管壳式热交换器

管壳式热交换器

       管壳式热交换器是一类热交换器设计。它是炼油厂和其他大型化工过程中Z常见的热交换器类型，适合于高压应用。顾名思义，这种类型的热交换器由一个外壳（一个大型压力容器）组成，里面有一束管子。一种流体穿过管子，另一种流体流过管子（穿过外壳），在两种流体之间传递热量。这组管子被称为管束，可能由几种类型的管子组成：普通管、纵向翅片管等。

       两种起始温度不同的液体流经热交换器。一种流经管子（管子一侧），另一种流在管子外面，但在壳体内（壳体一侧）。热量通过管壁从一种液体转移到另一种液体，或者从管侧转移到壳侧，或者反过来。液体可以是液体，也可以是壳侧或管侧的气体。为了有效地传递热量，应该使用大的传热面积，从而导致使用许多管子。通过这种方式，废热可以被利用起来。这是节约能源的一种有效方式。

       每侧只有一相（液体或气体）的热交换器可称为单相或单相热交换器。两相热交换器可用于加热液体，使其沸腾为气体（蒸汽），有时称为锅炉，或冷却蒸汽并将其冷凝为液体（称为冷凝器），相变通常发生在壳侧。蒸汽机车的锅炉通常是大型的，通常是圆柱形的壳管式热交换器。在有蒸汽驱动涡轮机的大型发电厂中，管壳式表面冷凝器被用来将涡轮机排出的蒸汽冷凝成冷凝水，再循环到蒸汽发生器中变成蒸汽。

       壳管式表面冷凝器还用于液冷式冷却器，在蒸发器和冷凝器的制冷剂和水之间传递热量，而在风冷式冷却器中只用于蒸发器。

       壳和管的设计可以有很多变化。通常情况下，每根管子的两端通过管板上的小孔连接到柱状物（有时称为水箱）。管子可以是直的，也可以弯曲成U字形，称为U型管。

       在被称为压水反应堆的核电站中，被称为蒸汽发生器的大型热交换器是两相、壳管式热交换器，通常有U型管。它们被用来将表面冷凝器回收的水煮成蒸汽，以驱动涡轮机产生动力。大多数壳管式热交换器在管侧是1、2或4个通道的设计。这是指管内流体通过壳内流体的次数。在单程热交换器中，流体从每个管子的一端进入，然后从另一端出来。

       电厂的表面冷凝器通常是单程直管换热器。两通和四通设计很常见，因为流体可以在同一侧进入和退出。这使得结构更加简单。

       通常有挡板引导流经壳侧，这样流体就不会在壳侧走捷径，留下无效的低流量。这些挡板通常连接在管束上，而不是外壳上，以便管束仍可拆卸以进行维护。

       逆流式热交换器是Z有效的，因为它们允许热流和冷流之间的Z高对数平均温差。然而，许多公司不使用U型管的双通道热交换器，因为它们很容易损坏，而且制造成本更高。通常情况下，可以使用多个热交换器来模拟单个大型交换器的逆流。

       为了能够很好地传递热量，管子材料应具有良好的导热性。因为热量是通过管子从热端转移到冷端，所以在管子的宽度上存在着温度差。由于管子材料在不同的温度下有不同的热膨胀趋势，在操作过程中会产生热应力。这是在流体本身的高压所产生的任何压力之外的。管子材料还应该在工作条件（温度、压力、pH值等）下与管壳和管侧流体长期兼容，以尽量减少腐蚀等恶化现象。所有这些要求都要求仔细选择坚固、导热、耐腐蚀、高质量的管子材料，通常是金属，包括铝、铜合金、不锈钢、碳钢、非铁铜合金、英科耐尔、镍、哈氏合金和钛。 全氟烷烃（PFA）和氟化乙烯丙烯（FEP）等含氟聚合物因其对温度的高耐受性也被用来生产管子材料。[4] 管子材料选择不当可能会导致管子在外壳和管子两侧之间发生泄漏，造成流体交叉污染，并可能造成压力损失。

       管壳式热交换器的简单设计使其成为各种应用的理想冷却解决方案。Z常见的应用之一是冷却发动机、变速箱和液压动力组中的液压油和油。如果材料选择得当，它们还可以用来冷却或加热其他介质，如游泳池水或补给空气。

       使用管壳式换热器的一大优势是它们通常很容易维修，特别是有浮动管束的型号（即管板没有焊接在外壳上）。

外壳的圆柱形设计具有的抗压性，允许所有范围的压力应用

在管壳式热交换器中，有可能出现管子破裂，高压（HP）流体进入并使热交换器的低压（LP）侧过压。管子破裂有可能破坏外壳的完整性，并释放出可燃气体或液体，从而给人们带来风险和经济损失。交换器的外壳必须通过爆破片或溢流阀来防止过压。已经发现保护装置的开启时间对交换器的保护至关重要。这种装置直接安装在交换器的外壳上，并排放到泄压系统中。