换热器的类型和结构

1、换热器的定义

换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，即在一个大的密闭容器内装上水或其他介质，而在容器内有管道穿过。让热水从管道内流过。

由于管道内热水和容器内冷热水的温度差，会形成热交换，也就是初中物理的热平衡，高温物体的热量总是向低温物体传递，这样就把管道里水的热量交换给了容器内的冷水，换热器又称热交换器。

2、换热器的分类与结构

换热器按用途分类可以分为：

冷却器、冷凝器、加热器、换热器、再沸器、蒸气发生器、废热(或余热)锅炉。

按换热方式可以分为：

直接接触式换热器（又叫混合式换热器）、蓄热式换热器和间壁式换热器。

下面主要介绍一下按换热方式分类的换热器：

1) 直接接触式换热器

直接接触式交换器是依靠冷、热流体直接接触而进行传热的，这种传热方式避免了传热间壁及其两侧的污垢热阻，只要流体间的接触情况良好，就有较大的传热速率。

故凡允许流体相互混合的场合，都可以采用混合式热交换器，例如气体的洗涤与冷却、循环水的冷却、汽-水之间的混合加热、蒸汽的冷凝等等。它的应用遍及化工和冶金企业、动力工程、空气调节工程以及其它许多生 产部门。

常用的混合式换热器有：冷却塔、气体洗涤塔、喷射式换热器和混合式冷凝器。

2) 蓄热式换热器

蓄热式换热器用于进行蓄热式换热的设备。内装固体填充物，用以贮蓄热量。

一般用耐火砖等砌成火格子（有时用金属波形带等）。

换热分两个阶段进行。

第一阶段，热气体通过火格子，将热量传给火格子而贮蓄起来。

第二阶段，冷气体通过火格子，接受火格子所储蓄的热量而被加热。

这两个阶段交替进行。通常用两个蓄热器交替使用，即当热气体进入一器时，冷气体进入另一器。常用于冶金工业，如炼钢平炉的蓄热室。

也用于化学工业，如煤气炉中的空气预热器或燃烧室，人造石油厂中的蓄热式裂化炉。 

3) 间壁式换热器

此类换热器中，冷热俩流体间用一金属隔开，以便俩种流体不相混合而进行热量传递。

在化工生产中冷热流体经常不能直接接触，故而间壁式换热器是最常用的一种换热器。

下面主要介绍一下间壁式换热器的分类： 

a) 夹套式换热器

由容器外壁安装夹套制成。（如图所示）

这种换热器是在容器外壁安装夹套制成,结构简单;但其加热面受容器壁面限制,传热系数也不高.

为提高传热系数且使釜内液体受热均匀,可在釜内安装搅拌器.

当夹套中通入冷却水或无相变的加热剂时,亦可在夹套中设置螺旋隔板或其它增加湍动的措施,以提高夹套一侧的给热系数.

为补充传热面的不足,也可在釜内部安装蛇管. 

夹套式换热器广泛用于反应过程的加热和冷却。 

b) 蛇管式换热器

蛇管式换热器又分为沉浸式蛇管换热器和喷淋式蛇管换热器。

沉浸式蛇管换热器如图所示

蛇管多以金属管弯绕成各种与容器相适应的形状，并沉浸在容器内的液体中。

其优点是：结构简单，能承受高压，可用耐腐蚀材料制造。 

缺点：容器内液体湍动程度低，管外给热系数小。 

喷淋式蛇管换热器如图所示

将换热管成排地固定在钢架上。 

热流体在管内流动，冷却水在装置上方均匀淋下。 

优点：热流体在管内流动，冷却水在装置上方均匀淋下。传热系数大，故喷淋式换热器传热效果优于沉浸式蛇管换热器。

但是期要在露天放置，占地位置大而水容易溅到周围环境，使用起来不方便。 

c) 套管式换热器

（如图所示）由套管式换热器是由直径不同的直管制成的同心套管，并用U形弯头连接而成。

因为管内管外流体流速较大。冷、热流体可以作纯逆流，故而其传热系数大，传热效果好。常用的水伴热就是一种简易的套管式换热器。 

d) 管壳式换热器

管壳式(又称列管式) 换热器是最典型的间壁式换热器,它在工业上的应用有着悠久的历史,而且至今仍在所有换热器中占据主导地位。

管壳式换热器主要有壳体、管束、管板和封头等部分组成,壳体多呈圆形,内部装有平行管束,管束两端固定于管板上。

在管壳换热器内进行换热的两种流体,一种在管内流动,其行程称为管程；一种在管外流动,其行程称为壳程。管束的壁面即为传热面。

为提高管外流体给热系数,通常在壳体内安装一定数量的横向折流档板。

折流档板不仅可防止流体短路,增加流体速度,还迫使流体按规定路径多次错流通过管束,使湍动程度大为增加。常用的档板有圆缺形和圆盘形两种（如下图所示）,前者应用更为广泛。

