武汉生物工程学院
毕业论文(设计)
题目：套管式换热器的设计
学生：吴洋
系别：化学与环境工程系
专业班级：0905420202
指导教师：宋红
辅导教师：宋红
时间： 2011-09-12至 2012-05-30
目录
摘要............................................................................................................................. I I 关键字............................................................................................................................. I I Abstract ........................................................................................................................... I I Keyword .......................................................................................................................... I I 1. 前言.. (1)
1.1 套管式换热器 (1)
1.2 套管式换热器的分类 (1)
1.2.1 固定管板式换热器 (1)
1.2.2 浮头式换热器 (1)
1.2.3 填料函式换热器 (1)
1.2.4 U型管式换热器 (1)
1.3 其他形式的换热器 (1)
1.3.1 石墨换热器 (1)
1.3.2 容器式换热器 (2)
1.3.3 板翅式换热器 (2)
1.4 套管式换热器的特点 (2)
1.4.1 套管式换热器的优点 (2)
1.4.2 国内外研究存在的问题 (2)
1.5 套管式换热器的发展趋势 (2)
2. 换热器的设计 (3)
2.1 换热器的设计题目 (3)
2.2 设计方案 (3)
2.2.1 选择换热器的类型 (3)
2.2.2 流动路径及流速的确定 (3)
2.3 换热器的计算 (3)
2.3.1 初算换热器的传热面积S0 (3)
2.3.2 主要工艺及结构基本参数的计算 (4)
2.3.3 换热器主要构件尺寸与接管尺寸的确定 (5)
2.3.4 管、壳程压力降的校验 (6)
2.3.5 总传热系数的校验 (8)
3. 设计结果汇总表 (9)
参考文献 (10)
致谢 (11)
文献综述 (12)
学位论文作者声明
本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。
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本学位论文内容不涉及国家机密。
论文题目：套管式换热器的设计
作者单位：武汉生物工程学院
作者签名：
2012年05月10日
套管式换热器的设计
摘要
套管式换热器是一种交换热能的设备，在制冷、石化、化工、新能源、食品、药品等行
业中广泛的使用。套管式换热器的设计包括类型的选择、流动路径的确定、流速的选定、冷
却剂和加热剂的选择，换热器热负荷的计算、加热剂或冷却剂用量的计算、平均温差的计算、
传热面积的估算、换热管的选择、管子的排列方式、管子数目与管长的计算、排管图与实际
管子数、壳体直径的计算、壳体壁厚的计算、管程和壳程压力降的计算、总传热系数的计算
和校核。本文根据实验数据与计算数据，设计一台适宜的套管式换热器。
关键字
换热器；传热系数；平均温度差；压力降
The design of tube heat exchanger
Abstract
The tube heat exchanger is a heat-exchange equipment, widely used in refrigeration, petrochemical, chemical, energy, food, pharmaceuticals and other industries. Tube heat exchanger design includes the choice of the type, the flow path to determine the flow rate selected, the choice of coolant and heating agent, the calculation of the heat exchanger heat load, heating agent or cooling dosage calculation, the average temperature difference calculations, estimates of the heat transfer area, the choice of heat exchange tubes, the tube arrangement, tube number and tube length calculations, pipe diagram with the actual tube number, the calculation of the shell diameter, shell wall thickness calculation, tube and the shell side pressure drop calculation, the overall heat transfer coefficient calculation and verification. Based on experimental data and calculated data, design a suitable and tube heat exchanger.
