換熱器的類(lèi)型、用途及特點(diǎn)
1.1換熱器的用途
把熱量從熱流體傳遞到了冷流體的設(shè)備稱(chēng)為換熱設(shè)備。它是化工、煉油、動(dòng)力、食品、輕工、原子能、制藥及其他許多部門(mén)廣泛使用的一種通用設(shè)備。在化工廠(chǎng)中，換熱設(shè)備的投資約占總投資的10%～20%；在煉油廠(chǎng)中，約占總投資的35%～40%。
在工業(yè)生產(chǎn)中，換熱設(shè)備的主要作用是使熱量由溫度較高的流體傳遞給溫度較低的流體，使流體溫度達(dá)到工藝流程規(guī)定的指標(biāo)，以滿(mǎn)足工藝流程上的需要，此外，換熱設(shè)備也是回收余熱、廢熱特別是地位熱能的有效裝置,例如，煙道氣（約200～300℃）、高爐爐氣（約1500℃）、需要冷卻的化學(xué)反應(yīng)工藝氣（300～1000℃）等的余熱，通過(guò)余熱鍋爐可生產(chǎn)壓力蒸汽，作為供熱、供汽、供電和動(dòng)力的輔助能源，從而提高熱能的總利用率，降低燃料消耗和電耗，提高工業(yè)生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益。
在工業(yè)設(shè)備中，由于用途、工作條件和物料特性的不同，出現(xiàn)了各種不同形式和結(jié)構(gòu)的換熱設(shè)備[1]。
1.2 換熱器的類(lèi)型及特點(diǎn)
換熱器按作用原理可分為以下幾類(lèi)[2]
（1）直接接觸式換熱器
這類(lèi)換熱器又稱(chēng)為混合式換熱器，它是利用了冷、熱流體直接接觸，彼此混合進(jìn)行換熱的換熱器。如冷卻塔、氣壓冷凝器等。為增加流體的接觸面積，已達(dá)到充分換熱，在設(shè)備中常放置填料和柵板，通常采用塔狀結(jié)構(gòu)。直接接觸式換熱器具有傳熱效率高、單位容積提供的傳熱面積大、設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，但僅適用于工藝上允許兩種流體混合的場(chǎng)合。
（2）蓄熱式換熱器
這類(lèi)換熱器又稱(chēng)為回?zé)崾綋Q熱器，它是借助于由固體（如固體填料或多孔性格子磚等）構(gòu)成的蓄熱體與流體和冷流體交替接觸，把熱量從熱流體傳遞給冷流體的換熱器。在換熱器內(nèi)首先由熱流體通過(guò)，把熱量積蓄在蓄熱體中，然后由冷流體通過(guò)，由蓄熱器把熱量釋放給冷流體。由于兩種流體交替與蓄熱體接觸，因此不可避免地會(huì)使兩種流體少量混合。若兩種流體不允許有混合，則不能采用蓄熱式換熱器。蓄熱式換熱器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜、單位體積換熱面大，故較適合用于氣-氣熱交換的場(chǎng)合。如回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器就是一種蓄熱式換熱器。
（3）間壁式換熱器
這類(lèi)換熱器又稱(chēng)為表面式換熱器。它是利用間壁將進(jìn)行熱交換的冷熱兩種流體隔開(kāi)，互不接觸，熱量由熱流體通過(guò)間壁傳遞給冷流體的換熱器。間壁式換熱器是工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用最廣泛的換熱器，其形式多種多樣，如常見(jiàn)的管殼式換熱器和板式換熱器都屬于間壁式換熱器。
（4）中間載熱體式換熱器
這類(lèi)換熱器是把兩個(gè)間壁式換熱器由在其中循環(huán)的載熱體連接起來(lái)的換熱器。載熱體在高溫流體換熱器和低溫流體換熱器之間循環(huán)，在高溫流體換熱器中吸收熱量，在低溫流體換熱器中把熱量釋放給低溫物體，如熱管式換熱器。
其中,用得最多的為間壁式換熱器。
1.3間壁式換熱器的分類(lèi)及特點(diǎn)
間壁式換熱器又可分為管殼式換熱器，板面式換熱器。管式換熱器按傳熱管的結(jié)構(gòu)形式不同大致可分為蛇管換熱器、套管換熱器、纏繞管換熱器和管殼式換熱器。
管式換熱器雖然在換熱效率、結(jié)構(gòu)緊湊性（換熱器在單位體積中的傳熱面積m2/m3）和單位傳熱面積的金屬消耗量（kg/m2）等方面都如其他新型換熱器，但它具有結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、可靠、適應(yīng)性強(qiáng)、易于制造、能承受較高的操作壓力和溫度等優(yōu)點(diǎn)。在高溫、高壓和大型換熱器中，管式換熱器仍占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，是目前使用最廣泛的一類(lèi)換熱器。
