化工人必须掌握的换热器知识

管壳式换热器又称列管式换热器。是以封闭在壳体中管束的壁面作为传热面的间壁式换热器。这种换热器结构较简单，操作可靠，可用各种结构材料（主要是金属材料）制造，能在高温、高压下使用，是目前应用最广的类型。今天我们就来借鉴学习一下管壳式换热器的相关知识内容。

管壳式换热器由壳体、传热管束、管板、折流板（挡板）和管箱等部件组成。壳体多为圆筒形，内部装有管束，管束两端固定在管板上。

进行换热的冷热两种流体，一种在管内流动，称为管程流体；另一种在管外流动，称为壳程流体。为提高管外流体的传热分系数，通常在壳体内安装若干挡板。

挡板可提高壳程流体速度，迫使流体按规定路程多次横向通过管束，增强流体湍流程度。

换热管在管板上可按等边三角形或正方形排列。等边三角形排列较紧凑，管外流体湍动程度高，传热分系数大；正方形排列则管外清洗方便，适用于易结垢的流体。

流体每通过管束一次称为一个管程；每通过壳体一次称为一个壳程。图示为最简单的单壳程单管程换热器,简称为1-1型换热器。为提高管内流体速度,可在两端管箱内设置隔板，将全部管子均分成若干组。

这样流体每次只通过部分管子，因而在管束中往返多次，这称为多管程。同样，为提高管外流速，也可在壳体内安装纵向挡板，迫使流体多次通过壳体空间，称为多壳程。多管程与多壳程可配合应用。

管壳式换热器由于管内外流体的温度不同，因之换热器的壳体与管束的温度也不同。如果两温度相差很大，换热器内将产生很大热应力，导致管子弯曲、断裂，或从管板上拉脱。

因此，当管束与壳体温度差超过50℃时，需采取适当补偿措施，以消除或减少热应力。根据所采用的补偿措施，管壳式换热器可分为以下几种主要类型：

①固定管板式换热器管束两端的管板与壳体联成一体，结构简单,但只适用于冷热流体温度差不大,且壳程不需机械清洗时的换热操作。当温度差稍大而壳程压力又不太高时，可在壳体上安装有弹性的补偿圈，以减小热应力。

一般来说，管壳式换热器制造容易，生产成本低，选材范围广，清洗方便，适应性强，处理量大，工作可靠，且能适应高温高压。虽然它在结构紧凑性、传热轻度和单位金属消耗量方面无法与板式和板翅式换热器相比，但它由于具有前述的一些优点，因而在化工、石油能源等行业的应用中仍处于主导地位。

管壳式换热器是把管子与管板连接，再用壳体固定。它的型式大致分为固定管板式、釜式浮头式、U型管式、滑动管板式、填料函式及套管式等几种，前面我们简要介绍过。

根据介质的种类、压力、温度、污垢和其他条件，管板与壳体的连接的各种结构型式特点，传热管的形状和传热条件，造价，维修检查方便等情况来选择设计制造各种管壳式换热器。

管壳式换热器结构及制造标准

一般来说，管壳式换热器制造容易，生产成本低，选材范围广，清洗方便，适应性强，处理量大，工作可靠，且能适应高温高压。虽然它在结构紧凑性、传热轻度和单位金属消耗量方面无法与板式和板翅式换热器相比，但它由于具有前述的一些优点，因而在化工、石油能源等行业的应用中仍处于主导地位。

管壳式换热器是把管子与管板连接，再用壳体固定。它的型式大致分为固定管板式、釜式浮头式、U型管式、滑动管板式、填料函式及套管式等几种，前面我们简要介绍过。

根据介质的种类、压力、温度、污垢和其他条件，管板与壳体的连接的各种结构型式特点，传热管的形状和传热条件，造价，维修检查方便等情况来选择设计制造各种管壳式换热器。

管壳式换热器结构及制造标准

管壳式换热器：是以封闭在壳体中管束的壁面作为传热面的间壁式换热器，这种换热器结构较简单、操作可靠，可用各种结构材料（主要是金属材料）制造，能在高温、高压下使用，是目前应用最广的类型。（设计制造遵循标准：国外 TEMA   ASME   国内  GB151、GB150）

