換熱器作為工藝過程必不可少的單元設(shè)備，廣泛地應(yīng)用于石油、化工、動(dòng)力、輕工、機(jī)械、冶金、交通、制藥等工程領(lǐng)域中。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在現(xiàn)代石油化工企業(yè)中，換熱器投資約占裝置建設(shè)總投資的30%~40%；在合成氨廠中，換熱器約占全部設(shè)備總臺(tái)數(shù)的40%。由此可見，換熱器對(duì)整個(gè)企業(yè)的建設(shè)投資及經(jīng)濟(jì)效益有著重要的影響。

　　一、換熱器的分類

　　(1)加熱器：加熱器用于把流體加熱到所需的溫度，被加熱流體在加熱過程中不發(fā)生相變。

　　(2)預(yù)熱器：預(yù)熱器用于流體的預(yù)熱，以提高整套工藝裝置的效率。

　　(3)過熱器：過熱器用于加熱飽和蒸汽，使其達(dá)到過熱狀態(tài)。

　　(4)蒸發(fā)器：蒸發(fā)器用于加熱液體，使之蒸發(fā)汽化。

　　(5)再沸器：再沸器是蒸餾過程的專用設(shè)備，用于加熱已冷凝的液體，使之再受熱汽化。

　　(6)冷卻器：冷卻器用于冷卻流體，使之達(dá)到所需要的溫度。

　　(7)冷凝器：冷凝器用于冷凝飽和蒸汽，使之放出潛熱而凝結(jié)液化。

　　(1)管式換熱器：管式換熱器通過管子壁面進(jìn)行傳熱，按傳熱管的結(jié)構(gòu)不同，可分為列管式換熱管、套管式換熱器、蛇管式換熱器和翅片管式換熱器等幾種。管式換熱器應(yīng)用*廣。

　　(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，可分為平板式換熱器、螺旋板式換熱器、板翅式換熱器和熱板式換熱器。

　　(3)特殊形式換熱器：這類換熱器是指根據(jù)工藝特殊的要求而設(shè)計(jì)的具有特殊結(jié)構(gòu)的換熱器。如回轉(zhuǎn)式換熱器、熱管式換熱器等。

　　(1)金屬材料換熱器：金屬材料換熱器是由金屬材料制成，常用金屬材料有碳鋼、合金鋼、銅及銅合金、鋁及鋁合金、鈦及鈦合金等。由于金屬材料的熱導(dǎo)率較大，故該類換熱器的傳熱效率較高，生產(chǎn)中用到的主要是金屬材料換熱器。

　　(2)非金屬材料換熱器：非金屬材料換熱器由非金屬材料制成，常用非金屑材料有石墨、玻璃、塑料以及陶瓷等。該類換熱器主要用于具有腐蝕性的物料由于非金屬材料的熱導(dǎo)率較小，所以其傳熱效率較低。

　　二、 換熱器結(jié)構(gòu)與性能特點(diǎn)

　　傳熱裝置圖片

　　1．管殼式換熱器

　　管殼式換熱器又稱列管式換熱器，是一種通用的標(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)低廉、用材廣泛、清洗方便、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用*為廣泛，在換熱設(shè)備中占據(jù)主導(dǎo)地位。管殼式換熱器根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分為以下幾種。

　?。?）固定管板式換熱器

　　它由殼體、管束、封頭、管板、折流擋板、接管等部件組成。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是，兩塊管板分別焊于殼體的兩端，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)的通道及與其兩端相貫通處稱為管程；換熱管外的通道及與其相貫通處稱為殼程。冷、熱流體分別在管程和殼程中連續(xù)流動(dòng)，流經(jīng)管程的流體稱為管（管程）流體，流經(jīng)殼程的流體稱為殼（殼程）流體。

　　固定管板式換熱器

　　若管流體一次通過管程，稱為單管程。當(dāng)換熱器傳熱面積較大，所需管子數(shù)目較多時(shí)，為提高管流體的流速，常將換熱管平均分為若干組，使流體在管內(nèi)依次往返多次，則稱為多管程。管程數(shù) 可為2、4、6、8， 太大，雖提高了管流體的流速，從而增大了管內(nèi)對(duì)流傳熱系數(shù)，但同時(shí)會(huì)導(dǎo)致流動(dòng)阻力增大。因此，管程數(shù)不宜過多，通常以2、管程*為常見。

