管壳式换热器讲座
第一节 管壳式换热器总体结构
管壳式换热器的型式主要有固定管板式、浮头式、U型管式，填料函式及釜式等几种。根据其使用场合又分为Ⅰ、Ⅱ两级，Ⅰ级换热器采用较高级冷拔换热管，适用于无相变传热和易产生振动的场合。Ⅱ级换热器采用普通级冷拔换热管，适用于重沸、冷凝传热和无振动的一般场合。换热器的设计、制造、检验必须遵循国家标准GB151-1999《钢制管壳式换热器》的规定。管壳式换热器可卧置也可立置，几种典型结构如图1-图4所示。
图1 固定管板式换热器 图2 浮头式换热器
图3 U型管换热器 图4 填料函式换热器
一、固定管板式换热器
固定管板式换热器（图1）两端管板采用焊接方法与壳体连接固定，其结构简单，紧凑，排管多，制造成本低，管程可以分成多程。缺点是管外清洗困难，管壳间有温差应力。它适用于壳体与管子温差小，或温差稍大但壳程压力不高以及壳程介质不易结垢，或结垢后能用化学方法清洗的场合。当壳体与管子温差大时可在壳体上设置膨胀节，或采取其它型式换热器。 二、浮头式换热器
浮头式换热器（图2）的一端管板是固定的，另一端管板可在壳体内移动，因而管子与壳体不产生温差应力，管末可以抽出，便于清洗。但浮头换热器结构复杂，金属消耗量大，选价高，浮头盖外发生汇漏不便检查，管束与壳体间隙大，影响传热。 三、U型管式换热器
U型管式换热器（图3）只有一个管板，管程至少为两程，管束可以抽出清
洗，管子可以自由膨胀。缺点是管内不便清洗，管板上布管少，结构不紧溱，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管式换热器适用于管、壳壁温差较大的场合，尤其是管内介质清洁不易结垢的高温、高压、腐蚀性较强的场合。 四、填料函式换热器
填料函式换热器是浮头式换热器的又一种改形结构，它把原置于壳程内部的浮头移至体外，并用填料函来密封壳程内介质的外泄。结构上的这种改动，除保留了管束可以抽出，热应力可以消除的优点外，还省去了浮头式换热器的外头盖，而且免除了内泄露不易发现之忧。填料函式换热器适用于介质的压力和温度不宜过高，而且介质应无毒、不易燃、不易爆等。 第二节 管壳式换热器的主要零部件 一、壳体
由于壳体与管束通过管板刚性连接在一起，所以它与一般容器壳体不同之处 是，在确定其厚度时要验算其轴向应力。通过分析可知，管壳式换热器的壳体，在承受介质内压时，由于有管束的帮助，其轴向应力比一般容器还要小，主要需要考虑的是由于管束与壳体的温差引起的热应力。热应力的计算详见教科书（16-12）式、（16-13）式。一般情况下，当管、壳程温差超过50?C时，应考虑设置膨胀节或选择U型管式换热器。
壳体壁厚计算仍按薄膜应力确定。换热器壳体的最小壁厚远大于一般容器，其规定列于表1中。
表1 碳素钢或低合金钢圆筒的最小厚度 （mm）
公称直径 浮头式、U型管式 固定管板式 400~700 8 6 800~1000 10 8 1100~1500 12 10 1600~2000 14 12 注：表中数据包括厚度附加量（C2按1mm考虑）。
表2 高合金钢圆筒的最小厚度（mm） 公称直径 最小厚度 400~700 4.5 800~1000 6 1100~1500 8 1600~2000 10 二、管箱
换热器的封头称为管箱。它由封头、短节、法兰和分程隔板等零件构成。增加短节的目的是保证管箱有必要的深度安置接管和改善流体分布。图1是单管程
的，管箱中没有分程隔板。图2至图4均是双管程结构，前管箱中有一块分程隔板，分程隔板与管箱之间是借助密封垫片压紧密封，密封垫片置于管板的隔板槽中。分程隔板与管箱之间采用焊接，当管箱采用平板形封头时，分程隔板与封头之间也可采用密封垫片密封。 三、管束
（1）换热管
换热管的直径与长度尺寸主要根据工艺计算确定。其长度与筒体直径之比常取3~10，立式换热器取4~6。根据标准管材，换热管的长度推荐采用：1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、6.0、7.5、9.0、12.0m。U型管弯管段的弯曲半径R应不小于两倍换热管外径。
换热管的规格和尺寸偏差按GB8163-87《输送流体用无缝钢管》和GB2270-80 《不锈钢无缝钢管》规定，常用规格见表3。
表3 常用换热管的规格和尺寸偏差 材料 钢管标准 外径×厚度mm 10×1.5 14×2 19×2 25×2 25×2.5 32×3 38×3 45×3 57×3.5 10×1.5 14×2 19×2 25×2 32×2 38×2.5 45×2.5 57×2.5 Ⅰ级换热器 外径偏差mm 壁厚偏差 ±0.16 Ⅱ级换热器 外径偏差mm 壁厚偏差 ±0.20 ±0.20 +12% -10% ±0.30 ±0.40 +15% -10% ±0.45 碳 钢G B 8163-87 ±0.8% ±0.15 ±0.20 ±0.10% ±1% ±0.20 ±0.40 +12%,-10% 不 锈钢GB 2270-80 +12% -10% ±0.30 ±0.45 ±15% ±0.8% ±1%
(2) 管子在管板上的排列形式与管心距
管子排列形式要考虑排列紧凑，流体性质（粘度、洁净程度等），结构设计及制造方面的问题。换热管标准排列形式由图5所示。
图5 换热管排列
在管间距和布管区均相同的条件下，三角形排列的布管数较多。三角形排列适用于壳程介质污垢少，且不需要机械清洗的场合，而正方形排列适用于用机械方法清洗管间，一般用于能抽出管束的场合。
管心距为两根换热管的中心距离。管间距的选取一般根据管子与管板连接形式，采用焊接法取管心距s=1.25d(D为换热管外径)，胀接法取管心距s≥1.25d.常用换热器中心距见表4。
表4 换热管中心距 （mm） 换热管外径d 换热管中心距s 分程隔板两侧相邻管中距离 10 28 14 32 19 25 38 25 32 44 32 40 52 38 48 60 45 57 68 57 72 80 13~14 19 （3）最大布管圆直径
DL= Di-2b3
——固定管板、U形管板 最外层管外表至圆筒内壁距0.25d0，且≦8mm ——浮头管板 Di-2(b1+b2+b)
b1—浮头管板与圆筒间隙 b2—密封垫片台阶宽 b—台阶与管外表距离