一、基本结构组成

• 管束：由多根金属管（称为换热管）组成，是热量交换的核心区域。管子两端固定在管板上，形成管程通道，管内流动的流体称为 “管程流体”。
  • 材质：根据介质腐蚀性、温度压力选择，如碳钢（适用于无腐蚀、中低压）、不锈钢（304/316，耐腐蚀性较强）、钛合金（强腐蚀性介质）、铜（高导热性，适用于低温换热）等。
  • 规格：常见管径 10-50mm，长度 1-12m，管子排列方式有正三角形（提高传热效率）、正方形（便于清洗）等。
• 壳体：通常为圆柱形压力容器，包围管束，壳体内流动的流体称为 “壳程流体”，与管程流体通过管壁进行热交换。
• 管板：位于壳体两端，用于固定管束，同时分隔管程与壳程流体，防止串流。管板与壳体、换热管的连接需保证密封（如焊接或胀接）。
• 封头：安装在管板外侧，形成管程的进出口通道，可设计为单程（流体一次通过管束）或多程（通过隔板将管束分为多段，流体多次折返流动，延长换热时间）。
• 折流板：安装在壳体内，垂直于管束，作用是改变壳程流体的流动方向，增加湍流程度，提高传热效率，同时支撑换热管（防止振动或弯曲）。常见形状有弓形、圆盘 - 圆环形。

二、工作原理

1. 高温流体（热侧）在管程或壳程流动，低温流体（冷侧）在另一侧流动，两者被换热管壁分隔，不直接接触。
2. 高温流体通过管壁将热量传递给低温流体，自身温度降低，低温流体温度升高，从而完成热量交换。
3. 为强化传热，可通过增加流速（如多程设计、折流板）、增大换热面积（增加管子数量或长度）、提高管壁导热系数（选择高导热材质）等方式优化。

三、主要分类

• 固定管板式换热器：
  • 特点：管板与壳体刚性连接（焊接），结构简单、成本低，管程可清洗，但壳程无法机械清洗。
  • 适用场景：壳程流体清洁、无结垢，且管程与壳程流体温差较小（避免因热膨胀产生过大应力）的工况，如普通冷却、加热。
• 浮头式换热器：
  • 特点：一端管板固定，另一端管板可自由浮动（称为 “浮头”），可补偿管束与壳体因温差产生的热膨胀，壳程和管程均可机械清洗。
  • 适用场景：温差大、壳程流体易结垢或腐蚀性较强的工况，如石油炼制中的冷却、冷凝，但结构复杂、成本较高。
• U 型管式换热器：
  • 特点：换热管弯成 U 型，两端固定在同一管板上，管束可自由伸缩（避免热应力），结构较浮头式简单，管程可清洗，壳程清洗困难。
  • 适用场景：高温高压、管程流体清洁的工况，如高压蒸汽冷凝、合成氨装置换热。
• 填料函式换热器：
  • 特点：一端管板固定，另一端通过填料函密封（允许管束滑动），结构简单、成本低于浮头式，但密封性能有限。
  • 适用场景：压力不高（通常≤4MPa）、介质无剧毒或强腐蚀性的场合。

四、性能优势与局限性

• 优势：
  • 适应性强：可处理高温（≤1000℃）、高压（≤30MPa）、多种物态（气、液、气液混合）的介质，且处理量范围广（从小型实验室设备到大型工业装置）。
  • 传热效率较高：通过多程设计、折流板等优化，传热系数可达 100-3000 W/(m²・K)（取决于介质类型和流速）。
  • 结构坚固：金属材质和压力容器设计使其抗冲击、抗振动能力强，使用寿命长（通常 10 年以上）。
• 局限性：
  • 体积较大：相比板式换热器，相同换热面积下，列管换热器体积更大，占地面积广。
  • 清洗难度：壳程若为固定管板式，无法机械清洗，易结垢介质需定期化学清洗。
  • 热膨胀问题：温差过大时可能产生应力，需通过浮头、U 型管等结构补偿，增加成本。

五、设计与选型关键参数

1. 换热面积：根据热量交换量（Q=K×A×Δt，其中 K 为传热系数，A 为换热面积，Δt 为平均温差）计算，需预留 10%-20% 余量。
2. 流速：管程和壳程流速需合理设计（通常液体 0.5-3m/s，气体 5-30m/s），流速过低易结垢，过高则压降大、能耗高。
3. 压力降：需控制流体通过换热器的压力损失（通常≤0.1-0.3MPa），避免增加泵或压缩机的能耗。
4. 材质选择：根据介质腐蚀性（如酸性选不锈钢、钛合金）、温度（高温选耐热钢）、压力（高压选厚壁管）确定。
5. 结垢倾向：易结垢介质优先选择易清洗的类型（如浮头式、U 型管式），或增加防垢设计（如波纹管）。

六、应用场景

• 化工行业：反应釜冷却、溶剂回收冷凝、原料预热。
• 石油工业：原油蒸馏塔换热、润滑油冷却、油气分离冷凝。
• 电力行业：汽轮机凝汽器（将蒸汽冷凝为水）、锅炉给水预热。
• 制药行业：药液加热或冷却（需卫生级材质，如不锈钢）、溶剂冷凝回收。
• 制冷空调：制冷剂冷凝、冷却水换热。