[科普中国]-列管式换热器

列管式换热器1（tubular exchanger）是目前化工及酒精生产上应用最广的一种换热器。它主要由壳体、管板、换热管、封头、折流挡板等组成。所需材质 ，可分别采用普通碳钢、紫铜、或不锈钢制作。在进行换热时，一种流体由封头的连结管处进入，在管流动，从封头另一端的出口管流出，这称之管程；另一种流体由壳体的接管进入，从壳体上的另一接管处流出，这称为壳程。

种类固定管板式列管式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。

浮头式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。

填料函式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。

U型管式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。

涡流热膜涡流热膜换热器采用最新的涡流热膜传热技术，通过改变流体运动状态来增加传热效果，当介质经过涡流管表面时，强力冲刷管子表面，从而提高换热效率。最高可达10000W/m2℃。同时这种结构实现了耐腐蚀、耐高温、耐高压、防结垢功能。其它类型的换热器的流体通道为固定方向流形式，在换热管表面形成绕流，对流换热系数降低。

据【换热设备推广中心】的资料显示，涡流热膜换热器的最大特点在于经济性和安全性统一。由于考虑了换热管之间，换热管和壳体之间流动关系，不再使用折流板强行阻挡的方式逼出湍流，而是靠换

热管之间自然诱导形成交替漩涡流，并在保证换热管不互相摩擦的前提下保持应有的颤动力度。换热管的刚性和柔性配置良好，不会彼此碰撞，既克服了浮动盘管换热器之间相互碰撞造成损伤的问题，又避免了普通管壳式换热器易结垢的问题。

涡流热膜换热器性能特点：

1.高效节能，该换热器传热系数为6000-8000W/m2.0C；
2.全不锈钢制作，使用寿命长，可达20年以上,十年内出现换热器质量问题免费更换；
3.改层流为湍流，提高了换热效率，降低了热阻；
4.换热速度快，耐高温（400℃），耐高压（2.5Mpa）;
5.结构紧凑，占地面积小，重量轻，安装方便，节约土建投资；
6.设计灵活，规格齐全，实用针对性强，节约资金；
7.应用条件广泛，适用较大的压力、温度范围和多种介质热交换；
8.维护费用低，易操作，清垢周期长，清洗方便。
9.采用纳米热膜技术，显著增大传热系数。
10.应用领域广阔，可广泛用于热电、厂矿、石油化工、城市集中供热、食品医药、能源电子、机械轻工等领域。

涡流热膜换热器性能对比：

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折流挡板为提高壳程流体流速，往往在壳体内安装一定数目与管束相互垂直的折流挡板。折流挡板不仅可防止流体短路、增加流体流速，还迫使流体按规定路径多次错流通过管束，使湍动程度大为增加。常用的折流挡板有圆缺形和圆盘形两种，前者更为常用。

多壳程列管式换热器必须从结构上考虑热膨胀的影响，采取各种补偿的办法，消除或减小热应力，根据所采取的温差补偿措施。

技术参数

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渗漏解析换热器渗漏是换热器使用中最为常见的设备管理问题，渗漏主要是腐蚀造成的，少部分是由于换热器选型和换热器本身的制造工艺缺陷，列管式换热器的腐蚀形式基本有两种：电化学腐蚀和化学腐蚀。列管式换热器在制作时，管板与列管的焊接一般采用手工电弧焊，焊缝形状存在不同程度的缺陷，如凹陷、气孔、夹渣等，焊缝应力的分布也不均匀。使用时管板部分一般与工业冷却水接触，而工业冷却水中的杂质、盐类、气体、微生物都会构成对管板和焊缝的腐蚀。这就是我们常说的电化学腐蚀。研究表明，工业水无论是淡水还是海水，都会有各种离子和溶解的氧气，其中氯离子和氧的浓度变化，对金属的腐蚀形状起重要作用。另外，金属结构的复杂程度也会影响腐蚀形态。因此，管板与列管焊缝的腐蚀以孔蚀和缝隙腐蚀为主。从外观看，管板表面会有许多腐蚀产物和积沉物，分布着大小不等的凹坑。以海水为介质时，还会产生电偶腐蚀。化学腐蚀就是介质的腐蚀，换热器管板接触各种各样的化学介质，就会受到化学介质的腐蚀。另外，换热器管板还会与换热管之间产生一定的双金属腐蚀。一些管板还长期处于腐蚀介质的冲蚀中。尤其是固定管板换热器, 还有温差应力, 管板与换热管联接处极易泄漏,导致换热器失效。

综上所述，影响换热器管板腐蚀的主要因素有：

（1）介质成分和浓度：浓度的影响不一，例如在盐酸中，一般浓度越大腐蚀越严重。碳钢和不锈钢在浓度为50%左右的硫酸中腐蚀最严重，而当浓度增加到60%以上时，腐蚀反而急剧下降；

