一、基本結構組成

• 管束：由多根金屬管（稱為換熱管）組成，是熱量交換的核心區域。管子兩端固定在管闆上，形成管程通道，管内流動的流體稱為 “管程流體”。
  • 材質：根據介質腐蝕性、溫度壓力選擇，如碳鋼（适用于無腐蝕、中低壓）、不鏽鋼（304/316，耐腐蝕性較強）、钛合金（強腐蝕性介質）、銅（高導熱性，适用于低溫換熱）等。
  • 規格：常見管徑 10-50mm，長度 1-12m，管子排列方式有正三角形（提高傳熱效率）、正方形（便于清洗）等。
• 殼體：通常為圓柱形壓力容器，包圍管束，殼體内流動的流體稱為 “殼程流體”，與管程流體通過管壁進行熱交換。
• 管闆：位于殼體兩端，用于固定管束，同時分隔管程與殼程流體，防止串流。管闆與殼體、換熱管的連接需保證密封（如焊接或脹接）。
• 封頭：安裝在管闆外側，形成管程的進出口通道，可設計為單程（流體一次通過管束）或多程（通過隔闆将管束分為多段，流體多次折返流動，延長換熱時間）。
• 折流闆：安裝在殼體内，垂直于管束，作用是改變殼程流體的流動方向，增加湍流程度，提高傳熱效率，同時支撐換熱管（防止振動或彎曲）。常見形狀有弓形、圓盤 - 圓環形。

二、工作原理

1. 高溫流體（熱側）在管程或殼程流動，低溫流體（冷側）在另一側流動，兩者被換熱管壁分隔，不直接接觸。
2. 高溫流體通過管壁将熱量傳遞給低溫流體，自身溫度降低，低溫流體溫度升高，從而完成熱量交換。
3. 為強化傳熱，可通過增加流速（如多程設計、折流闆）、增大換熱面積（增加管子數量或長度）、提高管壁導熱系數（選擇高導熱材質）等方式優化。

三、主要分類

• 固定管闆式換熱器：
  • 特點：管闆與殼體剛性連接（焊接），結構簡單、成本低，管程可清洗，但殼程無法機械清洗。
  • 适用場景：殼程流體清潔、無結垢，且管程與殼程流體溫差較小（避免因熱膨脹産生過大應力）的工況，如普通冷卻、加熱。
• 浮頭式換熱器：
  • 特點：一端管闆固定，另一端管闆可自由浮動（稱為 “浮頭”），可補償管束與殼體因溫差産生的熱膨脹，殼程和管程均可機械清洗。
  • 适用場景：溫差大、殼程流體易結垢或腐蝕性較強的工況，如石油煉制中的冷卻、冷凝，但結構複雜、成本較高。
• U 型管式換熱器：
  • 特點：換熱管彎成 U 型，兩端固定在同一管闆上，管束可自由伸縮（避免熱應力），結構較浮頭式簡單，管程可清洗，殼程清洗困難。
  • 适用場景：高溫高壓、管程流體清潔的工況，如高壓蒸汽冷凝、合成氨裝置換熱。
• 填料函式換熱器：
  • 特點：一端管闆固定，另一端通過填料函密封（允許管束滑動），結構簡單、成本低于浮頭式，但密封性能有限。
  • 适用場景：壓力不高（通常≤4MPa）、介質無劇毒或強腐蝕性的場合。

四、性能優勢與局限性

• 優勢：
  • 适應性強：可處理高溫（≤1000℃）、高壓（≤30MPa）、多種物态（氣、液、氣液混合）的介質，且處理量範圍廣（從小型實驗室設備到大型工業裝置）。
  • 傳熱效率較高：通過多程設計、折流闆等優化，傳熱系數可達 100-3000 W/(m²・K)（取決于介質類型和流速）。
  • 結構堅固：金屬材質和壓力容器設計使其抗沖擊、抗振動能力強，使用壽命長（通常 10 年以上）。
• 局限性：
  • 體積較大：相比闆式換熱器，相同換熱面積下，列管換熱器體積更大，占地面積廣。
  • 清洗難度：殼程若為固定管闆式，無法機械清洗，易結垢介質需定期化學清洗。
  • 熱膨脹問題：溫差過大時可能産生應力，需通過浮頭、U 型管等結構補償，增加成本。

五、設計與選型關鍵參數

1. 換熱面積：根據熱量交換量（Q=K×A×Δt，其中 K 為傳熱系數，A 為換熱面積，Δt 為平均溫差）計算，需預留 10%-20% 餘量。
2. 流速：管程和殼程流速需合理設計（通常液體 0.5-3m/s，氣體 5-30m/s），流速過低易結垢，過高則壓降大、能耗高。
3. 壓力降：需控制流體通過換熱器的壓力損失（通常≤0.1-0.3MPa），避免增加泵或壓縮機的能耗。
4. 材質選擇：根據介質腐蝕性（如酸性選不鏽鋼、钛合金）、溫度（高溫選耐熱鋼）、壓力（高壓選厚壁管）确定。
5. 結垢傾向：易結垢介質優先選擇易清洗的類型（如浮頭式、U 型管式），或增加防垢設計（如波紋管）。

六、應用場景

• 化工行業：反應釜冷卻、溶劑回收冷凝、原料預熱。
• 石油工業：原油蒸餾塔換熱、潤滑油冷卻、油氣分離冷凝。
• 電力行業：汽輪機凝汽器（将蒸汽冷凝為水）、鍋爐給水預熱。
• 制藥行業：藥液加熱或冷卻（需衛生級材質，如不鏽鋼）、溶劑冷凝回收。
• 制冷空調：制冷劑冷凝、冷卻水換熱。