換熱器是化工,石油,動力,食品及其它許多工業部門的通用設備,在生產中占有重要地位.在化工生產中換熱器可作為加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發器和再沸器等,應用更加廣泛。換熱器種類很多,但根據冷、熱流體熱量交換的原理和方式基本上可分三大類即：間壁式、混合式和蓄熱式。在三類換熱器中,間壁式換熱器應用zui多。

1、間壁式換熱器的類型

夾套式換熱器 這種換熱器是在容器外壁安裝夾套制成,結構簡單;但其加熱面受容器壁面限制,傳熱系數也不高.為提高傳熱系數且使釜內液體受熱均勻,可在釜內安裝攪拌器.當夾套中通入冷卻水或無相變的加熱劑時,亦可在夾套中設置螺旋隔板或其它增加湍動的措施,以提高夾套一側的給熱系數.為補充傳熱面的不足,也可在釜內部安裝蛇管. 夾套式換熱器廣泛用于反應過程的加熱和冷卻。

沉浸式蛇管換熱器 這種換熱器是將金屬管彎繞成各種與容器相適應的形狀,并沉浸在容器內的液體中.蛇管換熱器的優點是結構簡單,能承受高壓,可用耐腐蝕材料制造;其缺點是容器內液體湍動程度低,管外給熱系數小.為提高傳熱系數,容器內可安裝攪拌器。

噴淋式換熱器 這種換熱器是將換熱管成排地固定在鋼架上，熱流體在管內流動,冷卻水 從上方噴淋裝置均勻淋下,故也稱噴淋式冷卻器.噴淋式換熱器的管外是一層湍動程度較高的液膜,管外給熱系數較沉浸式增大很多.另外,這種換熱器大多放置在空氣流通之處,冷卻水的蒸發亦帶走一部分熱量,可起到降低冷卻水溫度,增大傳熱推動力的作用.因此,和沉浸式相比,噴淋式換熱器的傳熱效果大有改善。

套管式換熱器 套管式換熱器是由直徑不同的直管制成的同心套管,并由U形彎頭連接而成.在這種換熱器中,一種流體走管內,另一種流體走環隙,兩者皆可得到較高的流速,故傳熱系數較大.另外,在套管換熱器中,兩種流體可為純逆流,對數平均推動力較大。套管換熱器結構簡單,能承受高壓,應用亦方便(可根據需要增減管段數目). 特別是由于套管換熱器同時具備傳熱系數大,傳熱推動力大及能夠承受高壓強的優點,在超高壓生產過程(例如操作壓力為3000大氣壓的高壓聚乙烯生產過程)中所用的換熱器幾乎全部是套管式。

管殼式換熱器 管殼式(又稱列管式) 換熱器是zui典型的間壁式換熱器,它在工業上的應用有著悠久的歷史,而且至今仍在所有換熱器中占據主導地位。

管殼式換熱器主要有殼體、管束、管板和封頭等部分組成,殼體多呈圓形,內部裝有平行管束,管束兩端固定于管板上。在管殼換熱器內進行換熱的兩種流體,一種在管內流動,其行程稱為管程；一種在管外流動,其行程稱為殼程。管束的壁面即為傳熱面。為提高管外流體給熱系數,通常在殼體內安裝一定數量的橫向折流檔板。折流檔板不僅可防止流體短路,增加流體速度,還迫使流體按規定路徑多次錯流通過管束,使湍動程度大為增加。常用的檔板有圓缺形和圓盤形兩種,前者應用更為廣泛.。流體在管內每通過管束一次稱為一個管程,每通過殼體一次稱為一個殼程。為提高管內流體的速度,可在兩端封頭內設置適當隔板,將全部管子平均分隔成若干組。這樣,流體可每次只通過部分管子而往返管束多次,稱為多管程。同樣,為提高管外流速,可在殼體內安裝縱向檔板使流體多次通過殼體空間,稱多殼程。在管殼式換熱器內,由于管內外流體溫度不同,殼體和管束的溫度也不同。如兩者溫差很大, 換熱器內部將出現很大的熱應力,可能使管子彎曲,斷裂或從管板上松脫。因此,當管束和殼體溫度差超過50℃時,應采取適當的溫差補償措施,消除或減小熱應力。

