管壳式换热器结构基础知识
管壳式换热器的工作原理及结构
管壳式换热器的工作原理及结构一、管壳式换热器的基本概念管壳式换热器是一种常见的换热设备，其主要由管束和外壳两部分组成。
其中，管束是由许多平行排列的管子组成，而外壳则是将这些管子包裹在一起的结构。
通过这种结构，管壳式换热器可以实现两种介质之间的热量传递。
二、工作原理1. 热媒流动原理在管壳式换热器中，介质A和介质B分别通过内部的管子和外部的壳体进行流动。
其中，介质A通常为高温流体，而介质B则为低温流体。
当两种介质在内外两侧经过时，由于存在温度差异，会发生热量传递。
2. 热媒传递原理在介质A和介质B之间进行热量传递时，主要有三个过程：对流传热、传导传热和辐射传热。
其中，对流传热是最主要的一种方式。
3. 工作过程在工作过程中，高温流体通过内部的管子进入到换热器中，并沿着管子表面流动。
同时，低温流体从外部的壳体进入到换热器中，并沿着管子外表面流动。
在这个过程中，高温流体和低温流体之间进行了热量传递，使得高温流体的温度降低，而低温流体的温度升高。
三、结构特点1. 管束结构管束是管壳式换热器的主要组成部分之一。
在管束中，许多平行排列的管子被固定在两个端盖板上，并通过密封垫圈与外壳连接。
由于管子间距离较小，因此可以有效地增加热量传递面积。
2. 壳体结构外壳是管壳式换热器的另一个重要组成部分。
它通常由两个半球形或长方形壳体组成，并通过法兰连接。
在使用过程中，外壳起到保护内部管束不受损坏的作用。
3. 密封结构为了保证介质A和介质B之间不发生混合，在管壳式换热器中需要设置密封结构。
这种密封结构通常采用密封垫圈或波纹垫片等材料制成，可以有效地防止介质泄漏。
4. 清洗结构由于管壳式换热器在使用过程中会产生一定的污垢和腐蚀物，因此需要定期进行清洗。
为了方便清洗，管壳式换热器通常设置有进出口和排污口等结构。
四、应用领域管壳式换热器广泛应用于化工、石油、制药、食品等领域中。
在这些领域中，管壳式换热器可以实现高效的热量传递，提高生产效率，并减少能源消耗。
管壳式换热器内部结构
管壳式换热器内部结构
管壳式换热器的内部结构主要包括壳体、管板、管束、挡板及箱体等部分。
其中，壳体是圆形的，用于容纳管束和其他内部组件，并通过连接法兰与换热器其他部分连接在一起。
管板则位于壳体的两端，用于固定管束并防止管束在运行过程中发生位移或振动。
管束是换热器的核心部分，由许多小直径的管子组成，它们被固定在管板上，用于传输热流体。
挡板则位于管束的一侧，用于改变热流体的流动方向，增加湍流度并提高换热效率。
箱体则用于容纳所有内部组件，并作为外部框架，支撑和固定整个换热器。
此外，管壳式换热器还有许多其他的设计和结构变化，例如固定管板式、浮头式、U形管式、填料函式的浮头换热器等。
这些变化都是为了满足不同的工艺和操作要求。
以上信息仅供参考，如需了解更多信息，建议查阅相关书籍或咨询专业人士。
完整版HTRI管壳式换热器设计基础教程讲解
市场前景
随着科技的不断进步和工业的快速发展，管 壳式换热器的应用领域将不断扩大。同时， 随着环保意识的提高和节能减排政策的实施， 高效、节能、环保的管壳式换热器将成为未
来市场的主流产品。
02
HTRI软件简介及功能
HTRI软件发展历程
01
初始开发阶段
HTRI软件最初由美国Heat Transfer Research Inc.公司开发，专注于管
04
HTRI在管壳式换热器设 计中的应用
工艺流程模拟与优化
工艺流程建模
使用HTRI软件对管壳式换热器工艺流程进行 建模，包括输入工艺参数、物性数据和设备尺 寸等。
模拟计算
通过软件内置的算法和模型，对工艺流程进行模拟计 算，得出各物流的温度、压力、流量和物性变化等关 键参数。
优化设计
根据模拟结果，对换热器的结构、尺寸和布局 等进行优化设计，以提高换热效率和降低能耗。
换热器类型选择依据
传热方式
根据工艺要求选择合适的传热方式，如并流、逆 流或错流。
操作条件
根据操作压力、温度、流量等条件选择合适的换 热器类型。
ABCD
流体性质
考虑流体的物理性质（如密度、粘度、比热容等） 和化学性质（如腐蚀性、结垢性等）。
经济性
在满足工艺要求的前提下，考虑换热器的制造成 本、运行费用和维修费用等因素。
壳式换热器的热工水力设计计算。
02
逐步完善阶段
随着技术的发展和用户需求的变化，HTRI软件逐步增加了新的功能模
块，如振动分析、腐蚀预测等，并不断优化算法以提高计算精度和效率。
