管殼式換熱器又稱列管式換熱器。是以封閉在殼體中管束的壁面作為傳熱面的間壁式換熱器。這種換熱器結(jié)構(gòu)較簡單，操作可靠，可用各種結(jié)構(gòu)材料（主要是金屬材料）制造，能在高溫、高壓下使用，是目前應(yīng)用最廣的類型。今天我們就來借鑒學(xué)習(xí)一下管殼式換熱器的相關(guān)知識內(nèi)容。

管殼式換熱器由殼體、傳熱管束、管板、折流板（擋板）和管箱等部件組成。殼體多為圓筒形，內(nèi)部裝有管束，管束兩端固定在管板上。

進(jìn)行換熱的冷熱兩種流體，一種在管內(nèi)流動，稱為管程流體；另一種在管外流動，稱為殼程流體。為提高管外流體的傳熱分系數(shù)，通常在殼體內(nèi)安裝若干擋板。

擋板可提高殼程流體速度，迫使流體按規(guī)定路程多次橫向通過管束，增強(qiáng)流體湍流程度。

換熱管在管板上可按等邊三角形或正方形排列。等邊三角形排列較緊湊，管外流體湍動程度高，傳熱分系數(shù)大；正方形排列則管外清洗方便，適用于易結(jié)垢的流體。

流體每通過管束一次稱為一個管程；每通過殼體一次稱為一個殼程。圖示為最簡單的單殼程單管程換熱器,簡稱為1-1型換熱器。為提高管內(nèi)流體速度,可在兩端管箱內(nèi)設(shè)置隔板，將全部管子均分成若干組。

這樣流體每次只通過部分管子，因而在管束中往返多次，這稱為多管程。同樣，為提高管外流速，也可在殼體內(nèi)安裝縱向擋板，迫使流體多次通過殼體空間，稱為多殼程。多管程與多殼程可配合應(yīng)用。

管殼式換熱器由于管內(nèi)外流體的溫度不同，因之換熱器的殼體與管束的溫度也不同。如果兩溫度相差很大，換熱器內(nèi)將產(chǎn)生很大熱應(yīng)力，導(dǎo)致管子彎曲、斷裂，或從管板上拉脫。

因此，當(dāng)管束與殼體溫度差超過50℃時，需采取適當(dāng)補(bǔ)償措施，以消除或減少熱應(yīng)力。根據(jù)所采用的補(bǔ)償措施，管殼式換熱器可分為以下幾種主要類型：

①固定管板式換熱器管束兩端的管板與殼體聯(lián)成一體，結(jié)構(gòu)簡單,但只適用于冷熱流體溫度差不大,且殼程不需機(jī)械清洗時的換熱操作。當(dāng)溫度差稍大而殼程壓力又不太高時，可在殼體上安裝有彈性的補(bǔ)償圈，以減小熱應(yīng)力。

一般來說，管殼式換熱器制造容易，生產(chǎn)成本低，選材范圍廣，清洗方便，適應(yīng)性強(qiáng)，處理量大，工作可靠，且能適應(yīng)高溫高壓。雖然它在結(jié)構(gòu)緊湊性、傳熱輕度和單位金屬消耗量方面無法與板式和板翅式換熱器相比，但它由于具有前述的一些優(yōu)點，因而在化工、石油能源等行業(yè)的應(yīng)用中仍處于主導(dǎo)地位。

管殼式換熱器是把管子與管板連接，再用殼體固定。它的型式大致分為固定管板式、釜式浮頭式、U型管式、滑動管板式、填料函式及套管式等幾種，前面我們簡要介紹過。

根據(jù)介質(zhì)的種類、壓力、溫度、污垢和其他條件，管板與殼體的連接的各種結(jié)構(gòu)型式特點，傳熱管的形狀和傳熱條件，造價，維修檢查方便等情況來選擇設(shè)計制造各種管殼式換熱器。

管殼式換熱器結(jié)構(gòu)及制造標(biāo)準(zhǔn)