单弓形折流板：优点是可以达到最大的错流，缺点是压降较高，且窗口的管束容易发生振动；设计要点是折流板圆缺率在17%-35%之间，折流板间距在0.2-1.0倍的壳径。此种类型折流板适用于大部分场合。

NITW：该折流板窗口不布管，管子支撑完美，不引起管束振动，缺点是相同的壳径大小，布管数较少，需要的壳体直径大。设计要点：15%的折流板圆缺率。适合的场合是气体振动和压降受限。

双弓形折流板：优点是压降低，更好的规避振动的问题；缺点是大的窗口流动面积；设计要点：5%-30%的圆缺率，默认两排管重叠；适合场合时振动和压力受限的换热器（相对于单弓形折流板来说）。

螺旋折流板：分为单螺旋折流板和双螺旋折流板优点是换热好，压降低，流动均匀；缺点是制造困难；设计要点是螺旋角度5-45°，适合的场合时压降受限，容易结垢的场合。

折流杆：优点是支撑优，流动均匀，压降低基本无振动问题；缺点是低的换热效果；管子布置只能为45°和90°；适合场合是低压降气体冷凝和换热。

窝巢型：支撑优，流动均匀，压降低；缺点是比换热效果不好，设计基本无要求。

蛋框型：支撑好，制造经济；缺点是高温应力下发生变形；设计基本无要求。

换热设备的类型很多，对每种特定的传热工况，通过优化选型都会得到一种最合适的设备型号，如果将这个型号的设备使用到其他工况，则传热的效果可能有很大的改变。因此，针对具体工况选择换热器类型，是很重要和复杂的工作。对管壳式换热器的设计，有以下因素值得考虑。

1、流速的选择

流速是换热器设计的重要变量，提高流速则提高传热系数，同时压力降与功耗也会随之增加，如果采用泵送流体，应考虑将压力降尽量消耗在换热器上而不是调节阀上，这样可依靠提高流速来提高传热效果。

采用较高的流速有两个好处：一是提高总传热系数，从而减小换热面积；二是减少在管子表面生成污垢的可能性。但是也相应的增加了阻力和动力的消耗，所以需要进行经济比较才能最后确定适宜的流速。

此外在选择流速上，还必须考虑结构上的要求。为了避免设备的严重磨损，所算出的流速不应超过最大允许的经验流速。

以下的三个表格分别表示了介质的流速范围和水在管内的流速余材质的关系等。

2、允许压力降的选择

选择较大的压力降可以提高流速，从而增强传热效果减少换热面积。但是较大的压力降也使得泵的操作费用增加。合适的压力降值需要以换热器年总费用为目标，反复调整设备尺寸，进行优化计算而得出。

在大多数设备中，可能会发现一侧的热阻明显的高于另一侧，此侧的热阻成为控制热阻。可壳程的热阻是控制侧时，可以用增加折流板块数或者缩小壳径的方法，来增加壳侧流体流速、减少传热热阻，但是减少折流板间距是有限制的，一般不能小于壳径的1/5或50mm。当管程的热阻是控制侧时，则依靠增加管成熟来增加流体流速。

在处理粘稠物料时，如果流体处于层流流动则将此物料走壳程。由于在壳程的流体流动易达到湍流状态，这样可以得到较高的传热速率，还可以改进对压力降的控制。

下图为不同介质在不同设备类型中的允许压力降参考值：

3、管壳程流体的确定

主要根据流体的操作压力和温度、可以利用的压力降、结构和腐蚀特性，以及所需设备材料的选择等方面，考虑流体适宜走哪一程。下面的因素可供选择时考虑：

适于走管程的流体有水和水蒸气或强腐蚀性流体；有毒性流体；容易结构的流体；高温或高压操作的流体等。

适于走壳程的流体有塔顶馏出物的冷凝；烃类的冷凝和再沸；管件压力降控制的流体；粘度大的流体等。

当上述情况排除后，介质走哪一程的选择，应着眼于提高传热系数和最充分的利用压力降上。由于介质在壳程的流动容易达到湍流（Re≥100），因而将粘度大的或流量小的流体，即雷诺数低的流体走壳程一般是有利的。