Keyword
Heat exchanger; heat transfer coefficient; Mean temperature difference; pressure drop
II
1 前言
1.1 套管式换热器
套管式换热器是目前石油化工生产上应用最广的一种换热器[1]。它主要由壳体（包括內壳和外壳）、U型肘管、填料函等组成[2]。所需管材，可分别采用普通碳钢、铸铁、铜、钛、陶瓷玻璃等制作[3]。管子一般被固定在支架上。两种不同介质可在管内逆向流动（或同向）以达到换热的目的。在进行逆向换热时，热流体由上部进入，而冷流体由下部进入，热量通过内管管壁由一种流体传递给另一种流体。热流体由进入端到出口端流过的距离称之为管程[4]；流体由壳体的接管进入，从壳体上的一端引入到另一端流出，通过这种方式传热的换热器称为壳程套管式换热器[5]。由于套管式换热器被广泛的应用在石油化工、制冷等工业部门，原本单一的传热方式和传热效率已经不能满足实际工作和生产，目前国内外研究者对套管式换热器提出了很多种改进方案，以延长套管式换热器的使用寿命，加强其使用效率[6]。
1.2 套管式换热器的分类
1.2.1 固定管板式换热器
这类换热器的结构比较简单、紧凑、造价便宜，但管外不能机械清洗。此种换热器管束连接在管板上，管板分别焊在外壳两端，并在其上连接有顶盖，顶盖和壳体装有流体进出口接管[7]。通常在管外装置一系列垂直于管束的挡板。同时管子和管板与外壳的连接都是刚性的，而管内管外是两种不同温度的流体。因此，当管壁与壳壁温差较大时，由于两者的热膨胀不同，产生了很大的温差应力，以至管子扭弯或使管子从管板上松脱，甚至毁坏换热器。为了克服温差应力必须有温差补偿装置，一般在管壁与壳壁温度相差50℃以上时，为安全起见，换热器应有温差补偿装置[8]。但补偿装置（膨胀节）只能用在壳壁与管壁温差低于60～70℃和壳程流体压强不高的情况。一般壳程压强超过0.6MPa时由于补偿圈过厚，难以伸缩，失去温差补偿的作用，就应考虑其他结构。
1.2.2 浮头式换热器
换热器的一块管板用法兰与外壳相连接，另一块管板不与外壳连接，以使管子受热或冷却时可以自由伸缩，但在这块管板上连接一个顶盖，称之为“浮头”，所以这种换热器叫做浮头式换热器[9]。其优点是：管束可以拉出，以便清洗；管束的膨胀不变壳体约束，因而当两种换热器介质的温差大时，不会因管束与壳体的热膨胀量的不同而产生温差应力。其缺点为结构复杂，造价高。
1.2.3 填料函式换热器
这类换热器管束一端可以自由膨胀，结构比浮头式简单，造价也比浮头式低[10]。但壳程内介质有外漏的可能，壳程中不应处理易挥发、易燃、易爆和有毒的介质。
1.2.4 U型管式换热器
U形管式换热器，每根管子都弯成U形，两端固定在同一块管板上，每根管子皆可自由伸缩，从而解决热补偿问题[11]。管程至少为两程，管束可以抽出清洗，管子可以自由膨胀。其缺点是管子内壁清洗困难，管子更换困难，管板上排列的管子少。优点是结构简单，质量轻，适用于高温高压条件。
1.3 其他形式的换热器
1.3.1 石墨换热器
石墨换热器是传热组件用石墨制成的换热器[12]。制造换热器的石墨应具有不透性，常用浸渍类不透性石墨和压型不透性石墨。石墨换热器按其结构可分为块孔式石墨换热器﹑管壳式石墨换热器和板式石墨换热器3种类型。（1）块孔式石墨换热器由若干个带孔的块状石墨组件组装而成。（2）管壳式石墨换热器管壳式换热器在石墨换热器中占有重要地位，按结构又分为固定式和浮头式两种[13]。（3）板式石墨换热器板式换热器用石墨板粘结制成。石
墨换热器耐腐蚀性能好﹐传热面不易结垢﹐传热性能良好。但石墨易脆裂﹐抗弯和抗拉强度低，因而只能用于低压﹐即使承压能力最好的块孔状结构﹐其工作压力一般也仅为0.3～0.5MPa。石墨换热器的成本高，体积大，使用不多。它主要用于盐酸﹑硫酸﹑醋酸和磷酸等腐蚀性介质的换热，如用作醋酸和醋酸酐的冷凝器等[14]。
1.3.2 容器式换热器
容积式换热器又叫表面式换热器。容积式换热器是利用冷、热流体交替流经蓄热室中的蓄热体(填料)表面，从而进行容积式换热器热量交换的换热器，容积式换热器间壁式换热器的冷、热流体被固体间壁隔开，并通过间壁进行热量交换的换热器[15]。
1.3.3 板翅式换热器
板翅式换热器的传热元件由板和翅片组成的换热器[16]。板翅式换热器传热效率高，由于翅片对流体的扰动使边界层不断破裂，因而具有较大的换热系数；同时由于板翅式换热器的隔板、翅片很薄，具有高导热性，所以得板翅式换热器可以达到很高的效率。板翅式换热器紧凑，由于板翅式换热器具有扩展的二次表面，使得它的比表面积可达到1000 m2/m3。板翅式换热器轻巧，是因为板翅式换热器的部件紧凑且多为铝合金制造[17]。板翅式换热器适应性强，板翅式换热器可适用于：气-气、气-液、液-液、各种流体之间的换热以及发生集态变化的相变换热。板翅式换热器通过流道的布置和组合能够适应：逆流、错流、多股流、多程流等不同的换热工况。通过单元间串联、并联、串并联的组合可以满足板翅式换热器制造工艺要求，工艺过程复杂。板翅式换热器容易堵塞，不耐腐蚀，清洗检修很困难，故只能用于换热介质干净、无腐蚀、不易结垢、不易沉积、不易堵塞的场合[18]。
