管壳式换热器热效率提升方法初探

引言

随着全球能源危机的加剧以及环保要求的日益严格，如何提升管壳式换热器的热效率，实现能源的高效利用，已成为工业领域亟待解决的关键问题。目前，虽然已有不少关于管壳式换热器的研究，但在热效率提升方法的系统性和全面性方面仍存在一定不足。

1. 管壳式换热器热效率影响因素分析

管壳式换热器热效率受多种因素综合影响。从传热过程本身来看，传热系数是决定热交换效率的关键参数，而传热系数又与流体的物性（如导热系数、比热容、密度、粘度等）、流速、流动状态以及换热器的结构形式密切相关。例如，流体的导热系数越大、比热容越高，越有利于热量传递；流体流速的增加可以增强湍流程度，减小边界层厚度，从而提高传热系数，但流速过大也会导致流动阻力增大，能耗增加。在结构方面，管束的排列方式、管径、管长，壳体的直径、形状，以及管壳连接方式等都会对流体的流动分布和传热效果产生影响。

2. 管壳式换热器热效率提升的结构优化方法

2.1 管束优化设计

管束作为管壳式换热器的核心传热部件，其优化设计对提升热效率至关重要。合理选择管束的排列方式，常见的排列方式有正三角形排列、正方形排列和同心圆排列等。正三角形排列具有较高的传热系数，在相同的壳体内径下可排列更多的管子，能有效提高传热面积，但流体的流动阻力相对较大；正方形排列便于清洗，适用于壳程流体易结垢的场合，且流动阻力较小，但传热系数相对较低；同心圆排列则适用于直径较小的换热器，可减少管板的弯曲应力。在实际应用中，需根据具体工况，综合考虑传热需求、清洗难易程度和流动阻力等因素，选择合适的排列方式。优化管径和管长，较小的管径可以增加单位体积内的传热面积，提高传热效率，但管径过小会增加管内流体的流动阻力，且清洗困难；较大的管径则相反。

2.2 壳体结构改进

壳体结构对管壳式换热器的热效率有着重要影响。改进壳体的形状和尺寸可以优化流体的流动状态，减少流动死区和短路现象，提高传热效果。例如，将传统的圆形壳体改为椭圆形或方形壳体，可改变流体的流动路径，增加流体的湍流程度，从而提高传热系数。合理设计壳体的直径和长度，使其与管束尺寸相匹配，能够保证流体在壳程内均匀分布，充分利用传热面积。在壳体内部设置折流板是改善流体流动和传热的常用方法。折流板的形式、间距和安装角度对流体的流动和传热性能影响显著。常用的折流板形式有弓形折流板、圆盘-圆环形折流板等。弓形折流板应用较为广泛，其折流板间距的大小会影响流体的流速和湍流程度，间距过小会使流动阻力增大，间距过大则会导致流体流动不均匀，降低传热效率。

2.3 管壳连接与密封优化

管壳连接的可靠性和密封性直接关系到换热器的正常运行和热效率。良好的管壳连接方式可以保证管束与壳体之间的传热性能，防止流体泄漏。常见的管壳连接方式有胀接、焊接以及胀焊并用等。胀接是通过机械或液压的方法使管子发生塑性变形，与管板紧密贴合，形成密封连接，适用于压力较低、温度不高的场合；焊接则是将管子与管板直接焊接在一起，连接强度高，密封性好，能承受较高的压力和温度，但焊接过程中可能会产生焊接应力，导致管子和管板变形；胀焊并用结合了胀接和焊接的优点，既能保证良好的密封性，又能提高连接强度，适用于对密封性和连接强度要求较高的工况。在实际应用中，应根据换热器的工作压力、温度、介质性质等因素，选择合适的管壳连接方式。

3. 管壳式换热器热效率提升的运行与维护策略

3.1 流体流动状态优化

优化流体在管壳式换热器内的流动状态是提高热效率的重要途径。合理控制流体的流速是关键。在保证不产生过大流动阻力和能耗的前提下，适当提高流体流速可以增强湍流程度，提高传热系数。对于管程流体，可通过调节泵的流量来控制流速；对于壳程流体，则可通过调整折流板间距、改变壳体尺寸等方式来优化流速分布。此外，改善流体的流动方向和分布均匀性也十分重要。采用合理的进出口结构设计，如设置导流装置、分布器等，能够引导流体均匀进入换热器，避免出现偏流和短路现象。在多管程换热器中，合理分配各管程的流量，确保流体在各管程内均匀流动，充分发挥传热面积的作用。

3.2 防垢与除垢技术应用

污垢的沉积会在传热表面形成热阻，严重降低管壳式换热器的热效率，增加能耗，甚至可能导致设备故障。因此，采用有效的防垢与除垢技术至关重要。在防垢方面，可从流体处理和运行参数控制入手。对进入换热器的流体进行预处理，如过滤、除油、软化等，去除流体中的悬浮物、杂质和易结垢物质，减少污垢的形成。合理控制运行参数，如温度、压力、流速等，避免因参数不当导致污垢的加速沉积。例如，在易结垢的工况下，适当提高流体流速可以减少污垢在传热表面的附着。此外，使用防垢剂也是一种常用的防垢方法。防垢剂可以通过与水中的成垢离子发生化学反应，阻止或减缓污垢的形成，或者改变污垢的性质，使其更易于清除。在除垢方面，可采用物理除垢和化学除垢方法。物理除垢方法包括机械清洗（如刷子清洗、高压水射流清洗）、超声波清洗等，这些方法不使用化学药剂，对环境友好，但对于顽固污垢的清除效果可能有限。

化学除垢方法则是利用化学药剂与污垢发生化学反应，使其溶解或分散，从而达到清除污垢的目的，常见的化学除垢剂有酸洗剂、碱洗剂等。在实际应用中，应根据污垢的性质和换热器的材质，选择合适的防垢与除垢技术，定期对换热器进行清洁维护，保持传热表面的清洁，提高热效率。

3.3 换热器的日常维护与管理

加强管壳式换热器的日常维护与管理是保证其稳定运行和高效传热的重要保障。建立完善的设备运行监测系统，实时监测换热器的温度、压力、流量、液位等运行参数，及时发现异常情况并采取相应措施。定期对换热器进行性能检测，通过测量传热系数、流动阻力等指标，评估换热器的运行状况，为设备的维护和优化提供依据。制定科学合理的维护计划，定期对换热器进行检查、清洗、润滑、紧固等维护工作。检查管束是否有泄漏、变形，管板与管子的连接是否牢固，密封件是否老化、损坏等，及时更换损坏的部件。同时，加强操作人员的培训，提高其操作技能和维护意识，使其能够正确操作和维护换热器，严格按照操作规程进行操作，避免因操作不当导致设备故障和热效率下降。此外，做好设备的运行记录，积累运行数据，为后续的设备管理和技术改进提供参考。

4. 结语

管壳式换热器热效率提升需兼顾结构优化与运行维护。通过合理设计管束、壳体，优化连接密封，调控流体状态，做好防垢维护等措施，可显著提升热效率。未来还需结合实际工况持续探索创新，助力工业节能降本与可持续发展。

参考文献

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[2] 李承林 . 空气 - 空气管壳式换热器传热性能的研究 [D]. 山东建筑大学 ,2021.

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