热交换器原理与设计第2章 管壳式热交换器
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A w gD 4 S 2 2 1 θ 1 D 2 S s hiθ 2 n A w tπ 8 o 2n d t1 F c
Fc 为错流区内管子数占总管子数的百分数
F c π 1 π 2 D S D L 2 s h ia nc r o c D S D s L 2 h 2a r D S D c L 2 c h os
或有腐蚀性介质不能走壳程。当壳体与换热管温差很大时， 可设置单波或多波膨胀节减小温差应力。
管壳式换热器结构名称
单程管壳式换热器
1 —外壳，2—管束，3、4—接管，5—封头 6—管板，7—折流板
管子两端固定在管板上，管束与管板再封装 在外壳内。两种流体分管程和壳程。
TA,out TB,in(sheslilde)
＊计算管程流通截面积，包括确定管子尺寸、 数目及程数，并选择管子的排列方式；
＊确定壳体直径； ＊计算壳程流通截面积； ＊计算进出口连接管尺寸。
2.2.1 管程流通截面积的计算
连续性方程，单管程的流通截面积为：
At = Mt /ρt wt
m2 (2.4)
式中：At——管程流通截面积，m2；
Mt——管程流体的质量流量，kg/s；
★防冲板结构尺寸 防冲板外表面到壳体内壁的距离不小于接管内径的
1/4，其通道流通面积须大于接管流通面积； 防冲板的直径或边长，应大于接管外径 50mm； 防冲板最小厚度：碳钢为4.5mm，不锈钢为3mm。
★防冲板固定形式 防冲板的两侧焊在定距管或接杆上，也可同时焊在
靠近管板的第一块折流板上； 防冲板焊在圆筒上； 用U形螺栓将防冲板固定在换热管上（不允许防冲板
h—折流板缺口高度， DL—最大布管圆直径，
DS—热交换器壳体内径， θ —折流板切口中心角，弧度：
θ2arcco1sD 2Sh
折流板间错流面积：
当排列方式为正方形斜转或直列排列时：
AclSDSDLDLS ndosdO
当排列方式为三角形排列时：
浮头式：一端管板与壳体固定，另一端管板可以在壳体内自由浮动。
优点： 1. 壳体和管束热变形自由，不产生热应力。 2. 管束可从壳体中抽出，便于壳程的检修和清洗。
缺点： 1. 结构复杂，造价高。 2. 需增加内浮头及相关连接件以保证密封，如果内浮头连接 处泄漏将无法发现，所以应严格保证其密封性能。
A ClS D SD L D Ls do sdo As, Ab, Ac 之间满足以下关系： AS AbAc
图2.25 折流板的几何关系
2.2.4 进出口连接管直径的计算
进出口连接管直径的计算仍用连续性方程， 经简化后计算公式为：
D 4M1.13M
TB,out TA,in(tubseide
U形管式：将换热管弯成U形，管子两端固定在同一块
管板上，弯曲端不加固定。 换热管可以自由伸缩，所以壳体与换热管无温差应力。 只有一块管板，结构较简单，管束可从壳体内抽出，壳侧 便于清洗，但管内清洗困难，管内介质必须清洁且不易结垢。 壳程可设置纵向隔板，将壳程分为两程。
适用：管壳间温差大，壳程介质腐蚀性强、易结垢的情况。
填料函式：
☆ 一端管板固定，另一端管板在填料函中滑动。 ☆ 将浮头露在壳体外面的浮头式换热器，
又称外浮头式换热器。 ☆ 填料密封处容易泄露，不宜用于易挥发、易燃、易爆、
有毒和高压的流体。且制造复杂，安置不便。
主wk.baidu.com部件的分类及代号
主要部件的分类及代号
2 管壳式热交换器
2.1 管壳式热交换器的类型、标准与结构
国家质量技术监督局发布： 《管壳式换热器标准》GB 151—2019 （2019-02-26发布 2000-01-01实施）
2.1.1 类型和标准
固定管板式：将管子两端固定在位于壳体两端的固定管板上，
管板与壳体固定在一起。
优点：结构简单，制造成本低，规格范围广，工程中应用广泛。 缺点：壳侧不便清洗，只能采用化学方法清洗，检修困难，对较脏
