换热器的类型、用途及特点

1.1换热器的用途

把热量从热流体传递到了冷流体的设备称为换热设备。它是化工、炼油、动力、食品、轻工、原子能、制药及其他许多部门广泛使用的一种通用设备。在化工厂中，换热设备的投资约占总投资的10%～20%；在炼油厂中，约占总投资的35%～40%。

在工业生产中，换热设备的主要作用是使热量由温度较高的流体传递给温度较低的流体，使流体温度达到工艺流程规定的指标，以满足工艺流程上的需要，此外，换热设备也是回收余热、废热特别是地位热能的有效装置,例如，烟道气（约200～300℃）、高炉炉气（约1500℃）、需要冷却的化学反应工艺气（300～1000℃）等的余热，通过余热锅炉可生产压力蒸汽，作为供热、供汽、供电和动力的辅助能源，从而提高热能的总利用率，降低燃料消耗和电耗，提高工业生产经济效益。

在工业设备中，由于用途、工作条件和物料特性的不同，出现了各种不同形式和结构的换热设备[1]。

1.2 换热器的类型及特点

换热器按作用原理可分为以下几类[2]

（1）直接接触式换热器

这类换热器又称为混合式换热器，它是利用了冷、热流体直接接触，彼此混合进行换热的换热器。如冷却塔、气压冷凝器等。为增加流体的接触面积，已达到充分换热，在设备中常放置填料和栅板，通常采用塔状结构。直接接触式换热器具有传热效率高、单位容积提供的传热面积大、设备结构简单、价格便宜等优点，但仅适用于工艺上允许两种流体混合的场合。

（2）蓄热式换热器

这类换热器又称为回热式换热器，它是借助于由固体（如固体填料或多孔性格子砖等）构成的蓄热体与流体和冷流体交替接触，把热量从热流体传递给冷流体的换热器。在换热器内首先由热流体通过，把热量积蓄在蓄热体中，然后由冷流体通过，由蓄热器把热量释放给冷流体。由于两种流体交替与蓄热体接触，因此不可避免地会使两种流体少量混合。若两种流体不允许有混合，则不能采用蓄热式换热器。蓄热式换热器结构简单、价格便宜、单位体积换热面大，故较适合用于气-气热交换的场合。如回转式空气预热器就是一种蓄热式换热器。

（3）间壁式换热器

这类换热器又称为表面式换热器。它是利用间壁将进行热交换的冷热两种流体隔开，互不接触，热量由热流体通过间壁传递给冷流体的换热器。间壁式换热器是工业生产中应用最广泛的换热器，其形式多种多样，如常见的管壳式换热器和板式换热器都属于间壁式换热器。

（4）中间载热体式换热器

这类换热器是把两个间壁式换热器由在其中循环的载热体连接起来的换热器。载热体在高温流体换热器和低温流体换热器之间循环，在高温流体换热器中吸收热量，在低温流体换热器中把热量释放给低温物体，如热管式换热器。

其中,用得最多的为间壁式换热器。

1.3间壁式换热器的分类及特点

间壁式换热器又可分为管壳式换热器，板面式换热器。管式换热器按传热管的结构形式不同大致可分为蛇管换热器、套管换热器、缠绕管换热器和管壳式换热器。

管式换热器虽然在换热效率、结构紧凑性（换热器在单位体积中的传热面积m2/m3）和单位传热面积的金属消耗量（kg/m2）等方面都如其他新型换热器，但它具有结构坚固、可靠、适应性强、易于制造、能承受较高的操作压力和温度等优点。在高温、高压和大型换热器中，管式换热器仍占绝对优势，是目前使用最广泛的一类换热器。

蛇管式换热器按使用状态的不同分为沉浸式蛇管换热器和喷淋式蛇管两种。沉浸式蛇管的特点是：结构简单，造价低廉，操作敏感性较小，管子可承受较大的流体介质压力。但是，由于管外流体的流速很小，因而传热系数小，传热效率低，需要的传热面积大，设备显得笨重。沉浸式蛇管换热器常用于高压流体的冷却，以及反应器的传热元件。

喷淋式蛇管换热器：将蛇管成排地固定在钢架上，被冷却的流体在管内流动，冷却水有管排上方的喷淋装置均匀淋下。与沉浸式相比较，喷淋式蛇管换热器的主要优点是管外流体的传热系数大，且便于检修和清洗。其缺点是体积庞大，冷却水用量较大，有时喷淋效果不够理想。

套管式换热器：它是由两种不同大小直径的管子组装成同心管，两端用U型弯管将它们连结成排，并根据实际需要，排列组合形成传热单元，换热时，一种流体走内管，另一种流体走内外管之间的环隙，内管的壁面为传热面，一般按逆流方式进行换热。两种流体都可以在较高的温度、压力、流速下进行换热。

套管式换热器的优点是：结构简单，工作适应范围大，换热面积增减方便，两侧流体均可提高流速，使传热面的两侧都可有较高的传热系数；缺点是单位传热面的金属消耗量大，检修、清洗和拆卸都比较麻烦，在可拆连接处容易造成泄漏。

套管式换热器一般适用于高温、高压、小流量流体和所需要的传热面积不大的场合。

管壳式换热器：这类换热器是目前应用最广泛的换热设备。它的基本结构是，在圆筒形壳体中放置了有许多管子组成的管束，管子的两端（或一端）固定在管板上，管子的轴线与壳体的轴线平行。为了增加流体在管外空间的流速并支撑管子，改善传热性能，在筒体内间隔安装了许多块折流板（或其他新型折流元件），用拉杆和定距管将其余管子组装在一起。在换热器的壳体上和两侧的端盖上（对偶数管成而言，则在一侧）装有流体的进出口，有时还在其上装设检查孔，为安置测量仪表用的接口管、排液孔和排气孔等。

