列管式换热器（或称管壳式换热器）作为一种广泛应用的热交换设备，在化工、石油、医药及食品工业领域占据重要地位。本文从其基本结构入手，深入探讨了封头、管板、折流挡板等关键部件的设计原则，并分析了多程换热器的优化策略。同时结合实际工程需求，对如何提升传热效率和减少流动阻力进行了详细阐述。
一、列管式换热器概述
列管式换热器是一种典型的间壁式换热器，广泛应用于加热、冷却及蒸发过程。根据用途不同，可称为加热器或冷凝器。其主要特点包括结构坚固、操作弹性大、适应性强以及易于清洗和检修。尤其在处理含盐废水或生产用盐溶液时，通常采用不锈钢或钛材质以满足耐腐蚀要求。
列管式换热器的基本结构由壳体、管束、管板、封头（端盖）、折流挡板等组成。按结构形式分类，主要包括固定管板式、浮头式、U型管式、填料函式及釜式换热器。为了提高传热效率，工程中常使用多程换热器设计。
二、管程结构详解
- 封头与管箱
封头和管箱是换热器的重要组成部分，位于壳体两端，负责控制和分配管程流体。
封头：适用于小直径壳体，便于制造但维修时需卸下。
管箱：用于大直径换热器，具有可卸盖板，便于检查和清洗，且不影响接管布置，但成本较高。
材料选择需考虑管内流体特性，如腐蚀性流体需确保封头或管箱材料与管子和管板相匹配。
- 管子排列方式
管子排列直接影响传热面积和流体流动特性，常见的排列方式有以下三种：
正三角形排列：最紧凑，传热系数高，但机械清洗困难，流动阻力较大。
正方形排列：管外易于机械清洗，适合需要频繁清洗的场合，但传热效率较低。
同心圆排列：靠近壳体处分布均匀，尤其在小直径换热器中可排更多管子。
对于多管程换热器，通常采用组合排列方法，即每程内为正三角形排列，程间为矩形排列。
- 管子与管板连接
管子与管板的连接是换热器制造中的核心环节，常见方法包括胀接和焊接：
胀接：通过管子变形实现密封，适用于低温低压工况，但在高温下可能发生松动导致泄漏。
焊接：密闭性更佳，适用于高温高压环境。目前常用焊接加胀接的复合方法，以提高抗疲劳性能并消除应力腐蚀。
- 管束分程设计
多管程换热器需在管箱中安装分程隔板，以实现流体的合理分配。分程时应注意以下几点：
各程管子数目应大致相等，避免流体短路现象。
隔板形式应简单，密封长度尽量缩短。
常见分程方法包括平行式和T形式，偶数管程更便于制造和维护。
三、壳程结构设计
- 折流挡板
壳程流体流通面积较大，为提高传热效率需设置折流挡板。折流挡板的主要功能包括：
增加壳程流体流速，提升湍动程度，从而提高传热系数。
支撑管束，防止振动和损坏。
折流挡板分为横向和纵向两种：
横向折流挡板：应用最为广泛，形状以弓形为主，缺口大小通常为20%-25%，特殊情况下可达40%-45%。水平缺口适用于清洁流体，垂直缺口则适合脏污流体。
纵向折流挡板：主要用于多壳程结构，虽能进一步提高平均温差，但由于制造复杂性较少使用。
此外，拉杆和定距杆用于固定折流挡板，防止其在运行过程中移位。
- 防冲挡板
在壳程进口接管处需设置防冲挡板，以保护管束免受高速流体冲击。具体设计取决于壳程介质性质：
气体或蒸汽：必须设置防冲挡板。
液体物料：根据密度和入口流速平方的乘积（ρμ²）判断是否需要设置。非腐蚀性和非磨蚀性物料当ρμ² > 2230 kg/(m·s)时，一般液体当ρμ² > 740 kg/(m·s)时需设置。
常见的防冲挡板布置方式有两种：
普通接管：需抽取部分管子以减小局部阻力，但会略微降低传热面积。
扩大型接管：将防冲挡板置于扩大部分，既不影响管数又能有效保护管束。
四、总结与展望
列管式换热器作为经典的热交换设备，其性能优化依赖于合理的结构设计和材料选择。通过对管程和壳程结构的深入分析，可以发现：
管子排列方式的选择需综合考虑传热效率和清洗需求。
管子与管板连接方式应根据工况温度和压力确定。
折流挡板和防冲挡板的设计需兼顾传热效率和流体动力学特性。
未来研究方向可聚焦于新型材料的应用、智能化监测系统开发以及节能技术的推广，以进一步提升列管式换热器的性能和经济性。
