管殼式換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與性能分析

鄒時晨

摘 要：換熱器，是將熱流體的熱量傳遞給冷流體的設(shè)備，因此也被稱之為熱交換器。在當(dāng)前石油、化工等工業(yè)生產(chǎn)中，需要進(jìn)行熱量的交換，需要不同類型的換熱器，滿足各行各業(yè)的需求。熱交換器在工業(yè)生產(chǎn)中占據(jù)重要地位，它既可以是一種單元設(shè)備，也可以是工藝設(shè)備的組成部分，這樣凸顯了工業(yè)生產(chǎn)中對換熱器多樣性的需求，也要求對這些換熱器結(jié)構(gòu)、性能，有著清晰的了解，才能夠在生產(chǎn)環(huán)節(jié)恰當(dāng)?shù)氖褂茫_保生產(chǎn)過程的順利進(jìn)行。本文主要從管殼式換熱器的發(fā)展背景以及管殼式換熱器的技術(shù)發(fā)展，這兩方面進(jìn)行闡述。

關(guān)鍵詞：管殼式換熱器;性能;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

換熱器，在工業(yè)生產(chǎn)過程中使用較為廣泛的一種小型部件。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，換熱器也開始朝著精細(xì)化的方向發(fā)展，這些是換熱器自身的發(fā)展要求以及市場對其發(fā)展要求。管殼式換熱器作為一種應(yīng)用面廣的壓力容器，其發(fā)展還有很長一段路要走，我們還需要投入更多的科研力量，在實(shí)踐中不斷完善，讓其更好地為工業(yè)服務(wù)。當(dāng)然了，管殼式換熱器的發(fā)展，也受到技術(shù)、材料等限制，需要從當(dāng)前發(fā)展中的短板出發(fā)，有針對性的改良，才能夠規(guī)避這些缺點(diǎn)，讓管殼式換熱器在工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)光、發(fā)熱。

一、管殼式換熱器的發(fā)展背景

（一）換熱器的發(fā)展

在20世紀(jì)20年代開始出現(xiàn)換熱器，主要應(yīng)用于食品行業(yè)，這種利用板代管制成的換熱器，結(jié)構(gòu)較為緊湊，傳熱效果也比較好。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，換熱器的材質(zhì)發(fā)生了第一次變化。30年代，瑞典出現(xiàn)了螺旋板換熱器，隨后出現(xiàn)了板殼換熱器。換熱器的使用范圍越來越廣，人們也開始探求換熱器的材料，以便解決強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)的換熱問題。60年代，經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及科技的進(jìn)步，為換熱器的發(fā)展又帶來一次革命，沖壓、密封等技術(shù)的發(fā)展讓換熱器的工業(yè)得到進(jìn)一步的發(fā)展，也讓其適用范圍進(jìn)一步拓展。充分適應(yīng)高溫、節(jié)能等需求，管殼式換熱器得到進(jìn)一步發(fā)展，隨之在70年代出現(xiàn)了熱管式換熱器，并在此技術(shù)上不斷發(fā)展和完善。

（二）管殼式換熱器的分類

由于用途、作用條件等的不同，換熱器也出現(xiàn)了不同機(jī)構(gòu)和材質(zhì)的換熱器。按傳熱原理又可劃分為：表面式換熱器（通過壁面的導(dǎo)熱性，讓流體在壁表面實(shí)現(xiàn)換熱），詳細(xì)又可以分為管殼式換熱器、套管式換熱器以及其他形式的換熱器。蓄熱式換熱器（通過固體物質(zhì)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)熱量從高流溫流體轉(zhuǎn)向低溫流體），詳細(xì)又可分為旋轉(zhuǎn)式換熱器和閥門式換熱器。這種換熱器，結(jié)構(gòu)形式簡單、價格便宜。流體連接間接式換熱器（將兩個表面式換熱器連接起來，熱載體在高溫流體和低溫流體之間循環(huán)）。