2、混合式換熱器

混合式熱交換器是依靠冷、熱流體直接接觸而進行傳熱的，這種傳熱方式避免了傳熱間壁及其兩側的污垢熱阻，只要流體間的接觸情況良好，就有較大的傳熱速率。故凡允許流體相互混合的場合，都可以采用混合式熱交換器，例如氣體的洗滌與冷卻、循環水的冷卻、汽-水之間的混合加熱、蒸汽的冷凝等等。它的應用遍及化工和冶金企業、動力工程、空氣調節工程以及其它許多生產部門中。

按照用途的不同，可將混合式熱交換器分成以下幾種不同的類型：

(1)冷卻塔(或稱冷水塔)

在這種設備中，用自然通風或機械通風的方法，將生產中已經提高了溫度的水進行冷卻降溫之后循環使用，以提高系統的經濟效益。例如熱力發電廠或核電站的循環水、合成氨生產中的冷卻水等，經過水冷卻塔降溫之后再循環使用，這種方法在實際工程中得到了廣泛的使用。

(2)氣體洗滌塔(或稱洗滌塔)

在工業上用這種設備來洗滌氣體有各種目的，例如用液體吸收氣體混合物中的某些組分，除凈氣體中的灰塵，氣體的增濕或干燥等。但其zui廣泛的用途是冷卻氣體，而冷卻所用的液體以水居多。空調工程中廣泛使用的噴淋室，可以認為是它的一種特殊形式。噴淋室不但可以像氣體洗滌塔一樣對空氣進行冷卻，而且還可對其進行加熱處理。但是，它也有對水質要求高、占地面積大、水泵耗能多等缺點：所以，目前在一般建筑中，噴淋室已不常使用或僅作為加濕設備使用。但是，在以調節濕度為主要目的的紡織廠、卷煙廠等仍大量使用!

(3)噴射式熱交換器

在這種設備中，使壓力較高的流體由噴管噴出，形成很高的速度，低壓流體被引入混合室與射流直接接觸進行傳熱，并一同進入擴散管，在擴散管的出口達到同一壓力和溫度后送給用戶。

(4)混合式冷凝器

這種設備一般是用水與蒸汽直接接觸的方法使蒸汽冷凝。

3.蓄熱式換熱器

蓄熱式換熱器用于進行蓄熱式換熱的設備。內裝固體填充物，用以貯蓄熱量。一般用耐火磚等砌成火格子（有時用金屬波形帶等）。換熱分兩個階段進行。*階段，熱氣體通過火格子，將熱量傳給火格子而貯蓄起來。第二階段，冷氣體通過火格子，接受火格子所儲蓄的熱量而被加熱。這兩個階段交替進行。通常用兩個蓄熱器交替使用，即當熱氣體進入一器時，冷氣體進入另一器。常用于冶金工業，如煉鋼平爐的蓄熱室。也用于化學工業，如煤氣爐中的空氣預熱器或燃燒室，人造石油廠中的蓄熱式裂化爐。

蓄熱式換熱器一般用于對介質混合要求比較低的場合。

設計要求

隨著經濟的發展，各種不同型式和種類的換熱器發展很快，新結構、新材料的換熱器不斷涌現。為了適應發展的需要，我國對某些種類的換熱器已經建立了標準，形成了系列。完善的換熱器在設計或選型時應滿足以下基本要求：

（1） 合理地實現所規定的工藝條件；

（2） 結構安全可靠；

（3） 便于制造、安裝、操作和維修；

（4） 經濟上合理。

浮頭式換熱器的一端管板與殼體固定，而另一端的管板可在殼體內自由浮動，殼體和管束對膨脹是自由的，故當兩張介質的溫差較大時，管束和殼體之間不產生溫差應力。浮頭端設計成可拆結構，使管束能容易的插入或抽出殼體。（也可設計成不可拆的）。這樣為檢修、清洗提供了方便。但該換熱器結構較復雜，而且浮動端小蓋在操作時無法知道泄露情況。因此在安裝時要特別注意其密封。

