空压机套管式换热器的设计与维护

[摘要]：通过空压机套管式冷却器的结构形式、工作原理、冷却水要求、腐蚀余量及维护等方面的阐述，对空压机套管式冷却器的设计与维护作了介绍。

[关键词]：套管式冷却器；结构设计；工作原理；腐蚀余量

中图分类号：TH45；TE965 文献标志码：B

文章编号：1006-2971（2018）03-0037-05

1 引言

在工业生产中，经常会产生不必要的热量，这时就需要用到换热设备。它的主要作用是把工业需要的高温介质与低温介质通过对流的转换，使所需要的工业介质能达到工艺过程中规定的温度，以满足工艺过程的需要。此设备也应具备有效的回收余热、废热等功能。按照用途、工作条件和物料特性的不同，出现了各种不同形式和结构的换热设备。按作用原理或传热方式可以分为以下几类：（1）直接接触式换热器； （2） 蓄热式换热器； （3） 间壁式换热器； （4）中间载热体式换热器。套管式换热器是间壁式换热器的一种，它是把需要热交换的二种介质通过内管壁隔开，互相需要并依靠内管壁把热量由高温介质传递给低温介质的换热器。

2 套管式冷却器设计分析

2.1 结构特点及原理

2.1.1 结构特点

套管式换热器是一种适用于高温高压的换热设备，它主要由内管、外管、U型弯头、法兰等组成（见图1）。所用的管件主要由普通碳钢、铸铁、铜、钛、陶瓷玻璃等材料制成，一般多使用碳钢。套管式换热器是以内管为中心做成的同心管（见图2） 为传热元件的换热器。每一排都是由2种不同直径的管子套在一起组成的同心套管，这一排套管称为“一程”。而多程串连到一起的则称为一列，因为厂房和运输的限制一般设计成多程并列的结构，而这种结构的内管通过U型弯头连接，并列二排的外管则通过一根钢管相连接（图3）。此类型的换热管主要是指内管（传热管） 依靠U型弯头连接（图4），外管则是用短管套的组成，两端则是依靠法兰连接的，其目的是便于拆卸可以清洗，然后用U型螺栓把外管固定于支架上（图3）。

套管式换热器的优点是； （1） 安装时大部分采用标准件，无需要额外加工，看上去结构有些复杂但是传热面积增减随意； （2）此类换热器采用纯逆流的设计理念，从而达到高传热效果。同时还通过选取合适的管截面尺寸来调内外管的流体，这样可以增大传热系数； （3） 为了提高传热效果也可以借鉴板式换热器的工作原理加配任意形状的翅片； （4）也可以根据现场的实际情况任意的调整，有利于更方便快捷的安装。缺点是：（1） 检修、清洗和拆卸相比其他换热器来说比较麻烦，在法兰连接处拆卸的地方会容易造成泄漏；（2） 在实际生产中，制造套管式换热器多半考虑材料腐蚀的受限，内管不允许有焊缝，因为焊接会造成元件的热膨冷缩导致开裂。为使套管式换热器适应较大的容积流量，需要增大传热过程的话，除采用翅片管外，还可采用填充金属导体等其他措施。采用内核管和缠绕金属波形带结构的套管式换热器。波形带材料为碳素钢或不锈钢，在保证波形带和管子接触良好的情况下，这种形式的换热器比光管时的传热系数提高1~2倍，而金属耗少30%~40%。降低套管式换热器的金属耗量，使其结构紧凑化的有效措施是吸取原管壳式换热器的特点，将若干换热管置于较大的筒体内，管内为气体通道，管间为冷却水通道，组成所谓“小列管式”。小列管式克服了套管式结构较笨重的缺点，由于气在管内流动，因而又避免了原管壳式换热管仅适用于低，中压范围的缺点。

2.1.2 设计原理

此设备的设计理念首先是确定内外管介质进口的方向，内管方向则是上进下去，而外管则是下进上出。

在图1中A为热介质、B为冷介质。换热时，是内管走一种介质，外管走另一种介质，通过内外管之间的环间隙来实现传热。两种介质都可以在较高的温度、压力、流速下进行换热。其类型属于逆流式，为清理环形通道方便，内，外管亦采用可分联接，且用夹紧在法兰间的橡皮圈密封。

一般冷介质的方位都设计在侧面进入，其主要目的是进入外管时形成切向流螺旋流动，这样有利于内管壁的强化传热和防止污垢的沉积。管间通道截面一般应设计得较小，以提高水速。外管规格通过耗水量来确定的，一般限制流速在1~1.5 m/s最为合理。而气体管口的规格则是根据总传热量来定的，一般气体在管间流动时，用于较低压力场合。而通常情况下压力低的时候我们都是优先选择用管壳式换热器，反之，用于高压和超高压的场合，于4.0 MPa，甚至在250 MPa超高压范围也使用。在压力高于10 MPa以上时，就用这种结构。合理的安排则是气走管内，水走管间。对于流速的大小也要设计的合适才能保证用其寿命，一般情况下内管不要设计的流速太大，因为它会影响着传热系数、压力降等因素。

