吕纯真 中国石油广东石化公司
一、前言
管壳式换热器是最典型的间壁式换热器，它在工业上有着悠久的历史，在炼油行业中有着广泛的应用。
二、管壳式换热器的结构
管壳式换热器主要有壳体、管束、管板、和封头等部分组成，壳体多成圆形，内部装有平行管束，管束两端固定于管板上。在管壳式换热器内进行换热的两种流体，一种在管内流动，其行程称为管程；一种在管外流动，其行程称为壳程。管束的壁面即为传热面。
为提高管外流体给热系数，通常在壳体内安装一定数量的横向折流挡板。折流挡板不仅可以防止流体短路、增加流体速度，还迫使流体按规定路径多次错流通过管束，使湍动程度大为增加。常用的挡板有圆缺形和圆盘形两种，前者应用更为广泛。
三、管壳式换热器的性能
在管壳式换热器内，由于管内外流体温度不同，壳体和管束的温度也不同。如果两者温差很大，换热器内部将出现很大的热应力，可能使管子弯曲，断裂或从管板上脱落。因此，当管束和壳体温差超过50℃时，应采取适当的温差补偿措施，消除或减少热应力。根据所采取的温差补偿措施，换热器可分为固定管板式、浮头式、U形管式三种，其中浮头式换热器中两端的管板有一端可以沿轴向自由浮动，这种结构不但完全消除了热应力，而且整个管束可以从壳体中抽出，便于清洗和检修。
四、管壳式换热器的设计和选用
（一）设计计算的大致步骤
1.首先由传热任务计算换热器的热流量（通常称之为热负荷）
2.作出适当的选择并计算平均推动力△tm；
3.计算冷热流体与管壁的对流给热系数及总传热系数K；
4.由传热基本方程Q=KA△tm计算传热面；
其中，Q为换热量，K为传热系数，A为换热面积，△tm为平均推动力即温差的对数平均值。
（二）设计计算中参数选择
由传热基本方程式可知，为确定所需的传热面积，必须知道平均推动力△tm和传热系数K。为计算平均温差△tm，首先必须选择流体的流向及冷却介质的出口温度。为求得传热系数K，需决定冷、热流体各走管内还是管外及适当的流速。同时，还必须选定适当的污垢热阻。
五、管壳式换热器的选型原则
（一）流向的选择
当冷、热流体的进出口温度相同时，逆流操作的平均推动力大于并流，因而传递同样的热量所需的传热面积较小。如果换热器的目的是单纯的冷却，逆流操作时，冷却介质温升可选择得较大，因而冷却介质用量可以较小。如果换热器的目的是回收热量，逆流操作回收的热量温位可以较高，因而利用价值较大。显然在一般情况下，逆流操作总是优于并流，应尽量采用。但是，对于某些热敏性物料的加热过程，并流操作可避免出口温度过高而影响产品质量。除逆流和并流之外，管壳式换热器中，冷、热流体还可作各种多管层多壳层的复杂流动。当流量一定时 ，管层数或壳层数越多，给热系数越大，对传热过程有利。但是，多管层或多壳层必导致流体阻力损失。
（二）冷却介质出口温度的选择
冷却介质出口温度越高，其用量可以越少，回收的能量价值也越高，同时，输送流体的动力消耗即操作费用也减小。但是，冷却介质出口温度越高，传热过程的平均推动力△tm越小，传递同样的热流量所需的加热面积A也越大，设备投资费用必然增加。因此，冷却介质的选择是一个经济上的权衡问题。
（三）流速的选择
流速的选择一方面涉及传热系数K即所需传热面的大小，另一方面又与流体通过换热面的阻力损失有关。因此，流速选择也是经济上权衡得失的问题。但不管怎样，在可能的条件下，管内外都必须尽量避免层流状态。
此外，在选用和设计管壳式换热时，还必须考虑以下问题：
1.不洁净和易结垢的液体宜在管层，因管内清洗方便；2.腐蚀性流体宜在管层，以免管束和壳体同时收到腐蚀；3.压强高的流体宜在管内，以免壳体承受压力；4.被冷却的流体宜走壳层，便于散热；5.饱和蒸汽宜走壳层，因饱和蒸汽比较清净，给热系数与流速无关而且冷凝液容易排出。
（四）换热管规格和排列的选择
换热管直径越小，换热器单位容积的传热面积越大。因此，对于洁净的流体管径可取的小些。但对于不洁净或宜结垢的流体管径应取得大些 ，以免堵塞。考虑到制造和维修方便，加热管的规格不宜过多。目前，我国实行的系列标准规定采用25mm×2.5 mm的管子，管中心距为 32mm和19 mm×2mm的管子，管中心距为25mm两种规格，对一般流体是适应的。管长的选择是以清洗方便和合理使用管材为准。我国生产的钢管系列标准中管长有1.5m、2m、3m、4.5m、6m和9m六种 ，其中以3m和6m更为普遍。
管子的排列方式有等边三角形和正方形两种。与正方形相比，等边三角形排列比较紧凑管外流体湍动程度高，给热系数大。正方形排列虽 比较松散，给热效果也较差，但管外清洗方便，对易结垢流体更为实用。
结论：管壳式换热器在石油化工生产中，可作为加热器、冷却器、蒸发器和再沸器等，操作弹性大，允许操作压力和温度范围较宽，检修方便，在所有换热器中占据主导地位。
