换热器的综述
前言
随着换热器在工业生产中的地位和作用不同，换热器的类型也多种多样，不同类型的换热器各有优缺点，性能各异。在换热器设计中，首先应根据工艺要求选择适用的类型，然后计算换热所需传热面积，并确定换热器的结构尺寸。 换热器按用途不同可分为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器、再沸器、深冷器、过热器等。
换热器组内的传热过程目的一般可以分为两类: 一类是为了热功转换, 另一类是为了加热或者冷却物体.相应地, 传热过程也包含熵产最小以及火积耗散极大这两种不同的优化原理.通过分析换热器组内的传热过程, 并在一定约束条件下利用不同的原理对换热器组的面积分配进行优化, 得出熵产最小原理适用于包含在热力循环中的换热器优化问题, 而火积耗散极大原理则更适合分析仅涉及传热过程的换热器优化问题.并且, 在使用熵产最小原理优化热力循环中的换热器时, 除了需要考虑冷、热端换热器产生的熵产外, 也应考虑乏汽排放到外部环境引起的熵产.在换热器的设计中，很多因素都将影响到换热器的设计是否优化合理、安全可靠，是否能正常运转、高效耐用。 本文通过对管壳式换热器设计的综述，增强对换热器设计环节的重视与考虑，使设计更加准确、完善。
一、
换热器 1.1换热器的介绍
换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，又称热交换器。换热器是实现化工生产过程中热量交换和传递不可缺少的设备。换热器被应用于超过 80%的能源利用系统, 它是热能和化工等工程领域中最重要的设备之一.因此, 提高换热器的换热性能通常被认为是提高能源利用效率的关键因素之一.经过长期的不懈努力,科研人员已经提出了多种不同的主动/被动式强化换热技术来提高换热性能。在石油、化工、轻工、制药、能源等工业生产中，常常需要把低温流体加热或者把高温流体冷却，把液体汽化成蒸汽或者把蒸汽冷凝成液体。这些过程均和热量传递有着密切联系，因而均可以通过换热器来完成。随着经济的发展，各种不同型式和种类的换热器发展很快，新结构、新材料的换热器不断涌现。为了适应发展的需要，我国对某些种类的换热器已经建立了标准，形成了系列。换热器的应用广泛，日常生活中取暖用的暖气散热片、汽轮机装置中的凝汽器和航天火箭上的油冷却器等，都是换热器。它还广泛应用于化工、石油、动力和原子能等工业部门。它的主要功能是保证工艺过程对介质所要求的特定温度，同时也是提高能源利用率的主要设备之一。换热器既可是一种单元设备，如加热器、冷却器和凝汽器等；也可是某一工艺设备的组成部分，如氨合成塔内的换热器。换热器是化工生产中重要的单元设备，根据统计，热交换器的吨位约占整个工艺设备的20%有的甚至高达30%，其重要性可想而知。
换热器的发展已经有近百年的历史，被广泛应用在石油、化、冶金、电力、船舶、集中供热、制冷空调、机械、食品、制药等领域。 进入80 年代以来，由于制造技术、材料科学技术的不断进步和传热理论研究的不断完善，有关换热器的节能设计和应用越来越引起关注。 按照用途来分：预热器（或加热器）、冷却器、冷凝器、蒸发器等。按照制造热交换器的材料来分：金属的、陶瓷的、塑料的、石墨的、玻璃的等。按照温度状况来分：温度工况稳定的热交换器，热流大小以及在指定热交换区域内的温度不随时间而变；温度工况不稳定的热交换器，传热面上的热流和温度都随时间改变。按照热流体与冷流体的流动方向来分：顺流式、逆流式、错流式、混流式。按照传送热量的方法来分：间壁式、混合式、蓄热式等三大类。其中间壁式换热器的冷、热流体被固体间壁隔开，并通过间壁进行热量交换的换热器，因此又称表面式换热器，这类换热器应用最广。
目前在发达的工业国家热回收率已达96 % ,换热设备在石油炼厂中约占全部工艺设备投资的35 %～40 %。其中管壳式换热器仍然占绝对的优势, 约70 %。其余30 %为各类高效紧凑式换热器、新型热管和蓄热器等设备, 其中板式、板翅式、热管及各类高效传热元件的发展十分迅速。随着工业装置的大型化和高效率化, 换热器也趋于大型化, 并向低温差设计和低压力损失设计的方向发展。当今换热器的发展以CFD、模型化技术、强化传热技术及新型换热器开发等形成了一个高技术体系。
管壳式换热器是以封闭在壳体中管束的壁面作为传热面的间壁式换热器，结构一般由壳体、传热管束、管板、折流板（挡板）和管箱等部件组成。目前，国内外工业生产中所用的换热设备中，管壳式换热器仍占主导地位，虽然它在换热效率、结构紧凑性和金属材料消耗等方面不如其它新型换热设备，但它具有结构坚固，操作弹性大，适应性强，可靠程度高，选材范围广，处理能力大，能承受高温高压等特点，所以在工程中仍得到广泛应用。以下是几种常见的管壳式强化换热器。
螺旋槽管换热器，横纹管换热器，螺旋扁管换热器，螺旋扭曲管换热器，波纹管换热器，内翅片管换热器，缩放管换热器，波节管管壳式换热器，三维内肋管换热器，管内插入物换热器
1.2换热器发展前景：
