換熱器作為工藝過程中不可缺少的設(shè)備單元，廣泛應(yīng)用于石油、化工、電力、輕工、機械、冶金、交通、制藥等工程領(lǐng)域。 據(jù)統(tǒng)計，在現(xiàn)代石化企業(yè)中，換熱器投資約占裝置建設(shè)總投資的30%～40%； 在合成氨裝置中，換熱器約占設(shè)備總數(shù)的40%。 由此可見，換熱器對整個企業(yè)的建設(shè)投資和經(jīng)濟效益有著重要的影響。

一、換熱器的分類

一、按換熱器用途分類

(1)加熱器：加熱器用于將流體加熱到所需溫度，被加熱的流體在加熱過程中不發(fā)生相變。

(2)預(yù)熱器：預(yù)熱器用于對流體進行預(yù)熱，以提高整個工藝裝置的效率。

(3)過熱器：過熱器用于加熱飽和蒸汽使其過熱。

(4)蒸發(fā)器：蒸發(fā)器用于加熱液體使其氣化。

(5)再沸器：再沸器是蒸餾過程的專用設(shè)備，用于對冷凝液進行加熱，使其重新加熱汽化。

(6)冷卻器：冷卻器用于將流體冷卻至所需溫度。

(7)冷凝器：冷凝器用于冷凝飽和蒸汽釋放潛熱而凝結(jié)液化。

2、按換熱器傳熱面形狀和結(jié)構(gòu)分類

(1)管式換熱器：管式換熱器通過管壁進行傳熱。 按傳熱管的結(jié)構(gòu)可分為列管式換熱器、套管式換熱器和蛇管式換熱器。 有幾種類型的換熱器和翅片管換熱器。 管式換熱器應(yīng)用最廣泛。

(2)板式換熱器：板式換熱器通過板面進行傳熱。 按傳熱板的結(jié)構(gòu)形式可分為板式換熱器、螺旋板式換熱器、板翅式換熱器和熱板式換熱器。

(3)特殊形式的換熱器：這類換熱器是指根據(jù)工藝的特殊要求設(shè)計的具有特殊結(jié)構(gòu)的換熱器。 如回轉(zhuǎn)式換熱器、熱管換熱器等。

3、按換熱器所用材料分類

(1)金屬材料換熱器：金屬材料換熱器是由金屬材料制成的。 常用的金屬材料有碳鋼、合金鋼、銅及銅合金、鋁及鋁合金、鈦及鈦合金等。由于金屬材料的導熱系數(shù)高，這類換熱器傳熱效率高，金屬材料換熱器主要用于生產(chǎn)。

(2)非金屬材料換熱器：非金屬材料換熱器采用非金屬材料制成，常用的非金屬材料有石墨、玻璃、塑料和陶瓷等。 此類換熱器主要用于腐蝕性物料。 由于非金屬材料導熱系數(shù)低，傳熱效率低。

2、換熱器結(jié)構(gòu)及性能特點

傳熱裝置圖片

(1)管式換熱器的結(jié)構(gòu)形式

1.殼管式換熱器

管殼式換熱器又稱管殼式換熱器，是一種常用的標準換熱設(shè)備。 它具有結(jié)構(gòu)簡單、堅固耐用、造價低、材料范圍廣、清洗方便、適應(yīng)性強等優(yōu)點，在換熱設(shè)備中應(yīng)用最廣，占有主導地位。 殼管式換熱器按其結(jié)構(gòu)特點分為以下幾種類型。

(1)固定管板換熱器

它由殼體、管束、封頭、管板、擋板、連接管等部件組成。 其結(jié)構(gòu)特點是兩塊管板分別焊接在殼體兩端，管束兩端固定在管板上。 整個換熱器分為兩部分：換熱管內(nèi)的通道和兩端相連的部分稱為管程； 換熱管外的通道和與其相連的部分稱為殼程。 冷、熱流體分別在管程和殼程連續(xù)流動。 流經(jīng)管程的流體稱為管程（tube side）流體，流經(jīng)殼程的流體稱為殼程（shell side）流體。