换热器的污垢热阻
一个现实的、无法回避的问题。 换热器的污垢，通常是指含有多种杂质、 污物及化学成分的工艺流体或冷却水在换热 表面上逐步沉积形成的一层固态物质。 水垢的导热热阻大约是碳钢的40 ~ 50倍， 是铝材的160 ~ 240倍。 污垢形成机理十分复杂，垢阻具体数值
无法作准确预测和计算， 可靠方法是实际测量。
(a) 缺口高度过小，板间距过大
(c) 缺口高度过大，板间距过小
表 2.5 折流板最大间距
换热管外径 10 14 19 25 32 38 45 57 最大无支持跨距 800 1100 1500 1900 2200 2500 2800 3200
图2.20 折流板的安装和固定
2.1.6 挡管和旁路挡板
πρw
ρw
2.3 管壳式热交换器的传热计算
1) 选用经验数据：根据经验或参考资料选用工艺条 件相仿、设备类型类似的传热系数作为设计依据。 如附录 A。 2) 实验测定：实验测定传热系数比较可靠，不但可 为设计提供依据，而且可以了解设备的性能。但实 验数值一般只能在与使用条件相同的情况下应用。
3) 计算：计算得到的传热系数往往与实际有出入， 主要有换热系数的公式不完全准确，污垢热阻不易 准确估计等原因。
传热系数_经验数据
流体种类
水—气体 水—水 水—煤油 水—有机溶剂 气体—气体 饱和水蒸气—水 饱和水蒸气—气体 饱和水蒸气—油 饱和水蒸气—沸腾油
传热系数K W/(m2·K)
12~60 800~1800 350左右 280~850
12~35 1400~4700
30~300 60~350 290~870
2.1.2 管子在管板上的固定与排列
(a)等边三角形法；
(b)同心圆法；
(c)正方形法
图2.7 管子在管排上的排列
表2.3 换热管中心距
mm
换热管外径 10 12 14 16 19 20 22 25 30 32 35 38 45 50 55 57
换热管中心距 s
13~ 14
16
19
22
25
26
28
ρt——管程流体的密度，kg/m3；
wt——管程流体的流速，m/s。
为保证上述流量和流速，则所需管数 n 为：
n = 4At /π di2
(2.5)
式中 di —管子内径，m。
满足传热面积 F，每根管子的长度 L 应为：
L = F/(πdn) m
(2.6)
式中 d 为管子的计算直径，m
一般情况下，d 取换热系数小的那一侧
☆旁路挡板可减小管束外环间隙的短路，用它增加阻力，迫 使大部分流体通过管束进行热交换。其厚度一般与折流板厚 度相同，将它嵌入折流板槽内，并点焊在每块折流板上。
图2.21 旁路挡板 图2.22 旁路挡板和挡管
2.1.7 防冲板和导流筒
当管程采用轴向入口或换热管内流速超过3m/s，应设置 防冲板，以减少流体分布不均和对换热管端的冲蚀。
4 (丁字形)
6
2.1.5 纵向隔板、折流板和支持板
☆为提高流体流速和湍流程度，强化壳程流体 传热，在壳程常装设纵向隔板或折流板。
☆折流板除使流体横过管束流动外，还有支撑 管束、防止管束振动和弯曲的作用。
☆折流板常用形式有：弓形、盘环形 (或称圆 盘－圆环形)。弓形折流板有 单弓形、双弓形和三弓形三种。
★目前所采用的换热管“长径比”，一般在4~25 之间，通常为6~10。GB 151—2019推荐的换热管 长度采用：1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、4.5、6.0、 7.5、 9.0、 12.0 m等。
管长过长时，就应做成多流程的热交换器。
管子长度选为 l 后，所需管程数 Zt 就可确定：
焊在换热管上）。
图2.23 防冲板的形式
a) 内导流筒 图2.24 导流筒的结构
b) 外导流筒
★导流筒
在立式换热器壳程中，为使气、液介质更均匀地流入管间， 防止流体对进口处管束段的冲刷，而采用导流筒结构。
