TEMA规格的管壳式换热器设计原则
——摘引自《PERRY’S CHEMICAL ENGINEER’S HANDBOOK 1999》
设计中的一般考虑
流程的选择在选择一台换热器中两种流体的流程时，会采用某些通则。管程的流体的腐蚀性较强，或是较脏、压力较高。壳程则会是高粘度流体或某种气体。当管壳程流体中的某
一种要用到合金结构时，碳钢壳体加合金质壳程元件比之壳程流体接触部件全用合金加碳钢管箱的方案要较为节省费用。
清晰管子的内部较之清洗其外部要更为容易。
假如两侧流体中有表压超过2068KPa(300 Psig)的，较为节约的结构形式是将高压流体安排在管侧。
对于给定的压降，壳侧的传热系数较管侧的要高。
换热器的停运最通常的原因是结垢、腐蚀和磨蚀。
建造规则“压力容器建造规则，第一册”也就是《ASME锅炉及压力容器规范Section VIII , Division 1》, 用作换热器的建造规则时提供了最低标准。一般此标准的最新版每3年出版发行一次。期间的修改以附录形式每半年出一次。在美国和加拿大的很多地方，遵循ASME 规则上的要求是强制性的。最初这一系列规范并不是为换热器制造所准备的。但现在已添加了固定管板式换热器上管板与壳体间的焊接接头的有
关规定，并且还包含了一个非强制性的有关管子－管板接头的附件。目前ASME 正在研究有关换热器的其他规定。
列管式换热器制造商协会标准, 第6版., 1978 (通常引称为TEMA 标准*), 用作在除套管式换热器而外的所有管壳式换热器的应用中对ASME规则的补充和说明。TEMA “R级”设计就是“用于石油及相关加工应用的一般性苛刻要求。按本标准制造的设备是设计目的在于在此类应用中严苛的保养和维修条件下的安全性、持久性。”TEMA “C级”设计是“用于商用及通用加工用途的一般性适度要求。”而TEMA“B级”是“用于化学加工用途”
*译者注：这已经不是最新版的，现在已经出到1999年第8版
3种建造标准的机械设计要求都是一样的。各TEMA级别之间的差异很小，并已由Rubin 在Hydrocarbon Process., 59, 92 (June 1980) 上做了归列。
TEMA标准所讨论的主题是：命名原则、制造公差、检验、保证、管子、壳体、折流板和支撑板，浮头、垫片、管板、管箱、管嘴、法兰连接端及紧固件、材料规范以及抗结垢问题。
API Standard 660, 4th ed., 1982*，一般炼油用途的管壳式换热器是由美国炼油协会出版的，以补充TEMA标准和ASME规范。很多从事化学和石油加工的公司都有其自己的标准以对以上各种要求作出补
充。关于规范、标准和个客户的规定之间的关系已由F. L. Rubin编辑结集，由ASME 在1979年出版了(参见佩里化学工程师手册第6章关于压力容器规定的讨论)。
*译者注：这已经不是最新版的，现在已经出到2001年第6版
换热器的设计压力和设计温度通常都在确定时都在预计的工作条件上又给了一个安全裕量。一般设计压力比操作中的预计最高压力或关泵时的最高压力要高大约172KPa(25 Psi)；而设计温度则通常较最高工作温度高14°C (25°F)。
管束振动随着折流板换热器被设计用于流量和压降越来越高的场合，由管子振动带来的损
坏日益严重。处理这种问题最为有效的办法就是通过采用只会有助于纵向流动的管子支撑档板而避免出现错流情况。但是即使如此，仍需对壳程管嘴入口下方的管束区严加注意：此处的流动是从壳体侧面引入的。TEMA 标准中专门为此设立了一章。一般说来，管子的振动机理是：
漩涡脱体流体错流流过管子时的漩涡脱体频率可能会与管子的固有频率相符，进而激发起很大的共振振幅。
流体弹性耦合流过管子的流体导致管子发生涡动式的振动。当流速超过某临界值时，流体弹性耦合的机制出现，振动就变为自激振动，振幅增长。这一机理在遭受振动破坏的工艺换热器上经常发生。
压力脉动由紧随在圆柱体之后或由上游带往圆柱体而发生的湍流压力波动会给管子的振动造成潜在的机理。管子会对接近其固有频率的那部分能谱作出响应。
声耦合当壳程流体为低密度的气体时, 假如壳程驻波的相位和从管子上脱落的漩涡频率相位相同，声学共振或耦合就会发生。驻波垂直于管子的轴线和错流的方向。管子的损坏很少会发生，但是其噪声会非常令人难受。