（2）杂质：有害杂质包括氯离子、硫离子、氰离子、氨离子等，这些杂质在某些情况下会引起严重腐蚀

（3）温度：腐蚀是一种化学反应，温度每提升 10℃，腐蚀速度约增加1~3倍，但也有例外；

（4）ph值：一般ph值越小，金属的腐蚀越大；

（5）流速：多数情况下流速越大，腐蚀也越大。

试漏方法列管换热器无损检测

在故障检测、特别是换热器部分可使用专业的知识和仪器，可以检测腐蚀现象产生的原因，这里以美嘉华的技术产品为例来了解一下无损检测设备的功能：

1)可视内窥镜检测管板内表面；

2)定制的问题研究和报价；

3)APR（声脉冲反射法），一种创新的无损检测技术，基于分析管板内产生多维声波的分析；

4)无损检测直的和弯曲的由有磁性和无磁性材料制成的换热器管材；

5)快速检测：每个管材少于 10 秒；

6)检测泄露、全部和部分堵塞、侵蚀和点蚀；

7)适合椭圆管、方形管、螺旋管、肋片管及从 9/16”直径出的弯曲；

8)立即可视结果；

9)数字存储用于以后的检查和比较；

10)定制的问题研究和成本估计1。

水试漏的方法

传统上我们使用水对换热器的试漏，就是将水注入换热器中，注满水后再用水泵对换热器中的水进行打压，使之达到一定的压力，进行对换热器的查漏。查漏结束做出标记后泄压和排水，再进行堵漏。如果换热器较大、泄漏较严重，水压在较低时就会发生泄漏，不得不排水堵漏，堵漏完成后再充水、充压试漏，反复进行，增加换热器检修时间。由于充水和打压需要大量的时间，泄漏的部位需要动火补焊消漏时，又要对泄漏部位进行干燥处理，否则影响补焊消漏的质量。如果泄漏的换热器内部有可燃介质，必须进行氮气置换，合格后才能动火补焊消漏作业，否则会产生着火和爆炸，危及人身和设备的安全。

氮气试漏的方法

列管式换热器泄漏后使用氮气进行充压试漏，比较快速。用氮气对换热器堵漏动火作业时，不必再进行置换处理，节约检修消漏的时间。

氮气在合成氨换热器试漏中的使用

操作要点

（1）由于是高压氮气（压力9．5MPa），使用时必须要有2人以上作业开阀门，在两阀门中间加装压力表1个，一人监护压力表的指示，另一人进行开阀门作业，保证管道压力在允许的范围之内，防止超压，造成管线或人员伤害。

（2）换热器EA103为浮头式换热器，试漏时需要做试漏封头安装到换热器上。

（3）投用步骤 先全开1阀和3阀，如图1，再缓慢打开2阀，对换热器进行充压，同时注意压力表压力，在3．0MPa之内。

（4）泄压步骤 先全关1阀和2阀，打开泄压阀门泄压完成后，全关3阀。

两种试漏方法的比较

从上述使用情况看，用氮气试漏节约大量的检修时间，检修费用。水和氮气试漏方法的比较见表1。

氮气试漏的安全注意事项

（1）因为氮气有窒息的风险，使用时必须注意人员的安全，防止人员中毒。

（2）氮气使用时要提前进行管线的预制。

（3）氮气使用时临时管线上要增加压力表，两人用对讲机联系开阀门，防止超压。

（4）氮气使用完成后必须及时泄压、拆除。

（5）氮气使用时必须2人以上用对讲机联系充压和泄压操作，防止管线超压，损坏管线，防止人员窒息，造成人身伤害。

（6）氮气不使用时必须对管线的阀门进行挂“禁动”标识牌，防止人员误动作。

清洗列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。福世泰克清洗剂（特有的添加湿润剂和穿透剂，可以有效清除用水设备中所产生的最顽固的水垢（碳酸钙）、锈垢、油垢、粘泥等沉淀物，同时不会对人体造成伤害，不会对钢铁、紫铜、镍、钛、橡胶、塑料、纤维、玻璃、陶瓷等材质产生侵蚀、点蚀、氧化等其他有害的反应，可大大延长设备的使用寿命。

案例说明：某大型石化电厂台湾独资复盛牌螺杆式空压机，换热器为油水换热，内管为铜管，换热面积为28平米，正常工作温度为77℃－93℃，清洗前工作温度为92℃，采用福世泰克清洗剂原液约15公斤，兑约40公斤的水，循环泵压力3公斤，反复循环清洗6小时，清洗出各种水垢、锈垢、粘泥等物质约1公斤，清洗后开机工作温度为81℃， 有效保障设备的正常生产运行。

渗漏解决通常大多数企业的做法就是尽量采购质量高的换热器，经过细心维护，让换热器寿命尽可能的延长，不可避免的出现渗漏以后，就会被迫停机堆焊，2～4人需要几天时间才能修复完成，如果企业高薪聘请的高级焊工，还能保证换热器继续使用一段时间，如果焊工的技术一般，那么就会造成更多的漏点甚至报废，企业不得不更换新的换热器，这是由于此种传统方法造成的种种弊端，完全不能保证企业的安全连续性生产，因此，众多企业积极寻求新技术解决换热器渗漏问题，通过引入福世蓝高分子复合材料的耐腐蚀性和抗冲刷性，通过提前对新换热器的保护，这样不仅有效治理了新换热器存在的焊缝和砂眼问题，更避免了使用后化学物质腐蚀换热器金属表面和焊接点，在以后的定期维修时，也可以涂抹福世蓝高分子复合材料来保护裸露的金属；即使使用后出现了渗漏现象，也可以通过福世蓝技术及时修复，避免了长时间的堆焊维修影响生产。正是由于此种精细化的管理，才使得换热器渗漏问题出现的概率大大降低，不仅降低了换热器的设备采购成本，更保证了产品质量、生产时间，提高了产品竞争力。

