殼管式換熱器與傳熱機(jī)理，最全的干貨在這里！
殼管式換熱器結(jié)構(gòu)與類型
殼管式換熱器由殼體、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(shí)，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(shí)的換熱操作。當(dāng)溫度差稍大而殼程壓力又不太高時(shí)，可在殼體上安裝有彈性的補(bǔ)償圈，以減小熱應(yīng)力。
②浮頭式換熱器管束一端的管板可自由浮動，完全消除了熱應(yīng)力;且整個管束可從殼體中抽出,便于機(jī)械清洗和檢修。浮頭式換熱器的應(yīng)用較廣，但結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，造價(jià)較高。
③ U型管式換熱器 每根換熱管皆彎成U形，兩端分別固定在同一管板上下兩區(qū)，借助于管箱內(nèi)的隔板分成進(jìn)出口兩室。此種換熱器完全消除了熱應(yīng)力，結(jié)構(gòu)比浮頭式簡單，但管程不易清洗。
④填料函式換熱器 填料函式換熱器其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是管板只有一端與殼體固定連接，另一端采用填料函密封。管束可以自由伸縮，不會產(chǎn)生因殼壁與管壁溫差而引起的溫差應(yīng)力。填料函式換熱器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)較浮頭式換熱器簡單，制造方便，耗材少，造價(jià)低；管束可從殼體內(nèi)抽出，管內(nèi)、管間均能進(jìn)行清洗，維修方便。其缺點(diǎn)是填料函耐壓不高，一般小于4.0MPa；殼程介質(zhì)可能通過填料函外漏，對易燃、易爆、有毒和貴重的介質(zhì)不適用。填料函式換熱器適用于管、殼壁溫差較大或介質(zhì)易結(jié)垢，需經(jīng)常清理且壓力不高的場合。
⑤釜式換熱器 釜式換熱器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是在殼體上部設(shè)置適當(dāng)?shù)恼舭l(fā)空間，同時(shí)兼有蒸汽室的作用。管束可以為固定管板式、浮頭式或U 型管式。釜式換熱器清洗維修方便，可處理不清潔、易結(jié)垢的介質(zhì)，并能承受高溫、高壓。它適用于液-汽式換熱，可作為最簡結(jié)構(gòu)的廢熱鍋爐。
管殼式換熱器傳熱機(jī)理
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(diǎn)，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(diǎn)，傳熱管的形狀和傳熱條件，造價(jià)，維修檢查方便等情況來選擇設(shè)計(jì)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(diǎn)，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(diǎn)，傳熱管的形狀和傳熱條件，造價(jià)，維修檢查方便等情況來選擇設(shè)計(jì)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(jì)制造遵循標(biāo)準(zhǔn)：國外 TEMA ASME 國內(nèi) GB151、GB150）
換熱器封頭選取原則
1、管殼側(cè)是否需要清洗；
2、是否需要移動管束；
3、是否需要考慮熱膨脹；
前封頭類型：A、B、C、D、N
后封頭類型：L、M、N、P、S、T、W
后封頭又分為固定式、浮頭式以及U型管，相對于固定式，浮頭式造價(jià)更高、需要更大的殼徑、低的換熱效果（由于泄漏流C的存在），優(yōu)點(diǎn)則是一端具有自由度可以處理好熱膨脹問題。
前封頭
A型封頭：適應(yīng)于管程流體較臟，需要經(jīng)常清洗的情況。
B型封頭：單法蘭經(jīng)濟(jì)型最好，由于易于采購，是最常用的封頭
C型封頭：帶管板和可拆蓋，管側(cè)清洗方便，可以處理管程高壓和高危介質(zhì)（適當(dāng)），適于殼側(cè)管束較重以及殼側(cè)需要清洗的情況。
D型封頭：特種高壓型，適用于特殊高壓的工況（管箱焊在管板上）
N型封頭：帶管板和可拆蓋，管束不可拆，此種封頭經(jīng)濟(jì)性最好，接近管板容易；可以處理殼側(cè)高危介質(zhì)。
A型封頭與B型封頭相比多了一片法蘭，其耐壓性沒有B型封頭好，其優(yōu)點(diǎn)是換熱器檢修時(shí)不許將封頭拿掉，相對于B型封頭來說更加方便。C型封頭、N型封頭換熱器中的管束是可抽出的，其中C型封頭的換熱器中的管板和管箱是焊在一起的。
后封頭
L型后封頭：和A型前封頭相同；
M型后封頭：和B型前封頭相同；
N型后封頭：和N型前封頭相同；
U型：U型管束，管束可移動，殼側(cè)容易清洗；熱膨脹處理優(yōu)秀，經(jīng)濟(jì)（無法蘭）；缺點(diǎn)是管側(cè)無法清洗，更換管束困難，彎頭部位容易沖刷損傷。
P型封頭和W型封頭已經(jīng)被淘汰，不在使用。
S型封頭：其尺寸特點(diǎn)是其后封頭要比殼體的直徑大，優(yōu)點(diǎn)是可以解決換熱器設(shè)計(jì)過程中的兩個問題，一是可以消除換熱器的熱應(yīng)力，二是換熱器的管殼側(cè)都可以進(jìn)行清洗。
T型封頭和S型封頭相似，但其后封頭尺寸和殼體直徑相同，且其內(nèi)封頭和管束可以直接抽出,但T型封頭和S型封頭相比，受力情況沒有S型封頭好，唯一的好處是抽芯方便，在工程設(shè)計(jì)中一般不選用T。
換熱器殼體
E型殼體：為單程殼體，在設(shè)計(jì)過程中一般優(yōu)先選擇，它適用于所有的情況，單相換熱更優(yōu)，缺點(diǎn)是壓降較大。
