熱交換器的分類及優缺點分析

曹彬彬，張 霞

(泰安市特種設備檢驗研究院，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間實現介質間熱量傳遞的容器，使熱量由溫度較高的介質傳遞給溫度較低的介質，借以得到滿足工藝要求的介質溫度，同時也可以作為提高能源利用率的設備。熱交換器涉及化工、石油等近30多種產業，國內熱交換器在節能增效、提高傳熱效率、減少傳熱面積、降低壓降、提高裝置熱強度等方面的研究取得了顯著成績[1]。

熱交換器根據不同介質、不同工況、不同溫度、不同壓力等情況，結構型式也不同。現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注，主要因為此類設備的結構較為簡單，具備良好的傳熱效果，換熱面積很大，具備較高的承壓能力，可以應用在多個領域中。因此，工業發展中，應當重視列管式換熱器設備的制造質量，對關鍵制造工序進行全面的管理與控制，通過科學的檢測方式及時發現其中存在的問題，采取有效措施應對問題，滿足實際發展需求[2]。

2 不同熱交換器對比

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，各自具有不同的結構及優缺點。

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的各種結構，并盤繞在容器的內壁或外壁，依靠管內的介質來加熱或冷卻容器內的介質。纏繞管式熱交換器是一種高效緊湊的換熱設備，具有結構緊湊、傳熱系數高、換熱效率好、可同時進行多種介質的換熱、管側耐高壓、換熱管熱膨脹可自行補償的優點，其傳熱效率高、熱損失小、占地面積小、換熱投資少，節約成本[3]。大型纏繞管式換熱器還具有較好的傳熱性能，對裝置變負荷的適應性和運行可靠的操作特性，在我國煉油、煤炭深加工、天然氣等領域的應用呈現出良好的發展前景[4]。蛇管式熱交換器的缺點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傳熱系數較小，不利于獲得工藝要求的熱量、溫度，同時不便于管內清洗。

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生局部熱應力過大的問題；換熱管和殼體采用同種材料，可以避免由材料線膨脹系數差而導致的過大熱應力；通過增加管板的厚度，同樣可以有效地減小管板的應力[5]。熱交換器的管程數一般分為1、2、4、6、8、10、12等7種形式，為了避免局部熱應力過大，應盡可能的使各管程的換熱管數相近、分程隔板槽形狀簡單、密封面長度較短[6]。固定管板可采用計算機輔助布管的方式，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化研究方面，采用線性加權法，綜合考慮設計參數的權重，根據目標函數及約束條件，對換熱管與管板接頭進行優化，能得到比較滿意的優化設計結果[7]。固定管板式熱交換器適用于兩種介質溫差不大，或溫差較大但殼程壓力不高及殼程介質清潔，不易結垢的場合。其優點為單位體積所具有的傳熱面積較大以及傳熱效果較好；結構簡單，造價低廉，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，因此殼體的介質應是較潔凈且不易結垢的物料。當殼程與管程的介質溫度差較大時，需考慮熱補償，采用膨脹節的補償方式，使制造成本增加。

U型管式熱交換器僅有一個管板，U型換熱管固定在管板上。換熱管進行熱量交換時，管束因溫度變化引起膨脹或收縮，外部殼體不會隨著換熱管的收縮、膨脹變化，所以不存在熱補償，拘束應力小，避免使用膨脹節，成本也低。U型管式熱交換器的管板厚度與壓差成比例關系，設計U型管式熱交換器時應選用小壓差和大直徑的設計參數[8]。在管板的布管區，容易產生表皮效應，即管板大部分的厚度上溫度接近流經該處換熱管中管程介質的溫度，而管板靠近殼程介質一側表面的管板材料溫度才接近該處附近殼程介質的溫度[9]。U型管式熱交換器的優點是結構較簡單、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，當發生管滲漏時不易換管，管內清洗比較困難，因此管內流體必須潔凈，且換熱管彎曲時需符合標準要求的曲率半徑，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，可以沿軸向進行自由浮動，也稱為浮頭。浮頭由浮動管板、鉤圈和浮頭端蓋組成，是可拆連接，管束可從殼體內抽出。換熱管進行熱量交換時，管束連同浮頭因溫度變化引起膨脹或收縮，外部殼體不會隨著換熱管的收縮、膨脹變化，溫差應力極低，能較好地消除因溫差變化產生的換熱管-管板應力。浮頭式熱交換器的結構復雜，設計要求較高。浮頭式換熱器的設計應當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算、柔性石墨金屬波齒復合墊片尺寸的校核、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，浮頭螺栓的硬度較高，螺栓易發生斷裂，螺栓斷裂主要是由于濕硫化氫應力腐蝕開裂所致，氰化物的存在也大大地加劇了硫化氫應力腐蝕開裂的發生[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的使用，設備更加安全。但浮頭式熱交換器結構復雜、制造困難、造價高。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準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而成。每一段套管稱為一程，程數可根據傳熱要求而增減。每程的有效長度為4～6 m，若管子太長，管中間會向下彎曲，使環形中的流體分布不均勻。由于內外管介質溫度不同，存在較大的內外溫差，內外管熱膨脹系數不同使其產生不均勻的膨脹，從而產生很大的熱應力，破壞結構，甚至造成熱交換器的結構破壞失效[13]。此類熱交換器構造簡單、能耐高壓，傳熱面積的選擇比較方便，可以通過改變管內、外徑，控制介質的流速，且雙方的介質可作嚴格的逆流，有利于傳熱。但是此類熱交換器的管接頭多，容易發生泄漏現象。

3 結 語

本文針對熱交換器的分類進行分析討論，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缺點，得出不同熱交換器的適用環境、優勢及環保節能方面的特點，為設計、制造人員選擇熱交換器的型式提供參考，使其選擇出結構合理、能耗較低、節約成本及工藝可靠的熱交換器。