管壳式换热器的特点是结构坚固、可靠性高、适应性广、易于制造、处理能力大、生产成本较低、选用的材料范围广、换热表面的清洗比较方便、高温和高压下亦能应用。但从传热效率、结构的紧凑性以及单位换热面积所需金属的消耗量等方面均不如一些新型高效紧凑式换热器。

缠绕式换热器：这类换热器是在芯筒与外筒之间的空间内将传热器按螺旋线形状交替缠绕而成，相邻两层螺旋状传热管的螺旋方向相反，并采用一定形状的定距件使之保持一定的距离。缠绕管可以采用单根绕制，也可采用两根或多根焊后一起绕制。管内可以通过一种介质，称单通道型缠绕管式换热器，也可分别通过几种不同的介质，而每种介质所通过的传热管均汇集在各自的管板上，构成多通道型缠绕换热器，缠绕管式换热器适用于同时处理多种介质、在小温差下需要传递较大热量且管内介质操作压力较高的场合，如制氧等低温过程使用的换热器等。

板面式换热器：这类换热器是通过板面进行换热的换热器。板面式换热器按传热板面的结构形式可分为以下五种，螺旋板式换热器、板式换热器、板翅式换热器、板壳式换热器和伞板式换热器。

板面式换热器的传热性能要比管式换热器优越。由于其结构上的特点，使流体能在较高的速度下就达到湍流状态，从而强化了传热。板面式换热器采用板材制作，在大规模组织生产时，可降低设备成本，但其耐压性能比管式换热器差。

其他形式换热器：这类换热器是指一些具有特殊结构的换热器，一般为满足工艺要求特殊需要而设计的，如回转式换热器、热管式换热器、聚四氟乙烯换热器和石墨换热器等。

其中管壳式换热器是最基本的形式，适用范围最为广泛。

1.4管壳式换热器的特点

管壳式换热器具有可靠性高、适应性广等优点，在各工业领域中得到最广泛地应用。近年来，尽管受到了其他新型换热器的挑战，但反过来也促进了其自身的发展。在换热器向高参数、大型化发展的今天，管壳式换热器仍占主导地位。

基本类型：根据管壳式换热器的结构特点，可分为固定管板式、浮头式、U形管式、填料函式和釜式重沸器五类[3]。

（1）固定管板式换热器

典型结构：管束连接在管板上，管板与壳体焊接。其优点是结构简单、紧凑、能承受较高的压力，造价低，管程清洗方便，管子损坏时易于堵管或更换；缺点是当管束与壳体的壁温或材料的线膨胀系数相差较大时，壳体和管束中能将产生较大的热应力。这种换热器适用于壳侧介质清洁且不易结垢并能进行清洗，管、壳程两侧温差不大或温差较大但壳侧压力不高的场合。

为减少热应力，通常在固定管板式换热器中设置柔性元件（如膨胀节、挠性板等），来减缓受热膨胀温差。

（2）浮头式换热器

浮头式换热器的典型结构：两端管板中只有一端与壳体固定，另一端可相对壳体自由移动，成为浮头。浮头由浮头管板、钩圈和浮头端盖组成，是可拆连接，管束可以从壳体内抽出。管束与壳体的热变形互不约束，因而不会产生热应力。

浮头式换热器的特点是管间和管内清洗方便，不会产生热应力；但其结构复杂，造价比固定管板式换热器高，设备笨重，材料消耗量大，且浮头端小盖在操作中无法检测，制造是对密封要求高。适用于壳体和管束之间壁温较大或壳程介质易结垢的场合。

（3）U形管换热器

U形管式换热器的典型结构，这种换热器的结构特点是，只有一块管板，管束由多根U形管组成，管的两端固定在同一块管板上，管子可以自由伸缩。当壳体与U形换热管有温差时，不会产生热应力。

由于受弯管曲率半径的限制，其换热管排数比较少，管束最内层管间距较大，管板的利用率较低，壳程流体易形成短路，对传热不利。当管子泄漏损坏时，只有管束外围处的U形管子才便于更换，内层只能堵死，而坏一根U形管相当于坏两根管，报废率高。

U形管式换热器结构比较简单、价格便宜，承压能力强，适用于管、壳壁温差较大或壳程介质易结垢需要清洗，又不适宜用浮头式和固定管板式的场合。特别适用于管内走清洁而不易结垢的高温、高压、腐蚀性大的物料。

（4）填料函式换热器

填料函式换热器的结构特点与浮头换热器相似，浮头部分露在壳体外边，在浮头与壳体的滑动接触面处采用填料函式密封结构。由于采用填料函式密封结构，使得管束在壳体轴向可以自由移动，不会产生壳壁与管壁热变形差而引起的热应力。其结构较浮头式换热器简单，加工制造方便，节省材料，造价比较低廉，且管束从壳体内可以抽出，管内、管间都能进行清洗，维修方便。

因填料函处易产生泄漏，填料函式换热器一般适用于4Mpa以下的工作条件，且不适用于易挥发、易燃、易爆、有毒及贵重介质，使用温度也受填料的物性限制。填料函式换热器已很少采用。

（5）釜式重沸器

这种换热器的管束可以为浮头式、U形管式和固定管板式结构，所以它具有浮头式、U形管式换热器的特性。在结构上与其他换热器不同之处在于壳体上部设置一个蒸发空间，蒸发空间的大小由产气量和所要求的蒸气品质所决定。产气量大、蒸气品质要求高者蒸发空间大，否则可以小些。

此种换热器与浮头式、U形管式换热器一样，清洗维修方便，可处理不清洁、易结垢的介质，并能承受高温、高压。