列管式换热器结构详解与性能优化

列管式换热器结构详解与性能优化

 

一、列管式换热器概述

列管式换热器是一种典型的间壁式换热器，广泛应用于加热、冷却及蒸发过程。根据用途不同，可称为加热器或冷凝器。其主要特点包括结构坚固、操作弹性大、适应性强以及易于清洗和检修。尤其在处理含盐废水或生产用盐溶液时，通常采用不锈钢或钛材质以满足耐腐蚀要求。

列管式换热器的基本结构由壳体、管束、管板、封头（端盖）、折流挡板等组成。按结构形式分类，主要包括固定管板式、浮头式、U型管式、填料函式及釜式换热器。为了提高传热效率，工程中常使用多程换热器设计。

 

二、管程结构详解

1. 封头与管箱

封头和管箱是换热器的重要组成部分，位于壳体两端，负责控制和分配管程流体。

封头：适用于小直径壳体，便于制造但维修时需卸下。

管箱：用于大直径换热器，具有可卸盖板，便于检查和清洗，且不影响接管布置，但成本较高。

材料选择需考虑管内流体特性，如腐蚀性流体需确保封头或管箱材料与管子和管板相匹配。

2. 管子排列方式

管子排列直接影响传热面积和流体流动特性，常见的排列方式有以下三种：

正三角形排列：最紧凑，传热系数高，但机械清洗困难，流动阻力较大。

正方形排列：管外易于机械清洗，适合需要频繁清洗的场合，但传热效率较低。

同心圆排列：靠近壳体处分布均匀，尤其在小直径换热器中可排更多管子。

 

对于多管程换热器，通常采用组合排列方法，即每程内为正三角形排列，程间为矩形排列。

3. 管子与管板连接

管子与管板的连接是换热器制造中的核心环节，常见方法包括胀接和焊接：

胀接：通过管子变形实现密封，适用于低温低压工况，但在高温下可能发生松动导致泄漏。

焊接：密闭性更佳，适用于高温高压环境。目前常用焊接加胀接的复合方法，以提高抗疲劳性能并消除应力腐蚀。

4. 管束分程设计

多管程换热器需在管箱中安装分程隔板，以实现流体的合理分配。分程时应注意以下几点：

各程管子数目应大致相等，避免流体短路现象。

隔板形式应简单，密封长度尽量缩短。

 

常见分程方法包括平行式和T形式，偶数管程更便于制造和维护。

三、壳程结构设计

1. 折流挡板

壳程流体流通面积较大，为提高传热效率需设置折流挡板。折流挡板的主要功能包括：

增加壳程流体流速，提升湍动程度，从而提高传热系数。

支撑管束，防止振动和损坏。

 

折流挡板分为横向和纵向两种：

横向折流挡板：应用最为广泛，形状以弓形为主，缺口大小通常为20%-25%，特殊情况下可达40%-45%。水平缺口适用于清洁流体，垂直缺口则适合脏污流体。

纵向折流挡板：主要用于多壳程结构，虽能进一步提高平均温差，但由于制造复杂性较少使用。

此外，拉杆和定距杆用于固定折流挡板，防止其在运行过程中移位。

2. 防冲挡板

在壳程进口接管处需设置防冲挡板，以保护管束免受高速流体冲击。具体设计取决于壳程介质性质：

气体或蒸汽：必须设置防冲挡板。

液体物料：根据密度和入口流速平方的乘积（ρμ?）判断是否需要设置。非腐蚀性和非磨蚀性物料当ρμ? > 2230 kg/(m·s)时，一般液体当ρμ? > 740 kg/(m·s)时需设置。

 

常见的防冲挡板布置方式有两种：

普通接管：需抽取部分管子以减小局部阻力，但会略微降低传热面积。

扩大型接管：将防冲挡板置于扩大部分，既不影响管数又能有效保护管束。

四、总结与展望

列管式换热器作为经典的热交换设备，其性能优化依赖于合理的结构设计和材料选择。通过对管程和壳程结构的深入分析，可以发现：

管子排列方式的选择需综合考虑传热效率和清洗需求。

管子与管板连接方式应根据工况温度和压力确定。

折流挡板和防冲挡板的设计需兼顾传热效率和流体动力学特性。

未来研究方向可聚焦于新型材料的应用、智能化监测系统开发以及节能技术的推广，以进一步提升列管式换热器的性能和经济性。