F型殼體：適用于場地受限，需要雙殼程的情況，比較適合于單相換熱，純逆流換熱，傳熱溫差大；缺點(diǎn)是F型殼體有分程隔板，此處會發(fā)生漏流，而且殼程進(jìn)口與出口處的壓差和溫差都是最大的，會發(fā)生漏溫且分程隔板也容易發(fā)生變形。所以F型殼體適用于壓差和溫差都不大的情況下。
G型殼體：屬于平行流換熱器，該換熱器的熱流體出口溫度可以比冷流體出口溫度低，適用于需要做殼側(cè)強(qiáng)化的臥式熱虹吸再沸器、冷凝器等。
H型殼體：雙平行流換熱器，主要用于冷凝和蒸發(fā)的工況下，而且殼體中不使用折流板。G/H型殼體的優(yōu)點(diǎn)是傳熱溫差大，比E型要高。
J型殼體：分流殼體，一是適用于殼體氣相壓降較大，振動解決不了的情況；二是用于再沸器，相對于E型使得傳熱的效果比較穩(wěn)定；三是用于部分冷凝的工況，其缺點(diǎn)則是傳熱溫差較小，傳熱系數(shù)也不大。
K型殼體：主要用于管程熱介質(zhì)，殼側(cè)蒸發(fā)的工況，在廢熱回收條件下使用。
X型殼體：冷熱流體屬于錯流流動，其優(yōu)點(diǎn)是壓降非常小，當(dāng)采用其他殼體發(fā)生振動，且通過調(diào)整換熱器參數(shù)無法消除該振動時(shí)可以使用此殼體形式，其不足之處是流體分布不均勻，X型殼體并不經(jīng)常使用。
在化工工藝手冊中，I型殼體類型可EDR軟件中的不是同一種殼體，其形式見I1，它的使用方式僅有一種搭配，就是BIU，U型管換熱器。
換熱器折流板
單弓形折流板：優(yōu)點(diǎn)是可以達(dá)到最大的錯流，缺點(diǎn)是壓降較高，且窗口的管束容易發(fā)生振動；設(shè)計(jì)要點(diǎn)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(diǎn)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(jì)要點(diǎn)：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(diǎn)是壓降低，更好的規(guī)避振動的問題；缺點(diǎn)是大的窗口流動面積；設(shè)計(jì)要點(diǎn)：5%-30%的圓缺率，默認(rèn)兩排管重疊；適合場合時(shí)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(diǎn)是換熱好，壓降低，流動均勻；缺點(diǎn)是制造困難；設(shè)計(jì)要點(diǎn)是螺旋角度5-45°，適合的場合時(shí)壓降受限，容易結(jié)垢的場合。
折流桿：優(yōu)點(diǎn)是支撐優(yōu)，流動均勻，壓降低基本無振動問題；缺點(diǎn)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(diǎn)是比換熱效果不好，設(shè)計(jì)基本無要求。
蛋框型：支撐好，制造經(jīng)濟(jì)；缺點(diǎn)是高溫應(yīng)力下發(fā)生變形；設(shè)計(jì)基本無要求。
管殼式換熱器設(shè)計(jì)所需考慮的因素
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(jì)，有以下因素值得考慮：
1、流速的選擇
流速是換熱器設(shè)計(jì)的重要變量，提高流速則提高傳熱系數(shù)，同時(shí)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(yàn)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(jì)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。可殼程的熱阻是控制側(cè)時(shí)，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(shí)，則依靠增加管成熟來增加流體流速。
在處理粘稠物料時(shí)，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(shí)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(shí)，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(shí)，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(shí)，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。
在換熱器設(shè)計(jì)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(diǎn)添加劑等方法，以增強(qiáng)傳熱效果。
螺紋管性能特點(diǎn)
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(shí)，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。
波紋管換熱器的性能特點(diǎn)
以改變管內(nèi)流體流動狀態(tài)、增強(qiáng)傳熱效果的典型管形為波紋管、內(nèi)插物管。波紋管是在無切削的機(jī)加工中，管內(nèi)被擠出凸肋從而改變了管內(nèi)壁滯流層的流動狀態(tài)，減少了流體傳熱熱阻，增強(qiáng)了傳熱效果。
折流桿換熱器的性能特點(diǎn)
折流桿換熱器、雙弓板換熱器、盤環(huán)式換熱器、旋流式換熱器等，都屬于通過殼程管束支撐件、大幅度降低阻力提高流速或改變流動方式從而達(dá)到強(qiáng)化傳熱的目的。折流桿換熱器每根換熱管的四個方向上，用折流桿加以固定，具有很好的防震性能。