导流筒有内导流筒与外导流筒两种形式。内导流筒的结构简 单、制造方便，但它占据壳程空间，而使布管数相应减少。 外导流筒是在进口处采用扩大环形通道，考虑到环形通道进 口处的线速度较高，为保证气体沿圆周方向均匀的进入，导 流筒应做成斜口形。
壳体内壁距离：b′=(1~1.5) do b —管沿六边形对角线上的管数。
三角形排列时，b=1.1√nt。 正方形排列时，b=1.19√nt。
2.2.3 壳程流通截面积的计算
1) 纵向隔板 A′s=Ms /ρs ws A′s= π /4Zs·(Ds2 – nt do2)
2) 折流板 Ab=缺口处总截面积 Awg – 缺口处管子所占面积 Awt
32
38
40
44
48
57
64
70
72
分程隔板槽两
侧相邻管中心 28 30 32 35 38 40 42 44 50 52 56 60 68 76 78 80
距 lE
布管限定圆
浮头式： DL=Di –2(b1+b2+b)
固定管板式、U型管式：
DL=Di – 2b3 b3 =0.25d；且>10mm
2.1.3 管板
浮头式热交换器中，由于安装浮头法兰需要，圆筒内有一 圈较大没有排列管子的间隙，使部分流体由此间隙短路，使 主流速度及换热系数下降。而旁路流体未经换热就达出口， 与主流混合必使流体出口温度达不到预期数值。挡管和旁路 挡板就是为了防止流体短路而设立的构件。
☆挡管是两端堵死的管子，安置在相应于分程隔板槽后面的 位置上，每根挡管占据一根换热管的位置，但不穿过管板， 用点焊的方法固定于折流板上。通常每隔3～4排管子安排一 根挡管，但不应设置在折流板缺口处，也可用带定距管的拉 杆来代替挡管。
Zt = L/l
(2.7)
总管子根数为：
nt = n Zt
(2.8)
式中：L—管程总长，m；
n—每程管数。
确定流程数时，要考虑程数过多会使隔板在管板上 占过多的面积，使管板上排列的管数减少。程数多 还会增加流体的转弯次数并增加流动阻力。
2.2.2 壳体直径
DS = (b–1)s+2b′ b′ —管束中心线上最外层管中心至
污垢热阻—经验数据_附录C、D、E
注意折流板缺口与进出管的相对位置，缺口应与进 出管垂直；
注意管壳层试验压力的确定； 对多管程，注意分程隔板的设置与密封面的关系； 注意考虑防冲板和膨胀节的设置。
2.2 管壳式热交换器的结构计算
☆在热交换器设计中，完成传热计算之后， 接着就应进行结构计算。
☆结构计算的任务在于确定设备的主要尺寸， 对于管壳式热交换器包括下列各项：
管板与壳体的连接
表 2.4 管板最小厚度 mm
换热管外径 d0
≤25 25＜d0＜50
用于易燃易爆
管板最小 厚度δmin
有毒介质等严 格场合
用于无害介质
的一般场合 ≥0.75d0
≮d0 ≥0.70d0
≥50 ≥0.65d0
程数
2
流口 体端 分 进隔 出板 程
图 另一 隔端 板
分程隔板
4 (平行)
拉杆的布置
拉杆应尽量均匀布置在管束的外边缘。对大直径换 热器，在布管区内或靠近折流板缺口处应布置适当 数量的拉杆，任何折流板应不少于3个支承点。
拉杆布置应根据折流板缺口位置及折流板缺口与壳 程进出管的相对位置定。
设计中注意事项
设置排气孔和排液孔，注意排气孔和排液孔与管板 连接螺栓的位置，不要影响螺栓的拆卸；
1. 内导流筒—导流筒外表面到壳体圆筒内壁的距离宜不小于 接管外径的1/3。导流筒端部至管板的距离，应使该处的流通 面积不小于导流筒的处侧流通面积。
2. 外导流筒—内衬筒表面到外导流筒的内表面间距为： 接管外径d≤200mm时，间距不小于 50mm； 接管外径d＞200mm时，间距不小于 75mm； 立式外导流换热器，应在内衬筒下端开泪孔。
弓形
圆盘形
管板
折流板
单 壳 程 水 平 圆 缺 形 折 流 板 管 壳 式 换 热 器 流 体 在 壳 内 的 流 动
管板
圆盘形折流板
单壳程圆盘形折流板管壳式换热器流体在壳内的流动
(a) 缺口上下交替排列