浮頭換熱器的浮頭部分結構，按不同的要求可設計成各種形式，除必須考慮管束能在設備內自由移動外，還必須考慮到浮頭部分的檢修、安裝和清洗的方便。

在設計時必須考慮浮頭管板的外徑Do。該外徑應小于殼體內徑Di，一般*浮頭管板與殼體內壁的間隙b1=3~5mm。這樣，當浮頭出的鉤圈拆除后，即可將管束從殼體內抽出。以便于進行檢修、清洗。浮頭蓋在管束裝入后才能進行裝配，所以在設計中應考慮保證浮頭蓋在裝配時的必要空間。

鉤圈對保證浮頭端的密封、防止介質間的串漏起著重要作用。隨著幞頭式換熱器的設計、制造技術的發展，以及*以來使用經驗的積累，鉤圈的結構形式也得到了不段的改進和完善。

鉤圈一般都為對開式結構，要求密封可靠，結構簡單、緊湊、便于制造和拆裝方便。

浮頭式換熱器以其高度的可靠性和廣泛的適應性，在*使用過程中積累了豐富的經驗。盡管近年來受到不斷涌現的新型換熱器的挑戰，但反過來也不斷促進了自身的發展。故迄今為止在各種換熱器中扔占主導地位。

管子構成換熱器的傳熱面，管子尺寸和形狀對傳熱有很大影響。采用小直徑的管子時，換熱器單位體積的換熱面積大一些，設備比較緊湊，單位傳熱面積的金屬消耗量少，傳熱系數也較高。但制造麻煩，管子易結垢，不易清洗。大直徑管子用于粘性大或者污濁的流體，小直徑的管子用于較清潔的流體。

管子材料的選擇應根據介質的壓力、溫度及腐蝕性來確定。

換熱器的管子在管板上的排列不單考慮設備的緊湊性，還要考慮到流體的性質、結構設計以及加工制造方面的情況。管子在管板上的標準排列形式有四種：正三角形和轉角正三角形排列，適用與殼程介質清潔，且不需要進行機械清洗的場合。正方形和轉角正方形排列，能夠使管間的小橋形成一條直線通道，便于用機械進行清洗，一般用于管束可抽出管間清洗的場合。

另外對于多管程換熱器，常采用組合排列方法，其每一程中一般都采用三角形排列，而各程之間則常常采用正方形排列，這樣便于安排隔板位置。

當換熱器直徑較大，管子較多時，都必須在管束周圍的弓形空間內盡量配置換熱管。這不但可以有效地增大傳熱面積，也可以防止在殼程流體在弓形區域內短路而給傳熱帶來不利影響。

管板上換熱管中心距的選擇既要考慮結構的緊湊性，傳熱效果，又要考慮管板的強度和清洗管子外表面所需的空間。除此之外，還要考慮管子在管板上的固定方法。若間距太小，當采用焊接連接時，相鄰兩根管的焊縫太近，焊縫質量受熱影響不易得到保證；若采用脹接，擠壓力可能造成管板發生過大的變形，失去管子和管板間的結合力。一般采用的換熱管的中心距不小于管子外徑的1.25倍。

當換熱器多需的換熱面積較大，而管子又不能做的太長時，就得增大殼體直徑，以排列較多的管子。此時為了提高管程流速，增加傳熱效果，須將管束分程，使流體依次流過各程管束。

