列管式换热器（Tube-and-Shell Heat Exchanger）作为工业领域应用的热交换设备，占据全球换热器市场60%以上的份额。其核心结构由管束、壳体、管板及折流板组成，通过管程与壳程流体的逆流或并流实现热量传递。凭借结构简单、适应性强、维护成本低等优势，列管式换热器广泛应用于石油化工、电力、制药、食品加工等行业。

列管式换热器：工业热交换的核心装备与技术革新

一、引言

列管式换热器（Tube-and-Shell Heat Exchanger）作为工业领域应用泛的热交换设备，占据全球换热器市场60%以上的份额。其核心结构由管束、壳体、管板及折流板组成，通过管程与壳程流体的逆流或并流实现热量传递。凭借结构简单、适应性强、维护成本低等优势，列管式换热器广泛应用于石油化工、电力、制药、食品加工等行业。然而，面对高腐蚀性介质（如含氯废水、酸性气体）、高粘度流体（如聚合物溶液）及工况（如高温高压、低温冷凝），传统列管式换热器面临传热效率衰减、材料腐蚀失效、压降过高等挑战。本文从列管式换热器的工作原理、设计优化、材料创新及典型应用出发，系统解析其技术演进与工业实践。

二、列管式换热器的工作原理与核心结构

（一）基本工作原理

列管式换热器通过管程（管内流体）与壳程（管外流体）的温差驱动热量传递，其传热过程可分为三个阶段：

管内对流传热：流体在管内流动时，因粘性作用形成速度梯度，热量通过分子扩散与涡流传递至管壁；

管壁导热：热量通过金属管壁（通常为碳钢、不锈钢或铜合金）的晶格振动传递至管外表面；

管外对流传热：壳程流体在折流板引导下形成湍流，将热量从管壁带走。

（二）核心结构组成

管束：

管径：通常为Φ19×2mm至Φ25×2.5mm，小管径可增强湍流但增加压降；

管长：1.5-12 m，长管可减少壳程数量但增加清洗难度；

排列方式：正三角形排列（传热效率高）或正方形排列（便于清洗）。

壳体：

材质：碳钢（普通工况）、不锈钢（腐蚀性介质）、钛合金（腐蚀）；

直径：根据管束数量与流体流量确定，通常为DN300-DN2000。

管板：

连接管束与壳体，需承受管程与壳程的压力差；

密封方式：焊接（密封）或胀接（可拆卸，适用于高压）。

折流板：

类型：弓形折流板（常用）、螺旋折流板（减少死区）；

作用：引导壳程流体形成横向流动，增强湍流强度（Re>10⁴）。

三、列管式换热器的设计优化：提升传热效率与降低压降

（一）管程优化：强化管内传热

管内插入物：

类型：螺旋线圈、静态混合器、扭带等；

原理：破坏流体层流边界层，增加湍流强度；

案例：某石化厂在列管内插入螺旋线圈后，传热系数提升40%，压降增加15%。

微通道管技术：

管径<1 mm的微通道可显著提高比表面积（>5000 m²/m³）；

案例：某电子冷却系统采用微通道列管式换热器，传热效率是传统管的3倍，体积缩小60%。

（二）壳程优化：减少流动死区与压降

螺旋折流板：

替代传统弓形折流板，使壳程流体呈螺旋状流动；

优势：减少死区体积（从15%降至5%），压降降低30%；

案例：某炼油厂将弓形折流板改为螺旋折流板后，换热器压降从0.08 MPa降至0.05 MPa，能耗降低25%。

纵流壳程设计：

管束沿壳体轴向排列，流体平行于管束流动；

优势：压降极低（<0.01 MPa），适用于高粘度流体；

案例：某聚合物生产厂采用纵流壳程列管式换热器，处理粘度5000 mPa·s的熔体时，传热系数达200 W/(m²·K)，是传统设计的2倍。

（三）多相流优化：气液两相流处理

气液分离结构：

在壳程入口设置旋风分离器，减少气体夹带液体对传热的干扰；

案例：某天然气处理厂在列管式换热器入口加装旋风分离器后，气液分离效率达95%，传热系数稳定在150 W/(m²·K)。

沸腾传热强化：

管内表面加工微细沟槽（粗糙度Ra=3.2-6.3 μm），促进气泡核化；

