1.1 前言

换热器是进行热量交换的通用设备，在石化行业中，对流体加热或冷却以及液体汽化或蒸汽冷凝等过程都需进行热量交换，故使其得到了极为广泛的应用^[1]。管壳式换热器，具有结构坚固，操作弹性大，适应性强，单位体积所具有的传热面积大且传热效果好，选材范围广，能承受高温和高压等特点，在换热设备中占有约70%的主导地位^[2]。换热器结构设计的先进性、合理性、节能性以及其传热效率都将直接影响到生产企业的能源利用率，合理的换热器结构设计将有效提高换热器传热效率，改善换热性能。

1.2 管壳式换热器简介

管壳式换热器又称为列管式换热器，是以封闭在壳体中管束的壁面作为传热面的间壁式换热器，一般由壳体、传热管束、管板、折流板（挡板）和管箱等部件组成^[3]。管壳式换热器的主要结构形式有：

(1) 固定管板式。固定管板式换热器主要是由筒体、封头、管板、换热管、管箱、折流板及法兰等组成，管束两端固定在管板上，管板和筒体之间是刚性连接在一起，相互之间无相对移动^[4]。

固定管板换热器在相同直径的壳体内可排列较多的换热管，而且每根换热管都可单独进行更换和管内清洗，但管外壁清洗较困难。当两流体的温度差较大时，在外壳的适当位置上焊上一个补偿圈或膨胀节。当壳体和管束热膨胀不同时，会在壳壁和管壁中产生温差应力，一般当温差大于50摄氏度时就应考虑在壳体上设置膨胀节以减小温差应力。但当管、壳温差大于70摄氏度时，壳程压力超过0.6Mpa时，导致膨胀节过厚失去温差补偿作用^[5]。

固定管板换热器的结构特点是在壳体中设置有管束，管束两端用焊接或胀接的方法将管子固定在管板上，两端管板直接和壳体焊接在一起，壳程的进出口管直接焊在壳体上，管板外圆周和封头法兰用螺栓紧固，管程的进出口管直接和封头焊在一起，管束内根据换热器长度设置了若干块折流板。这种换热器管程可以用隔板分成任何程数^[6]。

固定管板换热器结构简单、制造方便、造价较低，管程清洗方便，壳程清洗困难，对于壳程较脏或有腐蚀性的介质不宜采用。

(2) U形管式。U型管换热器结构特点是只有一块管板，换热管为U型，管子的两端固定在同一块管板上，其管程至少为两程。管束可以自由伸缩，当壳体与U型环热管由温差时，不会产生温差应力。U型管式换热器的优点是结构简单，只有一块管板，密封面少，运行可靠；管束可以抽出，管间清洗方便。其缺点是管内清洗困难；由于管子需要一定的弯曲半径，故管板的利用率较低；管束最内程管间距大，壳程易短路；内程管子坏了不能更换，因而报废率较高。此外，其造价比管定管板式高10%左右^[7~8]。

(3) 浮头式。换热器两端的管板，一端不与壳体相连，该端称浮头。管子受热时，管束连同浮头可以沿轴向自由伸缩，完全消除了温差应力。特点为结构复杂、造价高，便于清洗和检修，完全消除温差应力，应用普遍。但其安装要有一定的空间，占地面积大，应用于寿命较长冶金，焦化等要求热交换率低的场所^[9]。

(4)填料函式。浮头部分露在壳体外，在滑动接触面处采用填料函式密封结构。管束在壳体轴向可自由伸缩，不会产生热应力。结构简单，制造方便，造价较低，清洗维修方便。适用于4MPa以下的工作条件，不适用于易挥发、易燃、易爆、有毒及贵重介质，使用温度也受填料的物性限制^[10~12]。