03
广泛应用阶段
目前，HTRI软件已成为全球范围内广泛应用于石油、化工、制冷等领
管壳式换热器结构介绍
后封头
L型后封头：和A型前封头相同 M型后封头：和B型前封头相同 N型后封头：和N型前封头相同 U型：U型管束,管束可移动,壳侧容易清洗；热膨胀处理优秀,经济无法兰； 缺点是管侧无法清洗,更换管束困难,弯头部位容易冲刷损伤, P型封头和W型封头已经被淘汰,不在使用， S型封头：其尺寸特点是其后封头要比壳体的直径大,优点是可以解决换热 器设计过程中的两个问题,一是可以消除换热器的热应力,二是换热器的管
造遵循标准：国外TEMAASME国内GB151、GB150
换热器封头选取原则
1、管壳侧是否需要清洗； 2、是否需要移动管束； 3、是否需要考虑热膨胀； 前封头类型：A、B、C、D、N 后封头类型：L、M、N、P、S、T、W 后封头又分为固定式、浮头式以及U型管,相对于固定式,浮头式造价更高、 需要更大的壳径、低的换热效果由于泄漏流C的存在,优点则是一端具有自 由度可以处理好热膨胀问题,
温度，
5、设备结构的选择
对于一定的工艺条件,首先应确定设备的形式, 例如选择固定管板形式还是浮头形式等，参
螺纹管性能特点
在管子类型中,螺纹管属于管外扩展表面的类型,在普通换热管外壁轧制成 螺纹状的低翅片,用以增加外侧的传热面积,螺纹管表面积比光管可扩展 1.6-2.7倍,与光管相比,当管外流速一样时,壳程传热热阻可以缩小相应的倍 数,而管内流体因管径的减小,则压力降会略有增大，螺纹管比较适宜于壳
K型壳体：主要用于管程热介质,壳侧蒸发的工况,在废热回收条件下使用，
X型壳体：冷热流体属于错流流动,其优点是压降非常小,当采用其他壳体 发生振动,且通过调整换热器参数无法消除该振动时可以使用此壳体形式,
其不足之处是流体分布不均匀,X型壳体并不经常使用，
在化工工艺手册中,I型壳体类型可EDR软件中的不是同一种壳体,其形式见 I1,它的使用方式仅有一种搭配,就是BIU,U型管换热器，
管壳式换热器
第十七章管壳式换热器（shellandtubeheatexchange）本章重点讲解内容：（1）熟悉管壳式换热器的整体结构及其类型；（2）熟悉主要零部件的作用及适用场合；（3）熟悉膨胀节的功能及其设置条件。
第一节总体结构管壳式换热器又称列管式换热器，是一种通用的标准换热设备。
它具有结构简单、坚固耐用、造价低廉、用材广泛、清洗方便、适应性强等优点，应用最为广泛，在换热设备中占据主导地位。
管壳式换热器是把换热管束与管板连接后，再用筒体与管箱包起来，形成两个独立的空间。
管内的通道及与其相贯通的管箱称为管程（tube-side）；管外的通道及与其相贯通的部分称为壳程（shell-side）。
一种流体在管内流动，而另一种流体在壳与管束之间从管外表面流过，为了保证壳程流体能够横向流过管束，以形成较高的传热速率，在外壳上装有许多挡板。
以下结合不同类型的管壳式换热器介绍其相应的总体结构。
1、固定管板换热器其由壳体、管束、封头、管板、折流挡板、接管等部件组成。
结构特点为：两块管板分别焊于壳体的两端，管束两端固定在管板上。
换热管束可做成单程、双程或多程。
它适用于壳体与管子温差小的场合。
图1固定管板换热器结构示意图优点：结构简单、紧凑。
在相同的壳体直径内，排管数最多，旁路最少；每根换热管都可以进行更换，且管内清洗方便。
缺点：壳程不能进行机械清洗；当换热管与壳体的温差较大（大于50°C）时产生温差应力，需在壳体上设置膨胀节，因而壳程压力受膨胀节强度的限制不能太高。
固定管板式换热器适用于壳方流体清洁且不易结垢，两流体温差不大或温差较大但壳程压力不高的场合。
2、浮头式换热器浮头式换热器适用于壳体和管束壁温差较大或壳程介质易结垢的场合。
结构特点是两端管板之一不与壳体固定连接，可在壳体内沿轴向自由伸缩，称为浮头。
图2浮头式换热器结构示意图优点：当换热管与壳体有温差存在，壳体或换热管膨胀时，互不约束，不会产生温差应力；管束可从壳体内抽出，便于管内和管间的清洗。
管壳式换热器的工作原理及结构
管壳式换热器的工作原理及结构随着科技高速发展的今天，换热器已广泛应用国内各个生产领域，换热器跟人们生活息息相关。
换热器顾名思义就是用来热交换的机械设备。
换热器是一种非常重要的换热设备，能够把热量从一种介质传递给另一种介质，在各种工业领域中有很广泛的应用。
尤其在化工、能源、交通、机械、制冷、空调等领域应用更广泛。