　　殼流體一次通過殼程，稱為單殼程。為提高殼流體的流速，也可在與管束軸線平行方向放置縱向隔板使殼程分為多程。殼程數(shù) 即為殼流體在殼程內(nèi)沿殼體軸向往、返的次數(shù)。

　　分程可使殼流體流速增大，流程增長(zhǎng)，擾動(dòng)加劇，有助于強(qiáng)化傳熱。但是，殼程分程不僅使流動(dòng)阻力增大，且制造安裝較為困難，故工程上應(yīng)用較少。為改善殼程換熱，通常采用折流擋板，通過設(shè)置折流擋板，以達(dá)到實(shí)現(xiàn)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。在相同的殼體直徑內(nèi)，排管數(shù)*多，旁路*少；每根換熱管都可以進(jìn)行更換，且管內(nèi)清洗方便。其缺點(diǎn)是殼程不能進(jìn)行機(jī)械清洗；當(dāng)換熱管與殼體的溫差較大（大于50℃）時(shí)產(chǎn)生溫差應(yīng)力，需在殼體上設(shè)置膨脹節(jié)，因而殼程壓力受膨脹節(jié)強(qiáng)度的限制不能太高。固定管板式換熱器適用于殼方流體清潔且不易結(jié)垢，兩流體溫差不大或溫差較大但殼程壓力不高的場(chǎng)合。

　?。?）浮頭式換熱器

　　浮頭式換熱器浮其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是兩端管板之一不與殼體固定連接，可在殼體內(nèi)沿軸向自由伸縮，該端稱為浮頭。浮頭式換熱器的優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)換熱管與殼體有溫差存在，殼體或換熱管膨脹時(shí)，互不約束，不會(huì)產(chǎn)生溫差應(yīng)力；管束可從殼體內(nèi)抽出，便于管內(nèi)和管間的清洗。其缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，用材量大，造價(jià)高；浮頭蓋與浮動(dòng)管板之間若密封不嚴(yán)，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體和管束壁溫差較大或殼程介質(zhì)易結(jié)垢的場(chǎng)合。

　?。?）U 型管式換熱器

　　U 型管式換熱器其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是只有一個(gè)管板，換熱管為 U 型，管子兩端固定在同一管板上。管束可以自由伸縮，當(dāng)殼體與 U 型換熱管有溫差時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生溫差應(yīng)力。U 型管式換熱器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只有一個(gè)管板，密封面少，運(yùn)行可靠，造價(jià)低；管束可以抽出，管間清洗方便。其缺點(diǎn)是管內(nèi)清洗比較困難；由于管子需要有一定的彎曲半徑，故管板的利用率較低；管束*內(nèi)層管間距大，殼程易短路；內(nèi)層管子壞了不能更換，因而報(bào)廢率較高。U 型管式換熱器適用于管、殼壁溫差較大或殼程介質(zhì)易結(jié)垢，而管程介質(zhì)清潔不易結(jié)垢以及高溫、高壓、腐蝕性強(qiáng)的場(chǎng)合。一般高溫、高壓、腐蝕性強(qiáng)的介質(zhì)走管內(nèi)，可使高壓空間減小，密封易解決，并可節(jié)約材料和減少熱損失。

　?。?）填料函式換熱器

　　填料函式換熱器其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是管板只有一端與殼體固定連接，另一端采用填料函密封。管束可以自由伸縮，不會(huì)產(chǎn)生因殼壁與管壁溫差而引起的溫差應(yīng)力。填料函式換熱器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)較浮頭式換熱器簡(jiǎn)單，制造方便，耗材少，造價(jià)低；管束可從殼體內(nèi)抽出，管內(nèi)、管間均能進(jìn)行清洗，維修方便。其缺點(diǎn)是填料函耐壓不高，一般小于4.0MPa；殼程介質(zhì)可能通過填料函外漏，對(duì)易燃、易爆、有毒和貴重的介質(zhì)不適用。填料函式換熱器適用于管、殼壁溫差較大或介質(zhì)易結(jié)垢，需經(jīng)常清理且壓力不高的場(chǎng)合。

　　（5）釜式換熱器

　　釜式換熱器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是在殼體上部設(shè)置適當(dāng)?shù)恼舭l(fā)空間，同時(shí)兼有蒸汽室的作用。管束可以為固定管板式、浮頭式或 U 型管式。釜式換熱器清洗維修方便，可處理不清潔、易結(jié)垢的介質(zhì)，并能承受高溫、高壓。它適用于液-汽式換熱，可作為*簡(jiǎn)結(jié)構(gòu)的廢熱鍋爐。