案例：某核电站采用沟槽管列管式换热器，沸腾传热系数提升50%，体积缩小40%。

四、材料创新与表面处理：应对高腐蚀与高粘度介质

（一）耐腐蚀材料选型

材料类型耐酸性（HCl环境）耐碱性（NaOH环境）成本（相对碳钢）适用场景

碳钢（Q235）差（易均匀腐蚀）中（耐弱碱）1.0低浓度、短期使用

304不锈钢中（耐稀酸）优（耐强碱）2.5中浓度碱性废水

316L不锈钢优（耐Cl⁻腐蚀）优（耐强碱）3.5高浓度酸性/碱性废水

钛合金（TA2）极优（耐HCl/HBr）极优（耐强碱）8.0

哈氏合金C-276极优（耐氧化性酸）优（耐强碱）12.0含氧化性酸（如HNO₃）的废水

（二）表面处理技术

内衬防腐层：

碳钢壳体内衬聚四氟乙烯（PTFE，厚度2-3mm）或橡胶（厚度3-5mm），耐腐蚀性提升5-10倍；

案例：某化工厂采用PTFE内衬列管式换热器处理盐酸废水（pH=1，Cl⁻=10%），运行5年无腐蚀泄漏。

电化学保护：

牺牲阳极法：在换热器内安装锌或铝阳极，通过电化学反应保护金属基材；

案例：某污水处理厂采用锌阳极保护后，碳钢列管腐蚀速率从0.5 mm/年降至0.05 mm/年。

纳米涂层技术：

喷涂纳米或石墨烯涂层，提升材料耐腐蚀性与抗污性；

案例：某实验室在316L不锈钢列管表面喷涂纳米TiO₂涂层后，酸性废水腐蚀速率降低80%，污垢热阻减少60%。

五、典型应用案例分析

（案例1：石油炼化中的高温高压换热）

背景：某炼油厂催化裂化装置需将高温烟气（650℃，0.8 MPa）与原料油（200℃，0.3 MPa）换热，原采用浮头式列管换热器，存在泄漏风险且维护频繁。

方案：

改用U型管列管式换热器（管束为Inconel 625，Φ25×2.5mm），耐高温（800℃）与高压（1.2 MPa）；

壳程采用螺旋折流板，减少热应力与压降；

集成在线清洗系统，定期高压水射流清洗管束。

效果：

热回收效率达90%，年节约燃料油消耗2000吨；

运行3年无泄漏，维护成本降低70%。

（案例2：制药行业的高纯度水冷却）

背景：某药厂需将纯化水（电导率<1 μS/cm）从85℃冷却至25℃，原采用不锈钢列管式换热器，因金属离子溶出导致产品不合格。

方案：

改用钛合金列管式换热器（TA2，Φ19×1.5mm），表面抛光至Ra=0.2 μm；

壳程采用纯水循环，避免空气接触；

安装电导率在线监测仪，实时反馈水质。

效果：

冷却水出口电导率稳定<0.5 μS/cm，产品合格率提升至99.9%；

运行2年无腐蚀，寿命是传统不锈钢设备的3倍。

六、未来发展趋势与挑战

（一）技术创新方向

3D打印列管：

通过增材制造技术定制复杂流道结构（如仿生分形流道），进一步提升传热效率；

案例：某研究机构3D打印的仿生列管，传热系数比传统管高60%，压降降低40%。

智能化监控系统：

集成温度、压力、腐蚀传感器与AI算法，实现结垢预测与自动清洗；

案例：某石化企业应用智能监控后，列管式换热器清洗周期从3个月延长至9个月，运行效率提升20%。

（二）挑战与对策

工况适应性：

挑战：超低温（-196℃，液氮工况）或超高温（>1000℃，熔盐工况）对材料韧性要求高；

对策：开发低温韧性不锈钢（如304L-ICE）或高温合金（如Haynes 230）。

环保与可持续性：

挑战：传统列管式换热器清洗需使用化学药剂，可能污染环境；

对策：推广物理清洗技术（如高压水射流、干冰清洗），减少化学药剂使用。

七、结论

列管式换热器凭借其结构可靠性、适应性与经济性，成为工业热交换领域的核心装备。通过管程与壳程的协同优化（如螺旋折流板、微通道管）、材料创新（如钛合金、纳米涂层）及智能化监控，其传热效率可提升50%以上，维护成本降低60%。未来，随着3D打印、仿生设计及绿色清洗技术的发展，列管式换热器将向更高效率（K值>2000 W/(m²·K)）、更低能耗（压降