换热器能够充分利用工业的二次能源，并且能够实现余热回收和节能。
换热器分为很多类型，管壳式换热器是很普遍的一种。
管壳式换热器的传热强化技术主要包括管程和壳程的传热强化研究。
本文对管壳式换热器的原理进行简单介绍。
一、管壳式换热器的工作原理管壳式换热器由一个壳体和包含许多管子的管束所构成，冷、热流体之间通过管壁进行换热的换热器。
管壳式换热器作为一种传统的标准换热设备，在化工、炼油、石油化工、动力、核能和其他工业装置中得到普遍采用，特别是在高温高压和大型换热器中的应用占据绝对优势。
通常的工作压力可达4兆帕，工作温度在200℃以下，在个别情况下还可达到更高的压力和温度。
一般壳体直径在1800毫米以下，管子长度在9米以下，在个别情况下也有更大或更长的。
工作原理和结构图 1 [固定管板式换热器]为固定管板式换热器的构造。
A 流体从接管1流入壳体内，通过管间从接管2流出。
B流体从接管3流入，通过管内从接管4流出。
如果A流体的温度高于B流体，热量便通过管壁由A流体传递给B流体；反之，则通过管壁由B流体传递给A流体。
壳体以内、管子和管箱以外的区域称为壳程，通过壳程的流体称为壳程流体（A流体）。
管子和管箱以内的区域称为管程，通过管程的流体称为管程流体（B流体）。
管壳式换热器主要由管箱、管板、管子、壳体和折流板等构成。
通常壳体为圆筒形；管子为直管或U形管。
为提高换热器的传热效能，也可采用螺纹管、翅片管等。
管子的布置有等边三角形、正方形、正方形斜转45°和同心圆形等多种形式，前3 种最为常见。
按三角形布置时，在相同直径的壳体内可排列较多的管子，以增加传热面积，但管间难以用机械方法清洗，流体阻力也较大。
管壳式换热器结构基础知识
管壳式换热器结构基础知识
质管部
2020/7/14
管壳式换热器结构基础知识
1 概述 2 管子的选用及其与管板的联接 3 管板结构 4 折流板、支撑板、旁路挡板及拦
液板的作用与结构
5 温差应力 6 管箱与壳程接管 7 管壳式换热器的机械设计举例
2020/7/14
管壳式换热器结构基础知识
加工成规则的长条状，长度等于折流板或支承板的板间距，两端焊在折流板或支承 板上。
2020/7/14
4 折流板、支撑板、旁路挡板及拦液板的作用于结构
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4 折流板、支撑板、旁路挡板及拦液板的作用于结构
4.3 拦液板 作用：立式冷凝器中起 到截拦液膜作用。在立 式冷凝器中为减薄管壁 上的液膜而提高传热膜 系数。
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3 管板结构
2、分程原则 ① 各程换热管数应大致相等； ② 相邻程间平均壁温差一般不应超过28℃； ③ 各程间的密封长度应最短； ④ 分程隔板的形状应简单。 3、分程隔板
分为单层和双层两种。 双层隔板具有隔热空间， 可防止热流短路。
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3 管板结构
3.4 管板与壳体的连接结构 1、不可拆的焊接式（应用于固定管板式换热器管板与壳体的连接） （图7-21）兼做法兰 ；（图7-22）不兼做法兰
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3 管板结构
2、正方形和转角正方形排列
正方形和转角正方形排列，管间小桥形成一条直线通道，便于机械清洗。 要经常清洗管子外表面上的污垢时，多用正方形排列或转角正方形排列。
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3 管板结构
3．组合排列法 多程换热器中。
3.2 管间距： 管间距指两相邻换热管中心的距离。其值的确定需要考虑以下几个因素： ① 管板强度； ② 清洗管子外表面时所需要的空隙； ③ 换热管在管板上的固定方法。 一般要求管间距≥1.25d0，还应符合规定：
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01
通过桌面快捷方式启动；
02
在开始菜单中找到HTRI软件并启动；
通过命令行启动（需要知道软件安装路径）。
03
界面布局及功能区域划分
菜单栏
包含文件、编辑、视图等常用操作；
工具栏