　　管殼式換熱器除上述五種外，還有插管式換熱器、滑動(dòng)管板式換熱器等其它類型。

　　2．蛇管式換熱器

　　蛇管式換熱器是管式換熱器中結(jié)構(gòu)*簡(jiǎn)單，操作*方便的一種換熱設(shè)備。通常按照換熱方式不同，將蛇管式換熱器分為沉浸式和噴淋式兩類。

　?。?）沉浸式蛇管換熱器此種換熱器多以金屬管彎繞而成，制成適應(yīng)容器的形狀，沉浸在容器內(nèi)的液體中。兩種流體分別在管內(nèi)、管外進(jìn)行換熱。幾種常用的蛇管形狀。

　　沉浸式蛇管換熱器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、便于防腐蝕、能承受高壓。其缺點(diǎn)是由于容器的體積較蛇管的體積大得多，管外流體的傳熱膜系數(shù)較小，故常需加攪拌裝置，以提高其傳熱效率。

　?。?）噴淋式蛇管換熱器，此種換熱器多用于冷卻管內(nèi)的熱流體。固定在支架上的蛇管排列在同一垂直面上，熱流體自下部的管進(jìn)入，由上部的管流出。冷卻水由管上方的噴淋裝置中均勻地噴灑在上層蛇管上，并沿著管外表面淋瀝而下，降至下層蛇管表面，*后收集在排管的底盤中。該裝置通常放在室外空氣流通處，冷卻水在空氣中氣化時(shí)，可帶走部分熱量，以提高冷卻效果。

　　與沉浸式蛇管換熱器相比，噴淋式蛇管換熱器具有檢修清理方便，傳熱效果好等優(yōu)點(diǎn)。其缺點(diǎn)是體積龐大，占地面積大；冷卻水量較大，噴淋不易均勻。蛇管換熱器因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、常被用于制冷裝置和小型制冷機(jī)組中。

　　3．套管式換熱器

　　套管式換熱器是由兩種不同直徑的直管套在一起組成同心套管，其內(nèi)管用U型肘管順次連接，外管與外管互相連接而成的，其構(gòu)造如圖片4-43所示。每一段套管稱為一程，程數(shù)可根據(jù)傳熱面積要求而增減。換熱時(shí)一種流體走內(nèi)管，另一種流體走環(huán)隙，內(nèi)管的壁面為傳熱面。

　　套管式換熱器

　　套管式換熱器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；能耐高壓；傳熱面積可根據(jù)需要增減；適當(dāng)?shù)剡x擇管內(nèi)、外徑，可使流體的流速增大，且兩種流體呈逆流流動(dòng)，有利于傳熱。其缺點(diǎn)是單位傳熱面積的金屬耗量大；管子接頭多，檢修清洗不方便。此類換熱器適用于高溫、高壓及小流量流體間的換熱。

　　4．翅片管式換熱器

　　翅片管式換熱器又稱管翅式換熱器。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是在換熱器管的外表面或內(nèi)表面裝有許多翅片，常用的翅片有縱向和橫向兩類，工業(yè)上廣泛應(yīng)用的幾種翅片形式如下。

　　翅片與管表面的連接應(yīng)緊密無間，否則連接處的接觸熱阻很大，影響傳熱效果。常用的連接方法有熱套、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)械加工等方法制造。

　　化工生產(chǎn)中常遇到氣體的加熱和冷卻問題。因氣體的對(duì)流傳熱系數(shù)很小，所以當(dāng)與氣體換熱的另**體是水蒸汽冷凝或是冷卻水時(shí)，則氣體側(cè)熱阻成為傳熱控制因素。此時(shí)要強(qiáng)化傳熱，就必須增加氣體側(cè)的對(duì)流傳熱面積。在換熱管的氣體側(cè)設(shè)置翅片，這樣既增大了氣體側(cè)的傳熱面積，又增強(qiáng)了氣體湍動(dòng)程度，減少了氣體側(cè)的熱阻，從而使氣體傳熱系數(shù)提高。

　　當(dāng)然，加裝翅片會(huì)使設(shè)備費(fèi)提高，但一般當(dāng)兩種流體的對(duì)流傳熱系數(shù)之比超過3:1，采用翅片管式換熱器經(jīng)濟(jì)上是合理的。翅片管式換熱器作為空氣冷卻器，在工業(yè)上應(yīng)用很廣。用空氣代替水冷，不僅可在缺水地區(qū)使用，在水源充足的地方，采用空冷也取得了較大的經(jīng)濟(jì)效益。