1.4 套管式换热器的特点
1.4.1 套管式换热器的优点
有一定的温度补偿能力；处理量大；能承受高压；可应用于各种传热场合优点。
1.4.2 国内外研究存在的问题
套管式换热器虽然具备了很多其他换热器所没有的优势，但是依然有很多缺点和不足，依然有很多有待改进的地方[19]。
（1）改进后的套管式换热器，如固定管板式换热器[20]、浮头式换热器、填料函式换热器、U型管式换热器虽然在传热性能上有所提升，但是研究方向忽视了流体对换热器效率本身的影响，不同流体速率下套管换热器的换热系数存在差异[21]。如何通过改进流体流动速率，从而改变换热系数提高换热效率未被大家所重视。从改变换热器性能指标上出发，采用多种方式综合提升换热器效率是更加有效的改进方向[22]。
（2）换热器设计时管子与管子的连接、管板结构、温差应力、拉脱力以及换热器材料和冷却介质的选择[23]。
1.5 套管式换热器的发展趋势
套管式换热器作为一种主流的换热器，被广泛的用于制冷、石化、化工，新能源等工业领域。由于套管式换热器是被广泛使用的，其本身的传热效率的提高能为我们的工业生产提供更为高效和节能的生产方式，提高生产率，减少能源消耗，对于制冷、石化、化工、新能源等工业领域的生产率能起到至关重要的作用[24]。
随着国家环保节能、可持续发展政策的提出，人们环保意识的增长，新技术的日益更新，新材料的不断出现，国家和企业对新型高效环保节能的套管式换热器的要求将会越来越高[25]。通过对套管式换热器的传热过程和传热系数的研究，套管式换热器的实际工作环境、安全可靠性、安装、操作、维修等方面的研究，提出新的方法和理论，改进换热器的工作效率[26]。传热性能更好，造价更低的各种新型材料将会在套管式换热器的设计和制造中大量出现和使用。在设备工程中，节能环保始终排在优先地位[27]。套管式换热器的设计也不例外，如何利用更小的能耗更低的污染来试验热量传导的最大化是套管式换热器以后发展的重
中之重[28]。
2 换热器的设计
2.1 换热器的设计题目
合成氨车间用冷水冷却变换气， 变换气体积流量为7000m 3/h 从145℃进一步冷却至57℃，允许压强降为3920N/m 2。水的入口温度为30℃，出口温度为36℃。物性特征：变换气密度0.925kg/m 3，定压比热容1.9kJ/(kg.℃)，热导率0.058w/(m.k)，粘度1.55×10-5Pa.s ，循环水在33℃下的物性数据：密度994.7kg/m 3，定压比热容 4.174kJ(/kg.℃)，热导率62.2×10-2w/(m.k)，粘度0.757×10-5Pa.s ，热导率0.624w/m ℃，粘度0.742×10-3Pa.s 。设计一台列管式换热器。
2.2 设计方案
2.2.1 选择换热器的类型
两流体温度变化情况：混合气体进口温度145℃，出口温度57℃冷流体，循环水进口温度30℃，出口温度36℃。该换热器用循环冷凝水冷却，冬季操作时进口温度会降低，考虑到这一因素，估计该换热器的管壁温和壳体壁温之差较大，因此初步确定选用带膨胀节的固定管板式换热器。
2.2.2 流动路径及流速的确定
由于变换气被冷却且要求压力将不允许超过3920N/m 2，所以考虑变换气走管内；而冷却水为处理过的软水，结垢不严重，安排走管间（即壳程）。变换气在管内流动，流速选取u i =30m/ｓ。
2.3 换热器的计算
2.3.1 初算换热器的传热面积S 0
（1）热负荷及冷却介质消耗量的计算
标准状况下变换气的密度 351/759.0273
316.817100133.1m kg RT pM =???==ρ 变换气的质量流 q m1=q V ρ=7000×0.759=5313kg/h
热负荷 Q=q mh C ph (T 1-T 2)=5313×1.9×(145-57) =888333.6kJ/h =246.76kW
冷却水的消耗量 h t t t c Q q pc m /47.35)
3036(10174.4106.888333)(33122=-???=-= (2)计算平均温度差?t m ，并确定管程数
选取逆流流向，先按单壳程单管程考虑，计算出平均温度差?t m '：
==-----=???-?='?27109ln 82305736145ln )3057()36145(ln 1
212t t t t t m 58.6℃ 有关参数
7.143036571451221=--=--=t t T T R ， 052.030
14530361112=--=--=t T t t P 根据R ，P 值，查温度校正系数图可读得，温度校正系数φ=0.975>0.8，可见用单壳程单管程合适。因此平均温度差
?t m =?t m '=58.6℃
（3）按经验数值初选总传热系数K 0（估）
选取 K 0（估）=120W/（m 2.K ）
（4）初算出所需传热面积S 0；
23
001.356
.581201076.246m t K Q S m =??=?= 2.3.2 主要工艺及结构基本参数的计算