提供常用功能的快捷按钮；
界面布局及功能区域划分
左侧导航栏
列出可用的设计选项和工具；
主工作区
显示当前设计项目的详细信息。
界面布局及功能区域划分
在HTRI软件中，输入流体的物性参数（如密 度、粘度、导热系数等）、流量、进出口温 度等设计条件。
建立模型
求解过程
根据输入参数，软件自动建立换热器的物理 模型，包括管程、壳程、折流板、管板等结 构。
利用HTRI软件的计算功能，对模型进行传热、 流动和结构分析，得到换热器的性能参数 （如传热系数、压力降等）。
性能评估 通过数值模拟或实验手段，对优化后的换热器性能进行评 估，包括传热系数、压降、热效率等。同时，与初步设计 结果进行对比分析，验证优化效果。
05
案例分析：应用HTRI进行实际 项目设计
案例背景介绍及问题阐述
项目背景
某化工企业需设计一款高效、紧凑的管壳式换热器，用于实现两种 不同温度流体的热量交换。
核算性能
通过初步设计得到的换热器结构 参数，进行性能核算，包括传热 系数、压降、热效率等。
详细设计：结构优化和性能评估
结构优化 在初步设计的基础上，对换热器结构进行优化，如调整管 径、管长、折流板间距等，以提高传热效率、降低压降等。
强度校核 对优化后的换热器结构进行强度校核，确保其在操作条件 下的安全性和稳定性。
THANK YOU
设计区域
用于创建和编辑换热器设计；
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凑，管子坏时不易修补。 适用场合： 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。
2020/7/14
Байду номын сангаас 概述
1.3 管壳式换热器机械设计内容 管壳式换热器的设计：
1、根据化工生产工艺条件的要求，通过化工工艺计算，确定换热器的传热面积，同 时选择管径、管长，决定管数、管程数和壳程数； 2、进行机械设计。内容有：
1）用空气作介质——空冷器（aircooler） 2）用氨、盐水、氟里昂等冷却到0℃～－20℃——保冷器（deepcooler）
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1 概述
1.2 管壳式换热器的分类 1、固定管板式换热器
优点：结构简单、紧凑、布管多，管内便于清洗，更换、造价低，应用广泛。管 坏时易堵漏。
缺点：不易清洗壳程，一般管壳壁温差大于50℃，设置膨胀节。
3、结构型式 多用光管，因为结构简
单，制造容易；为强化传 热，也采用异型管、翅片 管、螺纹管等。
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2 管子的选用及其与管板的连接
4、材料 根据压力、温度、介质的腐蚀性能决定。主要有碳素钢、合金钢、铜、钛、塑料、
石墨等。 7.2.2管子与管板的连接 1、胀接 1）过程：最普通的是利用胀管器挤压伸入管板孔中的管子端部，使管端发生塑性变 形，管板孔同时产生弹性变形，取去胀管器后，管板与管子产生一定的挤压力，贴 在一起达到密封紧固连接的目的。 2）适用范围：换热管为碳素钢，管板为碳素钢或低合金钢，设计压力≤4Mpa，设计 温度≤300℃，且无特殊要求的场合。外径d＜14mm，不适合胀接。
本课程重点：固定管板式换热器的基本结构及其机 械设计
本课程难点：管、壳的分程及隔板 建议学时：8学时 适合对象：工艺员、技术员、检验员及班组长
2020/7/14
1 概述
换热器是用来完成各种不同传热过程的设备。 换热器质量好坏的衡量标准： 1）先进性—传热效率高，流体阻力小，材料省； 2）合理性—可制造加工，成本可接受； 3）可靠性—强度满足工艺条件。 根据不同的目的，换热器可以分为： 1、冷却器（cooler）
4．蒸发器(etaporater)——发生相变 5．再沸器（reboiler） 6．废热锅炉（waste heat boiler）
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1 概述
适用场合：适用于壳程介质清洁，不易结垢，管程需清洗以及温差不大或温差虽大 但是壳程压力不大的场合。
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1 概述
