管壳式换热器结构设计与性能分析

    邹时晨

    摘 要：换热器，是将热流体的热量传递给冷流体的设备，因此也被称之为热交换器。在当前石油、化工等工业生产中，需要进行热量的交换，需要不同类型的换热器，满足各行各业的需求。热交换器在工业生产中占据重要地位，它既可以是一种单元设备，也可以是工艺设备的组成部分，这样凸显了工业生产中对换热器多样性的需求，也要求对这些换热器结构、性能，有着清晰的了解，才能够在生产环节恰当的使用，确保生产过程的顺利进行。本文主要从管壳式换热器的发展背景以及管壳式换热器的技术发展，这两方面进行阐述。

    关键词：管壳式换热器;性能;结构设计

    换热器，在工业生产过程中使用较为广泛的一种小型部件。随着经济的发展，换热器也开始朝着精细化的方向发展，这些是换热器自身的发展要求以及市场对其发展要求。管壳式换热器作为一种应用面广的压力容器，其发展还有很长一段路要走，我们还需要投入更多的科研力量，在实践中不断完善，让其更好地为工业服务。当然了，管壳式换热器的发展，也受到技术、材料等限制，需要从当前发展中的短板出发，有针对性的改良，才能够规避这些缺点，让管壳式换热器在工业生产中发光、发热。

    一、管壳式换热器的发展背景

    （一）换热器的发展

    在20世纪20年代开始出现换热器，主要应用于食品行业，这种利用板代管制成的换热器，结构较为紧凑，传热效果也比较好。随着科学技术的发展，换热器的材质发生了第一次变化。30年代，瑞典出现了螺旋板换热器，随后出现了板壳换热器。换热器的使用范围越来越广，人们也开始探求换热器的材料，以便解决强腐蚀性介质的换热问题。60年代，经济的发展以及科技的进步，为换热器的发展又带来一次革命，冲压、密封等技术的发展让换热器的工业得到进一步的发展，也让其适用范围进一步拓展。充分适应高温、节能等需求，管壳式换热器得到进一步发展，随之在70年代出现了热管式换热器，并在此技术上不断发展和完善。

    （二）管壳式换热器的分类

    由于用途、作用条件等的不同，换热器也出现了不同机构和材质的换热器。按传热原理又可划分为：表面式换热器（通过壁面的导热性，让流体在壁表面实现换热），详细又可以分为管壳式换热器、套管式换热器以及其他形式的换热器。蓄热式换热器（通过固体物质结构，实现热量从高流温流体转向低温流体），详细又可分为旋转式换热器和阀门式换热器。这种换热器，结构形式简单、价格便宜。流体连接间接式换热器（将两个表面式换热器连接起来，热载体在高温流体和低温流体之间循环）。

    从管壳式换热器的特点出发，可以分为固定管板式、U形管式、斧式重沸器、浮头式以及填料函式五大类。

    固定管板式换热器，管板和壳体连接，这种固定管板式换热器结构简单清晰、耐压性比较高，且具有造价低、易清洗等优势。缺点是在管束和壳体的壁温膨胀系数相差较大时，将产生比较大的热应力。因此，这种形式的换热器主要适用于壳侧介质易清洗且不容易结垢，同时管壳两侧温度相差不大的情况。使用场合主要是受到其特性的影响。U形管式换热器，主要是由管板和U形管组成。受到U形管形状的限制，其换热管的分布比较少，管板的利用率相对较低，壳流体极容易形成短路。另外，在更换设备中，只有最外部的U型管便于更换，内部的换热管只能堵死，因此U形管的报废率比较高。U形管具有结构简单、价格便宜等优势，但是承压能力比较差。一般适用于管壳壁温差较大且壳程介质易结垢需要清洗的场合。斧式重沸器，它在结构上于其他换热器结构上不同，在于结构上多设置了一个蒸发空间。这种换热器的管束可以分为U形管式、浮头式以及固定管板式，因此，兼具这些结构换热器的特点。蒸发空间的大小受到气量以及所要蒸发的物质的特性所决定的。这种结构的换热器具有清洗简单，且耐高压。主要适用于不易清洁、易结构的物质。浮头式换热器，由于两端管板只有一端与壳体固定，另一端可以自由移动，故称之为浮头式换热器。管束和壳体的热变形互相不影响，也不会产生热应力。随着浮头式换热器的不断发展，钩圈的结构形式和材料也在不断升级优化。一般来说，钩圈都是对开式机构，密封性要求高。浮头式换热器的优点在于管结构内部清洗比较简单，也不会产生热应力。但是相比较而言，其结构复杂，材料消耗大、设备比较笨重;浮头盖比较小在操作过程中无法检查，主要适用于壳体和管束之间的壁温差比较大的场合。填料函式换热器，其外部结构上与浮头式换热器存在部分相似性。由于采用的填料函式结构，管束在壳体内可以自由伸缩，且并不会由于壳壁和管壁热变形而出现热应力。填料函式换热器结构形式相对于浮头式换热器来说，结构更为简单、节省材料、造价低廉易清洗、维修方便。

