换热设备分类机特点
换热设备
பைடு நூலகம்
①直接接触式（混合式）：效率高、结构简单，不允许两种介质发生反应 ②蓄热式：适合气—气热交换 ③间壁式 ④中间载体换热式
6.2 间壁式换热器 6.2.1 管式换热器
（1）蛇管式换热器
①沉浸式：结构简单、管内可以承受较大流体压力；传热效率低，常用 高压流体冷却和反应器冷却 ②喷淋式：管外传热系数较大，便于检修；体积大、冷却水用量大、喷淋效果不佳 （2）套管式：适用于高温、高压、小流量和传热不大的场所 （3）管壳式：结构坚固、可靠性高、适应性广、易于制造、处理能力大 （4）缠绕式：同时处理多种介质、小温差时需要传递较大热量 6.2.2板式换热器
（1）螺旋板式：适合液—液、气—液，对高粘度流体、含固体悬浮液尤为合适 （2）板式：结构紧凑、传热效率高、可精确控温，密封性差、耐压低、不耐高温 （3）板翅式 （4）板壳式 （5）伞板式
6.2.3管壳式换热器 （1）分类 ①固定管板式：壳侧介质清洁且不易结垢，管、壳温差不大 ②浮头式：适用于壳体与管束温差较大或壳侧介质易于结垢 ③U型管式 ④填料函式 ⑤釜式重沸器 （2）结构：前端管箱、壳体和后端结构 ①换热管 a、结构与形式：除光管外还有各种强化管 b、 尺寸：采用小管径，单位传热面积大、结构紧凑 c 、排列方式：正三角、转角三角、正方形、转角正方形 ②管板 ：热应力往往是导致管板共和换热管连接处发生破坏的原因， 因此在保证强度条件下应尽量减薄管板厚度 ③管板和管束的连接：强度焊、强度胀、胀焊并用 （3）管板设计 管板应力调整：①增加厚度 ②降低壳体轴向刚度
管壳式换热器
管壳式换热器引言管壳式换热器是一种常用于工业生产过程中的传热设备，通过管壳之间的传热，对流传热和传导传热来完成能量的传递。
本文将对管壳式换热器的基本原理、结构和工作原理进行详细介绍。
一、基本原理管壳式换热器由管束、壳体和管板等组成。
工作过程中，热量通过壳体流通的介质（如水、气体等）经过管束的外表面传递给换热器中的工艺流体，实现传热。
其基本原理包括对流传热和传导传热两部分。
1. 对流传热对流传热是指热量通过流体的流动而传递的过程。
在管壳式换热器中，工艺流体通过管束的管道中流动，与管道外面的介质进行对流传热。
传热过程中，流体的流速和流动方式对换热效果有着重要的影响。
2. 传导传热传导传热是指热量通过物质的热传导而传递的过程。
在管壳式换热器中，热量从管束的工艺流体传递到管束的外表面，再通过壳体传导给外部介质。
传导传热过程中，材料的导热性能和温度差是影响换热效果的关键因素。
二、结构管壳式换热器的基本结构包括管束、壳体、管板和垫片等。
具体结构如下：1.管束：管束是管壳式换热器中的主要传热元件，由一系列管道组成，起到传热的作用。
管束通常由多根管道并排排列而成，根据不同的传热需求，可以采用不同的管束结构。
2.壳体：壳体是管壳式换热器的外壳，起到固定管束和保护换热器的作用。
壳体通常由钢板焊接而成，能够承受一定的压力和温度。
3.管板：管板是管束和壳体之间的连接件，起到固定管束和密封壳体的作用。
管板通常由金属材料制成，能够耐受高温和高压的工况。
4.垫片：垫片位于管束和管板之间，起到密封作用。
垫片通常由柔性材料（如橡胶、石墨等）制成，能够适应不同的工作条件和温度变化。
三、工作原理管壳式换热器的工作原理可以简述如下：1.工艺流体进入换热器的管束中，并流经管道，与管道的外表面进行换热。
2.热量从管束内的工艺流体传递到管束的外表面上，通过传导传热和对流传热的方式，热量传递给外部介质。
3.外部介质经过壳体，在管板上与管束的表面进行对流传热，实现热量的传递和交换。
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4、U型管式换热器（U-tube heat exchanger） 换热器的管束弯成U型，U型管两端固定在同一块管板上，在管箱中加有一块隔板。
U型管式换热器 优点：换热器只有一块管板，结构简单，造价便宜。管束可以抽出清洗，管子可以自由膨胀。 缺点：管内不便清洗，管板上布管少，结构不紧凑。管外介质易短路，影响传热效果。内层管子 损坏后不易更换。 U型管式换热器主要用于管内清洁而不结垢的高温、高压介质。壳层介质适应性强，常用于高压、 高温、粘度较大的场合。
胀管前后的示意图
管板孔内开环形槽
2、焊接（Welding） 管子与管板间采用焊接连接 优点：连接结构简单、适用范围广；管板的加工 要求低、生产过程简单、生产效率高；管子与管 板选材要求简化、管端不须退火；在压力不高的 场合可使用较薄的管板。 缺点：焊接接头处产生的热应力可能造成应力腐 蚀和破裂；管子与管板间存在着间隙，这些间隙 中的介质会形成死区，造成间隙腐蚀。
