热交换器的分类及优缺点分析

曹彬彬，张 霞

(泰安市特种设备检验研究院，山东 泰安 271000)

1 前 言

热交换是在两种或两种以上的不同温度介质间实现介质间热量传递的容器，使热量由温度较高的介质传递给温度较低的介质，借以得到满足工艺要求的介质温度，同时也可以作为提高能源利用率的设备。热交换器涉及化工、石油等近30多种产业，国内热交换器在节能增效、提高传热效率、减少传热面积、降低压降、提高装置热强度等方面的研究取得了显著成绩[1]。

热交换器根据不同介质、不同工况、不同温度、不同压力等情况，结构型式也不同。现在常见的热交换器按传热原理的不同主要分为间壁式热交换器、流体连接间接式热交换器、直接接触式热交换器、复式热交换器。间壁式热交换器是压力容器中最常见的热交换器，主要分为管式热交换器、翘片式热交换器、夹套式热交换器、板式热交换器、螺旋板式热交换器。

管式热交换器主要有蛇管式热交换器、套管式热交换器、列管式热交换器，其中蛇管式热交换器和列管式热交换器是压力容器中最常见的形式。蛇管式热交换器在压力容器中主要表现为伴热管，换热面积较小。列管式热交换器分为管板式热交换器、U型管式热交换器及浮头式热交换器。列管式换热器的制造工作受到广泛关注，主要因为此类设备的结构较为简单，具备良好的传热效果，换热面积很大，具备较高的承压能力，可以应用在多个领域中。因此，工业发展中，应当重视列管式换热器设备的制造质量，对关键制造工序进行全面的管理与控制，通过科学的检测方式及时发现其中存在的问题，采取有效措施应对问题，满足实际发展需求[2]。

2 不同热交换器对比

2.1 管式热交换器

管式热交换器主要分为蛇管式热交换器、套管式热交换器、列管式热交换器，各自具有不同的结构及优缺点。

2.2 蛇管式热交换器

蛇管式热交换器又可称为缠绕管式热交换器或者伴热管式热交换器。此类型的热交换器多以金属管子绕制成与容器相适应的各种结构，并盘绕在容器的内壁或外壁，依靠管内的介质来加热或冷却容器内的介质。缠绕管式热交换器是一种高效紧凑的换热设备，具有结构紧凑、传热系数高、换热效率好、可同时进行多种介质的换热、管侧耐高压、换热管热膨胀可自行补偿的优点，其传热效率高、热损失小、占地面积小、换热投资少，节约成本[3]。大型缠绕管式换热器还具有较好的传热性能，对装置变负荷的适应性和运行可靠的操作特性，在我国炼油、煤炭深加工、天然气等领域的应用呈现出良好的发展前景[4]。蛇管式热交换器的缺点就是压力容器体积比管子的体积大得多，因此管外流体的表面传热系数较小，不利于获得工艺要求的热量、温度，同时不便于管内清洗。

2.3 列管式热交换器

列管式热交换器主要有固定管板式热交换器、U型管式热交换器及浮头式热交换器。用途不同、使用工况不同选用的热交换器型式不同，其中固定管板式热交换器使用最为普遍。

固定管板式热交换器是将两端管板与壳体连接成一体，换热管固定在两端的管板上。换热管与管板容易产生局部热应力过大的问题；换热管和壳体采用同种材料，可以避免由材料线膨胀系数差而导致的过大热应力；通过增加管板的厚度，同样可以有效地减小管板的应力[5]。热交换器的管程数一般分为1、2、4、6、8、10、12等7种形式，为了避免局部热应力过大，应尽可能的使各管程的换热管数相近、分程隔板槽形状简单、密封面长度较短[6]。固定管板可采用计算机辅助布管的方式，更充分、更方便、更有效地布置换热管；在固定管板式热交换器整体优化研究方面，采用线性加权法，综合考虑设计参数的权重，根据目标函数及约束条件，对换热管与管板接头进行优化，能得到比较满意的优化设计结果[7]。固定管板式热交换器适用于两种介质温差不大，或温差较大但壳程压力不高及壳程介质清洁，不易结垢的场合。其优点为单位体积所具有的传热面积较大以及传热效果较好；结构简单，造价低廉，且其适用的材料范围较大，操作弹性也较大等。不利的方面为壳程不易检修和清洗，因此壳体的介质应是较洁净且不易结垢的物料。当壳程与管程的介质温度差较大时，需考虑热补偿，采用膨胀节的补偿方式，使制造成本增加。

