換熱器的類型、用途及特點
1.1換熱器的用途
把熱量從熱流體傳遞到了冷流體的設備稱為換熱設備。它是化工、煉油、動力、食品、輕工、原子能、制藥及其他許多部門廣泛使用的一種通用設備。在化工廠中，換熱設備的投資約占總投資的10%～20%；在煉油廠中，約占總投資的35%～40%。
在工業生產中，換熱設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，使流體溫度達到工藝流程規定的指標，以滿足工藝流程上的需要，此外，換熱設備也是回收余熱、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℃）、需要冷卻的化學反應工藝氣（300～1000℃）等的余熱，通過余熱鍋爐可生產壓力蒸汽，作為供熱、供汽、供電和動力的輔助能源，從而提高熱能的總利用率，降低燃料消耗和電耗，提高工業生產經濟效益。
在工業設備中，由于用途、工作條件和物料特性的不同，出現了各種不同形式和結構的換熱設備[1]。
1.2 換熱器的類型及特點
換熱器按作用原理可分為以下幾類[2]
（1）直接接觸式換熱器
這類換熱器又稱為混合式換熱器，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，已達到充分換熱，在設備中常放置填料和柵板，通常采用塔狀結構。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、設備結構簡單、價格便宜等優點，但僅適用于工藝上允許兩種流體混合的場合。
（2）蓄熱式換熱器
這類換熱器又稱為回熱式換熱器，它是借助于由固體（如固體填料或多孔性格子磚等）構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。在換熱器內首先由熱流體通過，把熱量積蓄在蓄熱體中，然后由冷流體通過，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。蓄熱式換熱器結構簡單、價格便宜、單位體積換熱面大，故較適合用于氣-氣熱交換的場合。如回轉式空氣預熱器就是一種蓄熱式換熱器。
（3）間壁式換熱器
這類換熱器又稱為表面式換熱器。它是利用間壁將進行熱交換的冷熱兩種流體隔開，互不接觸，熱量由熱流體通過間壁傳遞給冷流體的換熱器。間壁式換熱器是工業生產中應用最廣泛的換熱器，其形式多種多樣，如常見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
這類換熱器是把兩個間壁式換熱器由在其中循環的載熱體連接起來的換熱器。載熱體在高溫流體換熱器和低溫流體換熱器之間循環，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及特點
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構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、結構緊湊性（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，但它具有結構堅固、可靠、適應性強、易于制造、能承受較高的操作壓力和溫度等優點。在高溫、高壓和大型換熱器中，管式換熱器仍占絕對優勢，是目前使用最廣泛的一類換熱器。
蛇管式換熱器按使用狀態的不同分為沉浸式蛇管換熱器和噴淋式蛇管兩種。沉浸式蛇管的特點是：結構簡單，造價低廉，操作敏感性較小，管子可承受較大的流體介質壓力。但是，由于管外流體的流速很小，因而傳熱系數小，傳熱效率低，需要的傳熱面積大，設備顯得笨重。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流動，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點是管外流體的傳熱系數大，且便于檢修和清洗。其缺點是體積龐大，冷卻水用量較大，有時噴淋效果不夠理想。
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型彎管將它們連結成排，并根據實際需要，排列組合形成傳熱單元，換熱時，一種流體走內管，另一種流體走內外管之間的環隙，內管的壁面為傳熱面，一般按逆流方式進行換熱。兩種流體都可以在較高的溫度、壓力、流速下進行換熱。
套管式換熱器的優點是：結構簡單，工作適應范圍大，換熱面積增減方便，兩側流體均可提高流速，使傳熱面的兩側都可有較高的傳熱系數；缺點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合。
管殼式換熱器：這類換熱器是目前應用最廣泛的換熱設備。它的基本結構是，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，管子的軸線與殼體的軸線平行。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的端蓋上（對偶數管成而言，則在一側）裝有流體的進出口，有時還在其上裝設檢查孔，為安置測量儀表用的接口管、排液孔和排氣孔等。
