1. 換熱器及其高壓工況下的型式
    換熱器是一種用來完成各種熱傳遞過程的工藝設備，是化工、石油、冶金、電力、輕工、食品等行業中應用相當廣泛的單元設備之一，其性能的優劣和壽命的長短直接關系著企業產品質量和經濟效益。據統計，在化學工業所用換熱器的投資大約占設備總投資的30%，在煉油廠中換熱器占全部工藝設備的40%左右，海水淡化工藝裝置則主要是由換熱器組成的。隨著石化、化肥等工業的迅速發展，對高壓換熱器的需求將大幅度增加。
    在高壓工況中，常用的換熱器主要有螺紋鎖緊環換熱器、Ω環換熱器、套管式換熱器、U形管換熱器。螺紋鎖緊環換熱器結構復雜，金屬耗量大，機加工配件多，造價高，檢修工作量大；Ω環換熱器的Ω環加工難度大，檢修不方便；套管式換熱器在同樣換熱面積時所需空間大，單位傳熱面積造價高，一般只適用于傳熱面積較小的場合；U形管換熱器具有結構簡單緊湊、在高壓工況下金屬耗量最小的特點，所以在高壓工況下U形管換熱器比螺紋鎖緊環換熱器、Ω環換熱器、套管式換熱器的用量多得多。   
2. U形管換熱器的結構特點及其改進
    普通U形管換熱器的殼體一般為圓筒形，僅有1塊管板，將換熱管彎成U形，管子兩端固定在同一塊管板上，具有下列優點：
    ①由于殼體和管子分開，管束可以自由伸縮，流程較長，流速較高，管側傳熱性能好，承壓能力強；
    ②只有1塊管板且無浮頭，所以結構簡單、緊湊，在直徑相同的情況下換熱面積最大，在高壓工況下金屬耗量比其它換熱器小，造價比其它換熱器低等。
    但這種換熱器存在下列缺點：
    ①U形管束在與換熟管垂直方向的中心部位存在較大空隙，易結垢，流體易走短路，使傳熱效率降低；
    ②管板上排列的換熱管較少，管板直徑及厚度均較大，管子與管板間的殘余焊接應力大；
    ⑧換熱管的彎管段無支承件，管束易振動，易在此處形成殼程流體流動死區，易結垢，影響傳熱效果；
    ④需將管束從殼體內抽出才能清洗管間污垢等。
    針對普通U形管換熱器的諸多不足之處，我公司改造設計了一種高效、安全、可靠的新型U形管換熱器，并獲得了技術專利權。
    新型U形管換熱器的結構如圖1所示。在流體流量較大、所需換熱面積較大的情況下，可采用串聯、并聯或串、并聯混合連接以滿足需求。該換熱器的主要特點是：將換熱器的簡體和換熱管均設計制造成U形，換熱管的兩端分別固定在2塊管板上，在U形換熱管的彎管段設置折流桿或彈簧等管間支承件，在簡體上設置供殼程清洗、排污用的接口。

    與普通U形管換熱器相比，新型U形管換熱器具有下列優點：
    ①換熱器的筒體與換熱管均為U形，與換熱管垂直方向的管束中心處無較大空隙，殼程流體不易走短路或形成流體流動死區，管間不易結垢；
    ②在U形換熱管的彎曲段設置了折流桿或彈簧、波網、空心環等管間支承件，可降低管束振動，強化換熱管彎曲段的傳熱效果；
    ⑧在筒體上設置了供殼程清洗用的接口，使殼程清洗較方便；
    ④將U形換熱管的兩端分別固定在2塊管板上，減小了管板直徑和厚度，降低了管板與換熱管焊接時的拘束應力及管子與管板間的焊接殘余應力，可提高換熱器的安全可靠性。
3. 改進型U型管換熱器在甲醇水冷器改造中的應用
    我公司聯醇裝置中的粗甲醇水冷器的工藝條件為：氣量100000Nm3／h左右，進氣溫度≤95℃，出氣溫度≤40℃，進氣壓力≤12.5MPa，進水溫度≤35℃，進水壓力≤0.38MPa，水冷器的循環水進、出口壓差≤0.2MPa。該水冷器原來由2臺換熱面積為240m2、管間支承件為折流板的普通U形管換熱器串聯組成，管內介質為氣體，管間介質為循環水。
    在投產初期甲醇水冷器能基本滿足生產要求，但在運行約1年后出現了下列問題：
    ①管子與管板間焊縫多處開裂，且補焊不久又重新開裂；
    ②多根換熱管被磨損甚至穿孔，不得不多次堵管；殼程結垢嚴重，且清洗不方便；
    ③傳熱效率低，高溫季節水冷器的氣體出口溫度高達50℃，導致分離器出口氣體的醇含量偏高，每天損失粗甲醇約2.5t。
    經分析認為，造成上述問題的主要原因是：
    ①管子與管板之間的連接采用了先脹后焊工藝，焊接時脹管過程中遺留于縫隙中的油污在高溫下生成氣體并受熱膨脹而從焊縫面逸出，嚴重影響焊縫質量，且管子與管板間焊縫未進行消除應力的退火處理；
    ②組合應用U形管與折流板，且U形管的彎管段無管間支承件，導致較大的流體流動誘發振動，造成換熱管與折流板間的撞擊與磨損；
    ③殼程流體走短路，存在流動死區。
    在粗甲醇水冷器的更新改造中，采用了圖1所示的改進型U形管換熱器，由4臺換熱面積為120m2的換熱器串、并聯混合連接組成，并針對性作了下述結構設計：
    ①鑒于原水冷器在使用過程中有多根換熱管被磨損且殼程結垢嚴重的狀況，管間支承件選用了折流桿，以在換熱器的殼側建立固有的、無障礙的大橫截面流體流道，使殼側流體在整個殼程斷面內以比較均勻的速度平行于管子軸向流動，消除管束產生流體誘導振動的根源和殼程內嚴重的滯流區域，產生由支撐桿引起的流體“卡曼旋渦”分離和折流圈引發的“文丘里”效應，以防止管束振動，減少殼側污垢，強化殼程傳熱，降低殼側壓降。
    ②為防止冷卻水沖刷殼程進口處的換熱管段并造成侵蝕及振動，減小殼程進、出口接管與管板間的介質停滯區而增加換熱管的有效換熱長度，避免因導流筒占據殼程空間而減少管板上的排管數，同時在殼程進、出口處設置了外導流筒。
    ⑧換熱管與管板之間的連接方式選用先焊后脹的強度焊加貼脹，并對管子與管板間焊縫進行消除應力退火處理，以保證管子與管板間連接接頭的可靠性。
    新甲醇水冷器投入系統運行4年多，完全能滿足工藝要求，且未曾出現換熱管與管板間連接接頭失效的情況。新、老粗甲醇水冷器在各自投入系統運行30個月后的換熱效果對比情況見表1。

4. 結束語
    新型U形管換熱器具有結構簡單緊湊、金屬耗量小、熱補償性能好、殼程流體不易走短路以及管間不易結垢、防振性能好、殼程污垢清洗較方便、傳熱效率較高等優點；且該換熱器在高壓工況下的經濟性、可靠性、安全性比其它類型的換熱器高得多，值得大力推廣應用。