12.1水冷却器结构组成
水冷却器的主要构件包括管子、折流板、壳体、前封头、后封头、管板、接管等。对于一些固定管板式的冷却器，膨胀节是重要的部件。这些部件的组合选择取决于操作压力与温度、热应力、流体的腐蚀特性、结垢性、可清洗性以及费用等。每一构件都有很多几何变量。
1.管子
冷却器中使用横截面呈圆形的管子。由于冷却器中的传热在管子表面，从性能的角度来考虑管子几何变量的选择显得非常重要。管子应该能承受：
（1）两侧的操作温度与压力；
（2）壳体和管束之间不同的热膨胀引起的热应力；
（3）管程和壳程流体的腐蚀性。
管子分类有二种：即直管和U形管。从实际使用中管子又可分为：
①普通管
②翅片管
③双层金属管
④强化表面管（目前几乎没有采用）
各类管子技术参数：
（1）管子直径。管子的大小由管外径和管壁厚度决定。从传热的角度来看，小管径的管子能获得较高的传热系数，从而冷却器也较紧凑。但大管径的管子易于清洗，更强固，当允许的管侧压降很小时需要用到这种管子。几乎所有的换热器的管子外径在6～50mm之间，6.35、9.53、12.70、15.88、19.05、22.23、25.40、31.75、38.10及50.80mmm。
目前用的管子尺寸最普遍的是9mm和19mm。
（2）管壁厚度。管壁厚度根据Birmingham线规（BWG）测量。管壁必须分别进行管内外压力或管壁的最大压差测试，但是，很多情况下压力不是管壁厚度的决定性因素。
除了压力，管壁厚度的多少还取决于以下因素：①耐腐蚀；②耐流动诱发振动引起的磨损；③轴向强度，尤其在固定管板式换热器中；④标准化尺寸。
（3）翅片管。当壳侧的传热膜系数比管侧低，管壳式冷却器采用低翅片管，增加壳侧的换热面积。通常在单根翅片管上的翅片呈螺旋状或环状。
管壳式换热器翅片的高度略低于1.59mm时，认为是翅片类型。最常见的翅片宽密为748～1575fpm（翅片/米），这种翅片的地方比光管的直径略小，除了有与光管相同的几何结构变量之外，还有一些其他的几何尺寸，包括翅根直径、翅高、翅间距等。
（4）管长。对于一定的换热面积，最经济的冷却器是用壳体直径尽可能小，管子可能长，并与制造或使用现场的空间相符合的原则制造。因此，应该知道管子的最小限制长度。但是一旦冷却器制造完毕出厂后，由于空间的限制，长的冷却器，尤其是有可移动管束的长冷却器的安装和维护一般很困难。这种情况下，壳体大而短的冷却器更好，尽管单位换热面积的价格要高一此。按照TEMA标准，标准长度有96、120、44、196等几种。
（5）管子的加工方法。冷却器用的管子有焊接的，也有无缝的，焊接管是长条形的材料卷合成圆柱形然后自动焊接而成，无缝管通过挤压或热轧成型，铜和铜合金只能加工成无缝管，目前国内外使用的几乎都是无缝管子。
（6）双层金属管。为满足管侧和壳侧两边特定的工艺要求，目前大部分采用双层金属管。例如，当管子的材料跟壳侧流体匹配但跟管侧流体不匹配时，双层金属管可以使得能满足两边的腐蚀性条件，国外于90年代水冷却器全用双层金属管，国内近几年才用双层管。
（7）管子根数。管子根数取决于流体量和允许的压降。通常要使得管侧水或类似流体的流速为0.9～2.4m/s，壳侧流速为0.6～1.5m/s。最低流速是为了防止结垢，最高流速是为了避免管侧腐蚀、对壳侧的撞击和流动诱发振动。对于带有泥沙和颗粒的流体，高流速可以防止沉积。
（8）管数。符合给定壳体内径的管子总数量，即管数。
管数的技术要求由以下10个方面决定：
①壳体直径；
②管外径；
③管心距；
④管子排列方式——正方形、三角形、转角正方形、转角三角形；
⑤壳体内侧和管束之间的间隙；
⑥冷却器的类型，如固定管板式、U形管式等到；
⑦管侧的程数；
⑧设计压力；
⑨接管直径
⑩拉杆和密封装置所占空间。
确定管数的传统方法通过画出管子的布置图然后计算管数，这种方法比较麻烦、费时，并且容易出错。Phadke建议画一种估算管数的数学方法并列出了考虑不同管子排列方式的管数。该方法无需画出布置图，却能适合任何排列方式，设计者通常使用的均为这种方法。
