走管程还是走壳程？管壳式换热器的流体分配方法
哪种流体走管内、哪种走壳程，是管壳式换热器设计中最先要定的事情之一。它影响价格、材料、清洗方式和使用寿命。采购方常常把这个选择留给供应商，但很多情况采购方比供应商更清楚：哪种流体容易结垢，哪种有腐蚀性，工厂平时怎么清洗设备，两种流体互相泄漏会有什么后果。
本文总结工程师常用的经验规则，说明它们在哪里会互相冲突，并列出应该告诉供应商的信息，让报价里的流体分配真正适合你的工厂。本站产品目录里有固定管板式、U 形管式、浮头式和填料函式的管壳式换热器。具体项目可以通过询价表提交两侧流体的数据。
1. 常用规则一览
下表综合了两份常用资料：Sinnott 编写的《Coulson & Richardson's Chemical Engineering》第 6 卷中的流体分配规则，以及 Andrew Sloley 在《Chemical Processing》杂志上关于"选对一侧"的专栏。两者都强调，这些只是指导原则，不是定律。
| 情况 | 通常走哪侧 | 原因 |
|---|---|---|
| 压力较高 | 管程 | 小直径的管子用较少的金属就能承受高压，高压管程比高压壳体便宜 |
| 有腐蚀性 | 管程 | 只有管子、管板、管箱和封头需要用昂贵的合金；腐蚀性流体走壳程，整台换热器都要用合金 |
| 易结垢 | 管程 | 直管比壳程容易清洗，管内流速也可以保持较高，有助于减少结垢 |
| 温度高 | 管程 | 如果温度高到需要特殊合金，可以少用合金；温度适中时，壳体温度较低，需要的保温也少 |
| 蒸气 | 壳程 | 蒸气体积大、传热系数低，壳程流通面积大，压降小 |
| 冷凝流体 | 多数走壳程 | 冷凝温度范围宽的混合物要特别注意 |
| 高黏度液体 | 壳程（前提是能形成湍流） | 折流板在较低雷诺数下就能产生湍流；Sinnott 给出壳程湍流的临界雷诺数约为 200 |
| 流量较小 | 壳程 | Sinnott 指出这样通常最经济 |
冷却水是最典型的例子。它会结垢，也可能有腐蚀性，所以一般走管程：管子可以清洗，也可以选用更好的材料，而不必让整台换热器都变贵。
2. 压降：两份资料的说法不同
在压降问题上，两份资料的方向相反。Sinnott 认为，在相同压降下管程的传热系数更高，所以允许压降最小的流体应走管程。Sloley 则认为，允许压降小的流体应走壳程，因为通过选择折流板的切口、间距和形式，几乎可以满足任何压降要求；他还指出，真空工况几乎总是走壳程。
实际的结论是：当允许压降决定设计时，没有哪条规则能直接给出答案。请供应商把两种分配方案都算一遍，比较换热面积、压降和价格。
3. 结构形式会改变答案
上面的规则假定两侧都能清洗，而这取决于换热器的结构。
| 结构 | 对流体分配的影响 |
|---|---|
| 固定管板式 | 管束不能抽出，壳程无法机械清洗。Sloley 指出，固定管板结构要求壳程走清洁流体，除非污垢很容易用化学方法清除。壳体和管子温差大时，还可能需要膨胀节 |
| U 形管式 | 管束可以抽出，壳程可以清洗；但 U 形管内部比直管难清洗，所以有时会把易结垢流体放在壳程，同时采用螺旋折流板等措施 |
| 浮头式 | 两侧都能清洗，管束可以抽出，但造价更高 |
所以流体分配和结构形式应该一起决定。如果你的工厂只能做化学循环清洗，要说明；如果能高压水射流清洗管子，但没有抽管束的空间，也要说明。
4. 规则冲突时怎么办
实际工况里，常常有两条规则指向相反的方向。几个常见情况：
- 高压清洁流体对低压易结垢的冷却水。 按压力，清洁流体应走管程；按结垢，冷却水应走管程。答案取决于压力有多高、冷却水结垢有多快，以及设备打算怎么清洗。
- 既黏又易结垢的流体。 走壳程传热更好，但壳程要清洗，就需要可抽出的管束和留有清洗通道的排管方式。Sloley 还提醒，壳程压降过高会造成流体绕过折流板的旁流，以及管子振动。
