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列管式換熱器

一、列管式換熱器簡介

列管式換熱器(shell and tube heat exchanger)又稱管殼式換熱器，是以封閉在殼體中管束的壁面作為傳熱面的間壁式換熱器。這種換熱器結構較簡單，操作可靠，可用各種結構材料（主要是金屬材料）制造，能在高溫、高壓下使用，是目前應用廣的類型。列管式換熱器材料可分別采用普通碳鋼、紫銅、或不銹鋼制作，廣泛應用于化工、醫藥、食品飲料、酒精生產、制冷、民用等工藝。

二、列管式換熱器結構

列管式換熱器由殼體、傳熱管束、管板、折流板（擋板）和管箱等部件組成。殼體多為圓筒形，內部裝有管束，管束兩端固定在管板上。進行換熱的冷熱兩種流體，一種在管內流動，稱為管程流體；另一種在管外流動，稱為殼程流體。為提高管外流體的傳熱分系數，通常在殼體內安裝若干擋板。擋板可提高殼程流體速度，迫使流體按規定路程多次橫向通過管束，增強流體湍流程度。換熱管在管板上可按等邊三角形或正方形排列。等邊三角形排列較緊湊，管外流體湍動程度高，傳熱分系數大；正方形排列則管外清洗方便，適用于易結垢的流體。

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三、列管式換熱器類型

列管式換熱器由于管內外流體的溫度不同，因之換熱器的殼體與管束的溫度也不同。如果兩溫度相差很大，換熱器內將產生很大熱應力，導致管子彎曲、斷裂，或從管板上拉脫。因此，當管束與殼體溫度差超過50℃時，需采取適當補償措施，以消除或減少熱應力。根據所采用的補償措施，列管式換熱器可分為以下幾種主要類型：

（一）固定管板式換熱器

管束兩端的管板與殼體聯成一體，結構比較簡單、緊湊、造價便宜，但只適用于冷熱流體溫度差不大,且殼程不需機械清洗時的換熱操作。當溫度差稍大而殼程壓力又不太高時，可在殼體上安裝有彈性的補償圈，以減小熱應力。

固定管板式換熱器的管外不能機械清洗。此種換熱器管束連接在管板上，管板分別焊在外殼兩端，并在其上連接有頂蓋，頂蓋和殼體裝有流體進出口接管。通常在管外裝置一系列垂直于管束的擋板。同時管子和管板與外殼的連接都是剛性的，而管內管外是兩種不同溫度的流體。因此，當管壁與殼壁溫差較大時，由于兩者的熱膨脹不同，產生了很大的溫差應力，以至管子扭彎或使管子從管板上松脫，甚至毀壞換熱器。

為了克服溫差應力必須有溫差補償裝置，一般在管壁與殼壁溫度相差60℃以上時，為安全起見，換熱器應有溫差補償裝置。但補償裝置（膨脹節）只能用在殼壁與管壁溫差低于60～70℃和殼程流體壓強不高的情況。一般殼程壓強超過0.6Mpa時由于補償圈過厚，難以伸縮，失去溫差補償的作用，就應考慮其他結構。

（二）浮頭式換熱器

這種換熱器的一塊管板用法蘭與外殼相連接，另一塊管板不與外殼連接，以使管子受熱或冷卻時可以自由伸縮，但在這塊管板上連接一個頂蓋，稱之為“浮頭”，所以這種換熱器叫做浮頭式換熱器。

由于管束一端的管板可自由浮動，管束的膨脹不受殼體約束，因而當兩種換熱器介質的溫差大時，不會因管束與殼體的熱膨脹量的不同而產生溫差應力，消除了熱應力；且整個管束可從殼體中抽出,便于機械清洗和檢修。

浮頭式換熱器的應用較廣，但結構比較復雜，設備笨重，材料消耗量大，造價較高。且浮頭端小蓋在操作中無法檢查，制造時對密封要求較高。適用于殼體和管束之間壁溫差較大或殼程介質易結垢的場合。

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（三）U型管換熱器

每根換熱管皆彎成U形，兩端分別固定在同一管板上下兩區，借助于管箱內的隔板分成進出口兩室。每根管子皆可自由伸縮，從而解決熱補償問題。此種換熱器完全消除了熱應力，結構比浮頭式簡單，管程至少為兩程，管束可以抽出清洗，管子可以自由膨脹。缺點是管子內壁清洗困難，管子更換困難，管板上排列的管子少。優點是結構簡單，質量輕，適用于高溫高壓條件。

為提高殼程流體流速，往往在殼體內安裝一定數目與管束相互垂直的折流擋板。折流擋板不僅可防止流體短路、增加流體流速，還迫使流體按規定路徑多次錯流通過管束，使湍動程度大為增加。常用的折流擋板有圓缺形和圓盤形兩種，前者更為常用。

（四）渦流熱膜換熱器

渦流熱膜換熱器采用的渦流熱膜傳熱技術，通過改變流體運動狀態來增加傳熱效果，當介質經過渦流管表面時，強力沖刷管子表面，從而提高換熱效率，可達10000W/m2℃。同時這種結構實現了耐腐蝕、耐高溫、耐高壓、防結垢功能。其它類型的換熱器的流體通道為固定方向流形式，在換熱管表面形成繞流，對流換熱系數降低。因此，換熱器緊湊度高，占地面積小，是普通管殼式換熱器的1/5。

四、列管式換熱器主要控制參數

（一）列管式換熱器的主要控制參數為加熱面積、熱水流量、換熱量、熱媒參數等。

（二）選用要點

1.根據已知冷、熱流體的流量，初、終溫度及流體的比熱容決定所需的換熱面積。初步估計換熱面積，一般先假定傳熱系數，確定換熱器構造，再校核傳熱系數K值。

2.選用換熱器時應注意壓力等級，使用溫度，接口的連接條件。在壓力降，安裝條件允許的前提下，列管式換熱器以選用直徑小的加長型，有利于提高換熱量。

3.換熱器的壓力降不宜過大，一般控制在0.01～0.05MPa之間。

4.流速大小應考慮流體黏度，黏度大的流速應小于0.5～1.0m/s；一般流體管內的流速宜取0.4～1.0m/s；易結垢的流體宜取0.8～1.2m/s。

5.高溫水進入換熱器前宜設過濾器。

6.熱交換站中熱交換器的單臺處理和配置臺數組合結果應滿足熱交換站的總供熱負荷及調節的要求。在滿足用戶熱負荷調節要求的前提下，同一個供熱系數中的換熱器臺數不宜少于2臺，不宜多于5臺。

（三）施工、安裝要點

1.熱交換器應以工作壓力的1.5倍做水壓試驗，蒸汽部分應不低于蒸汽供汽壓力加0.3MPa；熱水部分應不低于0.4MPa。在試驗壓力下，保持10min壓力不降。

2.列管式換熱器前端應留有抽卸管束的空間，即其封頭于墻壁或屋頂的距離不得小于換熱器的長度，設備運行操作通道凈寬不宜小于0.8m。

3.各類閥門和儀表的安裝高度應便于操作和觀察。

4.加熱器上部附件（一般指安全閥）的點至建筑結構點的垂直凈距應滿足安裝檢測的要求，并不得小于0.2m。

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