流体在管内每通过管束一次称为一个管程,每通过壳体一次称为一个壳程。

为提高管内流体的速度,可在两端封头内设置适当隔板,将全部管子平均分隔成若干组。

这样,流体可每次只通过部分管子而往返管束多次,称为多管程。

同样,为提高管外流速,可在壳体内安装纵向档板使流体多次通过壳体空间,称多壳程。

在管壳式换热器内,由于管内外流体温度不同,壳体和管束的温度也不同。如两者温差很大, 换热器内部将出现很大的热应力,可能使管子弯曲,断裂或从管板上松脱。

因此,当管束和壳体温度差超过50℃时,应采取适当 的温差补偿措施,消除或减小热应力。

补偿方法：

在壳体上附有膨胀圈或者采用U形管换热器和浮头式换热器。 

固定管板式换热器

当冷热流体温差不大时，可采用固定管板式换热器。 

它结构简单成本低，但清洗困难，不适用于易结垢的流体和温差较大的流体。 

如果温差不是很大，可采用带有补偿圈的固定管板式换热器。

下图为带有补偿圈的固定管板式换热器。

浮头式换热器

如上图所示为浮头式换热器，它两端的管板一端可沿轴向自由浮动，从而消除热应力。

而且整个管束可从壳体中抽出，便于清洗和检修。

但是结构复杂，造价较高。工业上一般都使用这种换热器。

U形管换热器

如上图为U形管换热器，U形管换热器的每根换热管都弯成U形，进出口分别安装在同一管板的两侧，封头以隔板分成两室。每根管可自由伸缩，与外壳无关。

从而消除热应力，其结构比浮头式换热器简单。

但管程不易清洗，使用有很大的局限性只适用于洁净流体。 

e) 板式换热器

板式换热器是由一组长方形的薄金属传热板片构成，用框架将板片夹紧组装于支架上。

两个相邻板片的边缘衬以垫片(各种橡胶或压缩石棉等制成)压紧，板片四角有圆孔，形成流体的通道。

板式换热器和管壳式换热器的区别：

a.传热系数高

由于不同的波纹板相互倒置，构成复杂的流道，使流体在波纹板间流道内呈旋转三维流动，能在较低的雷诺数（一般Re=50~200）下产生紊流，所以传热系数高，一般认为是管壳式的3~5倍。

b.对数平均温差大，末端温差小 

在管壳式换热器中，两种流体分别在管程和壳程内流动，总体上是错流流动，对数平均温差修正系数小，而板式换热器多是并流或逆流流动方式，其修正系数也通常在0.95左右，此外，冷、热流体在板式换热器内的流动平行于换热面、无旁流，因此使得板式换热器的末端温差小，对水换热可低于1℃，而管壳式换热器一般为5℃.

c.占地面积小 

板式换热器结构紧凑，单位体积内的换热面积为管壳式的2~5倍，也不像管壳式那样要预留抽出管束的检修场所，因此实现同样的换热量，板式换热器占地面积约为管壳式换热器的1/5~1/8。

d.容易改变换热面积或流程组合，

只要增加或减少几张板，即可达到增加或减少换热面积的目的；改变板片排列或更换几张板片，即可达到所要求的流程组合，适应新的换热工况，而管壳式换热器的传热面积几乎不可能增加

e.重量轻 

板式换热器的板片厚度仅为0.4~0.8mm，而管壳式换热器的换热管的厚度为2.0~2.5mm，管壳式的壳体比板式换热器的框架重得多，板式换热器一般只有管壳式重量的1/5左右。 

f.价格低 

采用相同材料，在相同换热面积下，板式换热器价格比管壳式约低40%~60%。 

g. 制作方便 

板式换热器的传热板是采用冲压加工，标准化程度高，并可大批生产，管壳式换热器一般采用手工制作。

h. 容易清洗 

框架式板式换热器只要松动压紧螺栓，即可松开板束，卸下板片进行机械清洗，这对需要经常清洗设备的换热过程十分方便。

i. 热损失小 

板式换热器只有传热板的外壳板暴露在大气中，因此散热损失可以忽略不计，也不需要保温措施。而管壳式换热器热损失大，需要隔热层。

j. 容量较小 

是管壳式换热器的10%~20%。i. 单位长度的压力损失大 由于传热面之间的间隙较小，传热面上有凹凸，因此比传统的光滑管的压力损失大。

k. 不易结垢

由于内部充分湍动，所以不易结垢，其结垢系数仅为管壳式换热器的1/3~1/10.k.工作压力不宜过大，介质温度不宜过高，有可能泄露板式换热器采用密封垫密封，工作压力一般不宜超过2.5MPa，介质温度应在低于250℃以下，否则有可能泄露。

l.易堵塞

由于板片间通道很窄，一般只有2~5mm，当换热介质含有较大颗粒或纤维物质时，容易堵塞板间通道。

3、换热器型号的识别