為了把換熱器做成多管程，可在一端或兩端的管箱中分別安置一定數量的隔板。

浮頭式換熱器的優缺點

優點：

（1）管束可以抽出，以方便清洗管、殼程；

（2）介質間溫差不受限制；

（3）可在高溫、高壓下工作，一般溫度小于等于450度，壓力小于等于6.4兆帕；

（4）可用于結垢比較嚴重的場合；

（5）可用于管程易腐蝕場合。

缺點：

（1）小浮頭易發生內漏；

（2）金屬材料耗量大，成本高20%；

（3）結構復雜

制造工藝

選取換熱設備的制造材料及牌號，進行材料的化學成分檢驗，機械性能合格后，對鋼板進行矯形，方法包括手工矯形，機械矯形及火焰矯形。

備料--劃線--切割--邊緣加工（探傷）--成型--組對--焊接--焊接質量檢驗--組裝焊接--壓力試驗

質量檢驗

化工設備不僅在制造之前對原材料進行檢驗，而且在制造過程中要隨時進行檢查。

質量檢驗內容和方法

設備制造過程中的檢驗，包括原材料的檢驗、工序間的檢驗及壓力試驗，具體內容如下：

（1）原材料和設備零件尺寸和幾何形狀的檢驗；

（2）原材料和焊縫的化學成分分析、力學性能分析試驗、金相組織檢驗，總稱為破壞試驗；

（3）原材料和焊縫內部缺陷的檢驗，其檢驗方法是無損檢測，它包括：射線檢測、超聲波檢測、磁粉檢測、滲透檢測等；

（4）設備試壓，包括：水壓試驗、介質試驗、氣密試驗等。

耐壓試驗和氣密性試驗：

制造完工的換熱器應對換熱器管板的連接接頭，管程和殼程進行耐壓試驗或增加氣密性試驗，耐壓試驗包括水壓試驗和氣壓試驗。換熱器一般進行水壓試驗，但由于結構或支撐原因，不能充灌液體或運行條件不允許殘留試驗液體時，可采用氣壓試驗。

如果介質毒性為極度，高度危害或管、殼程之間不允許有微量泄漏時，必須增加氣密性試驗。換熱器壓力試驗的順序如下：

固定管板換熱器*行殼程試壓，同時檢查換熱管與管板連接接頭，然后進行管程試壓；

U形管式換熱器、釜式重沸器（U形管束）及填料函式換熱器先用試驗壓環進行殼程試壓，同時檢查接頭，然后進行管程試壓；

浮頭式換熱器、釜式重沸器（浮頭式管束）先用試驗壓環和浮頭工具進行管頭試壓，對于釜式重沸器尚應配備管頭試壓殼體，然后進行管程試壓，zui后進行殼程試壓；

重疊換熱器接頭試壓可單臺進行，當各臺換熱器程間連通時，管程和殼程試壓應在重疊組裝后進行。

安裝方法

安裝換熱器的基礎必須滿足以使換熱器不發生下沉，或使管道把過大的變形傳到傳熱器的接管上。基礎一般分為兩種：一種為磚砌的鞍形基礎，換熱器上沒有鞍式支座而直接放在鞍形基礎上，換熱器與基礎不加固定，可以隨著熱膨脹的需要自由移動。另一種為混凝土基礎，換熱器通過鞍式支座由地腳螺栓將其與基礎牢固的連接起來。

在安裝換熱器之前應嚴格的進行基礎質量的檢查和驗收工作，主要項目如下：基礎表面概況；基礎標高，平面位置，形狀和主要尺寸以及預留孔是否符合實際要求；地腳螺栓的位置是否正確，螺紋情況是否良好，螺帽和墊圈是否齊全；放置墊鐵的基礎表面是否平整等。

基礎驗收完畢后，在安裝換熱器之前在基礎上放墊鐵，安放墊鐵處的基礎表面必須鏟平，使兩者能很好的接觸。墊鐵厚度可以調整，使換熱器能達到設計的水平高度。墊鐵放置后可增加換熱器在基礎上的穩定性，并將其重量通過墊鐵均勻地傳遞到基礎上去。墊鐵可分為平墊鐵、斜墊鐵和開*鐵。其中，斜墊鐵必須成對使用。地腳螺栓兩側均應有墊鐵，墊鐵的安裝不應妨礙換熱器的熱膨脹。

換熱器就位后需用水平儀對換熱器找平，這樣可使各接管都能在不受力的情況下連接管道。找平后，斜墊鐵可與芝座焊牢，但不得與下面的平墊鐵或滑板焊死。當兩個以上重疊式換熱器安裝時，應在下部換熱器找正完畢，并且地腳螺栓充分固定后，再安裝上部換熱器。可抽管束換熱器安裝前應抽芯檢查，清掃，抽管束時應注意保護密封面和折流板。移動和起吊管束時應將管束放置在的支承結構上，以避免損傷換熱管。

