换热器简介——管壳式换热器的结构

上一期简单介绍了换热器的类型，不知道大家还记得多少？不妨回想一下换热器分为几类，每类的结构和优缺点分别是什么？如果想不起来可以点击文末的“往期回顾”中对应的超链接复习~

这一期讲讲换热器的结构，由于换热器种类较多，结构复杂多变，一一介绍起来比较冗长，因此这次主要针对管壳式换热器的结构和相关标准做一个简介。

一、管壳式换热器的结构

（1）管程结构

换热管管板上的排列方式有正方形直列、正方形错列、三角形直列、三角形错列和同心圆排列，如图1所示。

正三角形排列结构紧凑；正方形排列便于机械清洗。对于多管程换热器，常采用组合排列方式。每程内都采用正三角形排列，而在各程之间为了便于安装隔板，采用正方形排列方式。管板的作用是将受热管束连接在一起，并将管程和壳程的流体分隔开来。管板与管子的连接可胀接或焊接。

（2）壳程结构与相关计算公式

介质流经传热管外面的通道部分称为壳程。壳程内的结构，主要由折流板、支承板、纵向隔板、旁路挡板及缓冲板等元件组成。由于各种换热器的工艺性能、使用的场合不同，壳程内对各种元件的设置形式亦不同，以此来满足设计的要求。各元件在壳程的设置，按其不同的作用可分为两类：一类是为了壳侧介质对传热管最有效的流动，来提高换热设备的传热效果而设置的各种挡板，如折流板、纵向挡板，旁路挡板等；另一类是为了管束的安装及保护列管而设置的支承板、管束的导轨以及缓冲板等。

壳体是一个圆筒形的容器，壳壁上焊有接管，供壳程流体进人和排出之用。直径小于400mm的壳体通常用钢管制成，大于400mm的可用钢板卷焊而成。壳体材料根据工作温度选择，有防腐要求时，大多考虑使用复合金属板。

介质在壳程的流动方式有多种型式，单壳程型式应用最为普遍。如壳侧传热膜系数远小于管侧，则可用纵向挡板分隔成双壳程型式。用两个换热器串联也可得到同样的效果。为降低壳程压降，可采用分流或错流等型式。

壳体内径D取决于传热管数N、排列方式和管心距t。计算式如下：

单管程

多管程

壳体内径D的计算值最终应圆整到标准值。

在壳程管束中，一般都装有横向折流板，用以引导流体横向流过管束，增加流体速度，以增强传热；同时起支撑管束、防止管束振动和管子弯曲的作用。折流板的型式有圆缺型、环盘型和孔流型等。圆缺形折流板又称弓形折流板，是常用的折流板，有水平圆缺和垂直圆缺两种。切缺率(切掉圆弧的高度与壳内径之比)通常为20％~50％。垂直圆缺用于水平冷凝器、水平再沸器和含有悬浮固体粒子流体用的水平热交换器等。垂直圆缺时，不凝气不能在折流板顶部积存，而在冷凝器中，排水也不能在折流板底部积存。弓形折流板有单弓形和双弓形，双弓形折流板多用于大直径的换热器中。

图2 管壳式换热器壳程折流挡板的结构形式

折流板的间隔，在允许的压力损失范围内希望尽可能小。一般推荐折流板间隔最小值为壳内径的1/5或者不小于50 mm，最大值决定于支持管所必要的最大间隔。壳程流体进出口的设计直接影响换热器的传热效率和换热管的寿命。当加热蒸汽或高速流体流入壳程时，对换热管会造成很大的冲刷，所以常将壳程接管在入口处加以扩大，即将接管做成喇叭形，以起缓冲的作用；或者在换热器进口处设置挡板。

管壳式换热器的主要组合部件可分成前端管箱、壳体(包括管束)和后端管箱三部分，详细分类及代号见表1。三个部分的不同组合方式，就形成结构不同的换热器。

表1  主要部件的分类及代号

二、标准简介

（1） 国家标准

我国的管壳式换热器的设计、制造经过几十年的发展，已经有了自己的经验和较好的设计制造水平。在不断总结经验的基础上，经过多次修订，国家技术监督局在1989年颁布了国家标准《管壳式换热器》，标准号为GB151-1989，又先后于1999年和2012年两次修订，标准号分别为GB151-1999和GB151-2012。最新一次修订，标准名称由1999年版的《管壳式换热器》更名为《热交换器》。此变化意味着该标准将作为热交换器的基础标准，提出热交换器共性的通用要求，通过标准引用的方式构建热交换器标准体系。GB151《热交换器》规定了非直接受火管壳式热交换器及特定结构形式热交换器的设计、制造、检验和验收要求。

（2）各主要国家标准

在各发达国家，管壳式换热器使用历史相对悠久，在设计、制造、安装、检验和管理方面已经积累了丰富的经验，形成了各自的标准、规范和规定。例如：美国的TEMA标准，被全世界所熟知和广泛采用；日本的JIS B 8249标准；英国的BS 5500标准；联邦德国的AD规范；以及近年来欧盟的EN标准。

本期编辑：鄂红老师（中国石油大学北京）

本期排版：柏  文  杰