熱交換器的分類及優(yōu)缺點(diǎn)分析

曹彬彬，張 霞

(泰安市特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，山東 泰安 271000)

1 前 言

熱交換是在兩種或兩種以上的不同溫度介質(zhì)間實(shí)現(xiàn)介質(zhì)間熱量傳遞的容器，使熱量由溫度較高的介質(zhì)傳遞給溫度較低的介質(zhì)，借以得到滿足工藝要求的介質(zhì)溫度，同時(shí)也可以作為提高能源利用率的設(shè)備。熱交換器涉及化工、石油等近30多種產(chǎn)業(yè)，國內(nèi)熱交換器在節(jié)能增效、提高傳熱效率、減少傳熱面積、降低壓降、提高裝置熱強(qiáng)度等方面的研究取得了顯著成績[1]。

熱交換器根據(jù)不同介質(zhì)、不同工況、不同溫度、不同壓力等情況，結(jié)構(gòu)型式也不同?，F(xiàn)在常見的熱交換器按傳熱原理的不同主要分為間壁式熱交換器、流體連接間接式熱交換器、直接接觸式熱交換器、復(fù)式熱交換器。間壁式熱交換器是壓力容器中最常見的熱交換器，主要分為管式熱交換器、翹片式熱交換器、夾套式熱交換器、板式熱交換器、螺旋板式熱交換器。

管式熱交換器主要有蛇管式熱交換器、套管式熱交換器、列管式熱交換器，其中蛇管式熱交換器和列管式熱交換器是壓力容器中最常見的形式。蛇管式熱交換器在壓力容器中主要表現(xiàn)為伴熱管，換熱面積較小。列管式熱交換器分為管板式熱交換器、U型管式熱交換器及浮頭式熱交換器。列管式換熱器的制造工作受到廣泛關(guān)注，主要因?yàn)榇祟愒O(shè)備的結(jié)構(gòu)較為簡單，具備良好的傳熱效果，換熱面積很大，具備較高的承壓能力，可以應(yīng)用在多個(gè)領(lǐng)域中。因此，工業(yè)發(fā)展中，應(yīng)當(dāng)重視列管式換熱器設(shè)備的制造質(zhì)量，對(duì)關(guān)鍵制造工序進(jìn)行全面的管理與控制，通過科學(xué)的檢測方式及時(shí)發(fā)現(xiàn)其中存在的問題，采取有效措施應(yīng)對(duì)問題，滿足實(shí)際發(fā)展需求[2]。

2 不同熱交換器對(duì)比

2.1 管式熱交換器

管式熱交換器主要分為蛇管式熱交換器、套管式熱交換器、列管式熱交換器，各自具有不同的結(jié)構(gòu)及優(yōu)缺點(diǎn)。

2.2 蛇管式熱交換器

蛇管式熱交換器又可稱為纏繞管式熱交換器或者伴熱管式熱交換器。此類型的熱交換器多以金屬管子繞制成與容器相適應(yīng)的各種結(jié)構(gòu)，并盤繞在容器的內(nèi)壁或外壁，依靠管內(nèi)的介質(zhì)來加熱或冷卻容器內(nèi)的介質(zhì)。纏繞管式熱交換器是一種高效緊湊的換熱設(shè)備，具有結(jié)構(gòu)緊湊、傳熱系數(shù)高、換熱效率好、可同時(shí)進(jìn)行多種介質(zhì)的換熱、管側(cè)耐高壓、換熱管熱膨脹可自行補(bǔ)償?shù)膬?yōu)點(diǎn)，其傳熱效率高、熱損失小、占地面積小、換熱投資少，節(jié)約成本[3]。大型纏繞管式換熱器還具有較好的傳熱性能，對(duì)裝置變負(fù)荷的適應(yīng)性和運(yùn)行可靠的操作特性，在我國煉油、煤炭深加工、天然氣等領(lǐng)域的應(yīng)用呈現(xiàn)出良好的發(fā)展前景[4]。蛇管式熱交換器的缺點(diǎn)就是壓力容器體積比管子的體積大得多，因此管外流體的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)較小，不利于獲得工藝要求的熱量、溫度，同時(shí)不便于管內(nèi)清洗。

2.3 列管式熱交換器

列管式熱交換器主要有固定管板式熱交換器、U型管式熱交換器及浮頭式熱交換器。用途不同、使用工況不同選用的熱交換器型式不同，其中固定管板式熱交換器使用最為普遍。

固定管板式熱交換器是將兩端管板與殼體連接成一體，換熱管固定在兩端的管板上。換熱管與管板容易產(chǎn)生局部熱應(yīng)力過大的問題；換熱管和殼體采用同種材料，可以避免由材料線膨脹系數(shù)差而導(dǎo)致的過大熱應(yīng)力；通過增加管板的厚度，同樣可以有效地減小管板的應(yīng)力[5]。熱交換器的管程數(shù)一般分為1、2、4、6、8、10、12等7種形式，為了避免局部熱應(yīng)力過大，應(yīng)盡可能的使各管程的換熱管數(shù)相近、分程隔板槽形狀簡單、密封面長度較短[6]。固定管板可采用計(jì)算機(jī)輔助布管的方式，更充分、更方便、更有效地布置換熱管；在固定管板式熱交換器整體優(yōu)化研究方面，采用線性加權(quán)法，綜合考慮設(shè)計(jì)參數(shù)的權(quán)重，根據(jù)目標(biāo)函數(shù)及約束條件，對(duì)換熱管與管板接頭進(jìn)行優(yōu)化，能得到比較滿意的優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果[7]。固定管板式熱交換器適用于兩種介質(zhì)溫差不大，或溫差較大但殼程壓力不高及殼程介質(zhì)清潔，不易結(jié)垢的場合。其優(yōu)點(diǎn)為單位體積所具有的傳熱面積較大以及傳熱效果較好；結(jié)構(gòu)簡單，造價(jià)低廉，且其適用的材料范圍較大，操作彈性也較大等。不利的方面為殼程不易檢修和清洗，因此殼體的介質(zhì)應(yīng)是較潔凈且不易結(jié)垢的物料。當(dāng)殼程與管程的介質(zhì)溫度差較大時(shí)，需考慮熱補(bǔ)償，采用膨脹節(jié)的補(bǔ)償方式，使制造成本增加。