2、浮头式换热器 优点：管束可以抽出，便于清洗； 缺点：换热器结构较复杂，金属耗量较大。 适用场合：适用于介质易结垢的场合。
2020/7/14
1 概述
1.1 管壳式换热器的结构及其主要零部件
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1 概述
2、冷凝器（condenser） 1）分离器 2）全凝器
3、加热器（一般不发生相变）（heater） 1）预热器（preheater）——粘度大的液体，喷雾 状不好，预热使其粘度下降； 2）过热器（superheater）——加热至饱和温度以 上。
2020/7/14
1 概述
3、填料函式换热器 优点：造价比浮头式低，检修、清洗容易，填料函处泄漏能及时发现； 缺点：壳程内介质由外漏的可能，壳程中不宜处理易挥发、易燃、易爆、有毒的
介质。 适用场合：适用于低压小直径场合。
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1 概述
4、U型管式换热器 优点：结构简单，造价低，壳程可清洗，一个管
管壳式换热器结构基础知识
管壳式换热器结构基础知识
质管部
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管壳式换热器结构基础知识
1 概述 2 管子的选用及其与管板的联接 3 管板结构 4 折流板、支撑板、旁路挡板及拦
液板的作用与结构
5 温差应力 6 管箱与壳程接管 7 管壳式换热器的机械设计举例
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管壳式换热器结构基础知识
1）壳体直径的决定和壳体厚度的计算； 2）换热器封头选择，压力容器法兰选择； 3）管板尺寸确定； 4）折流板的选择与计算； 5）管子拉脱力的计算； 6）温差应力计算。
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2 管子的选用及其与管板的连接
2.1 管子的选用 1、直径
小直径管子单位传热面积的金属消耗量小，传热系数稍高，但容易结垢，不易清 洗，用于较清洁的流体；大直径管子用于粘性大或污浊的流体。 2、规格
接的紧密性，管板加工要求可降低，节省孔的 加工工时，工艺较胀接简单，压力较低时可使 用较薄的管板。
缺点：在焊接接头处产生的热应力可能造成应 力腐蚀开裂和疲劳破裂，同时管子、管板间存 在间隙，易出现间隙腐蚀。
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2 管子的选用及其与管板的连接
结构：主要有4种
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2 管子的选用及其与管板的连接
3、胀焊并用 前面我们讲了胀接、焊接后，会发现它们各自有优、缺点，因而目前广泛应用了
胀焊并用的方法，这种方法能提高连接处的抗疲劳性能，消除应力腐蚀和间隙腐蚀， 提高使用寿命。
胀焊并用连接形式主要有： 1）先焊后胀：强度焊＋贴胀
高温高压换热器中大多用厚壁管，胀接时要使用润滑油，进入接头后缝隙中会在 焊接时生成气体，恶化焊缝质量，只要胀接过程控制得当，先焊后胀可避免这一弊 病。
2020/7/14
2 管子的选用及其与管板的连接
2）先胀后焊：强度胀＋密封焊 适用于管子与管板材料焊接性能较差的材料，胀接时不用润滑油，可防止产生焊
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2 管子的选用及其与管板的连接
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2 管子的选用及其与管板的连接
3）要求管板硬度 大于管子硬度， 否则将管端退火 后再胀接。
胀接时管板上 的孔可以是光孔， 也可开槽。
2020/7/14
2 管子的选用及其与管板的连接
2、焊接 优点：在高温高压条件下，焊接连接能保持连
常采用无缝钢管规格（外径×壁厚），长度按规定选用（1500mm、2000mm、 2500mm、3000mm、4500mm、5000mm、6000mm、7500mm、9000mm、 12000mm）。其长度与公称直径之比，一般为4～25，常用的为6～10，立式换热器 多为4～6。
2020/7/14
2 管子的选用及其与管板的连接