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(zhì)間實現(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(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，主要因為此類設備的結(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，可以應用在多個領域中。因此，工業(yè)發(fā)展中，應當重視列管式換熱器設備的制造質(zhì)量，對關(guān)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(fā)現(xiàn)其中存在的問題，采取有效措施應對問題，滿足實際發(fā)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(jié)構(gòu)及優(yōu)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(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備，具有結(jié)構(gòu)緊湊、傳熱系數(shù)高、換熱效率好、可同時進行多種介質(zhì)的換熱、管側(cè)耐高壓、換熱管熱膨脹可自行補償?shù)膬?yōu)點，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(xiàn)出良好的發(fā)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?zhèn)鳠嵯禂?shù)較小，不利于獲得工藝要求的熱量、溫度，同時不便于管內(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(shù)一般分為1、2、4、6、8、10、12等7種形式，為了避免局部熱應力過大，應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(yōu)化研究方面，采用線性加權(quán)法，綜合考慮設計參數(shù)的權(quán)重，根據(jù)目標函數(shù)及約束條件，對換熱管與管板接頭進行優(yōu)化，能得到比較滿意的優(yōu)化設計結(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)應是較潔凈且不易結(jié)垢的物料。當殼程與管程的介質(zhì)溫度差較大時，需考慮熱補償，采用膨脹節(jié)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(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(shù)[8]。在管板的布管區(qū)，容易產(chǎn)生表皮效應，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，當發(fā)生管滲漏時不易換管，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(nèi)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(chǎn)生的換熱管-管板應力。浮頭式熱交換器的結(jié)構(gòu)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(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(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，設備更加安全。但浮頭式熱交換器結(jié)構(gòu)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(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(yōu)缺點，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，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(jié)構(gòu)合理、能耗較低、節(jié)約成本及工藝可靠的熱交換器。