反之，如果流体在管程能够达到湍流时，则安排走管程较合理。若从压力降的角度考虑，一般是雷诺数低的走壳程合理。

4、换热终温的确定

换热终温一般由工艺过程的需要确定。当换热终温可以选择时，其数值对换热器是否经济合理有很大的影响。在热流体出口温度与冷流体出口温度相等的情况下，热量利用效率最高，但是有效传热温差最小，换热面积最大。

另外，在确定物流出口温度时，不希望出现温度交叉现象，即热流体出口温度低于冷流体出口温度。

5、设备结构的选择

对于一定的工艺条件，首先应确定设备的形式，例如选择固定管板形式还是浮头形式等。参照下表1-7.

在换热器设计过程中，强化传热总的目标概括有：在给定换热量下减少换热器的尺寸；提高现有换热器的性能；减小流动工质的温差；或者降低泵的功率。

传热过程是指两种流体通过硬设备的壁面进行热交换的过程，按照流体的传热方式基本上可以分为无相变和有相变两种类型。无相变过程强化传热技术的研究，一般依据控制热阻侧而采取相应的措施：

如采用扩展管内或者管外表面；采用管内插异物；改变管束支撑件形式；加入不互溶的低沸点添加剂等方法，以增强传热效果。

螺纹管性能特点

在管子类型中，螺纹管属于管外扩展表面的类型，在普通换热管外壁轧制成螺纹状的低翅片，用以增加外侧的传热面积。螺纹管表面积比光管可扩展1.6-2.7倍，与光管相比，

当管外流速一样时，壳程传热热阻可以缩小相应的倍数，而管内流体因管径的减小，则压力降会略有增大。螺纹管比较适宜于壳程传热系数相当于管程传热系数1/3-3/5的工况。

1 产生原因

①垫圈承压不足、腐蚀、变质。
②螺栓强度不足，松动或腐蚀。
③法兰刚性不足与密封面缺陷。
④法兰不平或错位，垫片质量不好。

2 处理方法
①紧固螺栓，更换垫片。
②螺栓材质升级、紧固螺栓或更换螺栓。
③更换法兰或处理缺陷。
④重新组对或更换法兰，更换垫片。

1 产生原因

①换热管结垢。
②水质不好、油污与微生物多。
③隔板短路
2 处理方法
①化学清洗或射流清洗垢污。
②加强过滤、净化介质，加强水质管理。
③更换管箱垫片或更换隔板。

1 产生原因  

壳内、管内外结垢

2 处理方法  

用射流或化学清洗垢物

1 产生原因
①因介质频率引起的共振。
②外部管道振动引起的共振。
2 处理方法

①改变流速或改变管束固有频率。
②加固管道，减小振动。 

板式换热器常见故障有串液、外漏、压降过大、供热温度不能满足要求四个方面。

1 产生原因
①由于板材选择不当导致板片腐蚀产生裂纹或穿孔。
②操作条件不符合设计要求。
③板片冷冲压成型后的残余应力和装配中夹紧尺寸过小造成应力腐蚀。
④板片泄漏槽处有轻微渗漏，造成介质中有害物质浓缩腐蚀板片，形成串液。
2 处理方法   

 ①更换有裂纹或穿孔板片，在现场用透光法查找板片裂纹。
②调整运行参数，使其达到设计条件。
③换热器维修组装时夹紧尺寸应符合要求，并不是越小越好。
④板片材料合理匹配。