（1）换热器规格及材质的选定。选用￠25mm×2.5mm 钢管。
（2）换热管数量及长度的确定。
管数 )(17002.014.330925.0/)3600/5313(442
2根=???==i i d u V n π 管长 m d n S l 63.2025
.014.31701.3500=??=='π 按照商品管长系列规格，取管长L=3m 。
（3）管子的排列方式及管子与管板的连接方式的选定
管子的排列方式，采用正三角形排列；管子与管板的连接，采用焊接法。
（4）计算外壳内直径D i 。
D i =t （n c -1）+2b’
由于管中心距 t=1.25d 0=1.25×25=32mm
横过管束中心线的管数 34.141701.11.1===n n c
取整 n c =14
管束中心线上最外层管的中心至壳体内壁的距离 b'=1.5d 0=1.5×0.025=0.038m
所以
D i =0.032（14-1）+2×0.038=0.492m
按壳体直径标准系列尺寸圆整，取D=500mm 因为6500
3000==D L ，管长径比合适。
（5）管子的排列方式
根据壳体内径D i 、管中心距t 、横过管束中心线的管数n c 及其排列方式绘出排管图。由图知，中心排有14根管时，按正三角形排列，可排154根，若在六角形每边各加4根，总共排178根，除去8根拉杆位置，实际派出170根，与上述计算相符。因此，实际管子数N=n=170根。
（6）计算实际传热面积S 0及过程的总传热系数K 0（选）。
2007.38)1.03(025.014.3170)1.0(m L d N S =-???=-=π
)./(1096
.587.381076.246230)(0k m W t S Q K m =??=?=选 （7）折流板直径D c 、数量及其有关尺寸的确定
选取折流板与壳体间的间隙为3.5mm ，因此，折流板直径
D c =500-2×3.5=493mm
切去弓形高度
h=0.25D=0.25×500=125mm
折流板数量
11.00
-'-=h L N B 取折流板间距h 0=300mm ，那么 )(7.813001003000块=--=
B N 取整的 N B =9（块）
实际折流板间距
mm h 2901
91003000=+-= （8）拉杆的直径和数量与定管距的选择
选用￠12mm 钢拉杆，数量8条。定管距采用与换热器相同的管子，即￠25mm×2.5mm 钢管。
（9）温度补偿圈的选用 由于=+-+2
36302574568℃〉50℃，故需考虑设置温度补偿圈。具体结构尺寸可从有关标准查取。
（10）列出所设计换热器的结构尺寸
表2-1的结构尺寸
管子规格： ￠25mm×2.5mm （钢管）
换热管数量： N=170根
管长： L=3000mm 拉杆数量： 8根
拉杆直径： ￠12mm 管中心距： t=32mm
管子排列方式： 正三角形 管程数： 1
壳程数： 1 折流板数量： N B =9（块）
折流板间距： h=290mm 外壳直径： D i =500mm
换热面积： S 0=38.7m 2
定距管： 与换热管相同规格
通过管板中心的管子数： n c =14(根) 2.3.3 换热器主要构件尺寸与接管尺寸的确定
换热器的只要构件有封头、筒体法兰、管板、筒体、折流板（或支撑板）、支座等。主要接管有：流体进、出口接管，排气管，排液管等。
（1）筒体（壳体）壁厚的确定。
C p
pD i +-=ψσδ][2 选取设计压力p=0.6MPa ，壳体材料为Q235，查得其相应的许用应力MPa 113][=δ；焊缝系数65.0=ψ（单面焊），腐蚀裕度C=3+0.5=3.5mm ，所以
mm 6.55.36
.065.011325006.0=+-???=δ 根据钢板厚度标准，取厚度为6mm 钢板，即mm 6(=壳）δ。
（2）封头、筒体法兰、管板、支座
均有标准供选用，具体结构尺寸可从有关手册所列标准中查取。
（3）流体进、出口接管的直径计算。
u
V d s π4= 变换气进、出口接管d 1，取u 1=20m/s ，那么
m d 319.020
14.3925.0/)3600/5313(41=??= 经圆整采用￠299mm ?6mm 热轧无缝钢管（YB231-64），实际变换气进、出口管内流速为 s m u /7.24287
.014.3925.036005313421=????= 冷却水进、出口接管d 2，取u 2=1.5m/s ，那么
m d 092.05
.114.37.994/)3600/35470(42=??= 经圆整采用￠95mm×6mm 热轧无缝钢管（YB231-64），实际冷却水进、出口管内流速为 s m u /83.1083
.014.37.994360035470422=????= 2.3.4 管、壳程压力降的校验
（1）管程压强降
p s t i N N F p p p )(21?+?=?∑
据上述结果可知：管程数1=p N ，串联壳程数1=s N ；对于￠25mm ?2.5mm 的换热管，结构校正系数为4.1=t F .