3、 管板受力及其设计方法 列管式换热器的管板一般采用平管板，在圆平板上开孔装设管束，管板又与壳体相连。管板所受 的载荷除管程与壳程压力之外，还承受管壁与壳壁的温差引起的变形不协调而产生的温差应力。 影响管板应力大小有以下因素： （1）管板自身的直径、厚度、材料强度、使用温度等对管板应力有显著的影响。
浮头式换热器
优点：这种换热器消除了温差应力的影响，可用于温差较大的两种介质的换热。管程和壳程均能 承受较高的介质压力。管束可从壳程一端抽出，壳程与管程的清洗均很方便。 缺点：由于换热器管束与壳程之间存在较大的环隙，设备的紧凑性差，传热效率较低。结构复杂， 浮头部分由活动管板、浮头盖和勾圈组成，浮头处发生内漏不便检查。金属消耗量大，造价也较 高。
3、填函式换热器（Fill function heat exchanger） 填函式换热器的浮头与壳体间采用填料函进行密封和热补偿。
填函式换热器 优点：结构简单，造价较浮头式低。检修、清洗容易，填函处的泄漏能及时发现。
缺点：壳程受到填料密封的限制，不能承受过高的压力和温度。且壳程内介质有外漏的可能，壳 程内不宜处理易挥发、易燃、易爆、有毒的介质。
（2）管束对管板的支撑作用。
（3）管孔对管板强度和刚度削弱的影响。 （4）管板周边支承形式的影响。 （5）温度对管板的影响。
我国《管壳式换热器》（GB151-1999）采用以下的设计方法进行管板厚度计算： 将管束当作弹性支承，而管板则作为放置于该弹性基础上的圆平板，然后根据载荷大小、管束的 刚度及周边的支撑情况来确定管板的弯曲应力并进行强度计算。 通常可以根据管板的公称压力从《钢制列管式固定管板换热器结构设计手册》中直接查取管板的 尺寸。
6.2.4 管板与壳体的连接结构（Connecting of tube plate and shell）
管壳式换热器管板与壳体的连接结构分为可拆式和不可拆式两大类。固定管板式换热器的管板和 壳体间采用不可拆的焊接连接，而浮头式、U型管式和填函式换热器的管板与壳体间需采用可拆 结构。
1、 固定管板式换热器管板与壳体的连接
4、管子型式的选择（Choose the type of pipe） 管子一般都用光管，因为其结构简单、制造方便，但它强化传热的性能不足。为了强化传热，可 选用特殊型式的管子：
几种异形管 a）扁平管
纵向翅片管 a）焊接外翅片管 b）整体式外翅片管 c）镶嵌式外翅片管
b）椭圆管
c）凹槽扁平管 d）波纹管
6.2.3 管板结构（Tube Plate Structure）
1、 管子在管板上的排列（Arrangement of tube） 管壳式换热器的管子在管板上的布置不单只考虑设备的紧凑性，还要考虑流体的性质、结构设计 以及加工制造方面的情况。常用正三角形排列、转角三角债排列、正方形排列、转角正方形排列。
（4）折流板的选择与计算； （5）管子拉脱力的计算； （6）温差应力计算。
6.2 管壳式换热器的结构设计（Shell and Tube Heat Exchanger Design）
6.2.1 管子的选用（Selection of pipe）
1、管子直径的选择（Choice of pipe diameter） 换热管直径的确定要考虑管内介质的物性和管内流速、流量。为了提高传热效率，通常要求管内 流体呈湍流，故一般要求管径较小；而且采用小直径的管子，换热器单位体积的换热面积大些， 设备较紧凑。但制造较麻烦，容易结垢，不易清洗，适用于较清洁的流体。粘度大或污浊的流体， 宜选用大直径的管子。 常用的碳钢和低合金钢无缝钢管的规格有Ø19×2、 Ø25×2.5、 Ø32×3、 Ø38×3、不锈钢常采用 Ø25×2、 Ø38×2.5。
1、管箱与分程隔板 换热器管内流体进出口的空间称为管箱。管箱位于换热器的两端，将介质均匀地分布到各换热管 中，或将管内流体汇集后输送出来。为了便于清洗、检修管子，管箱应采用可拆结构。
固定管板换热器是利用管箱来实现管束分程。在换热器一端或两端管箱内分别安置一定数量的隔 板，将换热器做成多管程。分程隔板有单层和双层两种。
6.1.1 管壳式换热器的结构及主要零部件
换热器构件名称
6.1.2 管壳式换热器的分类（Classification of Shell and Tube Heat Exchanger）
