管壳式换热器的工作原理及结构

管壳式换热器的工作原理及结构随着科技高速发展的今天，换热器已广泛应用国内各个生产领域，换热器跟人们生活息息相关。换热器顾名思义就是用来热交换的机械设备。换热器是一种非常重要的换热设备，能够把热量从一种介质传递给另一种介质，在各种工业领域中有很广泛的应用。尤其在化工、能源、交通、机械、制冷、空调等领域应用更广泛。换热器能够充分利用工业的二次能源，并且能够实现余热回收和节能。换热器分为很多类型，管壳式换热器是很普遍的一种。管壳式换热器的传热强化技术主要包括管程和壳程的传热强化研究。本文对管壳式换热器的原理进行简单介绍。一、管壳式换热器的工作原理管壳式换热器由一个壳体和包含许多管子的管束所构成，冷、热流体之间通过管壁进行换热的换热器。管壳式换热器作为一种传统的标准换热设备，在化工、炼油、石油化工、动力、核能和其他工业装置中得到普遍采用，特别是在高温高压和大型换热器中的应用占据绝对优势。通常的工作压力可达4兆帕，工作温度在200℃以下，在个别情况下还可达到更高的压力和温度。一般壳体直径在1800毫米以下，管子长度在9米以下，在个别情况下也有更大或更长的。工作原理和结构图1[固定管板式换热器]为固定管板式换热器的构造。A流体从接管1流入壳体内，通过管间从接管2流出。B流体从接管3流入，通过管内从接管4流出。如果A流体的温度高于B流体，热量便通过管壁由A流体传递给B流体；反之，则通过管壁由B流体传递给A流体。壳体以内、管子和管箱以外的区域称为壳程，通过壳程的流体称为壳程流体（A流体）。管子和管箱以内的区域称为管程，通过管程的流体称为管程流体（B流体）。管壳式换热器主要由管箱、管板、管子、壳体和折流板等构成。通常壳体为圆筒形；管子为直管或U形管。为提高换热器的传热效能，也可采用螺纹管、翅片管等。管子的布置有等边三角形、正方形、正方形斜转45°和同心圆形等多种形式，前3种最为常见。按三角形布置时，在相同直径的壳体内可排列较多的管子，以增加传热面积，但管间难以用机械方法清洗，流体阻力也较大。管板和管子的总体称为管束。管子端部与管板的连接有焊接和胀接两种。在管束中横向设置一些折流板，引导壳程流体多次改变流动方向，有效地冲刷管子，以提高传热效能，同时对管子起支承作用。折流板的形状有弓形、圆形和矩形等。为减小壳程和管程流体的流通截面、加快流速，以提高传热效能，可在管箱和壳体内纵向设置分程隔板，将壳程分为2程和将管程分为2程、4程、6程和8程等。管壳式换热器的传热系数，在水-水换热时为1400～2850瓦每平方米每摄氏度〔W/（m（℃）〕；用水冷却气体时，为10～280W/（m（℃）；用水冷凝水蒸汽时，为570～4000W/（m（℃）。二、管壳式换热器的形式与结构管壳式换热器是把管子与管板连接，再用壳体固定。它的形式大致分为固定管板式、釜式浮头式、U型管式、滑动管板式、填料函式及套管式等几种。根据介质的种类、压力、温度、污垢和其他条件，管板与壳体的连接的各种结构特点，传热管的形状与传热条件，造价，维修检验方面等情况来选择设计制造各种管壳式换热器。1.固定管板式换热器固定管板式换热器的两端管板，采用焊接方法与壳体连接固定。这种换热器结构简单；喜爱相同的壳体直径内，排管最多，比较紧凑；在有折流板得壳侧流动中，旁路最小，管程可以分成任一偶数程数。由于两个管板呗换热管相互支撑，与其他管壳式换热器相比，管板最薄，不仅造价低而且每根管子内侧都能进行清洗。2.浮头式换热器浮头式换热器针对固定管板式换热器的缺陷在结构上做了改进，两端管板只有一端管板与壳体固定，而另一端的管板可以在壳体内自由移动，该端称为浮头。这类换热器壳体和管束对膨胀是自由的，故当两种介质温差较大时，管束与壳体之间不产生温差应力。浮头端设计成可拆结的构，是管束可以容易地插入或抽出（也有设计成不可拆的），这样为检修、清洗提供了方便。但结构较为复杂，而且浮头端操作时无法知道泄流情况，所以在安装时要特别的注意其密封限制。3.U型管式换热器U型管式换热器仅有一块管板。它是将管子弯成U型，管子两端固定在同一块管板上。由于壳体和管子分开，管束可以自由伸缩，不会因管壁、壳壁之间的温度差而产生热应力，热补偿性能好。管程为双管程，流程较长，流速较高，传热性能好，承压能力强。U型管式换热器，一般使用高温高压的情况下。尤其在压力较高的情况下，在弯管段壁厚要加厚，以弥补弯管后管壁的减薄。如壳程需要经常清洗的管束，则要求采用正方形排列，一般情况下都按三角形排列，管程为偶数。壳程内可按工艺要求设置纵向隔板组成双壳程换热器，以增加壳侧介质流速，提高换热设备的传热效果。纵向隔板安装在平行于传热管方向（纵向隔板按工艺要求决定）4.填料函式换热器对于一些腐蚀严重，温差较大而经常要更换管束的冷却器，采用填料函式换热器要比浮头式或固定式换热器优越的多。它是具有浮头式换热器的优点，有克服了固定式换热器的缺点，结构较浮头简单，制造方便，易于检修清洗。填料函式换热器的管板也仅有一端与壳体固定，另一端采用填料函密封，它的管束也可以自由膨胀，所以也不需要考虑由于管壁、壳壁温度引起的热应力。且管程和课程都能清洗，加工制造叫浮头简便，且造价较低。但由于填料密封处易于泄露，故壳程压力不能过高，也不易于壳程内为易挥发、易燃、易爆和有毒介质的场合。目前所使用的填料函式换热器都较小，使用在直径700mm以下，大直径填料函式换热器采用的很少，尤其在操作压力及温度较高的条件下就更少5.其他形式换热器滑动管板式填料函换热器滑动管板和单填料单式的结构。管束可以从壳体中抽出，易于清洗，但在填料内侧密封处，管程与壳程之间仍会产生串流现象，当两种介质相混而不相容时，往往会产生事故。而单填料单式结构的结构形式，采用管、壳程完全隔离的填料函结构，解决了两程之间的串流现象，但为了能将管束从壳体中抽出，管箱法兰一定要做成可拆式的形式。以上几种结构，可按具体情况选用。填料一般可以采用油浸石棉。双填料函式管板式换热器。它是在一般滑动管板的基础上，对填料密封结构进行了改进，它不仅具有一般滑动管板的优点，而且密封性能更为可靠，与目前常用型式的浮头换热器相比，就有一定的特点，以内圈为主要密封，防止内漏及外漏，而以外圈为辅助密封。