换热器为单管程， ?p 2=0；流体流经直管段（包括进、出口）的压力降为
2
)1(21i c e u d p ρξξλ++=? 2
)5.11(2i u d ρλ+= 由于
7.27170
)02.0)(4/(360053132=??=πi G
3574210
0155.07.2702.0Re 3=??==-μi
i i G d 取mm 2.0=ε，那么001.020
2.0/==i d ε，可查得027.0=λ，故 22
1/23102
30925.0)5.102.03027.0(m N p =??+?=? 所以
∑=???+=2/3230114.1)02310(m N p i 〈3920 N/m 2
管程流体压强降满足要求。
（2）壳程压强降（冷却水走壳程）
∑'?+'?=?s s N F p p p )(21
0 其中流体流经管束的压强降
2
)1(2001pu N N Ff p B +='? 由于
管子排列方式对压强降的校正因子：F=0.5（正三角形排列）
壳程流体的摩擦系数：f 0=5Re -0.228
横过管子中心的管子数：N c =14根
折流板数：N B =9块
μρε2
00Re u d =
m d d t d e 0202.0025
.0])025.0(4)032.0(23[4)423(
4220202=??-?=-=ππππ )
()1(000d n D h V t d hD V u c s s
-=-= )
025.0145.0(29.07.994360035470?-???= s m /228.0=
605210757.07.994228.00202.0Re 3
0=???=-〉500 69.0)6052(5228.00=?=-f
22
1/16132
228.07.994)19(1469.05.0m N p =??+???='? 2
)25.3(202u D h N p B ρ-='? 2
228.07.994)5.029.025.3(92
???-?= 2/544m N =
单壳程）(1=s N
15.1F =s （液体）
所以
∑0p =1.15×（1613+544）=2481N/m 2〈3920N/m 2
壳程压强降满足题给要求。
2.3.5 总传热系数的校验
总传热系数由以下式计算：
i
i i si m so d d d d R d bd R K αλα0000)(011
++++=计 其中，管内变换气的传热系数i α的计算
3.08.0Pr Re 023.0i i i
i d λα=
3
5
8.010058.01055.19.1)35742(02.0058.0023.0--??????= )./(2922K m W =
管间水的传热系数0α的计算
14.03/155.00
0Pr Re 36.0W d Φ=ελα 由于水被加热，取黏度校正系数05.114.0=ΦW
)./(186805.1)622
.010757.010174.4()6052(0202.0622.036.023/13
355.00K m W =???????=-α
取水侧与气侧污垢热阻均为0.26×10-3（m 2.K ）/W ，钢管导热系数λ=51W/（m 2.K ），故
)./(16120
2922520251026.022*********.01026.0186811
233)
(0K m W K =?+??+??+?+=--计 所以， 48.1109
161)(0)
(0==选计K K 一般K 0（计）/K 0（选）应在1.15～1.25之间。本设计的换热器可适用，但传热面积稍大，要取得更合理的设计，可重复上述步骤，直至满足为止。
3 设计结果汇总表
表3-1 列管式换热器设计数据表
管子规格： ￠25mm×2.5mm （钢管）
换热管数量： N=170根
管长： L=3000mm 拉杆数量： 8根
拉杆直径： ￠=12mm 管中心距： t=32mm