根據換熱器的形式，應在換熱器的兩端留有足夠的空間來滿足條件（操作）清洗、維修的需要。浮頭式換熱器的固定頭蓋端應留有足夠的空間以便能從殼體內抽出管束，外頭蓋端必須也留出一米以上的位置以便裝拆外頭蓋和浮頭蓋。

固定管板式換熱器的兩端應留出足夠的空間以便能抽出和更換管子。并且，用機械法清洗管內時。兩端都可以對管子進行刷洗操作。U形管式換熱器的固定頭蓋應留出足夠的空間以便抽出管束，也可在其相對的一端留出足夠的空間以便能拆卸殼體。

換熱器不得在超過銘牌規定的條件下運行。應經常對管，殼程介質的溫度及壓降進行監督，分析換熱管的泄漏和結垢情況。管殼式換熱器就是利用管子使其內外的物料進行熱交換、冷卻、冷凝、加熱及蒸發等過程，與其他設備相比較，其余腐蝕介質接觸的表面積就顯得非常大，發生腐蝕穿孔結合處松弛泄漏的危險性很高，因此對換熱器的防腐蝕和防泄漏的方法也比其他設備要多加考慮，當換熱器用蒸汽來加熱或用水來冷卻時，水中的溶解物在加熱后，大部分溶解度都會有所提高，而鈣類型的物質則幾乎沒有變化。冷卻水經常循環使用，由于水的蒸發，使鹽類濃縮，產生沉積或污垢。又因水中含有腐蝕性溶解氣體及氯離子等引起設備腐蝕，腐蝕與結垢交替進行，激化了鋼材的腐蝕。因此必須經過清洗來改善換熱器的性能。由于清洗的困難程度是隨著垢層厚度或沉積的增加而迅速增大的，所以清洗間隔時間不宜過長，應根據生產裝置的特點，換熱介質的性質，腐蝕速度及運行周期等情況定期進行檢查，修理及清洗。

換熱器的應用廣泛，日常生活中取暖用的暖氣散熱片、汽輪機裝置中的凝汽器和航天火箭上的油冷卻器等，都是換熱器。它還廣泛應用于化工、石油、動力和原子能等工業部門。它的主要功能是保證工藝過程對介質所要求的特定溫度，同時也是提高能源利用率的主要設備之一。

換熱器既可是一種單獨的設備，如加熱器、冷卻器和凝汽器等；也可是某一工藝設備的組成部分，如氨合成塔內的熱交換器。

由于制造工藝和科學水平的限制，早期的換熱器只能采用簡單的結構，而且傳熱面積小、體積大和笨重，如蛇管式換熱器等。隨著制造工藝的發展，逐步形成一種管殼式換熱器，它不僅單位體積具有較大的傳熱面積，而且傳熱效果也較好，*以來在工業生產中成為一種典型的換熱器。

發展歷史

二十世紀20年代出現板式換熱器，并應用于食品工業。以板代管制成的換熱器，結構緊湊，傳熱效果好，因此陸續發展為多種形式。30年代初，瑞典*制成螺旋板換熱器。接著英國用釬焊法制造出一種由銅及其合金材料制成的板翅式換熱器，用于飛機發動機的散熱。30年代末，瑞典又制造出*臺板殼式換熱器，用于紙漿工廠。在此期間，為了解決強腐蝕性介質的換熱問題，人們對新型材料制成的換熱器開始注意。

60年代左右，由于空間技術和*科學的迅速發展，迫切需要各種高效能緊湊型的換熱器，再加上沖壓、釬焊和密封等技術的發展，換熱器制造工藝得到進一步完善，從而推動了緊湊型板面式換熱器的蓬勃發展和廣泛應用。此外，自60年代開始，為了適應高溫和高壓條件下的換熱和節能的需要，典型的管殼式換熱器也得到了進一步的發展。70年代中期，為了強化傳熱，在研究和發展熱管的基礎上又創制出熱管式換熱器。