一般來說，管殼式換熱器制造容易，生產(chǎn)成本低，選材范圍廣，清洗方便，適應(yīng)性強(qiáng)，處理量大，工作可靠，且能適應(yīng)高溫高壓。雖然它在結(jié)構(gòu)緊湊性、傳熱輕度和單位金屬消耗量方面無法與板式和板翅式換熱器相比，但它由于具有前述的一些優(yōu)點，因而在化工、石油能源等行業(yè)的應(yīng)用中仍處于主導(dǎo)地位。

管殼式換熱器是把管子與管板連接，再用殼體固定。它的型式大致分為固定管板式、釜式浮頭式、U型管式、滑動管板式、填料函式及套管式等幾種，前面我們簡要介紹過。

根據(jù)介質(zhì)的種類、壓力、溫度、污垢和其他條件，管板與殼體的連接的各種結(jié)構(gòu)型式特點，傳熱管的形狀和傳熱條件，造價，維修檢查方便等情況來選擇設(shè)計制造各種管殼式換熱器。

管殼式換熱器結(jié)構(gòu)及制造標(biāo)準(zhǔn)

管殼式換熱器：是以封閉在殼體中管束的壁面作為傳熱面的間壁式換熱器，這種換熱器結(jié)構(gòu)較簡單、操作可靠，可用各種結(jié)構(gòu)材料（主要是金屬材料）制造，能在高溫、高壓下使用，是目前應(yīng)用最廣的類型。（設(shè)計制造遵循標(biāo)準(zhǔn)：國外 TEMA   ASME   國內(nèi)  GB151、GB150）

單弓形折流板：優(yōu)點是可以達(dá)到最大的錯流，缺點是壓降較高，且窗口的管束容易發(fā)生振動；設(shè)計要點是折流板圓缺率在17%-35%之間，折流板間距在0.2-1.0倍的殼徑。此種類型折流板適用于大部分場合。

NITW：該折流板窗口不布管，管子支撐完美，不引起管束振動，缺點是相同的殼徑大小，布管數(shù)較少，需要的殼體直徑大。設(shè)計要點：15%的折流板圓缺率。適合的場合是氣體振動和壓降受限。

雙弓形折流板：優(yōu)點是壓降低，更好的規(guī)避振動的問題；缺點是大的窗口流動面積；設(shè)計要點：5%-30%的圓缺率，默認(rèn)兩排管重疊；適合場合時振動和壓力受限的換熱器（相對于單弓形折流板來說）。

螺旋折流板：分為單螺旋折流板和雙螺旋折流板優(yōu)點是換熱好，壓降低，流動均勻；缺點是制造困難；設(shè)計要點是螺旋角度5-45°，適合的場合時壓降受限，容易結(jié)垢的場合。

折流桿：優(yōu)點是支撐優(yōu)，流動均勻，壓降低基本無振動問題；缺點是低的換熱效果；管子布置只能為45°和90°；適合場合是低壓降氣體冷凝和換熱。

窩巢型：支撐優(yōu)，流動均勻，壓降低；缺點是比換熱效果不好，設(shè)計基本無要求。

蛋框型：支撐好，制造經(jīng)濟(jì)；缺點是高溫應(yīng)力下發(fā)生變形；設(shè)計基本無要求。

換熱設(shè)備的類型很多，對每種特定的傳熱工況，通過優(yōu)化選型都會得到一種最合適的設(shè)備型號，如果將這個型號的設(shè)備使用到其他工況，則傳熱的效果可能有很大的改變。因此，針對具體工況選擇換熱器類型，是很重要和復(fù)雜的工作。對管殼式換熱器的設(shè)計，有以下因素值得考慮。

1、流速的選擇

流速是換熱器設(shè)計的重要變量，提高流速則提高傳熱系數(shù)，同時壓力降與功耗也會隨之增加，如果采用泵送流體，應(yīng)考慮將壓力降盡量消耗在換熱器上而不是調(diào)節(jié)閥上，這樣可依靠提高流速來提高傳熱效果。

采用較高的流速有兩個好處：一是提高總傳熱系數(shù)，從而減小換熱面積；二是減少在管子表面生成污垢的可能性。但是也相應(yīng)的增加了阻力和動力的消耗，所以需要進(jìn)行經(jīng)濟(jì)比較才能最后確定適宜的流速。