管子排列方式： 正三角形 管程数： 1
壳程数： 1 折流板数量： N B =9（块）
折流板间距： h=290mm 外壳直径： D i =500mm
换热面积： S 0=38.7m 2
定距管： 与换热管相同规格
通过管板中心的管子数： n c =14(根)
换热器型式： 列管式换热器
折流板数量： 9个
折流板间距： 290mm
热负荷： 246.76kw
传热温差： 58.6℃
冷却水的消耗量：35.47t/h
变换气的传热系数：292W/(m 2.K)
冷却水的传热系数：1868W/（m 2.K ）
总传热系数： 161W/（m 2.K ）
变换气进、出口接管规格：￠299mm ?6mm (无缝钢管)
变换气流速：24.7m/s
冷却水进、出口规格：￠95mm×6mm(无缝钢管)
冷却水流速：1.83m/s
管程压强降：3230 N/m 2
壳程压强降：2481 N/m 2
参考文献
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通大学学报，2006，40(7)：76-80
致谢
本课题在选题及研究过程中得到宋红老师的细心指导。宋红老师多次询问研究进程，并为我指点迷津，提出了许多建设性的意见和建议，帮助我开拓思路、精心点拨、热忱鼓励。宋红老师一丝不苟的作风，严谨求实的态度，认真负责的精神，不仅是我学习上的标杆，更是我以后生活、工作中的榜样，为我将来从事的工作奠定了坚实的基础，使我终生受益。在这里我深深感谢宋老师！
感谢宋红老师、范望喜老师、张舟老师等对我的专业知识的培养。感谢我的同班同学四年来对我学习、生活上的关心和帮助；感谢我的家人，感谢他们对我的理解与支持；最后感谢我的母校武汉生物工程学院，是她养育了我，历练了我，为我以后的生活和工作打下了一个坚实的基础。谢谢！
文献综述
套管式换热器的概述
摘要：由于套管式换热器被广泛的应用于石油、石油化工动力、制冷、食品、钢铁等工业部门，且它们是这些行业的通用设备，并且有十分重要的地位。在化工厂，换热器的费用约占总费用的10%-20%，在炼油厂约占总费用的35%-40%。随着我国工业的不断发展，对能源利用、开发和节约的要求不断提高，因而对换热器的要求也日益加强。原本单一的传热方式和传热效率已经不能满足实际工作和生产，目前国内外研究者对套管式换热器提出了多种改进方案，以加强套管式换热器的传热效率，降低能耗，保护环境，节约能源。从结构上看套管式换热器主要包括两类：一类是带扰性构件的：管间不能清洗，只可通清洁流体，可降低温差应力。另外一类是管束类的：可以自由伸缩管间可清洗，能消除温差应力。
关键词：套管式换热器；传热效率；温差应力
1前言
套管式换热器是目前化工、制冷、石化及酒精生产上应用最广的一种换热器[1]。它主要以同心套管中的传热元件的换热器，两种不同直径的管子套在一起组成同心套管，每一段套管称为“一程”，程的内管（传热管）借U型肘管，而外管用短管依次连接成排，固定于支架上，热量通过内管管壁由一种液体传递给另一种液体[2]。套管式被广泛应用于制冷、石化、化工等工业等领域。由于套管式换热是被广泛使用的，其本身的传热效率的提高能为我们的工业生产提供更为高效的和节能的生产方式，提高生产率，减少能源消耗。对于制冷、石化、化工等工业领域能起到的生产率的提高能起到至关重要的作用[3]。目前国内外研究者对套管式换热器提出了多种改进方案，以加强套管式换热器的传热效率[4]。
2套管式换热器的研究现状
由于套管式换热器被广泛的应用石油、石油化工等工业部门，原本单一的传热方式和传热效率已经不能满足实际工作和生产，目前国内外研究者对套管换热器提出了多种改进方案，以加强套管式换热器的传热效率[5]。主要有以下几种方式：
2.1固定管板式换热器