- 可能凝固的流体。 Sloley 建议，凝固风险高的工况尽量不用管壳式换热器。如果必须用，把这种流体放在管程，管束堵死后可以抽出更换。
情况不明确时，请供应商对两种分配方案都报价并做热力计算。两者在面积和价格上的差别往往比预想的小，把两个方案放在一起比较，取舍就一目了然。
5. 两个常见例子
蒸汽加热器。 冷凝的蒸汽通常走壳程，工艺流体走管程。这样壳程需要良好的凝结水排放，还要有不凝气的排放口。所有蒸汽加热器都会遇到的凝结水和失速问题，见我们的板式换热器蒸汽工况指南。
水冷却器。 冷却水走管程，工艺流体走壳程。如果是海水，管材就成了最主要的决定；见船舶和海水换热器采购清单。
6. 两种流体绝对不能混合时
流体分配本身防止不了泄漏。如果一种流体绝不能进入另一种，比如两者会发生反应，或者产品不允许被污染，要在一开始就和供应商讨论。两种常见做法是双管板结构和压力高低的规定。双管板能让管子与管板连接处的泄漏排到外面，而不是进入另一种流体；但如果是管壁本身破裂，双管板就起不了作用，所以还要问供应商怎么应对这种情况，比如管材、壁厚、泄漏试验和检验。让更关键的流体保持较高压力，那么无论哪里泄漏，包括管壁破裂，都是从它这一侧往外漏。
7. 要告诉供应商什么
| 每种流体的信息 | 为什么重要 |
|---|---|
| 操作压力和设计压力 | 决定哪一侧需要承压 |
| 操作温度和设计温度 | 决定材料、保温和热膨胀 |
| 流量和允许压降 | 决定流速和折流板设计 |
| 结垢倾向、固体颗粒，以及已知的污垢系数 | 决定哪一侧必须能清洗 |
| 腐蚀性成分，例如氯离子、H2S 或酸 | 决定哪一侧需要用合金 |
| 整个温度范围内的黏度 | 决定壳程能否形成湍流 |
| 相变 | 冷凝还是沸腾，在什么温度范围内 |
| 现场清洗方式 | 机械清洗、高压水射流还是化学清洗，有没有抽管束的空间 |
| 泄漏后果 | 是否需要双管板或压力高低的规定 |
请供应商在数据表上写明哪种流体走哪一侧、为什么，并注明有意没有遵循哪些常用规则。另可参考询价前应提供哪些数据和管壳式换热器制造商采购清单。
8. 对采购的意义
大多数流体分配都遵循几条简单的规则：压力、腐蚀和结垢通常把流体推向管程，而蒸气、冷凝流体、高黏度液体和小流量流体通常走壳程。结构形式和现场能做的清洗方式会改变这个答案，有些规则（比如压降）还要看具体设计。能书面说明分配理由、在方案接近时把另一种方案也算出来的供应商，比只填一张数据表的供应商更好合作。
资料来源和相关页面
- Andrew Sloley，"Shell-and-Tube Heat Exchanger: Pick the Right Side"，《Chemical Processing》，2013 年：https://www.chemicalprocessing.com/processing-equipment/fluid-handling/article/11340603/shell-and-tube-heat-exchanger-pick-the-right-side-chemical-processing
- R. K. Sinnott，《Coulson & Richardson's Chemical Engineering》第 6 卷《Chemical Engineering Design》，流体分配（壳程还是管程）一节
- HeatEx Direct 管壳式换热器：https://heatexdirect.com/zh/products/siping-viex-heat-exchange-equipment-co-ltd/tubular-heat-exchanger
- HeatEx Direct 板式与管壳式换热器选型指南：https://heatexdirect.com/zh/industry-news/posts/plate-heat-exchanger-vs-shell-and-tube-selection-guide