[科普中国]-壳管式换热器

概述

壳管式(或管壳式)换热器是应用最广泛的传统的换热器。其最基本的构造是在圆形的壳体内加许多热交换用的小管，当加热的热媒为蒸汽时称为壳管汽一水换热器；加热的热媒为高温水时称为壳管水一水换热器，水一水换热器由于热交换小管内外都是水，因为小管两侧水流速接近，圆形外壳直径不能太大，当加热面积要求较大时，常几段连起来，故又称分段式水一水换热器。它们的具体构造见后。该类换热器常用于热水供暖系统，低温水空调系统及某些连续性用热水的生产工艺用水。作为生活热水供应，则需配备贮水罐。1

工艺条件的选择温度冷却水的出口温度不宜高于60℃，以免结垢严重。

高温端的温差不应小于20℃，低温端的温差不应小于5℃。当在两工艺流体之间进行换热，低温端的温差不应小于20℃。

当在采用多管程、单壳程的管壳式换热器，并用水作为冷却剂时，冷却剂的出口温度不应高于工艺物流的出口温度。

在冷却或者冷凝工艺物流时，冷却剂的人口温度应高于工艺流体中易结冻组分的冰点，一般高于5℃。

换热器的设计温度应高于最大使用温度，一般高15℃。

压力降增加工艺物流流体的流速，可增加对流换热系数，从而提高总传热系数，使换热器的结构紧凑，但增加流速将增加换热器的压力降，从而使得换热器的磨蚀和振动破坏加剧等。同时，压力降增加使得换热器在运行过程的动力消耗增大，因此，最大允许的压力降范围一般限制如表所示。

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流体空间的选择要使换热器正常而有效地操作，就必须慎重地选择流动空间。

(1)温度。高温流体一般走管程，因为高温会降低材料的许用应力，所以高温流体走管程可节省保温层并减少壳体厚度，有时为了便于高温流体的散热，也可使高温流体走壳程，但为了保证操作人员的安全，需设置保温层。

(2)压力。较高压力的流体走管程，可减少壳体厚度。

(3)黏度。

(4)腐蚀性。腐蚀性较强的流体应走管程，以节省耐腐蚀材料。

(5)压力降。

(6)清洁性。较脏和易结垢的流体应走管程，以便于清洗和控制结垢。如必须走壳程，则应采取正方形排列，并采用可拆式(浮头式、填料函式、U型管式)换热器。

(7)流速。

(8)对流换热系数。2

结构换热管换热管可采用光管、螺纹管、螺旋槽管等。在换热管选择中，应考虑下列几个因素。

(1)管径。管径愈小的换热器愈紧凑、愈便宜，且可以获得较好的对流换热系数与阻力系数的比值。但是，管径愈小的换热器的压降将愈大，在满足允许压力降的情况下，一般推荐选用19管子。对于易结垢的流体，为方便清洗，采用外径为25管子。对于有气一液两相流的工艺流体，一般选用较大的管径。例如再沸器、锅炉，换热管多采用32、51的管径。

(2)管长。无相变换热时，管子较长则传热系数也增加。在相同的传热面积情况下，采用长管则流动截面积小，流速大，管程数少，从而可减少流体在换热器中的回弯次数，因而压力降也较小；而且采用长管时，每平方米传热面的比价也低。但是，管子过长会给制造带来困难。因此，一般选用管长为4～6m。对于传热面积大或无相变的换热器可选用8～9m的管长。

(3)管子的排列和管心距。管子在管板上的排列形式主要有正方形排列和三角形排列

两种形式。三角形排列有利于壳程流体达到湍流且排管数也多。正方形排列有利于壳程的清洗。为了弥补各自的缺点，就产生了转过一定角度的正方形排列(即转置正方形排列)和留有清洗通道的三角形排列。管间距是两相邻管子中心的距离。管间距愈小则设备愈紧凑，但将引起管板增厚、清洁不便、壳程压降增大。为此，一般选用范围为(1．25～1．5)(为管外径)。