检查当预制完毕或是维护期间，如能对列管式换热器的壳程做水压试验以便在管头侧做外观检验则是很理想的。这样就很容易地确定泄漏管子的位置并做出维修。假如确定出的漏点无法从管端接近，则有必要对所有的管子－管板连接做再轧制或重焊接，而这有可能给完好的连接处带来损害。
换热器泄漏的测试已有Rubin 在Chem. Eng., 68, 160–166 (July 24, 1961)上做了研究。
性能换热器的性能测试已由美国化学工程师学会在“换热器测试标准程序第一部分：管壳式设备的显热传导”中做了描述。
主要的结构形式进出京最新规定
图11-36所示为TEMA规格的管壳式换热器的结构细节。有关此类及其他类型的换热器的详细讨论见下面数节。
固定管板式换热器固定管板式换热器(图. 11-36b) 的使用频率较其他各种换热器要高，并且其使用频率近年来日益提高。其管板式焊在壳体上的。一般其管板会在壳体上延伸出去兼做为与管侧联箱相紧固连接的法兰。这种结构的换热器需要壳体与管板的材料可以相互焊接。
假如两部分的材质不能相互焊接，则使用一种“盲死的”垫片结构。一旦设备制造好，这种盲垫片在维修时无法接触和更换。这种结构的换热器可用于操作在真空下的蒸汽表面冷凝器。管程的联箱(或管箱)可能会是如图11-35所示的C型或N型式焊到管板上的。焊上以后的结构比B/M或A/L型管箱的优势在于花钱更少，并且可在不必扰动管侧连接的情况下对
换热管做检测和更换。
对于管侧的程数没有限制。而壳程的程数可以取1也可以更多—尽管多于两程的壳体比较少见应用。布管可以完全填满换热器的壳体。在布管区最外层和壳体之间所留的间隙仅是为了制造时的最低需要。而在壳体内部与折流板之间也必须留有一定的间隙以便折流板可以滑入壳体。由于制造公差的缘故在折流挡板的外缘和布管区最外层之间还要留有一定的附加间隙。在外管限(OTL)和折流挡板直径间的边距必须留的足够以防止管子因为振动而穿透挡板上开孔。布管区最外层的管子必须限制在OTL之内。在壳体内径和OTL之间的间隙：对壳体内径为635mm及以上的，间隙为13mm；对内径为254至610mm 的钢管制壳体，间隙为11mm；对于更小的钢管制壳体间隙可取得更小些。
管子是可以更换的。管侧联箱，管箱盖板，垫片等都是易于检修和更换的。而壳程的挡板结构和盲垫片则是不可拆卸的。移走管子时管子可能会在壳体内断裂，假如有此情况发生，则想再移走或是更换此管子都是极为困难的。通常采取的做法是将管板上的相应洞口堵死。
由于热膨胀的长度不同会使课题和管子的长度产生差异，引发不均匀膨胀。可以使用各种膨胀节以消除由于膨胀引起的过剩的应力。是否需要使用膨胀节取决于不均匀膨胀的量以及预期的操作循环工况。可以使用的膨胀节有很多种。(图. 11-37).
a. Flat plates(平板式).两块同心的平行板，其外边缘处有一连杆。平板可以挠曲以对局部膨胀作出某些修正。此种设计通常用于真空及表压低于103Kpa的场合。局部膨胀发生时所有的焊点都受到危险应力。
b. Flanged-only heads（凸缘接头式? ）.两片平板是凸缘式的，或弧形的。接头的直径一般要比壳体直径大203mm(或以上). 局部膨胀发生时在壳体上的焊点仍承受前述的应力，但是连接接头的部分所受应力则因为弧形的形状而要小一些。
c. Flared shell or pipe segments(扩径壳体或扩口管段).壳体扩径以连接一管段，或管段剖半或一剖四以做成一个环。
d. Formed heads(成型加工头).可用形式为：一对碟型或椭圆型或凸缘碟型头。两部分焊在一起或是用一环形连接。该连接形式类似于凸缘接头式膨胀节但所受应力明显要小。
e. Flanged and flu e d heads(凸缘接头加烟道孔式).一对凸缘式接头上带有两个同心反向烟道孔。由于此烟道操作这对接头的费用较高。接头呈弧形降低了壳体上和连接部焊点所承受的应力。
f. Toroidal (环形膨胀节).环形膨胀节在数学上可以预期有一个较低量级的平滑的应力模型。其最大应力点在波纹的侧壁，最小应力点在波纹的顶部和底部。
前述设计已经由Kopp 和Sayre在“Expansion Joints for Heat Exchangers” (ASME Misc. Pap., vol. 6, no.
211)中作为环形膨胀圈加以研究过。所有的对象都属于静不定问题，但通过引进各种简化假定而做了分析。目前工业上使用某些膨胀节比之于上文中所讨论的模型属于
更薄壁的结构。