固定管板換熱器

如果管內(nèi)流體一次通過管程不銹鋼波紋換熱管價格，則稱為單管程。 當換熱器傳熱面積較大，所需管數(shù)較多時，為增大管內(nèi)流體的流量，常將換熱管平均分成若干組，使流體在管內(nèi)來回多次，稱為多管程。 . 管程數(shù)可取2、4、6或8。如果過大，雖然增加了管內(nèi)流體的流速，從而增加了管內(nèi)的對流傳熱系數(shù)，但也會導致流動阻力增加。 所以管子的數(shù)量不宜太多，一般是2根，管子最常見。

殼液一次通過殼程，稱為單殼程。 為了增加殼流體的流速，也可以在平行于管束軸線的方向設(shè)置縱向隔板，將殼程分成多程。 殼程數(shù)是殼程中殼液沿殼軸往復的次數(shù)。

分程可以提高殼流體的流速，增加工藝流量，強化擾動，有利于強化傳熱。 但殼程分流范圍不僅增加流阻，而且制造安裝困難，工程上很少采用。 為了改善殼程傳熱，通常采用折流板，通過設(shè)置折流板達到強化傳熱的目的。

固定管板式換熱器的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單緊湊。 在相同殼徑下，管數(shù)最多，旁路最少； 每根換熱管均可更換，管內(nèi)清洗方便。 缺點是殼程不能機械清洗； 當換熱管與殼體溫差較大（大于50℃）時，產(chǎn)生溫差應(yīng)力，需要在殼體上安裝膨脹節(jié)，因此殼體側(cè)壓力受限于伸縮縫的強度不能太高。 固定管板換熱器適用于殼程流體潔凈不易結(jié)垢，兩種流體溫差或大或小但殼程壓力不高的場合。

(2)浮頭換熱器

浮頭式換熱器的結(jié)構(gòu)特點是兩端管板之一與殼體不固定連接，可在殼體內(nèi)沿軸向自由伸縮。 這一端稱為浮頭。 浮頭式換熱器的優(yōu)點是，當換熱管與殼體存在溫差時，殼體或換熱管膨脹時，彼此不受約束，不會產(chǎn)生溫差應(yīng)力； 打掃。 缺點是結(jié)構(gòu)較復雜，用料量大，成本高； 如果浮頭蓋與浮管板之間的密封不嚴密，就會發(fā)生內(nèi)漏，造成兩種介質(zhì)的混合。 浮頭式換熱器適用于殼程與管束壁溫差較大或殼程介質(zhì)易結(jié)垢的場合。

(3) U型管換熱器

U型管換熱器的結(jié)構(gòu)特點是只有一個管板，換熱管呈U型，管的兩端固定在同一管板上。 管束可自由伸縮，當殼體與U型換熱管存在溫差時，不會產(chǎn)生溫差應(yīng)力。 U型管換熱器的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，只有一塊管板，密封面少，運行可靠，成本低； 管束可抽出不銹鋼波紋換熱管價格，管間清洗方便。 其缺點是管內(nèi)不易清洗； 由于管子需要有一定的彎曲半徑，管板利用率低； 管束最內(nèi)層管間距大，殼程容易短路； 內(nèi)胎壞了無法更換，報廢率較高。 U型管換熱器適用于管程與殼壁溫差較大，或殼程介質(zhì)易結(jié)垢，管程介質(zhì)潔凈不易結(jié)垢的場合，以及高溫、高壓和強腐蝕。 一般管道內(nèi)走高溫、高壓、強腐蝕性介質(zhì)，可減少高壓空間，使密封容易解決，并可節(jié)省材料和減少熱損失。

(4)填料函換熱器

填料函換熱器的結(jié)構(gòu)特點是管板只有一端與殼體固定連接，另一端用填料函密封。 管束可自由伸縮，不會因殼壁與管壁溫差產(chǎn)生溫差應(yīng)力。 填料函式換熱器的優(yōu)點是比浮頭式換熱器結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，耗材少，成本低； 管束可從外殼中抽出，管內(nèi)及管間均可清洗，維護方便。 其缺點是填料函的耐壓能力不高，一般小于4.0MPa； 殼程介質(zhì)可能通過填料函泄漏，不適用于易燃、易爆、有毒和貴重介質(zhì)。 填料函換熱器適用于管殼壁溫差較大或介質(zhì)易結(jié)垢，需經(jīng)常清洗且壓力不高的場合。