此外在選擇流速上，還必須考慮結(jié)構(gòu)上的要求。為了避免設(shè)備的嚴(yán)重磨損，所算出的流速不應(yīng)超過最大允許的經(jīng)驗流速。

以下的三個表格分別表示了介質(zhì)的流速范圍和水在管內(nèi)的流速余材質(zhì)的關(guān)系等。

2、允許壓力降的選擇

選擇較大的壓力降可以提高流速，從而增強(qiáng)傳熱效果減少換熱面積。但是較大的壓力降也使得泵的操作費(fèi)用增加。合適的壓力降值需要以換熱器年總費(fèi)用為目標(biāo)，反復(fù)調(diào)整設(shè)備尺寸，進(jìn)行優(yōu)化計算而得出。

在大多數(shù)設(shè)備中，可能會發(fā)現(xiàn)一側(cè)的熱阻明顯的高于另一側(cè)，此側(cè)的熱阻成為控制熱阻?？蓺こ痰臒嶙枋强刂苽?cè)時，可以用增加折流板塊數(shù)或者縮小殼徑的方法，來增加殼側(cè)流體流速、減少傳熱熱阻，但是減少折流板間距是有限制的，一般不能小于殼徑的1/5或50mm。當(dāng)管程的熱阻是控制側(cè)時，則依靠增加管成熟來增加流體流速。

在處理粘稠物料時，如果流體處于層流流動則將此物料走殼程。由于在殼程的流體流動易達(dá)到湍流狀態(tài)，這樣可以得到較高的傳熱速率，還可以改進(jìn)對壓力降的控制。

下圖為不同介質(zhì)在不同設(shè)備類型中的允許壓力降參考值：

3、管殼程流體的確定

主要根據(jù)流體的操作壓力和溫度、可以利用的壓力降、結(jié)構(gòu)和腐蝕特性，以及所需設(shè)備材料的選擇等方面，考慮流體適宜走哪一程。下面的因素可供選擇時考慮：

適于走管程的流體有水和水蒸氣或強(qiáng)腐蝕性流體；有毒性流體；容易結(jié)構(gòu)的流體；高溫或高壓操作的流體等。

適于走殼程的流體有塔頂餾出物的冷凝；烴類的冷凝和再沸；管件壓力降控制的流體；粘度大的流體等。

當(dāng)上述情況排除后，介質(zhì)走哪一程的選擇，應(yīng)著眼于提高傳熱系數(shù)和最充分的利用壓力降上。由于介質(zhì)在殼程的流動容易達(dá)到湍流（Re≥100），因而將粘度大的或流量小的流體，即雷諾數(shù)低的流體走殼程一般是有利的。

反之，如果流體在管程能夠達(dá)到湍流時，則安排走管程較合理。若從壓力降的角度考慮，一般是雷諾數(shù)低的走殼程合理。

4、換熱終溫的確定

換熱終溫一般由工藝過程的需要確定。當(dāng)換熱終溫可以選擇時，其數(shù)值對換熱器是否經(jīng)濟(jì)合理有很大的影響。在熱流體出口溫度與冷流體出口溫度相等的情況下，熱量利用效率最高，但是有效傳熱溫差最小，換熱面積最大。

另外，在確定物流出口溫度時，不希望出現(xiàn)溫度交叉現(xiàn)象，即熱流體出口溫度低于冷流體出口溫度。

5、設(shè)備結(jié)構(gòu)的選擇

對于一定的工藝條件，首先應(yīng)確定設(shè)備的形式，例如選擇固定管板形式還是浮頭形式等。參照下表1-7.

在換熱器設(shè)計過程中，強(qiáng)化傳熱總的目標(biāo)概括有：在給定換熱量下減少換熱器的尺寸；提高現(xiàn)有換熱器的性能；減小流動工質(zhì)的溫差；或者降低泵的功率。

傳熱過程是指兩種流體通過硬設(shè)備的壁面進(jìn)行熱交換的過程，按照流體的傳熱方式基本上可以分為無相變和有相變兩種類型。無相變過程強(qiáng)化傳熱技術(shù)的研究，一般依據(jù)控制熱阻側(cè)而采取相應(yīng)的措施：

