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耐腐蚀列管换热设备:工业领域的关键热交换解决方案

更新时间:2025-08-09      浏览次数:111
一、工作原理与结构设计

(一)工作原理

耐腐蚀列管换热设备的工作基于热传导和对流原理。设备主要由壳体、管板、换热管、封头和折流挡板等部件组成。热流体在管内流动,冷流体在管外(壳程)流动,热量通过换热管壁从高温侧传递到低温侧。具体而言,热传导过程中,热量依靠分子的热运动从温度较高的流体通过管壁传递至温度较低的流体;对流则是通过流体的流动,加速热量在流体内部的传递以及在管壁与流体之间的传递。通过合理设计管程和壳程的流体流速、流向以及换热管的排列方式,可以有效提高热交换效率。

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(二)结构设计

  1. 核心部件

    • 壳体:作为设备的外部保护结构,为内部管束提供支撑,同时承受一定的压力和温度,确保设备的整体性和安全性。

    • 管板:用于固定换热管,将管程和壳程的流体分隔开来,保证流体在各自的通道内有序流动,防止泄漏。管板与换热管的连接方式通常有焊接、胀接等,要求连接牢固且密封性能良好。

    • 换热管:是实现热量交换的核心元件,采用耐腐蚀材料制造。其管径、长度、数量以及排列方式根据具体工况和热交换需求进行优化设计。常见的排列方式有正三角形排列、正方形排列等,不同排列方式对流体的流速、传热系数和压降有不同影响。

    • 封头:安装在壳体两端,起到封闭设备的作用,使流体在设备内形成封闭的循环通道。封头的形状有椭圆形、球形等,根据设备的压力等级和使用要求进行选择。

    • 折流挡板:设置在壳程内,用于引导壳程流体的流动方向,增加流体的湍动程度,提高传热系数。折流挡板的形式多样,如弓形折流挡板、圆盘 - 圆环形折流挡板等,其间距和尺寸也需要根据流体性质和换热要求进行合理设计。

  1. 创新结构设计

    • 螺旋扁管结构:将换热管设计成螺旋扁管形状,这种结构能够增强流体在管内和管外的湍流程度,使流体形成复杂的螺旋流动,从而大幅提高传热系数,一般可比直管结构提升 30% - 50%。同时,螺旋扁管还能有效降低污垢在管壁上的沉积,减少清洗频率,延长设备使用寿命。

    • 多管程设计:通过增加管程数,使流体在管内多次往返流动,延长了传热路径,增加了流体扰动,从而提升换热效率。多管程设计适用于冷热流体温差较大、热负荷较高的工况,但需要注意合理分配各管程的流量,避免出现偏流现象。

    • 大孔径折流挡板:采用大孔径的折流挡板,能够减少流体对挡板的冲击,降低流体流动过程中的压降,提高设备的整体运行效率。同时,大孔径折流挡板还便于安装和维护,减少了因挡板损坏导致的设备故障风险。

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二、材料选择与耐腐蚀性能

(一)金属材料

  1. 不锈钢系列

    • 316L 不锈钢:具有良好的耐腐蚀性,尤其是对氯离子具有较强的抗腐蚀能力,因此在氯离子环境中应用广泛,如氯碱工业中饱和食盐水的换热过程。其含有的钼元素进一步提高了材料的耐点蚀和缝隙腐蚀性能。

    • 双相钢 2205:结合了奥氏体不锈钢和铁素体不锈钢的优点,具有较高的强度和良好的耐腐蚀性。在湿法冶金中,对于硫酸 / 盐酸浸出液等腐蚀性介质,双相钢 2205 表现出出色的抗点蚀与缝隙腐蚀性能,其耐点蚀当量值(PREN)较高,能够有效抵抗腐蚀介质的侵蚀。

  1. 特种金属

    • 钛钽合金:具有耐强酸腐蚀性能,特别适用于高温浓硫酸或盐酸等强腐蚀性介质的换热场景。钛合金本身就具有良好的耐腐蚀性,而钽元素的加入进一步提升了材料在酸性环境下的稳定性。例如,在某些化工生产过程中,需要处理高温高浓度的硫酸,钛钽合金列管换热设备能够稳定运行,保障生产的连续性。

    • 哈氏合金 C276:是一种镍基合金,对高浓度腐蚀性有机溶剂具有出色的耐受性。在医药生产中,涉及到氯化物反应等过程,会产生具有强腐蚀性的介质,哈氏合金 C276 能够有效应对,确保设备在复杂化学环境下的长期稳定运行。

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