（9）TEMA标准对U形弯管的要求。形成U形弯曲时，管外径处管壁较薄。根据TEMA标准，弯曲部分最小的管壁厚度应该为：
t0＝t11＋d/4Rb（12‐1）
2.管子排列方式
（1）管心距
管心距的确定要兼顾提高壳侧传热面的紧凑性，较大的管心距可以降低壳侧压降，并能减少结垢，易于清洗。大部分的水冷却器中，管心距至少为管外径的1.25倍，因为管板上的管间小桥可能会在管子连接管板时强度不够。
L＝P－d（12‐2）
（2）管子排列
设计管子排列方式是为了在壳体内装入尽可能多的管子以获得最大的换热面积，排列方式的选择根据工艺条件的要求方便管子清洗来确定。四种标准的管子排列方式是三角形（30°）转角三角形（60°）正方形（90°）、转角正方形（45°）。（注意：管子的排列的角度是根据流动方向而不是根据水平还是垂直参考线来确定，30°、60°、90°，而90°属于正排。）对于正的管心距和流率，壳侧传热膜系数和压降降低的管子排列的顺序为30°、45°、60°、90°，所以90°的排列方式的传热膜系数和压降最低。管子排列方式的选择取决于参数，这些参数有以下6个方面直接影响壳侧性能，进一步而影响换热器的总体性能。
①紧凑性；
②传热；
③压降；
④能否机械清洗；
⑤壳侧是否相相变。
三角形和转角三角形排列。三角形和转角三角形排列（30°和60°）的结构紧凑，壳侧传热膜系数较高，对一定的壳侧流动面积管板较坚固。对于一定的管心距与管外径比，采用这种排列方式约15%的管子可多安装在一定直径的壳体内。
正方形和转角正方形排列。当壳侧需要进行机械清洗时，必须采用45°和90°的排列方式，并且至少要保证有6.35mm管间间隙。对机械清洗理论上没有管外径的最小限制，但实际上6.35mm限制了管外径的最小值为5/8。Shah建议正方形排列用于以下场合：
①壳侧压降有限制，90°的排列方式用于湍流，因为在湍流情况下90°的排列方式有较镐的传热膜系数和较低的压降；
②对于再沸器，正方形排列由于稳定性比较适合。90°的排列方式可以让气相更好地逸出。
三、折流板
折流板用来在壳侧支承管子，保持管间距，引导壳侧流体按照指定的模式横流或沿着管束流动。
（1）折流板分类
折流板通常垂直或平行于管子，折流板可以分为横向或纵向。横向折流板使壳侧流体按一定的角度冲刷管束，可以提高壳侧流体的湍流度。除了X和K型壳体外，每一管壳式换热器都有横向折流板，而X和K型壳体只有支承板。纵向折流板用来控制壳侧流体流动的方向，例如，F，G和H型壳体都有纵向折流板，在F型壳体中，总体上呈逆流。
（2）横向折流板
横向折流板有两种类型：a板式折流板；b杆式折流板。板式折流板又有三种形状，它们分别是：a弓形折流板；b盘环式折流板；c孔板式折流板。
①弓形折流板。弓形折流板是被切除掉一部分后的圆形板（带有折流板孔），大部分的管壳式换热器都使用弓形折流板。被切除掉的部分即折流板切口，一般用壳体内径的百分比来表示，为切口高度H占壳体内径Ds的百分比。这里，弓形折流板指单弓形折流板，错流管束的传热和压降很大程度上受弓形切口大小的影响。弓形切口从20%至49%不等，通常为20%～25%，最佳大小一般为20%，此时单位压降下的传热膜系数最高。小于20%的弓形切口压降较大，随着切口增大到超过20%，流动方式越来越偏离错流，导致形成低流速的滞流区，切口过大或过小都会降低管束的传热性能。
折流板的方位：各弓形折流板相互呈180°交替布置，使得壳侧流体过管束的方式接近错流，而在折流板切口区域为轴向流动。
折流板为水平切口，除了壳侧流体被冷凝外，对单相流体都需用水平缺口的折流板，以减少壳体底部沉淀物的积累，防止壳侧流体分层。
垂直缺口的折流板，用于以下壳侧流动的场合：a冷凝，允许冷凝液自由流动到出口而不过多地淹没管子；b沸腾或冷凝流体，以促进更均匀流动；c液体中夹带固体（使得固体滴落出来时干扰最小）。
