套管式换热器结构原理

以同心套管中的内管作为传热元件的换热器。两种不同直径的管子套在一起组成同心套管，每一段套管称为“一程“，程的内管（传热管）借U形肘管，而外管用短管依次连接成排，固定于支架上（图1a）。热量通过内管管壁由一种流体传递给另一种流体。通常，热流体（A流体）由上部引入，而冷流体（B流体）则由下部引入。套管中外管的两端与内管用焊接或法兰连接。内管与U形肘管多用法兰连接，便于传热管的清洗和增减。每程传热管的有效长度取4～7米。这种换热器传热面积最高达18平方米，故适用于小容量换热。当内外管壁温差较大时，可在外管设置U形膨胀节（图1b）或内外管间采用填料函滑动密封（图1c），以减小温差应力。管子可用钢、铸铁、铜、钛、陶瓷、玻璃等制成，若选材得当，它可用于腐蚀性介质的换热。

这种换热器具有若干突出的优点，所以至今仍被广泛用于石油化工等工业部门。

①结构简单，传热面积增减自如。因为它由标准构件组合而成，安装时无需另外加工。

②传热效能高。它是一种纯逆流型换热器，同时还可以选取合适的截面尺寸，以提高流体速度，增大两侧流体的传热系数，因此它的传热效果好。液-液换热时，传热系数为 870～1750W/（m²·℃）。这一点特别适合于高压、小流量、低传热系数流体的换热。套管式换热器的缺点是占地面积大；单位传热面积金属耗量多，约为管壳式换热器的5倍；管接头多，易泄漏；流阻大。

③结构简单，工作适应范围大，传热面积增减方便，两侧流体均可提高流速，使传热面的两侧都可以有较高的传热系数，是单位传热面的金属消耗量大，为增大传热面积、提高传热效果，可在内管外壁加设各种形式的翅片，并在内管中加设刮膜扰动装置，以适应高粘度流体的换热。

④可以根据安装位置任意改变形态，利于安装。

①检修、清洗和拆卸都较麻烦，在可拆连接处容易造成泄漏。

②生产中，有较多材料选择受限，由于套管式换热器大多是内管中不允许有焊接，因为焊接会造成受热膨胀开裂，而套管式换热器大多数为了节省空间选择，弯制，盘制成蛇管形态，故有较多特殊的耐腐蚀材料无法正常生产。

③套管换热器国内还没有形成统一的焊接标准，各个企业都是根据其他换热产品经验选择焊接方式，所以，套管式换热器的焊接处，出现各类问题司空见惯，需要经常注意检查，保养。

套管式换热器长期运行会导致设备被水垢堵塞，将会使效率降低、能耗增加、寿命缩短。如果水垢不能被及时地清除，就会面临设备维修、停机或者报废更换的危险。长期以来传统的清洗方式如机械方法（刮、刷）、高压水、化学清洗(酸洗)等在对换热器清洗时出现很多问题：不能彻底清除水垢等沉积物，并对设备造成腐蚀，残留的酸对材质产生二次腐蚀或垢下腐蚀，最终导致更换设备，此外，清洗废液有毒，需要大量资金进行废水处理。企业可采用高效环保清洗剂避免上述情况，其具有高效、环保、安全、无腐蚀特点，不但清洗效果良好而且对设备没有腐蚀，能够保证空压机的长期使用。

套管式换热器是目前石油化工生产上应用最广的一种换热器。它主要由壳体（包括内壳和外壳）、U型肘管、填料函等组成。所需管材，可分别采用普通碳钢、铸铁、铜、钛、陶瓷玻璃等制作。管子一般被固定在支架上。两种不同介质可在管内逆向流动（或同向）以达到换热的目的。在进行逆向换热时，热流体由上部进入，而冷流体由下部进入，热量通过内管管壁由一种流体传递给另一种流体。热流体由进入端到出口端流过的距离称之为管程；流体由壳体的接管进入，从壳体上的一端引入到另一端流出，通过这种方式传热的换热器称为壳程套管式换热器[5]。由于套管式换热器被广泛的应用在石油化工、制冷等工业部门，原本单一的传热方式和传热效率已经不能满足实际工作和生产，目前国内外研究者对套管式换热器提出了很多种改进方案，以延长套管式换热器的使用寿命，加强其使用效率。

1、 固定管板式换热器

这类换热器的结构比较简单、紧凑、造价便宜，但管外不能机械清洗。此种换热器管束连接在管板上，管板分别焊在外壳两端，并在其上连接有顶盖，顶盖和壳体装有流体进出口接管。通常在管外装置一系列垂直于管束的挡板。同时管子和管板与外壳的连接都是刚性的，而管内管外是两种不同温度的流体。因此，当管壁与壳壁温差较大时，由于两者的热膨胀不同，产生了很大的温差应力，以至管子扭弯或使管子从管板上松脱，甚至毁坏换热器。 为了克服温差应力必须有温差补偿装置，一般在管壁与壳壁温度相差50℃以上时，为安全起见，换热器应有温差补偿装置。但补偿装置（膨胀节）只能用在壳壁与管壁温差低于60～70℃和壳程流体压强不高的情况。一般壳程压强超过0.6MPa时由于补偿圈过厚，难以伸缩，失去温差补偿的作用，就应考虑其他结构。

2、 浮头式换热器

换热器的一块管板用法兰与外壳相连接，另一块管板不与外壳连接，以使管子受热或冷却时可以自由伸缩，但在这块管板上连接一个顶盖，称之为“浮头”，所以这种换热器叫做浮头式换热器。其优点是：管束可以拉出，以便清洗；管束的膨胀不变壳体约束，因而当两种换热器介质的温差大时，不会因管束与壳体的热膨胀量的不同而产生温差应力。其缺点为结构复杂，造价高。

3、 填料函式换热器

这类换热器管束一端可以自由膨胀，结构比浮头式简单，造价也比浮头式低。但壳程内介质有外漏的可能，壳程中不应处理易挥发、易燃、易爆和有毒的介质。

4、 U型管式换热器

U形管式换热器，每根管子都弯成U形，两端固定在同一块管板上，每根管子皆可自由伸缩，从而解决热补偿问题。管程至少为两程，管束可以抽出清洗，管子可以自由膨胀。其缺点是管子内壁清洗困难，管子更换困难，管板上排列的管子少。优点是结构简单，质量轻，适用于高温高压条件。