换热器的所有种类中，管壳式换热器是一个量大而品种繁多的产品，由于国防工业技术的不断发展，换热器操作条件日趋苛刻迫切需要新的耐磨损、耐腐蚀、高强度材料。近年来，我国在发展不锈钢铜合金复合材料铝镁合金及碳化硅等非金属材料等方面都有不同程度的进展，其中尤以钛材发展较快。钛对海水氯碱醋酸等有较好的抗腐蚀能力，如再强化传热，效果将更好，目前一些制造单位已较好的掌握了钛材的加工制造技术。对材料的喷涂，我国已从国外引进生产线。铝镁合金具有较高的抗腐蚀性和导热性，价格比钛材便宜，应予注意。近年来国内在节能增效等方面改进换热器性能，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。换热器的大量使用有效的提高了能源的利用率，使企业成本降低，效益提高。
1.3换热器的工作原理
换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，即在一个大的密闭容器内装上水或其他介质，而在容器内有管道穿过。让热水从管道内流过。由于管道内热水和容器内冷热水的温度差，会形成热交换，也就是初中物理的热平衡，高温物体的热量总是向低温物体传递，这样就把管道里水的热量交换给了容器内的冷水，换热器又称热交换器
1.4换热器的维护
二、管壳式换热器简述 2.1管壳式换热器结构
管壳式换热器主要有壳体、管束、管板和封头等部分组成,壳体多呈圆形,内部装有平行管束,管束两端固定于管板上。进行换热的冷热两种流体，一种在管内流动，称为管程流体；另一种在管外流动，称为壳程流体。为提高管外流体的传热分系数，通常在壳体内安装若干挡板。挡板可提高壳程流体速度，迫使流体按规定路程多次横向通过管束，增强流体湍流程度。换热管在管板上可按等边三角形或正方形排列。等边三角形排列较紧凑，管外流体湍动程度高，传热分系数大；正方形排列则管外清洗方便，适用于易结垢的流体。
流体每通过管束一次称为一个管程；每通过壳体一次称为一个壳程。图示为最简单的单壳程单管程换热器,简称为1-1型换热器。为提高管内流体速度,可在两端管箱内设置隔板，将全部管子均分成若干组。这样流体每次只通过部分管子，因而在管束中往返多次，这称为多管程。同样，为提高管外流速，也可在壳体内安装纵向挡板，迫使流体多次通过壳体空间，称为多壳程。多管程与多壳程可配合应用。
2.2管壳式换热器类型
由于管内外流体的温度不同，因之换热器的壳体与管束的温度也不同。如果两温度相差很大，换热器内将产生很大热应力，导致管子弯曲、断裂，或从管板上拉脱。因此，当管束与壳体温度差超过50℃时，需采取适当补偿措施，以消除或减少热应力。根据所采用的补偿措施，管壳式换热器可分为以下几种主要类型：
2.2.1固定管板式换热器 1）、结构特点：两块管板均与壳体相焊接，并加入了热补偿原件——膨胀节。 2 ）、优点：结构简单、紧凑、能承受较高的压力，造价低，管程清洗方便，管子损坏时易于堵管或更换。 3）、缺点：不易清洗壳程，壳体和管束中可能产生较大的热应力。 4）、适用场合：适用于壳程介质清洁，不易结垢，管程需清洗以及温差不大或温差虽大但是壳程压力不大的场合。
5）膨胀节的作用：由于两块管板都与壳体固定，当壳体、换热管受热、受压都会发生变形，加入膨胀节减少热应力来吸收热膨胀差。
2.2.2 浮头式换热器 1）、结构特点：一块管板固定，另一块是浮动的与浮头盖用浮头钩圈法兰相连。 2）、优点：管内和管间清洗方便，不会产生热应力。 3）、缺点：结构复杂，设备笨重，造价高，浮头端小盖在操作中无法检查。 4）、适用场合：壳体和管束之间壁温相差较大，或介质易结垢的场合。
2.2.3 Ｕ形管式换热器 1）、结构特点：只有一块管板，换热管呈U形。 2）、优点：结构简单，价格便宜，承受能力强，不会产生热应力。 3）、缺点：布板少，管板利用率低，管子坏时不易更换。 4）、适用场合：特别适用于管内走清洁而不易结垢的高温、高压、腐蚀性大的 物料。
2.3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。 总结
随着我国工业的不断发展，对能源利用、开发和节约的要求不断提高，因而对换热器的要求也日益加强。换热器的设计、制造、结构改进及传热机理的研究十分活跃，一些新型高效换热器相继问世。随着换热器在工业生产中的地位和作用不同，换热器的类型也多种多样，不同类型的换热器各有优缺点，性能各异。在换热器设计中，首先应根据工艺要求选择适用的类型，然后计算换热所需传热面积，并确定换热器的结构尺寸。
若要保持总传热系数，温度越大、换热管数越多，折流板数越多、壳径越大，这主要是因为煤油的出口温度增高，总的传热温差下降，所以换热面积要增大，才能保证Q和K.因此，换热器尺寸增大，金属材料消耗量相应增大.通过这个设计，我们可以知道，为提高传热效率，降低经济投入，设计参数的选择十分重要
在管壳式换热器设计过程中，设计者应当充分了解且熟悉各相关技术规范及计算公式，在对客户要求充分理解的基础上，参考其它成功的设计案例中的设计方式及相关资料，使设计出的产品达到安全、经济、可靠，做到设备长周期安全运行
三、参考文献
《换热器》秦叔经、叶文邦等 ，化学工业出版社（2003） 《化工过程及设备设计》华南工学院化工原理教研室
《化工原理》天津大学化工原理教研室编 天津：天津大学出版社.（1999） 《过程设备设计》（第二版）化学工业出版社
GB151-1999，管壳式换热器
黄伟昌，王玉.管壳式换热器设计要点综述[J].管道技术与设备，2009，（06）.董宝春.管壳式换热器的工艺设计[J].甘肃石油和化工，2009，（03）.陈群.换热器组传热性能的优化原理比较