U型管式熱交換器僅有一個(gè)管板，U型換熱管固定在管板上。換熱管進(jìn)行熱量交換時(shí)，管束因溫度變化引起膨脹或收縮，外部殼體不會(huì)隨著換熱管的收縮、膨脹變化，所以不存在熱補(bǔ)償，拘束應(yīng)力小，避免使用膨脹節(jié)，成本也低。U型管式熱交換器的管板厚度與壓差成比例關(guān)系，設(shè)計(jì)U型管式熱交換器時(shí)應(yīng)選用小壓差和大直徑的設(shè)計(jì)參數(shù)[8]。在管板的布管區(qū)，容易產(chǎn)生表皮效應(yīng)，即管板大部分的厚度上溫度接近流經(jīng)該處換熱管中管程介質(zhì)的溫度，而管板靠近殼程介質(zhì)一側(cè)表面的管板材料溫度才接近該處附近殼程介質(zhì)的溫度[9]。U型管式熱交換器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)較簡單、重量輕，適用于高溫和高壓的場合，但由于其在制造過程中管束集中，當(dāng)發(fā)生管滲漏時(shí)不易換管，管內(nèi)清洗比較困難，因此管內(nèi)流體必須潔凈，且換熱管彎曲時(shí)需符合標(biāo)準(zhǔn)要求的曲率半徑，故管板的利用率低，換熱效果較固定管板式換熱器差，管束整體更換簡單，可滿足大部分極度腐蝕的需要。

浮頭式熱交換器有一端管板不與外殼相連，可以沿軸向進(jìn)行自由浮動(dòng)，也稱為浮頭。浮頭由浮動(dòng)管板、鉤圈和浮頭端蓋組成，是可拆連接，管束可從殼體內(nèi)抽出。換熱管進(jìn)行熱量交換時(shí)，管束連同浮頭因溫度變化引起膨脹或收縮，外部殼體不會(huì)隨著換熱管的收縮、膨脹變化，溫差應(yīng)力極低，能較好地消除因溫差變化產(chǎn)生的換熱管-管板應(yīng)力。浮頭式熱交換器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計(jì)要求較高。浮頭式換熱器的設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)注意鉤圈型式的選擇、如何確定浮頭法蘭螺栓、浮頭分程隔板的面積計(jì)算、柔性石墨金屬波齒復(fù)合墊片尺寸的校核、正確的確定浮頭法蘭的厚度等[10]。浮頭式熱交換器多用于石油化工行業(yè)，浮頭螺栓的硬度較高，螺栓易發(fā)生斷裂，螺栓斷裂主要是由于濕硫化氫應(yīng)力腐蝕開裂所致，氰化物的存在也大大地加劇了硫化氫應(yīng)力腐蝕開裂的發(fā)生[11]。

浮頭式熱交換器管束可從殼體中抽出，便于清洗和檢修，且在制造過程中避免了膨脹節(jié)的使用，設(shè)備更加安全。但浮頭式熱交換器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造困難、造價(jià)高。且重型立式浮頭式熱交換器在制造過程中存在著管束重量大，浮頭封頭與殼體封頭套裝尺寸嚴(yán)格，浮頭端密封盤根易泄漏等難題[12]。

2.4 套管式熱交換器

套管式熱交換器是用管件將兩種尺寸不同的標(biāo)準(zhǔn)管連接成同心圓的套管，然后用180°的回彎管將多段套管串聯(lián)而成。每一段套管稱為一程，程數(shù)可根據(jù)傳熱要求而增減。每程的有效長度為4～6 m，若管子太長，管中間會(huì)向下彎曲，使環(huán)形中的流體分布不均勻。由于內(nèi)外管介質(zhì)溫度不同，存在較大的內(nèi)外溫差，內(nèi)外管熱膨脹系數(shù)不同使其產(chǎn)生不均勻的膨脹，從而產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力，破壞結(jié)構(gòu)，甚至造成熱交換器的結(jié)構(gòu)破壞失效[13]。此類熱交換器構(gòu)造簡單、能耐高壓，傳熱面積的選擇比較方便，可以通過改變管內(nèi)、外徑，控制介質(zhì)的流速，且雙方的介質(zhì)可作嚴(yán)格的逆流，有利于傳熱。但是此類熱交換器的管接頭多，容易發(fā)生泄漏現(xiàn)象。

3 結(jié) 語

本文針對(duì)熱交換器的分類進(jìn)行分析討論，由傳熱原理不同主要分為間壁式熱交換器、流體連接間接式熱交換器、直接接觸式熱交換器、復(fù)式熱交換器。管式熱交換器作為間壁式熱交換器的代表是壓力容器中最為常見的，通過對(duì)比蛇管式熱交換器、列管式熱交換器及套管式熱交換器的優(yōu)缺點(diǎn)，得出不同熱交換器的適用環(huán)境、優(yōu)勢及環(huán)保節(jié)能方面的特點(diǎn)，為設(shè)計(jì)、制造人員選擇熱交換器的型式提供參考，使其選擇出結(jié)構(gòu)合理、能耗較低、節(jié)約成本及工藝可靠的熱交換器。