这类换热器的结构比较简单、紧凑、造价便宜，但管外不能机械清洗。此种换热器管束连接在管板上，管板分别焊在外壳两端，并在其上连接有顶盖，顶盖和壳体装有流体进出口接管[6]。通常在管外装置一系列垂直于管束的挡板。同时管子和管板与外壳的连接都是刚性的，而管内管外是两种不同温度的流体。因此，当管壁与壳壁温差较大时，由于两者的热膨胀不同，产生了很大的温差应力，以至管子扭弯或使管子从管板上松脱，甚至毁坏换热器[7]。为了克服温差应力必须有温差补偿装置，一般在管壁与壳壁温度相差50℃以上时，为安全起见，换热器应有温差补偿装置。但补偿装置（膨胀节）只能用在壳壁与管壁温差低于60～70℃和壳程流体压强不高的情况。一般壳程压强超过0.6Mpa时由于补偿圈过厚，难以伸缩，失去温差补偿的作用，就应考虑其他结构。
2.2填料函式换热器
这类换热器管束一端可以自由膨胀，结构比浮头式简单，造价也比浮头式低[8]。但壳程内介质有外漏的可能，壳程中不应处理易挥发、易燃、易爆和有毒的介质。
2.3 U型管式换热器
U型管式换热器，每根管子都弯成U形，两端固定在同一块管板上，每根管子皆可自由伸缩，从而解决热补偿问题。管程至少为两程，管束可以抽出清洗，管子可以自由膨胀[9]。其缺点是管子内壁清洗困难，管子更换困难，管板上排列的管子少。优点是结构简单，质量轻，适用于高温高压条件。
3.4 套管式换热器的特点
3.4.1 套管式换热器的优点
结构简单、传热面积大、传热效果好以及适应性强。
3.4.2 国内外研究存在的问题
套管式换热器虽然具备了很多其他换热器所没有的优势，但是依然有很多缺点和不足，依然有很多有待改进的地方[10]。
（1）改进后的套管式换热器，如固定管板式换热器[11]、浮头式换热器、填料函式换热器、U型管式换热器虽然在传热性能上有所提升，但是研究方向忽视了流体对换热器效率本身的影响，不同流体速率下套管换热器的换热系数存在差异[12]。如何通过改进流体流动速率，从而改变换热系数提高换热效率未被大家所重视。从改变换热器性能指标上出发，采用多种方式综合提升换热器效率是更加有效的改进方向[13]。
（2）换热器设计时管子与管子的连接、管板结构、温差应力、拉脱力以及换热器材料和冷却介质的选择[14]。
4 其他形式换热器
4.1 板翅式换热器
板翅式换热器的传热元件由板和翅片组成的换热器。板翅式换热器传热效率高，由于翅片对流体的扰动使边界层不断破裂，因而具有较大的换热系数；同时由于板翅式换热器的隔板、翅片很薄，具有高导热性，所以得板翅式换热器可以达到很高的效率[15]。板翅式换热器紧凑，由于板翅式换热器具有扩展的二次表面，使得它的比表面积可达到1000 m2/m3。板翅式换热器轻巧，是因为板翅式换热器的部件紧凑且多为铝合金制造[16]。板翅式换热器适应性强，板翅式换热器可适用于：气-气、气-液、液-液、各种流体之间的换热以及发生集态变化的相变换热。板翅式换热器通过流道的布置和组合能够适应：逆流、错流、多股流、多程流等不同的换热工况。通过单元间串联、并联、串并联的组合可以满足板翅式换热器制造工艺要求，工艺过程复杂。板翅式换热器容易堵塞，不耐腐蚀，清洗检修很困难，故只能用于换热介质干净、无腐蚀、不易结垢、不易沉积、不易堵塞的场合[17]。
板翅式换热器日常维护：
（1）严格执行操作规程，来确保板翅式换热器进出口温度、压力及流量控制在操作指标内，防止急剧变化，并认真填写板翅式换热器日常维护记录。（2）定期检查板翅式换热器的壳体、封头、管子和法兰连接处是否无异响、腐蚀及泄漏，内部有无跑冷现象，以及板翅式换热器保冷珍珠岩是否缺少。（3）监测板翅式换热器冷箱进出口压差。定点检查板翅式换热器各部分仪表及安全装置是否符合要求，发现板翅式换热器缺陷要及时消除[18]。（4）勤擦拭板翅式换热器、勤打扫，保持板翅式换热器设备及板翅式换热器环境的整洁，做到板翅式换热器无污垢、无垃圾、无泄漏。（5）严格执行板翅式换热器交接班制度，未排除的故障应及时上报，板翅式换热器故障未排除不能盲目开车。
4.2 浮头式换热器