蛇管式換熱器按使用狀態(tài)的不同分為沉浸式蛇管換熱器和噴淋式蛇管兩種。沉浸式蛇管的特點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉，操作敏感性較小，管子可承受較大的流體介質(zhì)壓力。但是，由于管外流體的流速很小，因而傳熱系數(shù)小，傳熱效率低，需要的傳熱面積大，設(shè)備顯得笨重。沉浸式蛇管換熱器常用于高壓流體的冷卻，以及反應(yīng)器的傳熱元件。
噴淋式蛇管換熱器：將蛇管成排地固定在鋼架上，被冷卻的流體在管內(nèi)流動(dòng)，冷卻水有管排上方的噴淋裝置均勻淋下。與沉浸式相比較，噴淋式蛇管換熱器的主要優(yōu)點(diǎn)是管外流體的傳熱系數(shù)大，且便于檢修和清洗。其缺點(diǎn)是體積龐大，冷卻水用量較大，有時(shí)噴淋效果不夠理想。
套管式換熱器：它是由兩種不同大小直徑的管子組裝成同心管，兩端用U型彎管將它們連結(jié)成排，并根據(jù)實(shí)際需要，排列組合形成傳熱單元，換熱時(shí)，一種流體走內(nèi)管，另一種流體走內(nèi)外管之間的環(huán)隙，內(nèi)管的壁面為傳熱面，一般按逆流方式進(jìn)行換熱。兩種流體都可以在較高的溫度、壓力、流速下進(jìn)行換熱。
套管式換熱器的優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作適應(yīng)范圍大，換熱面積增減方便，兩側(cè)流體均可提高流速，使傳熱面的兩側(cè)都可有較高的傳熱系數(shù)；缺點(diǎn)是單位傳熱面的金屬消耗量大，檢修、清洗和拆卸都比較麻煩，在可拆連接處容易造成泄漏。
套管式換熱器一般適用于高溫、高壓、小流量流體和所需要的傳熱面積不大的場(chǎng)合。
管殼式換熱器：這類(lèi)換熱器是目前應(yīng)用最廣泛的換熱設(shè)備。它的基本結(jié)構(gòu)是，在圓筒形殼體中放置了有許多管子組成的管束，管子的兩端（或一端）固定在管板上，管子的軸線(xiàn)與殼體的軸線(xiàn)平行。為了增加流體在管外空間的流速并支撐管子，改善傳熱性能，在筒體內(nèi)間隔安裝了許多塊折流板（或其他新型折流元件），用拉桿和定距管將其余管子組裝在一起。在換熱器的殼體上和兩側(cè)的端蓋上（對(duì)偶數(shù)管成而言，則在一側(cè)）裝有流體的進(jìn)出口，有時(shí)還在其上裝設(shè)檢查孔，為安置測(cè)量?jī)x表用的接口管、排液孔和排氣孔等。
管殼式換熱器的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、可靠性高、適應(yīng)性廣、易于制造、處理能力大、生產(chǎn)成本較低、選用的材料范圍廣、換熱表面的清洗比較方便、高溫和高壓下亦能應(yīng)用。但從傳熱效率、結(jié)構(gòu)的緊湊性以及單位換熱面積所需金屬的消耗量等方面均不如一些新型高效緊湊式換熱器。
纏繞式換熱器：這類(lèi)換熱器是在芯筒與外筒之間的空間內(nèi)將傳熱器按螺旋線(xiàn)形狀交替纏繞而成，相鄰兩層螺旋狀傳熱管的螺旋方向相反，并采用一定形狀的定距件使之保持一定的距離。纏繞管可以采用單根繞制，也可采用兩根或多根焊后一起繞制。管內(nèi)可以通過(guò)一種介質(zhì)，稱(chēng)單通道型纏繞管式換熱器，也可分別通過(guò)幾種不同的介質(zhì)，而每種介質(zhì)所通過(guò)的傳熱管均匯集在各自的管板上，構(gòu)成多通道型纏繞換熱器，纏繞管式換熱器適用于同時(shí)處理多種介質(zhì)、在小溫差下需要傳遞較大熱量且管內(nèi)介質(zhì)操作壓力較高的場(chǎng)合，如制氧等低溫過(guò)程使用的換熱器等。
板面式換熱器：這類(lèi)換熱器是通過(guò)板面進(jìn)行換熱的換熱器。板面式換熱器按傳熱板面的結(jié)構(gòu)形式可分為以下五種，螺旋板式換熱器、板式換熱器、板翅式換熱器、板殼式換熱器和傘板式換熱器。
板面式換熱器的傳熱性能要比管式換熱器優(yōu)越。由于其結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)，使流體能在較高的速度下就達(dá)到湍流狀態(tài)，從而強(qiáng)化了傳熱。板面式換熱器采用板材制作，在大規(guī)模組織生產(chǎn)時(shí)，可降低設(shè)備成本，但其耐壓性能比管式換熱器差。
其他形式換熱器：這類(lèi)換熱器是指一些具有特殊結(jié)構(gòu)的換熱器，一般為滿(mǎn)足工藝要求特殊需要而設(shè)計(jì)的，如回轉(zhuǎn)式換熱器、熱管式換熱器、聚四氟乙烯換熱器和石墨換熱器等。
其中管殼式換熱器是最基本的形式，適用范圍最為廣泛。
1.4管殼式換熱器的特點(diǎn)
管殼式換熱器具有可靠性高、適應(yīng)性廣等優(yōu)點(diǎn)，在各工業(yè)領(lǐng)域中得到最廣泛地應(yīng)用。近年來(lái)，盡管受到了其他新型換熱器的挑戰(zhàn)，但反過(guò)來(lái)也促進(jìn)了其自身的發(fā)展。在換熱器向高參數(shù)、大型化發(fā)展的今天，管殼式換熱器仍占主導(dǎo)地位。
