混合式换热器

混合式换热器

保险资料-朱德的故事

2023年2月19日发(作者：鱼精蛋白)

设备｜换热器的类型、⽤途及特点

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

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。