Un échangeur de chaleur à coque-et-à tubes se compose d'une coque, d'un faisceau de tubes de transfert de chaleur, d'une plaque tubulaire, de déflecteurs et d'une boîte à tubes. La coque est généralement cylindrique, contenant le faisceau de tubes, dont les deux extrémités sont fixées à la plaque tubulaire. Les deux fluides échangeant de la chaleur sont appelés fluide côté tube-fluide côté coque-fluide ; on circule à l'intérieur des tubes. Pour améliorer le coefficient de transfert thermique du fluide à l'extérieur des tubes, plusieurs chicanes sont généralement installées à l'intérieur de la calandre. Ces déflecteurs augmentent la vitesse du fluide côté coque-, le forçant à traverser latéralement le faisceau de tubes plusieurs fois le long d'un chemin prédéterminé, augmentant ainsi les turbulences. Les tubes d'échange thermique peuvent être disposés en triangle équilatéral ou en carré sur la plaque tubulaire. Un agencement triangulaire équilatéral est plus compact, ce qui entraîne des turbulences plus élevées et un coefficient de transfert de chaleur plus élevé ; une disposition carrée facilite le nettoyage de l'extérieur des tubes et convient aux fluides sujets au tartre.
Les principaux paramètres de contrôle d'un échangeur de chaleur à calandre-et-à tubes sont la surface de chauffage, le débit d'eau chaude, la capacité d'échange thermique et les paramètres du fluide caloporteur.
Un passage du fluide à travers le faisceau de tubes est appelé un passage de tube ; un passage à travers la coque est appelé un passage de coque. Le diagramme montre l'échangeur de chaleur le plus simple à-coquille-passe, à simple-tube-passe, souvent abrégé en échangeur de chaleur de type 1-1. Pour augmenter la vitesse du fluide à l'intérieur des tubes, des déflecteurs peuvent être installés dans les faisceaux de tubes aux deux extrémités, divisant tous les tubes en plusieurs groupes. De cette manière, le fluide ne traverse qu'une partie des tubes à la fois, traversant ainsi le faisceau de tubes plusieurs fois ; c'est ce qu'on appelle le passage multi-tubes. De même, pour augmenter la vitesse d'écoulement à l'extérieur des tubes, des déflecteurs longitudinaux peuvent être installés à l'intérieur de la coque, forçant le fluide à traverser plusieurs fois l'espace de la coque ; c'est ce qu'on appelle une passe multi-shell. Des échangeurs de chaleur à passages multi-tubes et à passages multi-coquilles peuvent être utilisés en combinaison.