(5) 釜式換熱器

釜式換熱器的結(jié)構(gòu)特點是在殼體上部設(shè)置了適當?shù)恼舭l(fā)空間，兼作蒸汽室。 管束可以是固定管板、浮頭或U型管。 釜式換熱器易于清潔和維護，可處理不潔和易結(jié)垢的介質(zhì)，并能承受高溫和高壓。 適用于氣液熱交換，可作為結(jié)構(gòu)最簡單的余熱鍋爐。

除上述五種管殼式換熱器外，還有插管式換熱器、滑動管板式換熱器等類型。

2.盤管換熱器

盤管換熱器是管式換熱器中結(jié)構(gòu)最簡單、操作最方便的一種換熱設(shè)備。 通常，根據(jù)傳熱方式的不同，盤管式換熱器分為浸入式和噴淋式兩種。

(1) 浸入式盤管換熱器 這種換熱器多是用彎曲的金屬管，制成適合容器的形狀，浸沒在容器內(nèi)的液體中。 兩種流體分別在管內(nèi)和管外進行熱交換。 幾種常用的線圈形狀。

浸沒式盤管換熱器的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、易腐蝕、耐壓高。 缺點是容器容積比盤管大很多，管外流體傳熱膜系數(shù)小，常需加攪拌裝置以提高其傳熱效率.

(2)噴霧盤管換熱器，這種換熱器多用于冷卻管內(nèi)的熱流體。 固定在支架上的蛇形管排列在同一垂直面上，熱流體從下管進入，從上管流出。 冷卻水從管子上方的噴淋裝置均勻地噴灑在上盤管上，并沿管子外表面滴落，滴落到下盤管表面，最后匯集在管子底架中。 該裝置通常放置在室外空氣流通處，當冷卻水在空氣中蒸發(fā)時，可帶走部分熱量，提高冷卻效果。

噴淋式盤管換熱器與浸沒式盤管換熱器相比，具有維修清洗方便、換熱效果好等優(yōu)點。 缺點是體積大，占地面積大； 冷卻水量大，噴涂不易均勻。 盤管換熱器因其結(jié)構(gòu)簡單、操作方便，常用于制冷裝置和小型制冷機組。

3.管式換熱器

套管式換熱器是由兩根不同直徑的直管套在一起形成一個同心套筒。 內(nèi)管用U型彎頭依次連接，外管相互連接。 其結(jié)構(gòu)如圖4 -43所示。 套管的每一段稱為一個道次，道次可根據(jù)傳熱面積要求增減。 換熱時，一種流體通過內(nèi)管，另一種流體通過環(huán)形間隙，內(nèi)管壁為傳熱面。

管式換熱器

套管式換熱器的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單； 能承受高壓； 傳熱面積可根據(jù)需要增減； the of the inner and outer of the tube can the flow rate of the fluid, and the two flow , which is heat . 缺點是單位換熱面積金屬消耗量大； 管接頭多，不便于維護和清潔。 該型換熱器適用于高溫、高壓、小流量流體之間的熱交換。

4.翅片管換熱器

翅片管換熱器又稱管翅式換熱器。 其結(jié)構(gòu)特點是在換熱管的外表面或內(nèi)表面有許多翅片。 常用的翅片有立式和臥式。 工業(yè)上廣泛使用的幾種翅片如下。

翅片與管子表面連接應(yīng)緊密，否則連接處的接觸熱阻很大，影響傳熱效果。 常用的連接方式有熱套、鑲嵌、張力纏繞和焊接等。 此外，翅片管也可采用整體軋制、整體鑄造或機加工等方法制造。

化工生產(chǎn)中經(jīng)常遇到氣體加熱和冷卻問題。 由于氣體的對流換熱系數(shù)很小，當與氣體換熱的另一種流體是水蒸氣冷凝或冷卻水時，氣體側(cè)的熱阻就成為傳熱的控制因素。 此時要加強傳熱，就需要增加氣體側(cè)的對流換熱面積。 換熱管氣體側(cè)裝有翅片，不僅增加了氣體側(cè)的傳熱面積，而且增強了氣體的湍流度，降低了氣體側(cè)的熱阻，提高了氣體傳熱系數(shù)。