新型浮头式换热器浮头端结构包括圆筒、外头盖侧法兰、浮头管板、钩圈、浮头盖、外头盖及丝孔、钢圈组成[19]，浮头式换热器在外头盖侧法兰内侧面设凹型或梯型密封面，并在靠近密封面外侧钻孔并套丝或焊设多个螺杆均布，浮头处取消钩圈及相关零部件，浮头管板密封槽为原凹型槽并另在同一端面开一个以该管板中心作为圆心，浮头式换热器半径稍大于管束外径的梯型凹槽，且浮头式换热器管板分程凹槽只与梯型凹槽相连通，而不与凹型槽相连通；在凹型和梯型凹槽之间钻孔并套丝或焊设多个螺杆均布，设浮头法兰为凸型和梯型凸台双密封，分程隔板与梯型凸台相通并位于同一端面的宽面法兰，且凸型和梯型凸台及分程隔板分别与浮头管板凹型和梯型凹槽及凹槽相对应匹配，浮头式换热器浮头法兰与无折边球面封头组配焊接为浮头盖，其法兰螺孔与浮头管板的丝孔或螺杆相组配，用螺栓或螺帽紧固压紧浮头管板凹型和梯型凹槽及分程凹槽及其垫片，浮头式换热器可适当加大浮头管板的厚度和直径及圆筒的内径，同时相应变更加大相关零部件的尺寸；浮头式换热器另外配置一无外力辅助钢圈，浮头式换热器圈体内径大于浮头管板外径，钢圈一端用法兰与外头盖侧法兰内侧面凹型或梯型密封面连接并密封，浮头式换热器另一端设法兰或其他结构与浮头管板原凹型槽及其垫片或外圆密封[20]。
4.3 容积式换热器
容积式换热器又叫表面式换热器。容积式换热器是利用冷、热流体交替流经蓄热室中的蓄热体(填料)表面，从而进行容积式换热器热量交换的换热器，容积式换热器间壁式换热器的冷、热流体被固体间壁隔开，并通过间壁进行热量交换的换热器[21]。
4.4 石墨换热器
石墨换热器是传热组件用石墨制成的换热器。制造换热器的石墨应具有不透性，常用浸渍类不透性石墨和压型不透性石墨[22]。石墨换热器按其结构可分为块孔式石墨换热器﹑管壳式石墨换热器和板式石墨换热器3种类型[23]。（1）块孔式石墨换热器由若干个带孔的块状石墨组件组装而成[24]。（2）管壳式石墨换热器管壳式换热器在石墨换热器中占有重要地位，按结构又分为固定式和浮头式两种。（3）板式石墨换热器板式换热器用石墨板粘结制成。石墨换热器耐腐蚀性能好，传热面不易结垢，传热性能良好[20]。但石墨易脆裂，抗弯和抗拉强度低，因而只能用于低压，即使承压能力最好的块孔状结构，其工作压力一般也仅为0.3～0.5MPa。石墨换热器的成本高，体积大，使用不多。它主要用于盐酸、硫酸、醋酸和磷酸等腐蚀性介质的换热，如用作醋酸和醋酸酐的冷凝器等[25]。
5 发展趋势
套管式换热器作为一种主流的换热器，被广泛的用于制冷、石化、化工，新能源等工业领域。由于套管式换热器是被广泛使用的，其本身的传热效率的提高能为我们的工业生产提供更为高效和节能的生产方式，提高生产率，减少能源消耗，对于制冷、石化、化工、新能源等工业领域的生产率能起到至关重要的作用[26]。
随着国家环保节能、可持续发展政策的提出，人们环保意识的增长，新技术的日益更新，新材料的不断出现，国家和企业对新型高效环保节能的套管式换热器的要求将会越来越高。通过对套管式换热器的传热过程和传热系数的研究，套管式换热器的实际工作环境、安全可靠性、安装、操作、维修等方面的研究，提出新的方法和理论，改进换热器的工作效率[27]。传热性能更好，造价更低的各种新型材料将会在套管式换热器的设计和制造中大量出现和使用。在设备工程中，节能环保始终排在优先地位。套管式换热器的设计也不例外，如何利用更小的能耗更低的污染来试验热量传导的最大化是套管式换热器以后发展的重中之重[28]。
6 总结
由以上讨论分析的结果可以证明套管式换热器的目前在结构改进上的研究比较深入，也取得了一定的成果，但是在传热系数对换热器传热效率上的研究还不够充分完善。在新材料领域，套管式换热器的研究也明显缺乏，新材料在套管式换热器上的应用几乎为零[25]。在节能方面，套管式换热器还有很大的改进空间。在换热器的结构设计方面，更新更先进的设计理念必将大量运用于套管式换热器。
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