基本類(lèi)型：根據(jù)管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可分為固定管板式、浮頭式、U形管式、填料函式和釜式重沸器五類(lèi)[3]。
（1）固定管板式換熱器
典型結(jié)構(gòu)：管束連接在管板上，管板與殼體焊接。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、能承受較高的壓力，造價(jià)低，管程清洗方便，管子損壞時(shí)易于堵管或更換；缺點(diǎn)是當(dāng)管束與殼體的壁溫或材料的線(xiàn)膨脹系數(shù)相差較大時(shí)，殼體和管束中能將產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力。這種換熱器適用于殼側(cè)介質(zhì)清潔且不易結(jié)垢并能進(jìn)行清洗，管、殼程兩側(cè)溫差不大或溫差較大但殼側(cè)壓力不高的場(chǎng)合。
為減少熱應(yīng)力，通常在固定管板式換熱器中設(shè)置柔性元件（如膨脹節(jié)、撓性板等），來(lái)減緩受熱膨脹溫差。
（2）浮頭式換熱器
浮頭式換熱器的典型結(jié)構(gòu)：兩端管板中只有一端與殼體固定，另一端可相對(duì)殼體自由移動(dòng)，成為浮頭。浮頭由浮頭管板、鉤圈和浮頭端蓋組成，是可拆連接，管束可以從殼體內(nèi)抽出。管束與殼體的熱變形互不約束，因而不會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力。
浮頭式換熱器的特點(diǎn)是管間和管內(nèi)清洗方便，不會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力；但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)比固定管板式換熱器高，設(shè)備笨重，材料消耗量大，且浮頭端小蓋在操作中無(wú)法檢測(cè)，制造是對(duì)密封要求高。適用于殼體和管束之間壁溫較大或殼程介質(zhì)易結(jié)垢的場(chǎng)合。
（3）U形管換熱器
U形管式換熱器的典型結(jié)構(gòu)，這種換熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是，只有一塊管板，管束由多根U形管組成，管的兩端固定在同一塊管板上，管子可以自由伸縮。當(dāng)殼體與U形換熱管有溫差時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力。
由于受彎管曲率半徑的限制，其換熱管排數(shù)比較少，管束最內(nèi)層管間距較大，管板的利用率較低，殼程流體易形成短路，對(duì)傳熱不利。當(dāng)管子泄漏損壞時(shí)，只有管束外圍處的U形管子才便于更換，內(nèi)層只能堵死，而壞一根U形管相當(dāng)于壞兩根管，報(bào)廢率高。
U形管式換熱器結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜，承壓能力強(qiáng)，適用于管、殼壁溫差較大或殼程介質(zhì)易結(jié)垢需要清洗，又不適宜用浮頭式和固定管板式的場(chǎng)合。特別適用于管內(nèi)走清潔而不易結(jié)垢的高溫、高壓、腐蝕性大的物料。
（4）填料函式換熱器
填料函式換熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與浮頭換熱器相似，浮頭部分露在殼體外邊，在浮頭與殼體的滑動(dòng)接觸面處采用填料函式密封結(jié)構(gòu)。由于采用填料函式密封結(jié)構(gòu)，使得管束在殼體軸向可以自由移動(dòng)，不會(huì)產(chǎn)生殼壁與管壁熱變形差而引起的熱應(yīng)力。其結(jié)構(gòu)較浮頭式換熱器簡(jiǎn)單，加工制造方便，節(jié)省材料，造價(jià)比較低廉，且管束從殼體內(nèi)可以抽出，管內(nèi)、管間都能進(jìn)行清洗，維修方便。
因填料函處易產(chǎn)生泄漏，填料函式換熱器一般適用于4Mpa以下的工作條件，且不適用于易揮發(fā)、易燃、易爆、有毒及貴重介質(zhì)，使用溫度也受填料的物性限制。填料函式換熱器已很少采用。
（5）釜式重沸器
這種換熱器的管束可以為浮頭式、U形管式和固定管板式結(jié)構(gòu)，所以它具有浮頭式、U形管式換熱器的特性。在結(jié)構(gòu)上與其他換熱器不同之處在于殼體上部設(shè)置一個(gè)蒸發(fā)空間，蒸發(fā)空間的大小由產(chǎn)氣量和所要求的蒸氣品質(zhì)所決定。產(chǎn)氣量大、蒸氣品質(zhì)要求高者蒸發(fā)空間大，否則可以小些。
此種換熱器與浮頭式、U形管式換熱器一樣，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。
