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管壳式换热器在工业中用量约占换热器总量90%，是应用最为广泛的一种换热器。

  典型管壳式换热器的结构形式有固定管板换热器、U型管换热器、浮头式换热器、填料函式换热器、釜式重沸器、双管板式换热器、拉撑管板换热器、挠性管板换热器和缠绕管换热器。

1、固定管板换热器

固定管板换热器（图1）是二端管板与壳体固定连接（整体或夹持式）。

这是使用最为广泛的一类换热器。换热管两端固定在管板上，管板焊于壳体上。

固定管板换热器宜用于场合：

1）管、壳程金属温差不是很大，而压力较高的场合。当管、壳程金属温差较大时，压力就不能太高，因为温差大，必然增加膨胀节，由于膨胀节耐压能力差。

2）由于壳程无法机械清洗，因此要求壳程介质干净；或虽会结垢，但通过化学清而能去除的场合。

（1）优点：

1）其结构简单，锻件使用较少，制造成本低。

2）管程可以分成各种形式的多程，壳程也分成二程。

3）传热面积比浮头式换热器大20%～30%。

4）旁路漏流较小。

（2）缺点：

1）不适用于换热管与壳程圆筒的热膨胀变形差很大的场合，管板与管端之间易产生温差应力而损坏。

2）管子腐蚀后造成连同壳体报废，壳体部件寿命决定于管子寿命，故设备寿命相对较低。

3）壳程不能清洗，检查困难。

2 、U型管换热器

U型管换热器（图2）是换热管二端固定在同一块管板上，管板与壳体固定连接（整体或夹持式）。

图二

U型管换热器可用于以下场合

1）管程走清洁流体。

2）管程压力特别高。

3）管、壳程金属温差很大，固定管板换热器连设置膨胀节都无法满足要求的场合。

（1）优点：

1）U形换热管尾端的自由浮动解决温差应力，可使用于两种介质温差较大。管、壳程金属温差不受限制。

2）管束可抽出，便于要经常清洗换热管外壁。

3）只有一块管板，加之法兰的数量也少，故结构简单而且泄漏点少，造价较低。

4）可在高温、高压下工作，一般适用于t≤500℃，p≤10MPa。

5）可用于壳程结垢比较严重的场合。

（2）缺点：

1）管程流速太高时，将会对U形弯管段产生严重的冲蚀，影响寿命，尤其R小的管子，应控制管内流速。

2）管程不适用结垢较重的场合。

3）由于弯管Rmim的限制，分程间距宽，故比固定管板换热器排管略少。

4）换热管泄漏时，除外圈U形管外，不能更换，只能堵管。

5）管束中心部位孔隙较大，流体易走短路，影响传热效果，应增加隔板，减少短路现象。

6）因死区较大，只适用于内导流筒。

7）管板上排列换热管数较少。

8）最外排的管子U型弯曲段，因为无支撑的跨度较大，宜导致流体诱发振动问题。

9）有应力腐蚀要求时应慎重考虑。

3、浮头式换热器

浮头式换热器（图3）是一端管板与壳体固定连接（夹持式），另一端的浮头管板（包括浮头盖、勾圈等）在管箱内自由浮动，故无需考虑温差应力，管、壳程金属壁温差很大场合。

图三

1）管束可以抽出，以方便清洗管、壳程。

2）壳体壁与管壁不受温差限制。

3）可在高温、高压下工作，一般t≤450℃，p≤6.4MPa。

4）可用于结垢比较严重的场合。

5）可用于管程腐蚀场合。

（2）缺点：

1）处于壳程介质内的浮头密封面操作中发生泄漏时很难采取措施。

2）结构复杂，金属材料耗量大，成本高。

3）浮头结构复杂，影响排管数。

4）压力试验时的试压胎具复杂。

5）金属材料耗量大，成本高20%。

4、填料函式换热器

一端管板与壳体固定连接（夹持式），另一端的管板在填料函内自由浮动。

管束可以伸缩，可使用于两种介质温差较大。结构也较浮头简单，制造方便，成本优于浮头换热器。因管束可抽出，易于检修清洗。宜使用于有严重腐蚀介质。

4.1外填料函式换热器（图4）

适用设备直径在DN700mm以下，且操作压力和操作温度也不宜过高，一般用于p≤2.0MPa场合。

图四

4.2滑动管板填料函换热器

4.2.1单填料函式换热器（图5）