管壳式换热器种类很多，根据换热器所受温差应力以及是否采用温差补偿装置，分为刚性结构和 具有温差补偿的两类。常用的管壳式换热器有固定管板式，浮头式，填函式和U型管式。 1、固定管板式换热器（Fixed tube heat exchanger） 固定管板式换热器分为刚性结构的固定管板式和带膨胀节的固定管板式两种。换热器壳体和管束 通过两端的管板刚性地连在一起。
兼作法兰时管板与壳体的连接结构
不兼作法兰时管板与壳体的连接结构
2、 浮头式、U型管式和填函式换热器的管板与壳体的连接 由于浮头式、U型管式和填函式换热器的管束要从壳体中抽出，以便进行清洗，故需将管板做成 可拆连接。
管板与壳体可拆结 构
6.2.5 管箱与管程分程（Tube box and tube split）
d）整体式内外翅片管
径向翅片管
螺纹管
6.2.2 管子与管板的连接（Connection of Tube and Tube Plate）
管子与管板间的连接是管壳式换热器设计和制造中的主要问题之一。要求连接处有足够的结合力， 工作时气密性要好。常用的连接方法有胀接、焊接和胀焊结合。 1、胀接（Expansion） 胀接是利用胀管器挤压伸入管板孔中的管子端部，使管子发生塑性变形，管板孔同时产生弹性变 形。当取掉胀管器后，管板孔弹性收缩，管板与管子间就产生一定的挤紧压力而紧密地贴在一起， 达到密封、紧固、连接的目的。 缺点：胀接结构随温度的升高，管子或管板材料会产生高温蠕变，使接头处应力松弛或逐渐消失， 使连接处发生泄漏，造成连接失效。因此胀接结构只适用于温度不超过300℃、压力不超过4MPa 的场合。 采用胀接型式，管板的硬度必须高于管端硬度。通常对管端作退火处理，以降低其硬度后进行胀 接。同时为提高管子与管板的连接质量，也可在管板孔内开一个或二个环形槽。 胀接长度取（1）两倍换热管外径；（2）50mm；（3）管板厚度减3mm三者中的最小值。
第六章 管壳式换热器的机械设计 （Mechanical Design of Shell and Tube Heat Exchanger） 6.1 概述
换热器是工业部门广泛应用的通用工艺设备。根据不同的目的，换热器可以是热交换 器（Heat exchanger）、加热器（Heater）、冷却器（Cooler）、蒸发器 （Evaporator）、冷凝器（Condenser）等，结构型式也多种多样，常用的换热器有板 式换热器（Plate heat exchanger）、管壳式换热器（Shell and tube heat exchanger）。 管壳式换热器又称列管式换热器。管壳式换热器具有处理能力大适应性强，可靠性高， 设计和制造工艺成熟，生产成本低，清洗较为方便等优点，是目前生产中最为广泛使 用的一种换热设备。 管壳式换热器的设计和选用除了满足规定的化工工艺条件外，还需满足下列各项基本 要求： （1）换热效率高； （2）流体流动阻力小，即压力降小； （3）结构可靠，制造成本低； （4）便于安装、检修。
6.1.3 管壳式换热器机械设计内容
管壳式换热器的设计，首先根据化工生产工艺条件的要求，通过化工工艺计算，确定换热器的传 热面积，同时选择管径。管长，确定管数、管层数和壳层数，然后进行机械设计。机械设计包括： （1）壳体直径的决定和壳体厚度的计算； （2）换热器封头选择，压力容器法兰选择；
（3）管板尺寸确定；
2、管子材料的选择（Choice of pipe material） 管子材料应根据设计压力、温度、介质的腐蚀等条件来选择，在满足以上条件的前提下，尽量选 择导热性能好的材料，对于一般介质，可选用普通碳素钢，特别是10、20号无缝钢管。
3、管子长度的选择（Choice of pipe length） 管子长度主要根据工艺计算和整个换热器的几何尺寸的布局来确定，管子越长，换热器单位材料 消耗越低。但管子不能太长，否则对流体产生较大阻力，维修、清洗、运输、安装都不方便，管 子本身受力也不好。常用管长规格为1.5、2、2.5、3、4.5、5、6、7.5、9、12m等。
单层隔板与管板的密封
双层隔板与管板的密封
2 、管程分程
管程分层布置，尽量做到各程的流速基本相同，使各程管数大致相等。常用的管程数有1、2、4、6、 8、10、12等。
常用管程分程图
6.2.6 挡板与导流筒（Baffle and draft tube）
壳程接管的结构设计直接影响换热器的传热效率与使用寿命。当介质为蒸气或高速流体进入壳程 时，入口处的管子将受到很大冲击，甚至发生震动。为了保护管束，通常在入口处设立导流筒或 挡板。导流筒还可以使加热蒸气或流体从靠近管板处进入管间，充分利用传热面积。