    二、管壳式换热器的技术发展

    （一）防腐技术

    在换热器的使用过程中是，受到换热器使用场合的限制，需要对当前的防腐技术进一步的而优化升级。近些年，在换热器防腐领域的快速发展，为我国换热器的使用范围进一步拓展发挥了作用，比方说阳极保护技术的发展。我国在换热器防腐蚀领域的成果比较显著，但是在今后的发展中提升其防腐蚀性仍旧是工艺进步的重点内容所在，也是需要不断提升的方面。毕竟，防腐技术在管壳式换热器发挥作用的基础功能所在，防腐技术的落后將会进一步影响到其作用的发挥，在一定程度上还会造成生产资源的浪费。

    （二）抗振技术

    随着生产规模的扩大，在整个使用上也呈现出不同的特点，受到流体整个分量的影响，换热器的规格也是越来越大，因此出现了一些额外的不利因素。因流体产生的震动所造成的事故也是越来越多，也迫切需要开展不同材质的换热器的研发需求。当前，新型结构的管壳式换热器的抗振技术不断优化，它们能够更好的适应当前的工业生产的需求，最大程度增加换热器的使用寿命，降低破坏事故发生的频次。

    （三）精细化方向

    随着工业生产的迅速发展，对换热器的要求也开始朝着精细化放行发展，不同层次的企业对换热器的需求也是不一样的。受到市场驱动影响，换热器也是开始呈现大型化和微型化的特征。比方说，在航天、医疗化学等方面，受到仪器精细化的影响，所需要的换热器也呈现出精细化的要求，以便更好地满足设备的需求，提高准确度。精细化的方向，将进一步提升换热器的使用范围和使用准确性，更好的发挥管壳式换热器在工业生产中的价值。

    （四）制造技術的发展

    随着换热器的大型化和微型化的发展，必然带来的是制造技术的不断发展，才能够满足市场上的需求。许多新材料的研发以及焊接技术的发展，都为换热器的发展奠定了基础。许多新材料随着焊接技术的发展和进步，为换热器的发展带来了生命力。当然了，制造技术的进步，也让换热器的更为精细化以及专业化。科技的进步为制造技术的进步奠定了坚实的基础，也对管壳式换热器提出了更高的要求。总之，制造技术的发展，一方面为管壳式换热器精细化提供了可能，另一方面也让催促管壳式换热器技术不断优化升级，以便满足工业生产的精细化要求。

    （五）防垢技术

    在换热器的使用过程中，随着使用时长的增加便会出现结垢的现象，既容易影响当前换热器的效果和功率，造成传热效率降低和输入功率的增加。随着科学技术的发展。防垢技术也获得了新的突破。一是，通过表面涂层的方式达到防止结垢的效果;二是，除垢充分利用声波技术，降低除垢的难度和压力;三是使用除垢剂，增加除垢的效果。这些方式在工业生产中都得到了相应的应用，增加了换热器的使用寿命和发挥了其效果。管壳式换热器在不同领域使用，所需要的防垢技术也是不一样的，因此，所开展的技术研究应该深入使用环境，有针对性地提升，确保当前的使用技术不断优化升级，为工业生产带来价值。

    三、总结

    随着社会分工越来越细致，让当前的换热器的需求量也呈现出个性化特征，以便满足不同场合下的对换热器的需求。因此，我们也应该看到环境理念的发展以及科学技术的进步，越来越多的换热器的结构和制造工艺开始涌现，让换热器的朝着高效、节能等方向发展，推动工业经济效益的迅速提升。但是，从当前的换热器的发展方向来说，我们仍旧需要从当前换热器中存在的问题以及限制性出发，更好地将这些缺点不断地完善、升级，让其使用范围、清洗等方面呈现出优势，更好地为工业生产所服务。

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