如采用擴(kuò)展管內(nèi)或者管外表面；采用管內(nèi)插異物；改變管束支撐件形式；加入不互溶的低沸點添加劑等方法，以增強(qiáng)傳熱效果。

螺紋管性能特點

在管子類型中，螺紋管屬于管外擴(kuò)展表面的類型，在普通換熱管外壁軋制成螺紋狀的低翅片，用以增加外側(cè)的傳熱面積。螺紋管表面積比光管可擴(kuò)展1.6-2.7倍，與光管相比，

當(dāng)管外流速一樣時，殼程傳熱熱阻可以縮小相應(yīng)的倍數(shù)，而管內(nèi)流體因管徑的減小，則壓力降會略有增大。螺紋管比較適宜于殼程傳熱系數(shù)相當(dāng)于管程傳熱系數(shù)1/3-3/5的工況。

1 產(chǎn)生原因

①墊圈承壓不足、腐蝕、變質(zhì)。
②螺栓強(qiáng)度不足，松動或腐蝕。
③法蘭剛性不足與密封面缺陷。
④法蘭不平或錯位，墊片質(zhì)量不好。

2 處理方法
①緊固螺栓，更換墊片。
②螺栓材質(zhì)升級、緊固螺栓或更換螺栓。
③更換法蘭或處理缺陷。
④重新組對或更換法蘭，更換墊片。

1 產(chǎn)生原因

①換熱管結(jié)垢。
②水質(zhì)不好、油污與微生物多。
③隔板短路
2 處理方法
①化學(xué)清洗或射流清洗垢污。
②加強(qiáng)過濾、凈化介質(zhì)，加強(qiáng)水質(zhì)管理。
③更換管箱墊片或更換隔板。

1 產(chǎn)生原因  

殼內(nèi)、管內(nèi)外結(jié)垢

2 處理方法  

用射流或化學(xué)清洗垢物

1 產(chǎn)生原因
①因介質(zhì)頻率引起的共振。
②外部管道振動引起的共振。
2 處理方法

①改變流速或改變管束固有頻率。
②加固管道，減小振動。 

板式換熱器常見故障有串液、外漏、壓降過大、供熱溫度不能滿足要求四個方面。

1 產(chǎn)生原因
①由于板材選擇不當(dāng)導(dǎo)致板片腐蝕產(chǎn)生裂紋或穿孔。
②操作條件不符合設(shè)計要求。
③板片冷沖壓成型后的殘余應(yīng)力和裝配中夾緊尺寸過小造成應(yīng)力腐蝕。
④板片泄漏槽處有輕微滲漏，造成介質(zhì)中有害物質(zhì)濃縮腐蝕板片，形成串液。
2 處理方法   

 ①更換有裂紋或穿孔板片，在現(xiàn)場用透光法查找板片裂紋。
②調(diào)整運(yùn)行參數(shù)，使其達(dá)到設(shè)計條件。
③換熱器維修組裝時夾緊尺寸應(yīng)符合要求，并不是越小越好。
④板片材料合理匹配。

1 產(chǎn)生原因
①夾緊尺寸不到位、各處尺寸不均勻(各處尺寸偏差不應(yīng)大于3 mm)或夾緊螺栓松動。
② 部分密封墊脫離密封槽，密封墊主密封面有臟物，密封墊損壞或墊片老化。
③ 板片發(fā)生變形，組裝錯位引起跑墊。
④在板片密封槽部位或二道密封區(qū)域有裂紋。
2 處理方法
① 在無壓狀態(tài)，按制造廠提供的夾緊尺寸重新夾緊設(shè)備，尺寸應(yīng)均勻一致，壓緊尺寸的偏差應(yīng)不大于±0．2N (mm)(N 為板片總數(shù))，兩壓緊板間的平行度應(yīng)保持在2 mm 以內(nèi)。
② 在外漏部位上做好標(biāo)記，然后換熱器解體逐一排查解決，重新裝配或更換墊片和板片。
③ 將開換熱器解體，對板片變形部位進(jìn)行修理或者更換板片。在沒有板片備件時可將變形部位板片暫時拆除后重新組裝使用。
④ 重新組裝拆開的板片時，應(yīng)清潔板面，防止污物粘附著于墊片密封面。