當然，安裝翅片會增加設(shè)備成本，但一般當兩種流體的對流傳熱系數(shù)之比超過3:1時，采用翅片管換熱器在經(jīng)濟上是合理的。 翅片管換熱器作為一種空氣冷卻器，在工業(yè)上得到了廣泛的應(yīng)用。 用風冷代替水冷，不僅可以在缺水地區(qū)使用，在水源充足的地方，采用風冷也取得了較大的經(jīng)濟效益。

(2)板式換熱器的結(jié)構(gòu)形式

1.板式換熱器

板式換熱器簡稱板式換熱器，其結(jié)構(gòu)如圖4-46所示。 它由一組平行排列的矩形薄金屬板夾裝在支架上組成。 相鄰兩塊板片的邊緣襯有墊片，板片之間受壓后形成密封的流體通道，通道的大小可以通過墊片的厚度來調(diào)節(jié)。 在每塊板的四個角上分別開有一個圓孔，其中兩個圓孔與板面上的流道相通，另外兩個圓孔不相通。 它們的位置交錯排列在相鄰的板上，分別為兩種流體形成通道。 冷熱流體在板的兩側(cè)交替流動，通過金屬板進行熱交換。

板片是板式換熱器的核心部件。 為了使流體均勻流過板面，增加傳熱面積，促進流體的湍流，板面常被沖壓成凹凸波紋狀。 波紋的形狀有幾十種，常用的波紋有水平波紋和人字波紋。 以及弧形波紋等。

板式換熱器的板片

板式換熱器的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)緊湊，單位體積設(shè)備傳熱面積大； 裝配靈活，板片數(shù)量可根據(jù)需要增減調(diào)整傳熱面積； 板面的波紋使截面變化復雜，流體的擾動增強。 ，傳熱效率高； 拆裝方便，有利于維護和清潔。 缺點是處理能力小； 工作壓力和溫度受墊片材料性能的限制，不宜過高。 板式換熱器適用于經(jīng)常需要清洗，工作環(huán)境非常緊湊，工作壓力在2.5MPa以下，溫度-35℃~200℃的場合。

2.螺旋板換熱器

如圖4-48所示，螺旋板式換熱器由兩塊平行的金屬薄板按一定間距制成。 兩塊金屬薄板形成兩條同心螺旋通道，兩板之間焊有定距柱保持通道距離，螺旋板兩側(cè)焊有蓋板。 冷熱流體分別通過兩個通道，通過薄板進行熱交換。

常用的螺旋板式換熱器根據(jù)不同的流動方式分為四種類型：

(1)Ⅰ型螺旋板換熱器的兩條螺旋通道兩側(cè)全部焊接密封，為不可拆式結(jié)構(gòu)，如圖(a)所示。 在換熱器中，兩種流體呈螺旋流動，通常冷流體從外周流向中心，熱流體從中心流向外周，呈完全逆流。 此類換熱器主要用于液體與液體之間的傳熱。

(2)Ⅱ型螺旋板換熱器中，一個螺旋通道兩側(cè)焊接密封，另一通道兩側(cè)開口，如圖(b)所示。 在換熱器中，一種流體沿螺旋通道流動，另一種流體沿換熱器軸向流動。 此類換熱器適用于兩種流體流速相差很大的場合，常用作冷凝器、氣體冷卻器等。

(3)Ⅲ型螺旋板換熱器Ⅲ型螺旋板換熱器結(jié)構(gòu)如圖(c)所示。 在換熱器中，一種流體呈螺旋狀流動，另一種流體呈軸向和螺旋狀組合流動。 這種結(jié)構(gòu)適用于蒸汽冷凝。

(4) G型螺旋板換熱器 G型螺旋板換熱器結(jié)構(gòu)如圖(d)所示。 這種結(jié)構(gòu)也叫塔式，常安裝在塔頂作為冷凝器。 立式安裝，下部與塔頂法蘭連接。 氣體從底部進入中心管上升到頂蓋，沿軸向自上而下流過螺旋通道被冷凝。