從管殼式換熱器的特點(diǎn)出發(fā)，可以分為固定管板式、U形管式、斧式重沸器、浮頭式以及填料函式五大類。

固定管板式換熱器，管板和殼體連接，這種固定管板式換熱器結(jié)構(gòu)簡單清晰、耐壓性比較高，且具有造價低、易清洗等優(yōu)勢。缺點(diǎn)是在管束和殼體的壁溫膨脹系數(shù)相差較大時，將產(chǎn)生比較大的熱應(yīng)力。因此，這種形式的換熱器主要適用于殼側(cè)介質(zhì)易清洗且不容易結(jié)垢，同時管殼兩側(cè)溫度相差不大的情況。使用場合主要是受到其特性的影響。U形管式換熱器，主要是由管板和U形管組成。受到U形管形狀的限制，其換熱管的分布比較少，管板的利用率相對較低，殼流體極容易形成短路。另外，在更換設(shè)備中，只有最外部的U型管便于更換，內(nèi)部的換熱管只能堵死，因此U形管的報(bào)廢率比較高。U形管具有結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜等優(yōu)勢，但是承壓能力比較差。一般適用于管殼壁溫差較大且殼程介質(zhì)易結(jié)垢需要清洗的場合。斧式重沸器，它在結(jié)構(gòu)上于其他換熱器結(jié)構(gòu)上不同，在于結(jié)構(gòu)上多設(shè)置了一個蒸發(fā)空間。這種換熱器的管束可以分為U形管式、浮頭式以及固定管板式，因此，兼具這些結(jié)構(gòu)換熱器的特點(diǎn)。蒸發(fā)空間的大小受到氣量以及所要蒸發(fā)的物質(zhì)的特性所決定的。這種結(jié)構(gòu)的換熱器具有清洗簡單，且耐高壓。主要適用于不易清潔、易結(jié)構(gòu)的物質(zhì)。浮頭式換熱器，由于兩端管板只有一端與殼體固定，另一端可以自由移動，故稱之為浮頭式換熱器。管束和殼體的熱變形互相不影響，也不會產(chǎn)生熱應(yīng)力。隨著浮頭式換熱器的不斷發(fā)展，鉤圈的結(jié)構(gòu)形式和材料也在不斷升級優(yōu)化。一般來說，鉤圈都是對開式機(jī)構(gòu)，密封性要求高。浮頭式換熱器的優(yōu)點(diǎn)在于管結(jié)構(gòu)內(nèi)部清洗比較簡單，也不會產(chǎn)生熱應(yīng)力。但是相比較而言，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，材料消耗大、設(shè)備比較笨重;浮頭蓋比較小在操作過程中無法檢查，主要適用于殼體和管束之間的壁溫差比較大的場合。填料函式換熱器，其外部結(jié)構(gòu)上與浮頭式換熱器存在部分相似性。由于采用的填料函式結(jié)構(gòu)，管束在殼體內(nèi)可以自由伸縮，且并不會由于殼壁和管壁熱變形而出現(xiàn)熱應(yīng)力。填料函式換熱器結(jié)構(gòu)形式相對于浮頭式換熱器來說，結(jié)構(gòu)更為簡單、節(jié)省材料、造價低廉易清洗、維修方便。

二、管殼式換熱器的技術(shù)發(fā)展

（一）防腐技術(shù)

在換熱器的使用過程中是，受到換熱器使用場合的限制，需要對當(dāng)前的防腐技術(shù)進(jìn)一步的而優(yōu)化升級。近些年，在換熱器防腐領(lǐng)域的快速發(fā)展，為我國換熱器的使用范圍進(jìn)一步拓展發(fā)揮了作用，比方說陽極保護(hù)技術(shù)的發(fā)展。我國在換熱器防腐蝕領(lǐng)域的成果比較顯著，但是在今后的發(fā)展中提升其防腐蝕性仍舊是工藝進(jìn)步的重點(diǎn)內(nèi)容所在，也是需要不斷提升的方面。畢竟，防腐技術(shù)在管殼式換熱器發(fā)揮作用的基礎(chǔ)功能所在，防腐技術(shù)的落后將會進(jìn)一步影響到其作用的發(fā)揮，在一定程度上還會造成生產(chǎn)資源的浪費(fèi)。

（二）抗振技術(shù)

隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，在整個使用上也呈現(xiàn)出不同的特點(diǎn)，受到流體整個分量的影響，換熱器的規(guī)格也是越來越大，因此出現(xiàn)了一些額外的不利因素。因流體產(chǎn)生的震動所造成的事故也是越來越多，也迫切需要開展不同材質(zhì)的換熱器的研發(fā)需求。當(dāng)前，新型結(jié)構(gòu)的管殼式換熱器的抗振技術(shù)不斷優(yōu)化，它們能夠更好的適應(yīng)當(dāng)前的工業(yè)生產(chǎn)的需求，最大程度增加換熱器的使用壽命，降低破壞事故發(fā)生的頻次。

（三）精細(xì)化方向

隨著工業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展，對換熱器的要求也開始朝著精細(xì)化放行發(fā)展，不同層次的企業(yè)對換熱器的需求也是不一樣的。受到市場驅(qū)動影響，換熱器也是開始呈現(xiàn)大型化和微型化的特征。比方說，在航天、醫(yī)療化學(xué)等方面，受到儀器精細(xì)化的影響，所需要的換熱器也呈現(xiàn)出精細(xì)化的要求，以便更好地滿足設(shè)備的需求，提高準(zhǔn)確度。精細(xì)化的方向，將進(jìn)一步提升換熱器的使用范圍和使用準(zhǔn)確性，更好的發(fā)揮管殼式換熱器在工業(yè)生產(chǎn)中的價值。

（四）制造技術(shù)的發(fā)展

隨著換熱器的大型化和微型化的發(fā)展，必然帶來的是制造技術(shù)的不斷發(fā)展，才能夠滿足市場上的需求。許多新材料的研發(fā)以及焊接技術(shù)的發(fā)展，都為換熱器的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。許多新材料隨著焊接技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，為換熱器的發(fā)展帶來了生命力。當(dāng)然了，制造技術(shù)的進(jìn)步，也讓換熱器的更為精細(xì)化以及專業(yè)化?？萍嫉倪M(jìn)步為制造技術(shù)的進(jìn)步奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，也對管殼式換熱器提出了更高的要求?？傊圃旒夹g(shù)的發(fā)展，一方面為管殼式換熱器精細(xì)化提供了可能，另一方面也讓催促管殼式換熱器技術(shù)不斷優(yōu)化升級，以便滿足工業(yè)生產(chǎn)的精細(xì)化要求。

（五）防垢技術(shù)

在換熱器的使用過程中，隨著使用時長的增加便會出現(xiàn)結(jié)垢的現(xiàn)象，既容易影響當(dāng)前換熱器的效果和功率，造成傳熱效率降低和輸入功率的增加。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。防垢技術(shù)也獲得了新的突破。一是，通過表面涂層的方式達(dá)到防止結(jié)垢的效果;二是，除垢充分利用聲波技術(shù)，降低除垢的難度和壓力;三是使用除垢劑，增加除垢的效果。這些方式在工業(yè)生產(chǎn)中都得到了相應(yīng)的應(yīng)用，增加了換熱器的使用壽命和發(fā)揮了其效果。管殼式換熱器在不同領(lǐng)域使用，所需要的防垢技術(shù)也是不一樣的，因此，所開展的技術(shù)研究應(yīng)該深入使用環(huán)境，有針對性地提升，確保當(dāng)前的使用技術(shù)不斷優(yōu)化升級，為工業(yè)生產(chǎn)帶來價值。

三、總結(jié)

隨著社會分工越來越細(xì)致，讓當(dāng)前的換熱器的需求量也呈現(xiàn)出個性化特征，以便滿足不同場合下的對換熱器的需求。因此，我們也應(yīng)該看到環(huán)境理念的發(fā)展以及科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，越來越多的換熱器的結(jié)構(gòu)和制造工藝開始涌現(xiàn)，讓換熱器的朝著高效、節(jié)能等方向發(fā)展，推動工業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的迅速提升。但是，從當(dāng)前的換熱器的發(fā)展方向來說，我們?nèi)耘f需要從當(dāng)前換熱器中存在的問題以及限制性出發(fā)，更好地將這些缺點(diǎn)不斷地完善、升級，讓其使用范圍、清洗等方面呈現(xiàn)出優(yōu)勢，更好地為工業(yè)生產(chǎn)所服務(wù)。

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