1 产生原因
①夹紧尺寸不到位、各处尺寸不均匀(各处尺寸偏差不应大于3 mm)或夹紧螺栓松动。
② 部分密封垫脱离密封槽，密封垫主密封面有脏物，密封垫损坏或垫片老化。
③ 板片发生变形，组装错位引起跑垫。
④在板片密封槽部位或二道密封区域有裂纹。
2 处理方法
① 在无压状态，按制造厂提供的夹紧尺寸重新夹紧设备，尺寸应均匀一致，压紧尺寸的偏差应不大于±0．2N (mm)(N 为板片总数)，两压紧板间的平行度应保持在2 mm 以内。
② 在外漏部位上做好标记，然后换热器解体逐一排查解决，重新装配或更换垫片和板片。
③ 将开换热器解体，对板片变形部位进行修理或者更换板片。在没有板片备件时可将变形部位板片暂时拆除后重新组装使用。
④ 重新组装拆开的板片时，应清洁板面，防止污物粘附着于垫片密封面。

1  产生原因
①运行系统管路未进行正常吹洗，特别是新安装系统管路中许多脏物(如焊渣等)进入板式换热器的内部，由于板式换热器流道截面积较窄，换热器内的沉淀物和悬浮物聚集在角孔处和导流区内，导致该处的流道面积大为减小，造成压力主要损失在此部位。
② 板式换热器首次选型时面积偏小，造成板间流速过高而压降偏大。
③ 板式换热器运行一段时间后，因板片表面结垢引起压降过大。
2  处理方法
①清除换热器流道中的脏物或板片结垢，对于新运行的系统，根据实际 情况每周清洗一次。
②二次循环水最好采用经过软化处理后的软水，一般要求水中悬浮物质量浓度不大于5 mg／L、杂质直径不大于3 mm、pH≥ 7。
当水温不大于95℃时，Ca 、Mg 浓度应不大于2 mmol／L；
当水温大于95℃ 时，Ca 、Mg 浓度应不大于0．3 mmol／L、溶解氧质量浓度应不大于0．1 mg／L。
③对于集中供热系统，可以采用一次向二次补水的方法。

1 、管束的腐蚀、磨损造成管束泄露或者管束内结垢造成堵塞引起故障

冷却水中含有铁、钙、镁等金属离子及阴离子和有机物，活性离子会使冷却水的腐蚀性增强，其中金属离子的存在引起氢或氧的去极化反应从而导致管束腐蚀。同时，由于冷却水中含有Ca2+、Mg2+离子，长时间在高温下易结垢而堵塞管束。
为了提高传热效果，防止管束腐蚀或堵塞，采取了以下几种方法：
（1）对冷却水进行添加阻垢剂并定期清洗。
例如对煤气冷却器的冷却水采用离子静电处理器或投加阻垢缓蚀剂和杀菌灭藻剂，去除污垢，降低冷却水的硬度，从而减小管束结垢程度。
（2）保持管内流体流速稳定。
如果流速增大，则导热系数变大，但磨损也会相应增大。民生煤化对地下水泵进行了变频改造，使地下水管网压力比较稳定，提高了热交换器换热效果和降低了管束腐蚀。 
（3）选用耐腐蚀性材料(不锈钢、铜)或增加管束壁厚的方式。
（4）当管的端部磨损时，可在入口200mm长度内接入合成树脂等保护管束。
2、振动造成的故障
造成振动的原因包括：
由泵、压缩机的振动引起管束的振动；由旋转机械产生的脉动；
流入管束的高速流体（高压水、蒸汽等）对管束的冲击。
降低管束的振动常采用以下方法：
（1）尽量减少开停车次数。
（2）在流体的入口处，安装调整槽，减小管束的振动。
（3）减小挡板间距，使管束的振幅减小。
（4）尽量减小管束通过挡板的孔径。

法兰盘的泄漏是由于温度升高，紧固螺栓受热伸长，在紧固部位产生间隙造成的。

因此，在换热器投入使用后，需要对法兰螺栓重新紧固。
换热器内的流体多为有毒、高压、高温物质，一旦发生泄漏容易引发中毒和火灾事故，
在日常工作中应特别注意以下几点：
 尽量减少密封垫使用数量和采用金属密封垫；

采用以内压力紧固垫片的方法；

采用易紧固的作业方法。