在工业生产中一般我们会把水和相类的流体限制在1~2.5 m/s，对于相对传热面积大一些的大型设备也可增至3 m/s，气体和相类似的流体限制在8~30 m/s。而对于此类冷却器管内流速一般控制在3 m/s以内而管间控制在1 m/s之内，相对设计较合理一些也不会产生额外的振动。一旦激发起内外管的振动，就会产生液气流脉动那么对于设备连接件的密封性和强度有不利的影响，也会导致焊接处开裂的可能。也相对达到不了理想的传热效果，所以流速高不一定换热效果就最好。由于结构较笨重每一程传热管的有效长度的选取也是有规定的，不应设计的过短，也不应设计的过长，一般取为4~7 m为佳。过长拆换和清洗不便；过短则管程数增大，结构复杂，制造成本上增加，并使换热器有效平均温差△TM降低。立式换热器，考虑至机械稳定性，应使H/D=4-6，其中H为冷却器高度，D为冷却器筒体直径。立式换热器高度，还受到厂房高度的限制。卧式换热器，H/D=6-10，换热管细长者，投资较省。

3 套管式换热器的冷却水要求

在设计中，上述所提到冷介质一般都选用冷却水来进行换交热，这样对冷却水就有了一定的要求，水质标准见表1。

上述要求属于理论性要求，如达不到时，应采取沉淀池进行净化处理，并用回收器进行脱油，以改善水质。也可以采取下面的方案：（1）首先结合工况条件来确定，补充水的来源，耗水量，及其水质处理方案； （2） 设计冷却水的浓缩倍数，提高污垢系数达到水质要求； （3） 补充水时确保泠却水与新鲜水的混合比例最佳以达到水质指标； （4） 系统设计； （5） 阻垢缓蚀处理；（6）沉淀、过滤处理；（7）微生物控制。

4 套管式换热器的寿命因素

影响套管式换热器使用寿命的因素除了参数设计合理以外，还要考虑管内流速、设计结构，设计强度、冷却水质的要求、各种腐蚀等危害性，而其中腐蚀对设备的影响尤为突出。换热器的腐蚀主要是指金属材料由于受到介质的作用而发生状态的变化，转变为新相，从而遭受破坏的过程。因设备内流通的介质会存在酸、碱、盐等强腐蚀性介质，故换热器腐蚀的问题不可避免，特别当设备承载于高温、高压、高流速的工况下，往往会因材料迅速的腐蚀而引起破坏断裂，造成灾难性危害。为防止冷却器因腐蚀而引起的破坏断裂等现象，选择合适的材料如为重要。套管式冷却器设计中应考虑腐蚀裕量，对有均匀腐蚀或磨损程度的受压元件，可根据设备设计的使用年限和介质对金属腐蚀速率等因素来确定腐蚀裕量，值不要取太小，因为工况条件所提供的设计参数与现场实际参数一定误差，比如工业气成分、工业气进出压力、进出温度、进出水温度等，为保险起见不建议给太长年限。

5 套管式换热器的维护

套管式换热器的维护主要是靠定期的去清洗，如果设备长期运行，就会出现被水垢堵塞情况，会使设备出现效率降低、能耗增加、寿命缩短等问题。如果不能及时清除设备内的水垢，还会使换热器面临维修、停机或者报废的危险。生产中传统的清洗方式一般为机械方法（如刮、刷等）、高压水、化学清洗（酸洗）等，但是用这些方法清洗换热器时会出现很多问题，如水垢等沉积物清洗不彻底，容易对设备造成严重的腐蚀，尤其是残留的酸，容易对设备产生二次腐蚀或垢下腐蚀，最终导致设备无法正常运行。而且，工业单位在清洗处理时需要大量资金进行废水处理，以防止有毒的清洗液带来不必要的污染及危害。所以现在企业可采用高效环保清洗剂，它具有高效、环保、安全、无腐蚀等特点，而且清洗效果特别好，还可以延长设备的使用寿命。

6 结语

套管式换热器具有结构紧凑，节省材料，制造工艺性好，运行可靠以及安装，检修方便等特点。但是它也存在着不足之处，这类换热器流通面小、易达到高速流动、有利于换热的单一传热方式和传热效率已经不能满足实际工作和生产，对于消耗金属量大，结构较为笨重，结合套管式换热器优缺点再借鉴管壳式换热器的优点来对它进行研究和改进，套管式换热器才会更加的完善，市场的应用率才会越来越高。

参考文献：

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关键词：云南空压机,昆明空压机