②双弓形折流板和多弓形折流板。由于壳侧压降的限制，不同的多弓形折流板被采用以减小板间距和降低错流程度。多弓形折流板的特点是有较大的工口区域，有些还允许液体与管子近乎平行地流动，所以压降很低。在单弓形折流板换热器中，除了泄流和旁路流外，在折流板间的管束上总流动呈错流方式；而在双弓形折流板冷却器中，除了泄流，液体分为两股分别在壳体的两侧流动；在三弓形折流板换热器中，流体则分为三股。为此，双弓形或多弓形折流板的冷却器能处理更大流量的壳侧流体。双弓形和多弓形折流板其他特点如下：
①根据折流板的数目，即双弓形、三弓形或多弓形，壳侧流体的流动分为两股或多股。因此，壳侧流体的流动诱发振动最小；
②板间距不能太小，否则滞流区域很大，流动方式近乎并流（轴向流）。
（3）盘环形折流板
盘环形折流板由交换安置的盘形和环形折流板组成。盘环式折流板冷却器初期用于核能换热器上，在相同长度的管子下，这种折流板的冷却器比单弓形折流板冷却器压降低，减少了旁路流动。
（4）孔式折流板
孔式折流板中，折流板上的管孔很大，使得流体可以在管子和折流板孔之间环隙流过。这种折流板不支撑管子，并且由于结垢，环隙容易堵塞，难于清洗。
这种折流板很少采用。
（5）弓形区不排管折流板
在弓形缺口区域或称折流板窗口区域，通常也会布置管子。由于管子在窗口区域的支撑距离是中间板间距的两倍，容易引起振动。为减少振动，窗口区域不布置管子，从而所有的管子都穿过折流板。采用附加的支承板在主要折流板间支承，以减少管子未受支承的距离，这种设计即弓形区不排管折流板（NTTW）。NTTW有以下特点：
①压降是单弓形折流板的1/3左右；
②壳侧流动均匀，类似于理想的管束，壳侧传热系数高，而不易结垢；
③弓形缺口和不排的管子大约15%～25%；
④窗口区压降和很小，相应地，旁路和泄劲流量小。
NTTW中换热面积减少，可以采用较小弓形缺口和提高壳侧流体速度，或利用较大的壳体直径维持相同数量的管子等办法来补偿。
（6）纵向折流板
纵向折流板将壳体分为两部分或更多部分，在壳侧形成多程流。这种折流板被焊接在壳体和管板上。但也有尝试用几种密封装置在折流板和壳体间密封，不过效果都不太好。Gujpta列出了一些用于折流板和壳体之间密封的装置：
①密封条或多层弹性装置；
②填料装置；
③导槽。
如果折流板不直接与壳体焊接，壳程内会有流体从旁路流过，从而降低传热膜系数，并且很难准确预测，因此最好焊接。
（7）折流杆
菲利浦公司推出的折流杆采用交错排列的折流杆栅代替折流板，管子支承的间距缩短，减少了压降，该设计可以减少流动诱发振动。流动实质上与管子轴线平行，轴向流的结果就是压降低，管子的布置通常为45°或90°。
（8）窝巢状折流板和蛋框式管子支承
这种冷却器设计中，每根管子在V形安置框架中被支撑在一系列弓形中。这些元件根据需要的管子间距和管桥尺寸而设计。液体的流动与管束平行，因些振动问题大大减少。椐称与弓形折流板冷却器相比，相同传热下这种冷却器的压降也会减少。
蛋框网栅支承是一种简单而又经济的换热器管束支承方式，但在应力和高温下会下垂。这种支承一般为不锈钢制成，板条末端焊接在换热器壳体上，按一定的间隔管子与板条焊接相连。这种结构不用常规的管板，因此无需将管子插入管板上的钻孔中。
（9）Grimmas折流板
这种板式折流板是一种专利产品，从体轴流动过程中改善了传热。
4.管板
管板是冷却器的一个重要组成部分，是壳侧和管侧流体之间的一种主要屏障，管板的正确设计对换热器的安全性和可靠性至关重要。管板大部分呈圆形，钻孔规则地分布在管板上。表面冷凝器的管板呈长方形。管板与壳体相连，连接方式或通过焊接（整体式），或通过螺栓（垫片式），或两者都用。
（1）单管板的连接
管子通过以下几种方法与管板连接：a胀接；b焊接；c胀接与焊接；d爆炸焊接；e铜焊。胀接用得最广，目前反映效果也很好。但是，应力太大，压力过高以至可能有泄漏出现或不允许流体间有交叉污染的场合，一般采用焊接。管子和管板的材料不兼容和需在危险条件下施工，可采用爆炸焊接代替传统的焊接。
（2）双管板结构
双管板的设计类型有二种：a常规型双管板设计，在管子的两端和管板；b整体型双管板。