(b) 缺口左右交替排列
图2.17 弓形折流板的排列
(a)
(b) 正常
(c)
图2.18 缺口高度及板间距对流动的影响
Fc 为错流区内管子数占总管子数的百分数
F c π 1 π 2 D S D L 2 s h ia nc r o c D S D s L 2 h 2a r D S D c L 2 c h os
或有腐蚀性介质不能走壳程。当壳体与换热管温差很大时， 可设置单波或多波膨胀节减小温差应力。
管壳式换热器结构名称
单程管壳式换热器
1 —外壳，2—管束，3、4—接管，5—封头 6—管板，7—折流板
管子两端固定在管板上，管束与管板再封装 在外壳内。两种流体分管程和壳程。
TA,out TB,in(sheslilde)
＊计算管程流通截面积，包括确定管子尺寸、 数目及程数，并选择管子的排列方式；
＊确定壳体直径； ＊计算壳程流通截面积； ＊计算进出口连接管尺寸。
2.2.1 管程流通截面积的计算
连续性方程，单管程的流通截面积为：
At = Mt /ρt wt
m2 (2.4)
式中：At——管程流通截面积，m2；
Mt——管程流体的质量流量，kg/s；
★防冲板结构尺寸 防冲板外表面到壳体内壁的距离不小于接管内径的
1/4，其通道流通面积须大于接管流通面积； 防冲板的直径或边长，应大于接管外径 50mm； 防冲板最小厚度：碳钢为4.5mm，不锈钢为3mm。
★防冲板固定形式 防冲板的两侧焊在定距管或接杆上，也可同时焊在
靠近管板的第一块折流板上； 防冲板焊在圆筒上； 用U形螺栓将防冲板固定在换热管上（不允许防冲板
h—折流板缺口高度， DL—最大布管圆直径，
DS—热交换器壳体内径， θ —折流板切口中心角，弧度：
θ2arcco1sD 2Sh
折流板间错流面积：
当排列方式为正方形斜转或直列排列时：
AclSDSDLDLS ndosdO
当排列方式为三角形排列时：
浮头式：一端管板与壳体固定，另一端管板可以在壳体内自由浮动。
优点： 1. 壳体和管束热变形自由，不产生热应力。 2. 管束可从壳体中抽出，便于壳程的检修和清洗。
缺点： 1. 结构复杂，造价高。 2. 需增加内浮头及相关连接件以保证密封，如果内浮头连接 处泄漏将无法发现，所以应严格保证其密封性能。
A ClS D SD L D Ls do sdo As, Ab, Ac 之间满足以下关系： AS AbAc
图2.25 折流板的几何关系
2.2.4 进出口连接管直径的计算
进出口连接管直径的计算仍用连续性方程， 经简化后计算公式为：
D 4M1.13M
TB,out TA,in(tubseide
U形管式：将换热管弯成U形，管子两端固定在同一块
管板上，弯曲端不加固定。 换热管可以自由伸缩，所以壳体与换热管无温差应力。 只有一块管板，结构较简单，管束可从壳体内抽出，壳侧 便于清洗，但管内清洗困难，管内介质必须清洁且不易结垢。 壳程可设置纵向隔板，将壳程分为两程。
适用：管壳间温差大，壳程介质腐蚀性强、易结垢的情况。
填料函式：
☆ 一端管板固定，另一端管板在填料函中滑动。 ☆ 将浮头露在壳体外面的浮头式换热器，
又称外浮头式换热器。 ☆ 填料密封处容易泄露，不宜用于易挥发、易燃、易爆、
有毒和高压的流体。且制造复杂，安置不便。
主wk.baidu.com部件的分类及代号
主要部件的分类及代号
2 管壳式热交换器
2.1 管壳式热交换器的类型、标准与结构
国家质量技术监督局发布： 《管壳式换热器标准》GB 151—2019 （2019-02-26发布 2000-01-01实施）
2.1.1 类型和标准
固定管板式：将管子两端固定在位于壳体两端的固定管板上，
管板与壳体固定在一起。
优点：结构简单，制造成本低，规格范围广，工程中应用广泛。 缺点：壳侧不便清洗，只能采用化学方法清洗，检修困难，对较脏
换热器的污垢热阻