管殼式換熱器的特點是結構堅固、可靠性高、適應性廣、易于制造、處理能力大、生產成本較低、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用。但從傳熱效率、結構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：這類換熱器是在芯筒與外筒之間的空間內將傳熱器按螺旋線形狀交替纏繞而成，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。管內可以通過一種介質，稱單通道型纏繞管式換熱器，也可分別通過幾種不同的介質，而每種介質所通過的傳熱管均匯集在各自的管板上，構成多通道型纏繞換熱器，纏繞管式換熱器適用于同時處理多種介質、在小溫差下需要傳遞較大熱量且管內介質操作壓力較高的場合，如制氧等低溫過程使用的換熱器等。
板面式換熱器：這類換熱器是通過板面進行換熱的換熱器。板面式換熱器按傳熱板面的結構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越。由于其結構上的特點，使流體能在較高的速度下就達到湍流狀態，從而強化了傳熱。板面式換熱器采用板材制作，在大規模組織生產時，可降低設備成本，但其耐壓性能比管式換熱器差。
其他形式換熱器：這類換熱器是指一些具有特殊結構的換熱器，一般為滿足工藝要求特殊需要而設計的，如回轉式換熱器、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
管殼式換熱器具有可靠性高、適應性廣等優點，在各工業領域中得到最廣泛地應用。近年來，盡管受到了其他新型換熱器的挑戰，但反過來也促進了其自身的發展。在換熱器向高參數、大型化發展的今天，管殼式換熱器仍占主導地位。
基本類型：根據管殼式換熱器的結構特點，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[3]。
（1）固定管板式換熱器
典型結構：管束連接在管板上，管板與殼體焊接。其優點是結構簡單、緊湊、能承受較高的壓力，造價低，管程清洗方便，管子損壞時易于堵管或更換；缺點是當管束與殼體的壁溫或材料的線膨脹系數相差較大時，殼體和管束中能將產生較大的熱應力。這種換熱器適用于殼側介質清潔且不易結垢并能進行清洗，管、殼程兩側溫差不大或溫差較大但殼側壓力不高的場合。
為減少熱應力，通常在固定管板式換熱器中設置柔性元件（如膨脹節、撓性板等），來減緩受熱膨脹溫差。
（2）浮頭式換熱器
浮頭式換熱器的典型結構：兩端管板中只有一端與殼體固定，另一端可相對殼體自由移動，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，管束可以從殼體內抽出。管束與殼體的熱變形互不約束，因而不會產生熱應力。
浮頭式換熱器的特點是管間和管內清洗方便，不會產生熱應力；但其結構復雜，造價比固定管板式換熱器高，設備笨重，材料消耗量大，且浮頭端小蓋在操作中無法檢測，制造是對密封要求高。適用于殼體和管束之間壁溫較大或殼程介質易結垢的場合。
（3）U形管換熱器
U形管式換熱器的典型結構，這種換熱器的結構特點是，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。當殼體與U形換熱管有溫差時，不會產生熱應力。
由于受彎管曲率半徑的限制，其換熱管排數比較少，管束最內層管間距較大，管板的利用率較低，殼程流體易形成短路，對傳熱不利。當管子泄漏損壞時，只有管束外圍處的U形管子才便于更換，內層只能堵死，而壞一根U形管相當于壞兩根管，報廢率高。
U形管式換熱器結構比較簡單、價格便宜，承壓能力強，適用于管、殼壁溫差較大或殼程介質易結垢需要清洗，又不適宜用浮頭式和固定管板式的場合。特別適用于管內走清潔而不易結垢的高溫、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構特點與浮頭換熱器相似，浮頭部分露在殼體外邊，在浮頭與殼體的滑動接觸面處采用填料函式密封結構。由于采用填料函式密封結構，使得管束在殼體軸向可以自由移動，不會產生殼壁與管壁熱變形差而引起的熱應力。其結構較浮頭式換熱器簡單，加工制造方便，節省材料，造價比較低廉，且管束從殼體內可以抽出，管內、管間都能進行清洗，維修方便。
因填料函處易產生泄漏，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、易燃、易爆、有毒及貴重介質，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構，所以它具有浮頭式、U形管式換熱器的特性。在結構上與其他換熱器不同之處在于殼體上部設置一個蒸發空間，蒸發空間的大小由產氣量和所要求的蒸氣品質所決定。產氣量大、蒸氣品質要求高者蒸發空間大，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、易結垢的介質，并能承受高溫、高壓。
