換熱器作為工藝過程必不可少的單元設備，廣泛地應用于石油、化工、動力、輕工、機械、冶金、交通、制藥等工程領域中。據(jù)統(tǒng)計，在現(xiàn)代石油化工企業(yè)中，換熱器投資約占裝置建設總投資的30%~40%；在合成氨廠中，換熱器約占全部設備總臺數(shù)的40%。由此可見，換熱器對整個企業(yè)的建設投資及經(jīng)濟效益有著重要的影響。
一.換熱器的分類1.按換熱器的用途分類
(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)預熱器：預熱器用于流體的預熱，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液化。
2.按換熱器傳熱面形狀和結構分類
(1)管式換熱器：管式換熱器通過管子壁面進行傳熱，按傳熱管的結構不同，可分為列管式換熱管、套管式換熱器、蛇管式換熱器等幾種。管式換熱器應用最廣。
(2)板式換熱器：板式換熱器通過板面進行傳熱，按傳熱板的結構形式，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.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，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率較小，所以其傳熱效率較低。
二.換熱器結構與性能特點
(一)管式換熱器的結構形式
1．管殼式換熱器
管殼式換熱器又稱列管式換熱器，是一種通用的標準換熱設備。它具有結構簡單、堅固耐用、造價低廉、用材廣泛、清洗方便、適應性強等優(yōu)點，應用最為廣泛，在換熱設備中占據(jù)主導地位。管殼式換熱器根據(jù)結構特點分為以下幾種。
（1）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。其結構特點是，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，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。
若管流體一次通過管程，稱為單管程。當換熱器傳熱面積較大，所需管子數(shù)目較多時，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)對流傳熱系數(shù)，但同時會導致流動阻力增大。因此，管程數(shù)不宜過多，通常以2、管程最為常見。
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，擾動加劇，有助于強化傳熱。但是，殼程分程不僅使流動阻力增大，且制造安裝較為困難，故工程上應用較少。為改善殼程換熱，通常采用折流擋板，通過設置折流擋板，以達到實現(xiàn)強化傳熱的目的。
固定管板式換熱器的優(yōu)點是結構簡單、緊湊。在相同的殼體直徑內(nèi)，排管數(shù)最多，旁路最少；每根換熱管都可以進行更換，且管內(nèi)清洗方便。其缺點是殼程不能進行機械清洗；
當換熱管與殼體的溫差較大（大于50℃）時產(chǎn)生溫差應力，需在殼體上設置膨脹節(jié)，因而殼程壓力受膨脹節(jié)強度的限制不能太高。固定管板式換熱器適用于殼方流體清潔且不易結垢，兩流體溫差不大或溫差較大但殼程壓力不高的場合。
（2）浮頭式換熱器
浮頭式換熱器浮其結構特點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)點是當換熱管與殼體有溫差存在，殼體或換熱管膨脹時，互不約束，不會產(chǎn)生溫差應力；管束可從殼體內(nèi)抽出，便于管內(nèi)和管間的清洗。其缺點是結構較復雜，用材量大，造價高；浮頭蓋與浮動管板之間若密封不嚴，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)易結垢的場合。
（3）U 型管式換熱器
U 型管式換熱器其結構特點是只有一個管板，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，當殼體與 U 型換熱管有溫差時，不會產(chǎn)生溫差應力。U 型管式換熱器的優(yōu)點是結構簡單，只有一個管板，密封面少，運行可靠，造價低；管束可以抽出，管間清洗方便。
其缺點是管內(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；管束最內(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)易結垢，而管程介質(zhì)清潔不易結垢以及高溫、高壓、腐蝕性強的場合。一般高溫、高壓、腐蝕性強的介質(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。
（4）填料函式換熱器
填料函式換熱器其結構特點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，不會產(chǎn)生因殼壁與管壁溫差而引起的溫差應力。
填料函式換熱器的優(yōu)點是結構較浮頭式換熱器簡單，制造方便，耗材少，造價低；管束可從殼體內(nèi)抽出，管內(nèi)、管間均能進行清洗，維修方便。其缺點是填料函耐壓不高，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)易結垢，需經(jīng)常清理且壓力不高的場合。
（5）釜式換熱器
釜式換熱器結構特點是在殼體上部設置適當?shù)恼舭l(fā)空間，同時兼有蒸汽室的作用。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，可作為最簡結構的廢熱鍋爐。
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構最簡單，操作最方便的一種換熱設備。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。
（1）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)、管外進行換熱。幾種常用的蛇管形狀。
沉浸式蛇管換熱器的優(yōu)點是結構簡單、價格低廉、便于防腐蝕、能承受高壓。其缺點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。
（2）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，最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，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。其缺點是體積龐大，占地面積大；冷卻水量較大，噴淋不易均勻。蛇管換熱器因其結構簡單、操作方便、常被用于制冷裝置和小型制冷機組中。
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。
套管式換熱器的優(yōu)點是結構簡單；能耐高壓；傳熱面積可根據(jù)需要增減；適當?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，有利于傳熱。其缺點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。
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