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(jī)械、冶金、交通、制藥等工程領(lǐng)域。 據(jù)統(tǒng)計(jì)，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(duì)整個(gè)企業(yè)的建設(shè)投資和經(jīng)濟(jì)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(duì)流體進(jìn)行預(yù)熱，以提高整個(gè)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(duì)冷凝液進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jì)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(dǎo)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(dǎo)熱系數(shù)低，傳熱效率低。

2、換熱器結(jié)構(gòu)及性能特點(diǎn)

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(biāo)準(zhǔn)換熱設(shè)備。 它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固耐用、造價(jià)低、材料范圍廣、清洗方便、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在換熱設(shè)備中應(yīng)用最廣，占有主導(dǎo)地位。 殼管式換熱器按其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)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(diǎn)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(gè)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(dòng)。 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(jià)格，則稱為單管程。 當(dāng)換熱器傳熱面積較大，所需管數(shù)較多時(shí)，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(duì)流傳熱系數(shù)，但也會(huì)導(dǎo)致流動(dòng)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(fù)的次數(shù)。

分程可以提高殼流體的流速，增加工藝流量，強(qiáng)化擾動(dòng)，有利于強(qiáng)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(dá)到強(qiáng)化傳熱的目的。

固定管板式換熱器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(diǎn)是殼程不能機(jī)械清洗； 當(dāng)換熱管與殼體溫差較大（大于50℃）時(shí)，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(qiáng)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(chǎng)合。

(2)浮頭換熱器

浮頭式換熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)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(diǎn)是，當(dāng)換熱管與殼體存在溫差時(shí)，殼體或換熱管膨脹時(shí)，彼此不受約束，不會(huì)產(chǎn)生溫差應(yīng)力； 打掃。 缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，用料量大，成本高； 如果浮頭蓋與浮管板之間的密封不嚴(yán)密，就會(huì)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(chǎng)合。

(3) U型管換熱器

U型管換熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是只有一個(gè)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(dāng)殼體與U型換熱管存在溫差時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生溫差應(yīng)力。 U型管換熱器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只有一塊管板，密封面少，運(yùn)行可靠，成本低； 管束可抽出不銹鋼波紋換熱管價(jià)格，管間清洗方便。 其缺點(diǎn)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(bào)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(chǎng)合，以及高溫、高壓和強(qiáng)腐蝕。 一般管道內(nèi)走高溫、高壓、強(qiáng)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(diǎn)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(huì)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(diǎn)是比浮頭式換熱器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(hù)方便。 其缺點(diǎn)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(chǎng)合。

(5) 釜式換熱器

釜式換熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是在殼體上部設(shè)置了適當(dāng)?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(hù)，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(jiǎn)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(dòng)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(jiǎn)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(jìn)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(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、易腐蝕、耐壓高。 缺點(diǎn)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(jìn)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(dāng)冷卻水在空氣中蒸發(fā)時(shí)，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(diǎn)。 缺點(diǎn)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(jiǎn)單、操作方便，常用于制冷裝置和小型制冷機(jī)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(gè)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(gè)道次，道次可根據(jù)傳熱面積要求增減。 換熱時(shí)，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(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(diǎn)是單位換熱面積金屬消耗量大； 管接頭多，不便于維護(hù)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(diǎn)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(jī)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(duì)流換熱系數(shù)很小，當(dāng)與氣體換熱的另一種流體是水蒸氣冷凝或冷卻水時(shí)，氣體側(cè)的熱阻就成為傳熱的控制因素。 此時(shí)要加強(qiáng)傳熱，就需要增加氣體側(cè)的對(duì)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(qiáng)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(dāng)然，安裝翅片會(huì)增加設(shè)備成本，但一般當(dāng)兩種流體的對(duì)流傳熱系數(shù)之比超過3:1時(shí)，采用翅片管換熱器在經(jīng)濟(jì)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(fēng)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(fēng)冷也取得了較大的經(jīng)濟(jì)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(jiǎn)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(gè)角上分別開有一個(gè)圓孔，其中兩個(gè)圓孔與板面上的流道相通，另外兩個(gè)圓孔不相通。 它們的位置交錯(cuò)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(dòng)，通過金屬板進(jìn)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(jìn)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(diǎn)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(fù)雜，流體的擾動(dòng)增強(qiáng)。 ，傳熱效率高； 拆裝方便，有利于維護(hù)和清潔。 缺點(diǎn)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(chǎng)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(gè)通道，通過薄板進(jìn)行熱交換。

常用的螺旋板式換熱器根據(jù)不同的流動(dòng)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(dòng)，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(gè)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(dòng)，另一種流體沿?fù)Q熱器軸向流動(dòng)。 此類換熱器適用于兩種流體流速相差很大的場(chǎng)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(dòng)，另一種流體呈軸向和螺旋狀組合流動(dòng)。 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(jìn)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(diǎn)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(dá)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(dòng)時(shí)間長(zhǎng)，兩種流體可以完全相反，可以在溫差很小的情況下運(yùn)行，可以充分利用低溫?zé)嵩矗?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(diǎn)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(gè)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(diǎn)焊或縫焊成各種圖案，邊焊邊封邊形成一個(gè)整體。 板片之間的空間在高壓下膨脹，以實(shí)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(zhǎng)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(jì)時(shí)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(dòng)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(dǎo)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(dāng)熱源向一端供熱時(shí)，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?zé)岫?，再次沸騰汽化。 如此反復(fù)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(xì)管的作用下返回?zé)岫恕?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?zé)峁?、低溫?zé)峁?、中溫?zé)峁芎透邷責(zé)峁芩姆N。 低溫?zé)峁芄ぷ髟?00K以下，工作液體包括氮?dú)?、氫氣、氖氣、氧氣、甲烷、乙烷等?低溫?zé)峁芄ぷ髟?00~550K范圍內(nèi)，工作液體包括氟利昂、氨水、丙酮、乙醇、水等；中溫?zé)峁芄ぷ髟?50~750K范圍內(nèi)，工作液體包括熱電導(dǎo)率A、汞、銫、水和鉀鈉混合物等； 高溫?zé)峁芄ぷ髟?50K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(diǎn)是熱管內(nèi)的傳熱是通過沸騰汽化、蒸汽流動(dòng)和蒸汽冷凝三個(gè)步驟進(jìn)行的。 由于沸騰和冷凝的對(duì)流傳熱強(qiáng)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(chǎng)合。 熱管換熱器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用壽命長(zhǎng)、工作可靠、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，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(shí)例。