图五

在填料内侧密封处，管壳程介质间仍会产生串流现象，不适用管壳程介质不允许混合的场合。

4.2.2双填料函式换热器（图6）

该结构以内圈为主要密封，防止内、外漏，而以外圈以辅助密封，防止外漏，且内外密封圈之间设置泄漏引出管与低压放空总管相连。该结构可用于中度危害、易爆等介质。

图六

5、釜式重沸器

釜式重沸器（图7）是一端管板与壳体固定连接（夹持式），另一端为U形管束或浮头管束，壳程为单（或双）斜锥具有蒸发空间的壳体，故管程的温度和压力比壳程高，一般为管程介质加热壳程介质。p≤6.4MPa。

（1）优点

1）适用于塔底重沸器、侧线虹吸式重沸器。

2）节约设备重量25%以上。

3）抗腐蚀性能良好。

4）有自清洗作用。管、壳程温差大的场合。

5）总传热系数提高40%以上。                                                

6）汽化率较高的场合（30～80%）。

7）重沸工艺介质的液相作为产品或分离要求高的场合。                            

8）抗腐蚀性能良好。 

      

图七

（2）缺点：

1）在重油设备上，如渣油、原油设备无应用历史。

2）不适用于有湿硫化氢场合。

6、双管板式换热器

双管板式换热器（图8）是每一侧有二块管板，换热管的一端同时与二块管板连接。主要用于管程和壳程之间介质相混合后，将会产生严重后果。但制造困难；设计要求高。

1）防腐蚀：管程和壳程二介质相混合后会引起严重腐蚀。

2）劳动保护：一程为剧毒介质，渗入另一程会引起系统大面积污染。

3）安全方面：管程和壳程介质相混合后，引起燃烧或爆炸。

4）设备污染：管程和壳程介质相混合后，引起聚合或生成树脂状物质。                     

5）催化剂中毒：另一程介质混入后造成催化剂性能改变或化学反应。

6）还原反应：管程和壳程介质相混合后，引起化学反应终止或限制。

图八

7）产品不纯：管程和壳程介质相混合后，引起产品污染或产品质量下降。

6.1双管板固定管板换热器（图9）

图九

6.2双管板U形管换热器（图10）

6.3双管板U形管釜式重沸器（图11）

7、拉撑管板换热器

拉撑管板换热器（图12）是管板厚度较薄，一般厚度在12～18mm之间。

7.1结构型式有：

（1）贴面式（德国）：管板焊在设备法兰密封面上（图12a）。

（2）镶平式（原苏联ГОСТ标准）：管板焊在设备法兰密封面其平（图12b）。

（3）角焊式（原上海医药设计院研制）：管板焊在壳体上（图12c）。

 

                                        a                           b                                        c               

图12

7.2适用范围：

1）设计压力：管程和壳程分别不大于1.0 MPa；

2）温度范围：管程和壳程的设计温度范围0℃～300℃；换热管与壳体平均壁温差不超过30℃；

3）直径范围：壳体内径不大于1200mm；

4）换热管长度：不超过6000mm。

5）换热管应采用光管，且与壳体材料的线膨胀系数接近（两者的数值差不大于10%）。

7.3、不宜设置膨胀节。

HG21503-1992《钢制固定式薄管板列管换热器》标准中选用“角焊式”和“贴面式”两种结构。

薄管板的计算以换热管与壳体对管板是固定支撑，管板是在换热管与壳体固定支撑下的受压平板，因此换热管必须在操作中保持刚性，壳体也不能设置膨胀节，所以管壁与壳壁温差不能太大，要保证换热管与壳体的纵向稳定。换热管与管板必须采用焊接，但实际情况下，薄管板亦不能采用胀接办法，因薄管板的厚度一般为12～16mm左右，如采用胀接时，管板将塑性变形，不能达到强度和密封性的要求。同时要求管板不兼作法兰，因薄管板承受不了法兰传过来的弯矩。因此采用薄管板必须满足上述要求。

