套管換熱器

套管式換熱器是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。

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，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。 ^[1] 

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。

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。

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。

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。

有一定的温度補償能力、處理量大、能承受高壓、可應用於各種傳熱場合優點。 ^[2] 

套管式換熱器雖然具備了很多其他換熱器所沒有的優勢，但是依然有很多缺點和不足，依然有很多有待改進的地方。

1、改進後的套管式換熱器，如固定管板式換熱器、浮頭式換熱器、填料函式換熱器、U型管式換熱器雖然在傳熱性能上有所提升，但是研究方向忽視了流體對換熱器效率本身的影響，不同流體速率下套管換熱器的換熱係數存在差異。如何通過改進流體流動速率，從而改變換熱係數提高換熱效率未被大家所重視。從改變換熱器性能指標上出發，採用多種方式綜合提升換熱器效率是更加有效的改進方向。

2、換熱器設計時管子與管子的連接、管板結構、温差應力、拉脱力以及換熱器材料和冷卻介質的選擇。 ^[1] 

套管式換熱器作為一種主流的換熱器，被廣泛的用於製冷、石化、化工，新能源等工業領域。由於套管式換熱器是被廣泛使用的，其本身的傳熱效率的提高能為我們的工業生產提供更為高效和節能的生產方式，提高生產率，減少能源消耗，對於製冷、石化、化工、新能源等工業領域的生產率能起到至關重要的作用。

隨着國家環保節能、可持續發展政策的提出，人們環保意識的增長，新技術的日益更新，新材料的不斷出現，國家和企業對新型高效環保節能的套管式換熱器的要求將會越來越高。通過對套管式換熱器的傳熱過程和傳熱係數的研究，套管式換熱器的實際工作環境、安全可靠性、安裝、操作、維修等方面的研究，提出新的方法和理論，改進換熱器的工作效率。傳熱性能更好，造價更低的各種新型材料將會在套管式換熱器的設計和製造中大量出現和使用。在設備工程中，節能環保始終排在優先地位。套管式換熱器的設計也不例外，如何利用更小的能耗更低的污染來試驗熱量傳導的最大化是套管式換熱器以後發展的重中之重。 ^[2]