U型管式热交换器仅有一个管板，U型换热管固定在管板上。换热管进行热量交换时，管束因温度变化引起膨胀或收缩，外部壳体不会随着换热管的收缩、膨胀变化，所以不存在热补偿，拘束应力小，避免使用膨胀节，成本也低。U型管式热交换器的管板厚度与压差成比例关系，设计U型管式热交换器时应选用小压差和大直径的设计参数[8]。在管板的布管区，容易产生表皮效应，即管板大部分的厚度上温度接近流经该处换热管中管程介质的温度，而管板靠近壳程介质一侧表面的管板材料温度才接近该处附近壳程介质的温度[9]。U型管式热交换器的优点是结构较简单、重量轻，适用于高温和高压的场合，但由于其在制造过程中管束集中，当发生管渗漏时不易换管，管内清洗比较困难，因此管内流体必须洁净，且换热管弯曲时需符合标准要求的曲率半径，故管板的利用率低，换热效果较固定管板式换热器差，管束整体更换简单，可满足大部分极度腐蚀的需要。

浮头式热交换器有一端管板不与外壳相连，可以沿轴向进行自由浮动，也称为浮头。浮头由浮动管板、钩圈和浮头端盖组成，是可拆连接，管束可从壳体内抽出。换热管进行热量交换时，管束连同浮头因温度变化引起膨胀或收缩，外部壳体不会随着换热管的收缩、膨胀变化，温差应力极低，能较好地消除因温差变化产生的换热管-管板应力。浮头式热交换器的结构复杂，设计要求较高。浮头式换热器的设计应当注意钩圈型式的选择、如何确定浮头法兰螺栓、浮头分程隔板的面积计算、柔性石墨金属波齿复合垫片尺寸的校核、正确的确定浮头法兰的厚度等[10]。浮头式热交换器多用于石油化工行业，浮头螺栓的硬度较高，螺栓易发生断裂，螺栓断裂主要是由于湿硫化氢应力腐蚀开裂所致，氰化物的存在也大大地加剧了硫化氢应力腐蚀开裂的发生[11]。

浮头式热交换器管束可从壳体中抽出，便于清洗和检修，且在制造过程中避免了膨胀节的使用，设备更加安全。但浮头式热交换器结构复杂、制造困难、造价高。且重型立式浮头式热交换器在制造过程中存在着管束重量大，浮头封头与壳体封头套装尺寸严格，浮头端密封盘根易泄漏等难题[12]。

2.4 套管式热交换器

套管式热交换器是用管件将两种尺寸不同的标准管连接成同心圆的套管，然后用180°的回弯管将多段套管串联而成。每一段套管称为一程，程数可根据传热要求而增减。每程的有效长度为4～6 m，若管子太长，管中间会向下弯曲，使环形中的流体分布不均匀。由于内外管介质温度不同，存在较大的内外温差，内外管热膨胀系数不同使其产生不均匀的膨胀，从而产生很大的热应力，破坏结构，甚至造成热交换器的结构破坏失效[13]。此类热交换器构造简单、能耐高压，传热面积的选择比较方便，可以通过改变管内、外径，控制介质的流速，且双方的介质可作严格的逆流，有利于传热。但是此类热交换器的管接头多，容易发生泄漏现象。

3 结 语

本文针对热交换器的分类进行分析讨论，由传热原理不同主要分为间壁式热交换器、流体连接间接式热交换器、直接接触式热交换器、复式热交换器。管式热交换器作为间壁式热交换器的代表是压力容器中最为常见的，通过对比蛇管式热交换器、列管式热交换器及套管式热交换器的优缺点，得出不同热交换器的适用环境、优势及环保节能方面的特点，为设计、制造人员选择热交换器的型式提供参考，使其选择出结构合理、能耗较低、节约成本及工艺可靠的热交换器。