管束热交换器的工作原理

文章由山东擎雷环境科技股份有限公司提供

管束热交换器作为工业领域的关键热传递设备，其结构设计直接决定换热效率、承压能力及介质适应性。以下从核心结构、材料选择、关键部件、性能优化四方面展开分析：

一、核心结构设计：高效换热的几何基础

管束排列与流道优化

由壳体、管束、管板、封头及折流板组成。管束（平行管或螺旋管）固定于管板上，冷热流体通过管程（管内）与壳程（管外）逆向流动，实现热量交换。折流板通过增加壳程流体湍流强度，提升传热效率。

多程结构扩展

支持单管程、双管程及四管程设计，通过增加流体路径延长换热时间。例如，四管程结构使流体四次穿过管束，适合温差大或流量小的场景。

热膨胀补偿

浮头式或U形管式换热器可自由伸缩，消除温差应力。浮头式管束一端可移动，U形管束仅一块管板，均适用于高温高压工况。

二、材料选择：介质与工况的适配

部件 常用材料 适用场景

管束 铜、不锈钢、PPS复合管 强腐蚀性介质（如硫酸）优先选PPS复合管

壳体/管板 碳钢、不锈钢 高压环境（≥6.4MPa）需不锈钢增强强度

折流板 不锈钢、碳钢 频繁启停工况需高抗疲劳材料

创新材料应用：

PPS（聚苯硫醚）复合管添加石墨后，导热系数接近金属，且耐腐蚀、低结垢，适合化工废水热回收。

三、关键部件：协同作用的系统保障

管板与密封

管板支撑并固定管束，确保管程与壳程密封。采用弹性密封件（如聚四氟乙烯）或胀接工艺，避免高温焊接导致的应力。

折流板

优化流体流向，提升湍流效应。实验表明，折流板可使壳程传热系数提升30%-50%。

辅助器件

进出口接管：均匀分配流体，减少局部阻力。

排凝口/放空口：便于维护时排出积液或气体。

四、性能表现：效率与适应性的平衡

换热效率

光滑管内壁与流线型壳体设计减少压降（压降≤5-8kPa），湍流增强结构使传热系数达500-1000W/(m²·K)。

承压与耐温

固定管板式换热器适用压力≤2.5MPa，浮头式或U形管式可耐受更高压力（≤6.4MPa）和温度（≤450℃）。

维护便捷性

浮头式管束可抽出清洗，适合易结垢介质。PPS复合管支持现场更换单管，无需焊接。

五、典型应用场景

化工行业：反应器冷却、蒸汽冷凝，如聚酯生产中的乙二醇冷却。

电力行业：锅炉给水加热、烟气余热回收，提升机组效率。

冶金行业：高炉煤气冷却、轧钢过程温度控制。

环保领域：焚烧厂烟气余热回收，降低碳排放。

六、市场趋势与创新方向

智能化升级

集成温度传感器与AI算法，实现实时能效监控与故障预警。

材料革新

研发石墨烯涂层管束，提升导热系数至800W/(m·K)以上。

模块化设计

标准化管束模块支持快速部署，缩短项目周期。