‘文章由山东擎雷环境科技股份有限公司提供’

一、技术原理：热传导与对流传热的协同机制

化工管式换热器通过金属管壁实现冷热流体的间接热量交换，其核心原理基于热传导与对流传热的双重作用：

热传导：高温流体（如蒸汽、高温工艺介质）在管内流动时，热量通过管壁（铜、不锈钢或钛合金材质）传导至管外；

对流传热：低温流体（如水、冷却介质）在壳程内逆向流动，通过湍流效应强化热量吸收。

典型流程：热流体从进口封头进入换热管，沿管内壁流动；冷流体从壳体接管进入，在折流板引导下多次横掠管束，最终冷热流体分别从出口封头和壳体接管流出，完成温度调控。

二、结构创新：模块化设计与功能适配

管式换热器的结构设计围绕“高效传热、便于维护、适应工艺工况”三大目标展开，核心部件包括：

壳体

材质：根据流体腐蚀性、温度压力条件选择碳钢、不锈钢、钛合金或衬里材料（如聚四氟乙烯）。

功能：容纳壳程流体并提供密封空间，两端设置管箱引导管程流体进出，侧面开设进出口接管、排气口及排液口。

管束

排列方式：正三角形排列（换热面积大、效率高，适合清洁流体）、正方形排列（便于清洗，适合易结垢流体）。

强化传热管：

翅片管：管外或管内增设翅片，增大传热面积，适用于气体-液体换热（如空气冷却）；

螺纹管：管内开设螺纹，增强流体湍流程度，减少边界层厚度，适用于高黏度流体（如重油加热）。

管板

连接方式：

胀接：通过机械或液压胀大换热管端部，适用于低压（≤4MPa）、低温（≤300℃）工况；

焊接：采用氩弧焊或埋弧焊连接，密封性能强，适用于高压、高温或腐蚀性工况。

折流元件

弓形折流板：结构简单，通过缺口高度（壳体直径的15%-40%）调节湍流强度；

螺旋折流板：使壳程流体呈螺旋状流动，湍流程度提升20%-30%，传热效率优于弓形折流板，但阻力损失较大；

杆式折流板：用拉杆代替传统折流板，减少污垢沉积，降低清洗难度，适用于含颗粒流体（如污水、浆料）。

三、类型划分：按结构适配多元工况

根据管束与壳体的相对位置及热补偿方式，管式换热器可分为以下类型：

固定管板式换热器

结构：管束两端管板与壳体刚性连接，结构简单、成本低、占地面积小。

适用场景：壳程与管程流体温差较小（≤50℃）、流体清洁无结垢的场合（如普通冷却器、润滑油加热器）。

局限性：管束无法抽出，壳程清洗困难，不适用于含颗粒或腐蚀性强的流体。

浮头式换热器

结构：一端管板（浮头管板）不与壳体固定，可自由伸缩；另一端管板与壳体固定，浮头端设置可拆卸的浮头盖。

适用场景：壳程与管程流体温差大（≥100℃）、流体易结垢或含颗粒的场合（如原油蒸馏装置、化工反应釜冷却器）。

优势：完全消除热应力，管束可整体抽出清洗，但结构复杂、造价高，浮头端密封要求严格。

U形管式换热器

结构：管束呈U形弯曲，两端固定在同一管板上，无浮头结构。

适用场景：高温高压且管程流体清洁的场合（如合成氨装置废热回收、高压蒸汽冷凝）。

特点：管束自由伸缩，无小浮头泄漏风险，但管内清洗困难，不适用于含颗粒流体。

缠绕管式换热器

结构：多根细管以5°-15°螺旋角缠绕在中心筒体上，形成三维立体流道。

性能：湍流强度提升80%，传热系数达8000-12000 W/(m²·℃)，适用于高黏度流体加热或冷却（如石油开采中的油品加热）。

四、应用场景：全产业链覆盖的温控专家

石油化工

原油处理：在炼油厂常减压装置中加热原油，提高流动性；在天然气处理中冷却和冷凝天然气，分离液态烃和水。

反应热回收：在催化裂化装置中回收反应热用于蒸汽发生，年节能效益达2000万元。

电力行业

锅炉给水预热：通过省煤器将给水从105℃加热至250℃，减少燃料消耗15%，发电效率提升2%。

汽轮机冷凝：在核电站和火电厂中冷凝汽轮机排汽，回收工质并维持真空度，热电转换效率突破50%。

新能源领域

太阳能光热发电：缠绕管式换热器实现熔盐与水的高效换热，系统效率提升15%。

LNG生产：作为过冷器及液化器，将天然气冷却至-162℃以下，设备体积较传统板式换热器缩小60%。

生物制药

灭菌工艺：UHT灭菌系统2秒内将牛奶加热至137℃再急速冷却，有效成分保留率>99%，产品保质期延长至6个月。

疫苗生产：灭活罐冷却系统支持±0.5℃精准控温，产品合格率提升15%。

五、技术突破：材料、结构与智能化的融合创新

耐腐蚀与高温高压材料

钛合金与双相不锈钢：在盐酸、硫酸等强腐蚀介质中腐蚀速率<0.005mm/年，耐压高达40MPa，适应温度跨度覆盖-200℃至500℃。

碳化硅陶瓷复合管：耐受1200℃高温，在垃圾焚烧炉余热回收中稳定运行超5万小时。

石墨烯增强复合管：热导率突破300W/(m·K)，耐温提升至1500℃，适应超临界CO₂发电等极端工况。

结构优化与流场调控

微通道技术：通道尺寸缩小至0.5mm时，换热系数突破20000W/(m²·℃)，较传统设备提升5倍。

螺旋缠绕管束：通过三维螺旋流道设计，传热效率进一步提高，开发管径<1mm的微通道碳化硅换热器，传热面积密度达5000m²/m³。

智能化与数字化

数字孪生技术：构建设备三维模型，集成温度场、流场数据，实现剩余寿命预测，故障预警准确率≥95%，维护响应时间缩短70%。

自适应调节系统：实时监测16个关键点温差，自动优化流体分配，综合能效提升12%，循环水泵功耗降低25%。