管程数和壳程形式管程数有1～8程几种，常用的为1、2或4管程。管程数增加，管内流速增大，对流换热系数也增加。但管内流速要受到管程压力降等的限制，在工业生产中常用的流速为：水和相类似的流体流速一般取1～2．5m/s。对大型冷凝器的冷却水流速可增加到3m/s。气体和蒸汽的流速可在8～30m/s的范围内选取。

壳程大致可分为如下几种形式：

(1)单壳程换热器，可在壳程内放入各种形式的折流板，主要是增大流体的流速，强化传热。这是最常用的一种换热器，在单组分冷凝的真空操作时可将接管移到壳体的中心。

(2)放入纵向隔板的双壳程换热器，可以提高壳程流速，改善热的效应，比两个换热器串联要便宜。

(3)分流式换热器，它适用于大流量且压降要求低的情况，当中的隔板在作为冷凝器时可采用有孔板。

(4)双分流式换热器，它适用于低压降且当一种流体比另一种流体温度变化很小的情况，以及适用于温差很大或者管程对流换热系数很大的情况。

壳程折流板除非考虑压降、管子振动或管子支撑和强化传热问题，要求采用弓形折流板、盘环形折流板、折流杆或是弓形缺口处无管子的结构外，一般都采用圆缺形折流板(又称弓形折流板)。

折流板可以改变壳程流体的方向，使其垂直于管束流动，并提高流速，从而增加流体流动的湍流程度，获得较好的传热效果。

当壳程进行蒸发、冷凝操作或者管程对流换热系数很低时，壳程折流板的效果就不很明显，主要起管子支承作用，有时可以不要折流板；对于带有不凝性气体的冷凝操作，采用不等距的折流板可改善传热效果。

1．折流板的形式

折流板的形式可分为圆缺形(弓形)折流板、盘环形折流板、孔式折流板和折流圈(又称折流杆)。

圆缺形折流板；圆缺形折流板可分为横缺形、竖缺形和阻液形三种。

横缺形折流板适用于无相变的对流传热，防止壳程流体平行于管束流动，减少壳程底部液体的沉积。当壳程用于冷凝操作时，横缺形折流板的底部应开排液孔，孔的大小决定于液量的多少。但住往由于排液孑L的不适当而产生液泛和气相旁流，因此在壳程进行冷凝操作时，一般采用竖缺形折流板。阻液式折流板由于下部有一个液封区，因此可以用于带有冷却的冷凝操作。

圆缺形折流板的缺口高度可为直径的10%～40%，现在通用的高度为直径的25%。实际上在相同的压力降下，圆缺高度为直径的20%的折流板将获得最好的传热效率。换热器流量很大时，为了得到较好的错流并避免流体诱发振动，常常取掉缺口处的管子，称为弓形区不布管。

盘环形折流板：盘环形折流板允许通过的流量大，压降小，但传热效率不如圆缺形折流板，因此这种折流板多用于要求压降小的情况。

孔式折流板：孔式折流板使流体穿过折流板孔和管子之间的缝隙流动，以增加传热效率。这种折流板的压力降大，仅适用于较清洁的流体。

折流圈(又称折流杆)：折流圈是一种杆式折流结构。它使流体纵向穿过折流杆与换热管之问的缝隙。这种换热器要求流量大，压力降小且传热效果好，无相变和有相变的场合均适用。

2．折流板间距

折流板的间距影响到壳程流体的流向和流速，从而影响到传热效率。最小的折流板间

距为壳体直径的1/3～1/2，且不应小于5mm。由于折流板有支撑管子的作用，因此钢管无支撑板的最大折流板问距为(为管外径，单位为mm)。如果必须增大折流板间距，则应另设支撑板。若管材是铜、铝或者它们的合金材料时，无支撑的最大间距应为。2