一个现实的、无法回避的问题。 换热器的污垢，通常是指含有多种杂质、 污物及化学成分的工艺流体或冷却水在换热 表面上逐步沉积形成的一层固态物质。 水垢的导热热阻大约是碳钢的40 ~ 50倍， 是铝材的160 ~ 240倍。 污垢形成机理十分复杂，垢阻具体数值
无法作准确预测和计算， 可靠方法是实际测量。
(a) 缺口高度过小，板间距过大
(c) 缺口高度过大，板间距过小
表 2.5 折流板最大间距
换热管外径 10 14 19 25 32 38 45 57 最大无支持跨距 800 1100 1500 1900 2200 2500 2800 3200
图2.20 折流板的安装和固定
2.1.6 挡管和旁路挡板
πρw
ρw
2.3 管壳式热交换器的传热计算
1) 选用经验数据：根据经验或参考资料选用工艺条 件相仿、设备类型类似的传热系数作为设计依据。 如附录 A。 2) 实验测定：实验测定传热系数比较可靠，不但可 为设计提供依据，而且可以了解设备的性能。但实 验数值一般只能在与使用条件相同的情况下应用。
3) 计算：计算得到的传热系数往往与实际有出入， 主要有换热系数的公式不完全准确，污垢热阻不易 准确估计等原因。
传热系数_经验数据
流体种类
水—气体 水—水 水—煤油 水—有机溶剂 气体—气体 饱和水蒸气—水 饱和水蒸气—气体 饱和水蒸气—油 饱和水蒸气—沸腾油
传热系数K W/(m2·K)
12~60 800~1800 350左右 280~850
12~35 1400~4700
30~300 60~350 290~870
2.1.2 管子在管板上的固定与排列
(a)等边三角形法；
(b)同心圆法；
(c)正方形法
图2.7 管子在管排上的排列
表2.3 换热管中心距
mm
换热管外径 10 12 14 16 19 20 22 25 30 32 35 38 45 50 55 57
换热管中心距 s
13~ 14
16
19
22
25
26
28
ρt——管程流体的密度，kg/m3；
wt——管程流体的流速，m/s。
为保证上述流量和流速，则所需管数 n 为：
n = 4At /π di2
(2.5)
式中 di —管子内径，m。
满足传热面积 F，每根管子的长度 L 应为：
L = F/(πdn) m
(2.6)
式中 d 为管子的计算直径，m
一般情况下，d 取换热系数小的那一侧
☆旁路挡板可减小管束外环间隙的短路，用它增加阻力，迫 使大部分流体通过管束进行热交换。其厚度一般与折流板厚 度相同，将它嵌入折流板槽内，并点焊在每块折流板上。
图2.21 旁路挡板 图2.22 旁路挡板和挡管
2.1.7 防冲板和导流筒
当管程采用轴向入口或换热管内流速超过3m/s，应设置 防冲板，以减少流体分布不均和对换热管端的冲蚀。
4 (丁字形)
6
2.1.5 纵向隔板、折流板和支持板
☆为提高流体流速和湍流程度，强化壳程流体 传热，在壳程常装设纵向隔板或折流板。
☆折流板除使流体横过管束流动外，还有支撑 管束、防止管束振动和弯曲的作用。
☆折流板常用形式有：弓形、盘环形 (或称圆 盘－圆环形)。弓形折流板有 单弓形、双弓形和三弓形三种。
★目前所采用的换热管“长径比”，一般在4~25 之间，通常为6~10。GB 151—2019推荐的换热管 长度采用：1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、4.5、6.0、 7.5、 9.0、 12.0 m等。
管长过长时，就应做成多流程的热交换器。
管子长度选为 l 后，所需管程数 Zt 就可确定：
焊在换热管上）。
图2.23 防冲板的形式
a) 内导流筒 图2.24 导流筒的结构
b) 外导流筒
★导流筒
在立式换热器壳程中，为使气、液介质更均匀地流入管间， 防止流体对进口处管束段的冲刷，而采用导流筒结构。
导流筒有内导流筒与外导流筒两种形式。内导流筒的结构简 单、制造方便，但它占据壳程空间，而使布管数相应减少。 外导流筒是在进口处采用扩大环形通道，考虑到环形通道进 口处的线速度较高，为保证气体沿圆周方向均匀的进入，导 流筒应做成斜口形。
