套管式換熱器

套管式換熱器是目前石油化工生產上應用最廣的一種換熱器。它主要由殼體（包括內殼和外殼）、U型肘管、填料函等組成。所需管材，可分別採用普通碳鋼、鑄鐵、銅、鈦、陶瓷玻璃等製作。管子一般被固定在支架上。兩種不同介質可在管內逆向流動（或同向）以達到換熱的目的。在進行逆向換熱時，熱流體由上部進入，而冷流體由下部進入，熱量通過內管管壁由一種流體傳遞給另一種流體。熱流體由進入端到出口端流過的距離稱之為管程；流體由殼體的接管進入，從殼體上的一端引入到另一端流出，通過這種方式傳熱的換熱器稱為殼程套管式換熱器[5]。由於套管式換熱器被廣泛的應用在石油化工、製冷等工業部門，原本單一的傳熱方式和傳熱效率已經不能滿足實際工作和生產，目前國內外研究者對套管式換熱器提出了很多種改進方案，以延長套管式換熱器的使用壽命，加強其使用效率。

以同心套管中的內管作為傳熱元件的換熱器。兩種不同直徑的管子套在一起組成同心套管，每一段套管稱為“一程“，程的內管（傳熱管）借U形肘管，而外管用短管依次連接成排，固定於支架上（圖1a）。熱量通過內管管壁由一種流體傳遞給另一種流體。通常，熱流體（A流體）由上部引入，而冷流體（B流體）則由下部引入。套管中外管的兩端與內管用焊接或法蘭連接。內管與U形肘管多用法蘭連接，便於傳熱管的清洗和增減。每程傳熱管的有效長度取4～7米。這種換熱器傳熱面積最高達18平方米，故適用於小容量換熱。當內外管壁温差較大時，可在外管設置U形膨脹節（圖1b）或內外管間採用填料函滑動密封（圖1c），以減小温差應力。管子可用鋼、鑄鐵、銅、鈦、陶瓷、玻璃等製成，若選材得當，它可用於腐蝕性介質的換熱。 ^[1] 

1、 固定管板式換熱器

這類換熱器的結構比較簡單、緊湊、造價便宜，但管外不能機械清洗。此種換熱器管束連接在管板上，管板分別焊在外殼兩端，並在其上連接有頂蓋，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於管束的擋板。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温度的流體。因此，當管壁與殼壁温差較大時，由於兩者的熱膨脹不同，產生了很大的温差應力，以至管子扭彎或使管子從管板上鬆脱，甚至毀壞換熱器。 為了克服温差應力必須有温差補償裝置，一般在管壁與殼壁温度相差50℃以上時，為安全起見，換熱器應有温差補償裝置。但補償裝置（膨脹節）只能用在殼壁與管壁温差低於60～70℃和殼程流體壓強不高的情況。一般殼程壓強超過0.6MPa時由於補償圈過厚，難以伸縮，失去温差補償的作用，就應考慮其他結構。

2、 浮頭式換熱器

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。其優點是：管束可以拉出，以便清洗；管束的膨脹不變殼體約束，因而當兩種換熱器介質的温差大時，不會因管束與殼體的熱膨脹量的不同而產生温差應力。其缺點為結構複雜，造價高。

3、 填料函式換熱器

這類換熱器管束一端可以自由膨脹，結構比浮頭式簡單，造價也比浮頭式低。但殼程內介質有外漏的可能，殼程中不應處理易揮發、易燃、易爆和有毒的介質。

4、 U型管式換熱器

U形管式換熱器，每根管子都彎成U形，兩端固定在同一塊管板上，每根管子皆可自由伸縮，從而解決熱補償問題。管程至少為兩程，管束可以抽出清洗，管子可以自由膨脹。其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，適用於高温高壓條件。

這種換熱器具有若干突出的優點，所以至今仍被廣泛用於石油化工等工業部門。

①結構簡單，傳熱面積增減自如。因為它由標準構件組合而成，安裝時無需另外加工。

②傳熱效能高。它是一種純逆流型換熱器，同時還可以選取合適的截面尺寸，以提高流體速度，增大兩側流體的傳熱係數，因此它的傳熱效果好。液-液換熱時，傳熱係數為 870～1750W/（m²·℃）。這一點特別適合於高壓、小流量、低傳熱係數流體的換熱。套管式換熱器的缺點是佔地面積大；單位傳熱面積金屬耗量多，約為管殼式換熱器的5倍；管接頭多，易泄漏；流阻大。

③結構簡單，工作適應範圍大，傳熱面積增減方便，兩側流體均可提高流速，使傳熱面的兩側都可以有較高的傳熱係數，是單位傳熱面的金屬消耗量大，為增大傳熱面積、提高傳熱效果，可在內管外壁加設各種形式的翅片，並在內管中加設刮膜擾動裝置，以適應高粘度流體的換熱。

④可以根據安裝位置任意改變形態，利於安裝。

①檢修、清洗和拆卸都較麻煩，在可拆連接處容易造成泄漏。

②生產中，有較多材料選擇受限，由於套管式換熱器大多是內管中不允許有焊接，因為焊接會造成受熱膨脹開裂，而套管式換熱器大多數為了節省空間選擇，彎制，盤製成蛇管形態，故有較多特殊的耐腐蝕材料無法正常生產。

③套管換熱器國內還沒有形成統一的焊接標準，各個企業都是根據其他換熱產品經驗選擇焊接方式，所以，套管式換熱器的焊接處，出現各類問題司空見慣，需要經常注意檢查，保養。

套管式換熱器長期運行會導致設備被水垢堵塞，將會使效率降低、能耗增加、壽命縮短。如果水垢不能被及時地清除，就會面臨設備維修、停機或者報廢更換的危險。長期以來傳統的清洗方式如機械方法（刮、刷）、高壓水、化學清洗(酸洗)等在對換熱器清洗時出現很多問題：不能徹底清除水垢等沉積物，並對設備造成腐蝕，殘留的酸對材質產生二次腐蝕或垢下腐蝕，最終導致更換設備，此外，清洗廢液有毒，需要大量資金進行廢水處理。企業可採用高效環保清洗劑避免上述情況，其具有高效、環保、安全、無腐蝕特點，不但清洗效果良好而且對設備沒有腐蝕，能夠保證空壓機的長期使用。 ^[2]