換熱器按傳熱方式的不同可分為混合式、蓄熱式和間壁式三類。

混合式換熱器是通過冷、熱流體的直接接觸、混合進行熱量交換的換熱器，又稱接觸式換熱器。由于兩流體混合換熱后必須及時分離，這類換熱器適合于氣、液兩流體之間的換熱。例如，化工廠和發電廠所用的涼水塔中，熱水由上往下噴淋，而冷空氣自下而上吸入，在填充物的水膜表面或飛沫及水滴表面，熱水和冷空氣相互接觸進行換熱，熱水被冷卻，冷空氣被加熱，然后依靠兩流體本身的密度差得以及時分離。

蓄熱式換熱器是利用冷、熱流體交替流經蓄熱室中的蓄熱體(填料)表面，從而進行熱量交換的換熱器，如煉焦爐下方預熱空氣的蓄熱室。這類換熱器主要用于回收和利用高溫廢氣的熱量。以回收冷量為目的的同類設備稱蓄冷器，多用于空氣分離裝置中。

間壁式換熱器的冷、熱流體被固體間壁隔開，并通過間壁進行熱量交換的換熱器，因此又稱表面式換熱器，這類換熱器應用zui廣。

間壁式換熱器根據傳熱面的結構不同可分為管式、板面式和其他型式。管式換熱器以管子表面作為傳熱面，包括蛇管式換熱器、套管式換熱器和管殼式換熱器等；板面式換熱器以板面作為傳熱面，包括板式換熱器、螺旋板換熱器、板翅式換熱器、板殼式換熱器和傘板換熱器等；其他型式換熱器是為滿足某些特殊要求而設計的換熱器，如刮面式換熱器、轉盤式換熱器和空氣冷卻器等。

換熱器中流體的相對流向一般有順流和逆流兩種。順流時，入口處兩流體的溫差zui大，并沿傳熱表面逐漸減小，至出口處溫差為zui小。逆流時，沿傳熱表面兩流體的溫差分布較均勻。在冷、熱流體的進出口溫度一定的條件下，當兩種流體都無相變時，以逆流的平均溫差zui大順流zui小。

在完成同樣傳熱量的條件下，采用逆流可使平均溫差增大，換熱器的傳熱面積減小；若傳熱面積不變，采用逆流時可使加熱或冷卻流體的消耗量降低。前者可節省設備費，后者可節省操作費，故在設計或生產使用中應盡量采用逆流換熱。

當冷、熱流體兩者或其中一種有物相變化(沸騰或冷凝)時，由于相變時只放出或吸收汽化潛熱，流體本身的溫度并無變化，因此流體的進出口溫度相等，這時兩流體的溫差就與流體的流向選擇無關了。除順流和逆流這兩種流向外，還有錯流和折流等流向。

在傳熱過程中，降低間壁式換熱器中的熱阻，以提高傳熱系數是一個重要的問題。熱阻主要來源于間壁兩側粘滯于傳熱面上的流體薄層(稱為邊界層)，和換熱器使用中在壁兩側形成的污垢層，金屬壁的熱阻相對較小。

增加流體的流速和擾動性，可減薄邊界層，降低熱阻提高給熱系數。但增加流體流速會使能量消耗增加，故設計時應在減小熱阻和降低能耗之間作合理的協調。為了降低污垢的熱阻，可設法延緩污垢的形成，并定期清洗傳熱面。

一般換熱器都用金屬材料制成，其中碳素鋼和低合金鋼大多用于制造中、低壓換熱器；不銹鋼除主要用于不同的耐腐蝕條件外，奧氏體不銹鋼還可作為耐高、低溫的材料；銅、鋁及其合金多用于制造低溫換熱器；鎳合金則用于高溫條件下；非金屬材料除制作墊片零件外，有些已開始用于制作非金屬材料的耐蝕換熱器，如石墨換熱器、氟塑料換熱器和玻璃換熱器等。

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