套管式換熱器是一種以同心套管中的內管作為傳熱元件的高效熱交換設備，由內管和外管組成環形流道，通過管壁實現兩種流體的熱量傳遞，廣泛應用于石油化工、食品加工、醫藥、能源等領域，尤其適用于小容量、高壓、腐蝕性介質或高粘度流體的換熱場景。

核心結構與工作原理

• 結構組成：

  • 內管與外管：通常為鋼制、鑄鐵、銅、鈦或陶瓷材質（耐腐蝕需求），內管走一種流體（如熱流體），外管與內管間的環形空間走另一種流體（如冷流體），可根據需求設計為單套管或多套管串聯/并聯形式。
  • 溫差補償結構：當內外管壁溫差較大（如超過50℃）時，通過外管設置U形膨脹節或內外管間采用填料函滑動密封，抵消熱脹冷縮產生的應力，防止設備變形或泄漏。
  • 強化傳熱設計：內管外壁可加設翅片（增大換熱面積），內管中可加裝刮膜擾動裝置（適應高粘度流體，如原油、糖漿），提升傳熱系數至870~1750W/(m·℃)（液-液換熱時）。

• 工作原理：
  兩種溫度不同的流體在內外管中逆向流動（純逆流型），通過內管壁進行熱量傳遞，熱流體放熱降溫，冷流體吸熱升溫，實現高效熱交換。其結構簡單，可通過增減套管數量靈活調整傳熱面積（單套管傳熱面積最高達18平方米，適用于小容量換熱）。

主要優點

1. 傳熱效能高：純逆流設計使冷熱流體溫差最大化，同時可通過優化截面尺寸提高流速，增強兩側流體的傳熱系數，液-液換熱時傳熱系數顯著高于管殼式換熱器。

2. 結構簡單，適應性強：由標準構件組合而成，安裝無需額外加工，傳熱面積增減方便；可根據安裝位置任意改變形態（如彎制成蛇形），適配狹小空間；選材靈活，陶瓷、玻璃等材質可用于強腐蝕性介質（硝酸換熱）。

3. 操作彈性大：兩側流體均可提高流速，使傳熱面兩側均獲得較高傳熱系數，適用于高壓（內管可承受高壓）、小流量、低傳熱系數流體的換熱（如液壓油冷卻、高溫蒸汽加熱）。

主要缺點

1. 占地面積大，金屬耗量高：單位傳熱面積金屬耗量約為管殼式換熱器的5倍，多套管布置時空間需求較大，不適用于大型換熱場景。

2. 管接頭多，易泄漏：串聯或并聯時管接頭數量多，密封點多，長期運行易出現泄漏，需頻繁檢查維護。

3. 流阻大，維護麻煩：流體在環形通道中流動阻力較大，能耗較高；檢修、清洗和拆卸需拆解套管，操作復雜，尤其內管結垢后清理困難（長期運行易因水垢堵塞導致效率降低、能耗增加）。

4. 焊接標準不統一：國內尚無統一焊接標準，企業多憑經驗選擇焊接方式，焊接處易出現裂紋、腐蝕等問題，需定期檢查保養。

適用場景與典型應用

• 石油化工：用于加熱、冷卻、冷凝等工藝，如原油加熱、溶劑回收，尤其適合小批量、高粘度或腐蝕性介質（如瀝青換熱）。

• 食品醫藥：乳制品巴氏殺菌（牛奶快速加熱至72℃）、果汁/啤酒溫度控制（避免高溫破壞營養成分），結構簡單易清洗，符合衛生標準。

• 能源與環保：余熱回收（如發動機尾氣熱量回收）、地源熱泵系統（中深層套管式地埋管換熱器，占地面積小、取熱量高）。

• 特殊工況：高壓小流量流體換熱（如液壓系統油冷卻）、高溫差場景（需設置膨脹節抵消熱應力）。

維護與優化建議

• 防結垢與清洗：定期使用化學清洗劑（如檸檬酸）或機械清洗（高壓水沖洗）去除內管水垢，避免效率下降；高硬度水質需配套軟水設備。

• 密封與焊接檢查：定期檢查管接頭密封墊片（如聚四氟乙烯墊片）和焊接處，發現泄漏或腐蝕及時更換，減少停機損失。

• 結構優化：對高粘度流體，可在內管加設刮膜裝置或翅片，增強擾動、提高傳熱效率；采用耐腐蝕材質（如鈦合金、哈氏合金）延長使用壽命。

總結

套管式換熱器以其結構簡單、傳熱高效、適應性強的特點，在小容量、高壓、腐蝕性或特殊介質換熱場景中具有不可替代的優勢，尤其在石油化工、食品醫藥等領域應用廣泛。盡管存在金屬耗量大、維護復雜等不足，但通過合理設計（如翅片強化、膨脹節補償）和定期維護，可有效提升其運行可靠性和經濟性。