1  產(chǎn)生原因
①運(yùn)行系統(tǒng)管路未進(jìn)行正常吹洗，特別是新安裝系統(tǒng)管路中許多臟物(如焊渣等)進(jìn)入板式換熱器的內(nèi)部，由于板式換熱器流道截面積較窄，換熱器內(nèi)的沉淀物和懸浮物聚集在角孔處和導(dǎo)流區(qū)內(nèi)，導(dǎo)致該處的流道面積大為減小，造成壓力主要損失在此部位。
② 板式換熱器首次選型時面積偏小，造成板間流速過高而壓降偏大。
③ 板式換熱器運(yùn)行一段時間后，因板片表面結(jié)垢引起壓降過大。
2  處理方法
①清除換熱器流道中的臟物或板片結(jié)垢，對于新運(yùn)行的系統(tǒng)，根據(jù)實際 情況每周清洗一次。
②二次循環(huán)水最好采用經(jīng)過軟化處理后的軟水，一般要求水中懸浮物質(zhì)量濃度不大于5 mg／L、雜質(zhì)直徑不大于3 mm、pH≥ 7。
當(dāng)水溫不大于95℃時，Ca 、Mg 濃度應(yīng)不大于2 mmol／L；
當(dāng)水溫大于95℃ 時，Ca 、Mg 濃度應(yīng)不大于0．3 mmol／L、溶解氧質(zhì)量濃度應(yīng)不大于0．1 mg／L。
③對于集中供熱系統(tǒng)，可以采用一次向二次補(bǔ)水的方法。

1 、管束的腐蝕、磨損造成管束泄露或者管束內(nèi)結(jié)垢造成堵塞引起故障

冷卻水中含有鐵、鈣、鎂等金屬離子及陰離子和有機(jī)物，活性離子會使冷卻水的腐蝕性增強(qiáng)，其中金屬離子的存在引起氫或氧的去極化反應(yīng)從而導(dǎo)致管束腐蝕。同時，由于冷卻水中含有Ca2+、Mg2+離子，長時間在高溫下易結(jié)垢而堵塞管束。
為了提高傳熱效果，防止管束腐蝕或堵塞，采取了以下幾種方法：
（1）對冷卻水進(jìn)行添加阻垢劑并定期清洗。
例如對煤氣冷卻器的冷卻水采用離子靜電處理器或投加阻垢緩蝕劑和殺菌滅藻劑，去除污垢，降低冷卻水的硬度，從而減小管束結(jié)垢程度。
（2）保持管內(nèi)流體流速穩(wěn)定。
如果流速增大，則導(dǎo)熱系數(shù)變大，但磨損也會相應(yīng)增大。民生煤化對地下水泵進(jìn)行了變頻改造，使地下水管網(wǎng)壓力比較穩(wěn)定，提高了熱交換器換熱效果和降低了管束腐蝕。 
（3）選用耐腐蝕性材料(不銹鋼、銅)或增加管束壁厚的方式。
（4）當(dāng)管的端部磨損時，可在入口200mm長度內(nèi)接入合成樹脂等保護(hù)管束。
2、振動造成的故障
造成振動的原因包括：
由泵、壓縮機(jī)的振動引起管束的振動；由旋轉(zhuǎn)機(jī)械產(chǎn)生的脈動；
流入管束的高速流體（高壓水、蒸汽等）對管束的沖擊。
降低管束的振動常采用以下方法：
（1）盡量減少開停車次數(shù)。
（2）在流體的入口處，安裝調(diào)整槽，減小管束的振動。
（3）減小擋板間距，使管束的振幅減小。
（4）盡量減小管束通過擋板的孔徑。

法蘭盤的泄漏是由于溫度升高，緊固螺栓受熱伸長，在緊固部位產(chǎn)生間隙造成的。

因此，在換熱器投入使用后，需要對法蘭螺栓重新緊固。
換熱器內(nèi)的流體多為有毒、高壓、高溫物質(zhì)，一旦發(fā)生泄漏容易引發(fā)中毒和火災(zāi)事故，
在日常工作中應(yīng)特別注意以下幾點：
 盡量減少密封墊使用數(shù)量和采用金屬密封墊；

采用以內(nèi)壓力緊固墊片的方法；

采用易緊固的作業(yè)方法。