用于管板的高厚度涂料：

1)恢复损坏的管板，阻止由气蚀或电蚀引起的腐蚀；

2)可应用到罐体、管道、阀门，涂层厚度适合很多重要的应用环境；

3)恢复由于不正确扩展操作所引起腐蚀或损坏管板的完整性和不透水性；

4)管板与冷却液绝缘，中断腐蚀引发的电路；

5)流线型进口处理面可以减少气蚀也可以促进连续清洗系统的性能；

6)解决与过度快速流速、气蚀、涡轮和悬浮磨损颗粒有关的问题；

7)将进口恢复到最佳液压条件；

8)铸件减少的涂层厚度也不存在与塑料和金属基嵌入物的问题（在嵌入物的末端气蚀；电阻）。

换热器、冷凝器的管径内表面涂层保护：

1)管板涂层是一种对于任何管板内表面问题的快速耐用的解决方案；

2)防止因污垢、各种腐蚀、侵蚀和气蚀所引发的损坏；

3)适合在各种水服务环境中浸泡；

4)是100%无挥发性有机化合物并通过认证可以在饮用水中使用；

5)通过使用我们的专利的半自动设备可以快速应用（20 米/秒）从 30 微米到 250 微米；

6)根据客户的要求有不同的涂膜厚度；

7)内直接范围从 15 到 80mm 管材长度达 25m；

8)应用时间：在维护停机期间；

9)内窥镜控制、DFT 确保完整的涂料效率；

10)研究和测试表明该涂料提高换热率 一个用该涂料保护过的换热器保持一种高换热效率， 同时需要更少的清洗干预及不容易泄露。

10 个使用美嘉华内管板涂料系统的原因：

1)立即终止各种腐蚀过程；

2)对新及服务中换热器的长期解决方案；

3)多种可行涂层可延长有效服务使用寿命；

4)增加换热效率和冷凝器真空；

5)通过改善工厂性能全面增加电力输出；

6)通过减低污垢而提高抗污性；

7)冷工作技术对于换热器、工厂和人员是安全的；

8)对于恢复管板是一种节省成本的选择——50%更快，30%更便宜；

9)现场应用；

10)根据 ASTM D5162-28 标准测试确保 100%表面覆盖量。

21世纪初国内河南省巩义市终于研制出了碳化硅质列管式陶瓷换热器。 陶瓷换热器在金属换热器的使用局限下得到了很好的发展，因为它较好地解决了耐腐蚀，耐高温等课题，成为了回收高温余热的最佳换热器。经过多年生产实践，表明陶瓷换热器效果很好。它的主要优点是：导热性能好，高温强度高，耐腐蚀、抗氧化、抗热震性能好。寿命长，维修量小，性能可靠稳定，操作简便。是目前回收高温烟气余热的最佳装置。

央视报道国内首次攻克金属等传统材料在高温或恶劣环境下容易损坏的难题。首次研发并投入使用的以陶瓷替代金属的换热器新技术已经列入了国家火炬计划。这一新技术将工业窑炉原来用的冷空气变成了热空气，不仅提高了工作效率还节约了大量能源。由于陶瓷换热器是提高能源利用率的主要设备之一，工业用途广泛，因而其推广应用前景十分可观。

陶瓷换热器可以用于冶金、有色、耐材、化工、建材等行业主要热工窑炉，正在为世界的节能减排事业作出了巨大的贡献。

设计注意冷热流体流动通道的选择

在列管式换热器内，冷热流体流动通道可根据以下原则进行选择：

（1）不洁净和易结垢的的液体宜走管程，因管内清洗方便；

（2）腐蚀性流体宜走管程，以免管束和壳体同时受腐蚀；

（3）压强高的宜走管程，以免壳体承受压力；

（4）饱和蒸汽宜走壳程，因饱和蒸汽比较清洁，对流传热系数与流速无关而且冷凝液容易排出；

（5）被冷却的流体宜走壳程，便于散热；

（6）若两流体温差较大，对于刚性结构的换热器，宜将对流传热系数大的流体通过壳程，可减少热应力；

（7）流量小而粘度大的流体宜走壳程；

流体进出口温度的确定

如果换热器以冷却为目的热流体的进出口温度已由工艺条件确定，而冷却介质的出口温度则需要选择。若选择较高的出口温度，可选小换热器，但冷却介质的流量要加大；反之要选择低的出口温度，冷却介质流量减少了，但要选大的换热器，因此冷却介质的出口温度要权衡二者的投资大小来确定。

本词条内容贡献者为:

石季英 - 副教授 - 天津大学