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摘要：本文总结了不同结构的管壳式换热器的传热特点，分析了当前换热器在设计及应用环节所存在的问题，在此基础之上对换热器的造型设计提出了几点有效性的建议，旨在为管壳式换热器更好地服务于工业生产提供有效的指引，促进企业经济效益的提升。
关键词：管壳式换热器；传热特点；选型；流程设计
在众多领域中，换热设备的应用是必不可少的，尤其是在能源、化工、冶炼、供热系统中，更是使用超级频繁。在众多的换热设备中，管壳式换热器的应用频率更高，因其特殊性，经常见于特殊工业环境中，尤其是超低压或超高压、温差超大、制造腐蚀性流体的工业环境中。
1管壳式换热器常见的结构形式
U形管式换热器、固定管板式换热器、浮头式换热器是工业生产中三种常见管壳式换热器的结构形式。除此之外，还有高效管壳式换热器，它是以常见的三种管壳式换热器的结构形式为基础，以换热管（波节管、横纹管、翅片管）的高效性为依托，强化换热支撑结构（螺旋折流板、折流杆、面包圈）为载体的新型换热器。
2管壳式换热器的传热特点
2.1固定管板式
它承受压力的能力较好，结构不复杂，便于加工制造且制造成本相对廉价；管束不可拆卸，管壳程流体温差大时需加设膨胀节[1]。不适用于壳程流体结垢严重的场合，壳程流体压力高且需设膨胀节的工况也不适用。
图1固定管板式换热器结构图
2.2U形管式
它承受压力的能力较好，结构不复杂，便于加工制造且制造成本相对廉价；管束可自由伸缩，不存在温差应力；管束可抽出清洗、更换，适用于壳程流体结垢严重和管程易腐蚀的场合。
图2U型管式换热器结构图
2.3浮头式
管束可自由伸缩，不存在温差应力；管束可抽出清洗、更换，适用于壳程流体结垢严重和管程易腐蚀的场合；但浮头端密封困难，易发生泄漏，它承受压力的能力相对稳定，不易伸缩。管板式和U形管换热器低，设计压力通常不高于6.4MPa，浮头式换热器结构相对复杂，设备质量大，成本高。
3.管壳式换热器存在问题
3.1换热面积设计裕量过大
为了最大程度的满足换热器的设计需求，一般说来会增大换热面积的设计裕量，这样一来，设备的体积也会相应扩大，消耗量增多，造成资源浪费。
3.2换热器结构形式不合理
设计中错误估计冷、热流体的位置情况，换热器的长径比例计算失误，换热器换热管规格、管束排布情况不合理，都可能会影响换热器结构。若换热器的结构不合理，则会影响换热器的正常工作。
3.3换热器存在的其它问题
在换热器的设计过程中，选择不恰当的强化方式，也会对其工作的运转产生不利的影响。此外，目前看来，换热器的研究技术一般掌握在高校科研人员，企业对其的投资专项资金较少，因而掌握的技术知识并不全面，在设计原则的选用上比较固定化、模式化，反而阻碍了换热器的研究。
4.管壳式换热器的设计造型
4.1管壳式热管管径的设计
对于清洁流体，换热管管径可取小一些，这样能够增加单位体积设备的传热面积。对于不太清洁、黏度较大或易结垢的流体，换热管管径应取大些，以方便清洗或避免堵塞。
4.2管壳式换热管的排列设计
换热管的排布方式可设计成正三角形形状的，可设计成转角三角形形状的，可设计成正方形形状的，也可设计成转角正方形形状的。布管方式的选型主要考虑壳程流体特性、传热系数、壳程压力降以及管束振动趋势等因素。优先选择三角形和转角三角形布管方式，换热面积大，传热系数相对较高。当壳程流体具有较高的黏度或管束需抽出清洗的频率较高时，选择设计成正方形形状或转角正方形布形状的布管方式是比较适宜的。当壳程流体为气相或气液两相，选择三角形和转角三角形压降不能满足要求或管束有振动趋势时，选择设计成正方形形状或转角正方形行状的布管方式是比较适宜的。
4.3管壳式换热管的外形设计
在设计的过程中，在满足给定允许压力降的条件下，尽可能地将换热器设计成“细长”形，即壳体直径较小，换热管较长，忌将换热器设计为“矮胖”形。由于“细长”形的换热器，可以提高管程和壳程流体流速，增大传热系数，进而减小所需换热面积。
4.4管壳式换热管的管程
管壳式换热器的管程和壳程均可设计为多流程，多流程设置可以提高流体的流速，提高传热系数，减小换热面积，但同时应该注意流速的增大带来压降的升高，以及是否存在冷热流体温度交叉的现象。管壳式换热器的换热管直径一般在10～32mm，以19mm和25mm直径的规格应用最为广泛。相同壳体内径下，采用外径小的换热管布管，可得到更大的换热面积，结构更加紧凑，因此在压力降、流体特性均符合要求时，可以采用直径较小的换热管。
4.5管壳式换热管的壳程设计
管壳式换热器的壳程支撑结构常见的有单弓形折流板、双弓形折流板、缺口区不布管弓形折流板等形式。单弓形折流板形式下壳程流体以横向流为主，通过折流板的绕流作用，可提高壳程流速，增大传热系数[2]。当采用单弓形折流板壳程流体阻力过大、管束有振动趋势时，可考虑双弓形折流板。在解决单弓形折流板管壳式换热器管束振动问题时，也可调整折流板形式为缺口区不布管形式，以减小无支撑跨距，加强折流板对换热管的支撑作用，消除管束振动倾向。当壳程介质黏度大、对压降限制严格的场合，可考虑采用螺旋折流板换热器，流体在壳体内呈螺旋流动，可降低流动过程的压力降。当壳程流体为气体时，流速高易导致振动，可考虑采用折流杆换热器，使流体在壳体内纵向冲刷管束，减小流动阻力和消除振动倾向。
5管壳式换热器的设计流程
分析研讨相关工艺要求，选取合适的传热系数，综合考虑温差、热流量的因素，计算传热面积；根据传热面积选定管壳式换热器的结构类型，选用合适的管径，测算出相关壳程，布置管径排版；在设计阶段要考虑结垢之后的阻力，计算出传热系数，验证与预算是否相符，并对其进行反复验证，确保数据的准确性。
6结束语
换热器是工业生产中不可或缺的重要设备，一定程度上换热器质量的好坏直接影响着工厂效率和企业利润的高低。基于此，管壳式换热器的选用和设计是相当重要的。本分从分析换热器的不同种类以及其相对应的传热特点，综合其现在遇到的问题，考虑了多种因素，旨在为其设计提出有效性的建议，希望在此基础之上，使企业的技术人员对此有更进一步的了解，便于应用于实践，有利于企业资源的节约，进而促进效益的提升。
参考文献：
[1]张晓兰，常佳，李栓柱，等.对管壳式换热器热工设计选型及应用的一些思考[J].河南化工，2018，（01）：7-10.
[2]陈亮.管壳式换热器热工选型计算[J].住宅与房地产，2014，（01）：101-104.
[3]贺美玲，孙亚茹.管壳式换热器传热传质特性研究综述[J].内蒙古石油化工，2015，（15）：25-26.