螺旋板換熱器原理

螺旋板換熱器的優(yōu)點是由于慣性離心力的作用和定距柱的干涉，螺旋通道內(nèi)的流體可以在較低的雷諾數(shù)下達到湍流，允許有較高的流速，所以傳熱系數(shù)大； 由于流速高和慣性離心力的作用，流體中的懸浮物不易沉降，因此螺旋板換熱器不易結(jié)垢和堵塞； 由于流體流動時間長，兩種流體可以完全相反，可以在溫差很小的情況下運行，可以充分利用低溫熱源； 結(jié)構(gòu)緊湊，單位體積換熱面積約為管殼式換熱器的三倍。 其缺點是：使用溫度和壓力不宜過高，目前最大使用壓力為2MPa，溫度在400℃以下； 由于整個換熱器是卷制的，一旦發(fā)現(xiàn)泄漏，維修起來非常困難。

3.熱板換熱器

熱板式換熱器是一種新型高效板式換熱器，其基本傳熱單元為熱板。 其成型方法是將兩層或多層金屬板按等阻流原理點焊或縫焊成各種圖案，邊焊邊封邊形成一個整體。 板片之間的空間在高壓下膨脹，以實現(xiàn)最佳的流道結(jié)構(gòu)。 每層金屬板的厚度可以相同也可以不同，板數(shù)可以是雙層或多層，從而形成多種傳熱面形式的熱板，如不等長的雙層熱板厚度（圖a）等厚雙層熱板（圖b），三層不等厚熱板（圖c），四層等厚熱板（圖d）等，可以是設(shè)計時根據(jù)需要選擇。

熱板式換熱器傳熱板的傳熱面形式。

熱板式換熱器流動狀態(tài)最佳，阻力小，換熱效率高； 可根據(jù)工程需要制成各種形狀，并可根據(jù)介質(zhì)性能選用不同的板材。 熱板式換熱器可用于加熱、保溫、干燥、冷凝等多種工藝。 作為一種新型換熱器，具有廣闊的應(yīng)用前景。

(3)熱管換熱器的結(jié)構(gòu)形式

以熱管為傳熱單元的熱管換熱器是一種新型高效換熱器，它由殼體、熱管和隔板組成。 熱管作為主要傳熱元件，是一種具有高導熱性能的傳熱器件。 它是一種真空容器，其基本組成部分是外殼、吸液芯和工作液。 外殼抽真空后，充入適量的工作液，密閉的外殼形成熱管。 當熱源向一端供熱時，工作流體從熱源吸收熱量而蒸發(fā)，攜帶潛熱的蒸汽在壓力差的作用下高速輸送到殼體的另一端，并放出潛熱向冷源冷凝，冷凝水返回熱端，再次沸騰汽化。 如此反復循環(huán)，熱量不斷從熱端傳遞到冷端。

熱管圖

熱管按冷凝水循環(huán)方式分為吸液芯熱管、重力熱管和離心熱管三種。 吸液芯熱管的冷凝水在毛細管的作用下返回熱端。 這種熱管可以在失重狀態(tài)下工作； 重力式熱管的冷凝水靠重力回流到熱端，其傳熱是單向的，一般立式離心熱管靠離心力將冷凝水回流到熱端，通常用于旋轉(zhuǎn)的冷卻部分。

根據(jù)工作流體的工作溫度，熱管分為低溫熱管、低溫熱管、中溫熱管和高溫熱管四種。 低溫熱管工作在200K以下，工作液體包括氮氣、氫氣、氖氣、氧氣、甲烷、乙烷等； 低溫熱管工作在200~550K范圍內(nèi)，工作液體包括氟利昂、氨水、丙酮、乙醇、水等；中溫熱管工作在550~750K范圍內(nèi)，工作液體包括熱電導率A、汞、銫、水和鉀鈉混合物等； 高溫熱管工作在750K以上，工作流體包括液態(tài)金屬鉀、鈉、鋰、銀等。

熱管的傳熱特點是熱管內(nèi)的傳熱是通過沸騰汽化、蒸汽流動和蒸汽冷凝三個步驟進行的。 由于沸騰和冷凝的對流傳熱強度很大，而蒸汽流阻損失很小，熱管兩端的溫差可以很小，即可以傳遞較大的熱流很小的溫差。 因此特別適用于低溫差傳熱和一些等溫要求高的場合。 熱管換熱器具有結(jié)構(gòu)簡單、使用壽命長、工作可靠、適用范圍廣等優(yōu)點，可用于氣-氣、氣-液、液-液之間的熱交換過程。 下圖為熱管換熱器的應(yīng)用實例。