　　1．平板式換熱器

　　平板式換熱器簡(jiǎn)稱板式換熱器，其結(jié)構(gòu)如圖片4-46所示。它是由一組長(zhǎng)方形的薄金屬板平行排列，夾緊組裝于支架上面構(gòu)成。兩相鄰板片的邊緣襯有墊片，壓緊后板間形成密封的流體通道，且可用墊片的厚度調(diào)節(jié)通道的大小。每塊板的四個(gè)角上，各開一個(gè)圓孔，其中有兩個(gè)圓孔和板面上的流道相通，另兩個(gè)圓孔則不相通。它們的位置在相鄰板上是錯(cuò)開的，以分別形成兩流體的通道。冷、熱流體交替地在板片兩側(cè)流動(dòng)，通過金屬板片進(jìn)行換熱。

　　板片是板式換熱器的核心部件。為使流體均勻流過板面，增加傳熱面積，并促使流體的湍動(dòng)，常將板面沖壓成凹凸的波紋狀，波紋形狀有幾十種，常用的波紋形狀有水平波紋、人字形波紋和圓弧形波紋等。

　　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)備所提供的換熱面積大；組裝靈活，可根據(jù)需要增減板數(shù)以調(diào)節(jié)傳熱面積；板面波紋使截面變化復(fù)雜，流體的擾動(dòng)作用增強(qiáng)，具有較高的傳熱效率；拆裝方便，有利于維修和清洗。其缺點(diǎn)是處理量?。徊僮鲏毫蜏囟仁苊芊鈮|片材料性能限制而不宜過高。板式換熱器適用于經(jīng)常需要清洗、工作環(huán)境要求十分緊湊，工作壓力在2.5 MPa以下，溫度在 -35℃~200℃場(chǎng)合。

　　2．螺旋板式換熱器

　　螺旋板式換熱器如圖片4-48所示，它是由兩張間隔一定的平行薄金屬板卷制而成的。兩張薄金屬板形成兩個(gè)同心的螺旋型通道，兩板之間焊有定距柱以維持通道間距，在螺旋板兩側(cè)焊有蓋板。冷、熱流體分別通過兩條通道，通過薄板進(jìn)行換熱。

　　常用的螺旋板式換熱器，根據(jù)流動(dòng)方式不同，分為四種：

　?。?）Ⅰ型螺旋板式換熱器兩個(gè)螺旋通道的兩側(cè)完全焊接密封，為不可拆結(jié)構(gòu)，如圖（a）。換熱器中，兩流體均作螺旋流動(dòng)，通常冷流體由外周流向中心，熱流體由中心流向外周，呈完全逆流流動(dòng)。此類換熱器主要用于液體與液體間的傳熱。

　　（2）Ⅱ型螺旋板式換熱器一個(gè)螺旋通道的兩側(cè)為焊接密封，另一通道的兩側(cè)是敞開的，如圖片（b）所示。換熱器中，**體沿螺旋通道流動(dòng)，而另**體沿?fù)Q熱器的軸向流動(dòng)。此類換熱器適用于兩流體流量差別很大的場(chǎng)合，常用作冷凝器、氣體冷卻器等。

　?。?）Ⅲ型螺旋板式換熱器Ⅲ型螺旋板式換熱器的結(jié)構(gòu)如圖片（c）所示。換熱器中，一種流體做螺旋流動(dòng)，另**體做兼有軸向和螺旋向兩者組合的流動(dòng)。該結(jié)構(gòu)適用于汽體冷凝。

　?。?）G型螺旋板式換熱器G型螺旋板式換熱器的結(jié)構(gòu)如圖片（d）所示。該結(jié)構(gòu)又稱塔上型，常被安裝在塔頂作為冷凝器，采用立式安裝，下部有法蘭與塔頂法蘭相連接。汽體由下部進(jìn)入中心管上升至頂蓋折回，然后沿軸向從上至下流過螺旋通道被冷凝。