薄管板亦可用于多程换热器，密封槽和分程槽均可直接开在薄管板上，因管板的强度计算厚度较小，开槽后强度也是足够的。但角焊式（原上海医药设计院研制）的结构，因薄管板的焊接形式不同，多程时需焊上用以开分程槽的隔板。

由于薄管板与法兰的连接形式各不相同，因而各有其优缺点，现分析如下。

1）受力和强度方面

从管板强度来看，角焊式（原上海医药设计院研制）研制的结构较好，它具有较大灵活性，主要是管板离开法兰，减少法兰力矩对管板的影响，从而降低了管板由法兰螺栓引起的应力。因法兰力矩引起的管板上应力是主要的，因此减小法兰力矩引起的应力，相应降低了管板总的应力。法兰螺柱在预紧时，法兰变形使管板受到周向压缩，而管板的周向刚度很大，给法兰以反力矩，减小了法兰的变形，亦减小了管板的应力。反力矩的大小决定于管板中心面与法兰中心面的偏心距e和管板周向刚度。角焊式（原上海医药设计院研制）研制的结构中的e值可由设计者自由选择，就显得有较大的灵活性。但e值不能选择过大，过大增加筒体长度，增加投资。

前苏联的结构，因管板中性面与法兰中性面接近，受法兰的力矩最大。德国的结构形式，较优于前苏联的结构形式。

2）在防腐蚀方面

从防腐蚀要求来考虑，前苏联的结构无任何优点，而德国的结构和角焊式（原上海医药设计院研制）研制的结构各有优缺点。当管程介质为腐蚀性介质时，选用德国结构较好，因法兰与管程腐蚀介质不接触，而不需选用耐腐蚀材料制造法兰；当壳程介质为腐蚀性介质时，选用角焊式（原上海医药设计院研制）研制结构较好，这时法兰与壳程腐蚀介质不接触，法兰可选用普通钢材制造；当壳程和管程介质均为腐蚀性介质，则选用上海医药设计院研制结构较好，因选用该结构时，可选用带衬环法兰，以达到防腐蚀要求。而前苏联的结构无论何种情况，腐蚀介质均要与法兰接触，法兰不能不选耐腐蚀材料。

8、挠性管板换热器

适用于管程介质为气体，壳程产生饱和水蒸气的卧式管壳式余（废）热锅炉。

Ⅰ型管板与壳体（管箱）的连接（见图13a）和Ⅱ型管板与壳体（管箱）的连接（见图13b）。

 

图13  挠性管板换热器

适用范围：

1）管程设计压力不大于1.0MPa，壳程设计压力不大于5.0 MPa且壳程压力应大于管程压力；

（1）Ⅰ型用于管程设计压力小于或等于0.6MPa；

（2）Ⅱ型用于管程设计压力小于或等于1.0MPa。

2）壳体直径与换热管长度分别为2500mm和7000mm。

9、高效缠绕管换热器

 

图16

为节省设备投资，在有限换热器壳体容积中，布置最大换热管传热面积，提高换热效率，管壳式缠绕管换热器（图16）应运而生。此类换热器为多层多头在芯棒上缠绕焊接不锈钢小直径换热管，结构如图16所示。

10、奥氏体不锈钢波纹换热管换热器

1）适用范围：

（1）设计压力不大于4.0MPa；

（2）设计温度不大于300℃；

（3）公称直径不大于2000mm；

（4）公称直径不大于与设计压力的乘积不大于4000。

2）不适用的场合

（1）毒性程度为极度或高度危害的介质；

（2）易爆介质；

（3）存在应力腐蚀倾向的场合。