壳体内壁距离：b′=(1~1.5) do b —管沿六边形对角线上的管数。
三角形排列时，b=1.1√nt。 正方形排列时，b=1.19√nt。
2.2.3 壳程流通截面积的计算
1) 纵向隔板 A′s=Ms /ρs ws A′s= π /4Zs·(Ds2 – nt do2)
2) 折流板 Ab=缺口处总截面积 Awg – 缺口处管子所占面积 Awt
32
38
40
44
48
57
64
70
72
分程隔板槽两
侧相邻管中心 28 30 32 35 38 40 42 44 50 52 56 60 68 76 78 80
距 lE
布管限定圆
浮头式： DL=Di –2(b1+b2+b)
固定管板式、U型管式：
DL=Di – 2b3 b3 =0.25d；且>10mm
2.1.3 管板
浮头式热交换器中，由于安装浮头法兰需要，圆筒内有一 圈较大没有排列管子的间隙，使部分流体由此间隙短路，使 主流速度及换热系数下降。而旁路流体未经换热就达出口， 与主流混合必使流体出口温度达不到预期数值。挡管和旁路 挡板就是为了防止流体短路而设立的构件。
☆挡管是两端堵死的管子，安置在相应于分程隔板槽后面的 位置上，每根挡管占据一根换热管的位置，但不穿过管板， 用点焊的方法固定于折流板上。通常每隔3～4排管子安排一 根挡管，但不应设置在折流板缺口处，也可用带定距管的拉 杆来代替挡管。
Zt = L/l
(2.7)
总管子根数为：
nt = n Zt
(2.8)
式中：L—管程总长，m；
n—每程管数。
确定流程数时，要考虑程数过多会使隔板在管板上 占过多的面积，使管板上排列的管数减少。程数多 还会增加流体的转弯次数并增加流动阻力。
2.2.2 壳体直径
DS = (b–1)s+2b′ b′ —管束中心线上最外层管中心至
污垢热阻—经验数据_附录C、D、E
注意折流板缺口与进出管的相对位置，缺口应与进 出管垂直；
注意管壳层试验压力的确定； 对多管程，注意分程隔板的设置与密封面的关系； 注意考虑防冲板和膨胀节的设置。
2.2 管壳式热交换器的结构计算
☆在热交换器设计中，完成传热计算之后， 接着就应进行结构计算。
☆结构计算的任务在于确定设备的主要尺寸， 对于管壳式热交换器包括下列各项：
管板与壳体的连接
表 2.4 管板最小厚度 mm
换热管外径 d0
≤25 25＜d0＜50
用于易燃易爆
管板最小 厚度δmin
有毒介质等严 格场合
用于无害介质
的一般场合 ≥0.75d0
≮d0 ≥0.70d0
≥50 ≥0.65d0
程数
2
流口 体端 分 进隔 出板 程
图 另一 隔端 板
分程隔板
4 (平行)
拉杆的布置
拉杆应尽量均匀布置在管束的外边缘。对大直径换 热器，在布管区内或靠近折流板缺口处应布置适当 数量的拉杆，任何折流板应不少于3个支承点。
拉杆布置应根据折流板缺口位置及折流板缺口与壳 程进出管的相对位置定。
设计中注意事项
设置排气孔和排液孔，注意排气孔和排液孔与管板 连接螺栓的位置，不要影响螺栓的拆卸；
1. 内导流筒—导流筒外表面到壳体圆筒内壁的距离宜不小于 接管外径的1/3。导流筒端部至管板的距离，应使该处的流通 面积不小于导流筒的处侧流通面积。
2. 外导流筒—内衬筒表面到外导流筒的内表面间距为： 接管外径d≤200mm时，间距不小于 50mm； 接管外径d＞200mm时，间距不小于 75mm； 立式外导流换热器，应在内衬筒下端开泪孔。
弓形
圆盘形
管板
折流板
单 壳 程 水 平 圆 缺 形 折 流 板 管 壳 式 换 热 器 流 体 在 壳 内 的 流 动
管板
圆盘形折流板
单壳程圆盘形折流板管壳式换热器流体在壳内的流动
(a) 缺口上下交替排列
(b) 缺口左右交替排列
图2.17 弓形折流板的排列
(a)
(b) 正常
(c)
图2.18 缺口高度及板间距对流动的影响