　　螺旋板式換熱器原理

　　螺旋板式換熱器的優(yōu)點(diǎn)是螺旋通道中的流體由于慣性離心力的作用和定距柱的干擾，在較低雷諾數(shù)下即達(dá)到湍流，并且允許選用較高的流速，故傳熱系數(shù)大；由于流速較高，又有慣性離心力的作用，流體中懸浮物不易沉積下來，故螺旋板式換熱器不易結(jié)垢和堵塞；由于流體的流程長(zhǎng)和兩流體可進(jìn)行完全逆流，故可在較小的溫差下操作，能充分利用低溫?zé)嵩?；結(jié)構(gòu)緊湊，單位體積的傳熱面積約為管殼式換熱器的3倍。其缺點(diǎn)是：操作溫度和壓力不宜太高，目前*高操作壓力為2MPa，溫度在400℃以下；因整個(gè)換熱器為卷制而成，一旦發(fā)現(xiàn)泄漏，維修很困難。

　　3．熱板式換熱器

　　熱板式換熱器是一種新型高效板面式換熱器，其傳熱基本單元為熱板。其成型方法是按等阻力流動(dòng)原理，將雙層或多層金屬平板點(diǎn)焊或滾焊成各種圖形，并將邊緣焊接密封組成一體。平板之間在高壓下充氣形成空間，實(shí)現(xiàn)*佳流動(dòng)狀態(tài)的流道結(jié)構(gòu)形式。各層金屬板的厚度可以相同，亦可以不同，板數(shù)可以為雙層或多層，這樣就構(gòu)成了多種熱板傳熱表面形式，如不等厚雙層熱板（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，設(shè)計(jì)時(shí)，可根據(jù)需要選取。

　　熱板式換熱器的熱板傳熱表面形式。

　　熱板式換熱器具有*佳的流動(dòng)狀態(tài)，阻力小，傳熱效率高；根據(jù)工程需要可制造成各種形狀，亦可根據(jù)介質(zhì)的性能選用不同的板材。熱板式換熱器可用于加熱、保溫、干燥、冷凝等多種過程，作為一種新型的換熱器，具有廣闊的應(yīng)用前景。

　　以熱管為傳熱單元的熱管換熱器是一種新型高效換熱器，它是由殼體、熱管和隔板組成的。熱管作為主要的傳熱元件，是一種具有高導(dǎo)熱性能的傳熱裝置。它是一種真空容器，其基本組成部件為殼體、吸液芯和工作液。將殼體抽真空后充入適量的工作液，密閉殼體便構(gòu)成一只熱管。當(dāng)熱源對(duì)其一端供熱時(shí)，工作液自熱源吸收熱量而蒸發(fā)汽化，攜帶潛熱的蒸汽在壓差作用下，高速傳輸至殼體的另一端，向冷源放出潛熱而凝結(jié)，冷凝液回至熱端，再次沸騰汽化。如此反復(fù)循環(huán)，熱量乃不斷從熱端傳至冷端。

　　熱管示意圖

　　熱管按冷凝液循環(huán)方式分為吸液芯熱管、重力熱管和離心熱管三種。吸液芯熱管的冷凝液依毛細(xì)管的作用回到熱端，這種熱管可以在失重情況下工作；重力熱管的冷凝液是依靠重力流回?zé)岫?，它的傳熱具有單向性，一般為垂直放置離心熱管是靠離心力使冷凝液回到熱端，通常用于旋轉(zhuǎn)部件的冷卻。

　　熱管按工作液的工作溫度分為深冷熱管、低溫?zé)峁?、中溫?zé)峁芎透邷責(zé)峁芩姆N。深冷熱管在200K以下工作，工作液有氮、氫、氖、氧、甲烷、乙烷等；低溫?zé)峁茉?200~550K 范圍內(nèi)工作，工作液有氟里昂、氨、丙酮、乙醇、水等；中溫?zé)峁茉?50~750K范圍內(nèi)工作，工作液有導(dǎo)熱姆A、水銀、銫、水及鉀─鈉混合液等；高溫?zé)峁茉?50K 以上工作，工作液有液態(tài)金屬鉀、鈉、鋰、銀等。

　　熱管的傳熱特點(diǎn)是熱管中的熱量傳遞通過沸騰汽化、蒸汽流動(dòng)和蒸汽冷凝三步進(jìn)行，由于沸騰和冷凝的對(duì)流傳熱強(qiáng)度都很大，而蒸汽流動(dòng)阻力損失又較小，因此熱管兩端溫度差可以很小，即能在很小的溫差下傳遞很大的熱流量。因此，它特別適用于低溫差傳熱及某些等溫性要求較高的場(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、應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，可用于氣─氣、氣─液和液─液之間的換熱過程。下圖為熱管換熱器應(yīng)用實(shí)例。

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