【干货】换热器原理
换热器是一种在不同温度的两种或两种以上流体间实现物料之间热量传递的换热器节能设备，是使热量由温度较高的流体传递给温度较低的流体，使流体温度达到流程规定的指标，以满足工艺条件的需要，同时也是提高能源利用率的主要设备之一。换热器行业涉及暖通、压力容器、中水处理设备，化工，石油等近30多种产业，相互形成产业链条。
换热器按传热原理分类1、间壁式换热器间壁式换热器是温度不同的两种流体在被壁面分开的空间里流动，通过壁面的导热和流体在壁表面对流，两种流体之间进行换热。间壁式换热器有管壳式、套管式和其他型式的换热器。2、同蓄热式换热器 蓄热式换热器通过固体物质构成的蓄热体，把热量从高温流体传递给低温流体，热介质先通过加热固体物质达到一定温度后，冷介质再通过固体物质被加热，使之达到热量传递的目的。3、流体连接间接式换热器流体连接间接式换热器，是把两个表面式换热器由在其中循环的热载体连接起来的换热器，热载体在高温流体换热器和低温流体之间循环，在高温流体接受热量，在低温流体换热器把热量释放给低温流体。4、直接接触式换热器又被称为混合式换热器，这种换热器是两种流体直接接触，彼此混合进行换热的设备，例如，冷水塔、气体冷凝器等。5、复式换热器兼有汽水面式间接换热及水水直接混流换热两种换热方式的设备。同汽水面式间接换热相比，具有更高的换热效率；同汽水直接混合换热相比具有较高的稳定性及较低的机组噪音。
间壁式换热器是目前应用最为广泛的换热器，先就间壁式换热器的种类、结构、优缺点总结如下。间壁式换热器种类、结构及优缺点（一）管式换热器1.蛇管式换热器（1）沉浸式蛇管换热器：如图1结构：这种换热器多以金属管子绕成，或制成各种与容器相适应的情况，并沉浸在容器内的液体中。优点：结构简单，便于防腐，能承受高压。缺点：由于容器体积比管子的体积大得多,因此管外流体的表面传热系数较小；不便于管内清洗。（2）喷淋式换热器：如图2结构：喷淋式换热器这种换热器是将换热管成排地固定在钢架上，热流体在管内流动，冷却水从上方喷淋装置均匀淋下。优点：便于检修和清洗、传热效果也较好。缺点：喷淋不易均匀。
图1沉浸式蛇管换热器
图2喷淋式换热器2.套管式换热器：如图3结构：套管式换热器系用管件将两种尺寸不同的标准管连接成为同心圆的套管，然后用180°的回弯管将多段套管串联而成。每一段套管称为一程，程数可根据传热要求而增减。每程的有效长度为4～6m，若管子太长，管中间会向下弯曲，使环形中的流体分布不均匀。优点为：构造简单；能耐高压；传热面积可根据需要而增减；适当地选择管内、外径，可使流体的流速较大；且双方的流体作严格的逆流，都有利于传热。缺点为：管间接头较多，易发生泄漏；单位长度具有传热面积较小。
图3套管式换热器3.列管式换热器（1）固定管板时换热器：如图4结构：两端管板和壳体连接成一体，换热管为直管，固定在两端管板上。优点：单位体积所具有的传热面积较大以及传热效果较好；结构简单，造价低廉制造的材料范围较广，操作弹性也较大等，缺点：由于壳程不易检修和清洗，因此壳方流体应是较洁净且不易结垢的物料。当两流体的温度差较大时，需考虑热补偿。（2）U型管式换热器：如图5结构：只有一个管板，换热管为U型管，固定在管板上。当管子受热(或受冷)时，管束可以自由伸缩，而与外壳的膨胀无关，壳体无需热补偿。优点：结构也较简单，重量轻，适用于高温和高压的场合。缺点：管 内清洗比较困难，因此管内流体必须洁净；且因管子需一定的弯曲半径，故管板的利用率较固定管板式换热器差。（3）浮头式换热器：如图6结构：两端管板之一不与外壳固定连接，该端称为浮头。当管子受热(或受冷)时，管束连同浮头可以自由伸缩，而与外壳的膨胀无关。优点：管束可从壳体中抽出，便于清洗和检修。缺点：与固定管板式和U型管式换热器相比，构较复杂，造价较高。
图4 固定管板式换热器
图5 U型管式换热器
图6 浮头式换热器（二）翅片式换热器：见图71.翅片管换热器结构：翅片式换热器的构造特点是在管子表面上装有径向或轴向翅片，分为高翅片和低翅片。优点：这种换热器能够显著地提高气体传热的效果，减少了换热器的体积和金属材料缺点：制造工艺复杂，成本高。要求流经翅片一侧的流体要清洁，因为清洗困难。翅片板换热器：见图8结构：在两块平行的薄金属板(平 隔板)问，夹人波纹状的金属翅片，两边以侧条密封，组成一个单元体。将各单元体进行不同的叠积和适当地排列，再用钎焊给予固定，即可得到常用的逆、并流和错流的板翅式换热器的组装件，称为芯部或板束。如图4-51所示。将带有流体进、出口的集流箱焊到板束上，就成为板翅式换热器。目前常用的翅片形式有光直型翅片、铝齿形翅片和多孔型翅片。优点：总传热系数高，传热效果好；结构紧凑；轻巧牢固；适应性强、操作范围广。缺点：由于设备流道很小，故易堵塞，而且增大压强降；换热器一旦结垢，清洗和检修很困难，所以处理的物料应较洁净或预先进行净制；由于隔板和翅片都由薄铝片制成，故要求介质对铝不发生腐蚀。
图7翅片管式换热器
图8翅片板式换热器（三）夹套换热器：见图9结构：换热器的夹套装在容器的外部，夹套与器壁之间形成密闭的空间，为载热体或载冷体的通路。 优点：夹套式换热器主要应用于反应过程的加热或冷却。缺点：传热系数较低，传热面又受容器的限制，因此适用于传热量不太大的场合。为了提高其传热性能，可在容器内安装搅拌器，使器内液体作强制对流，为了弥补传热面的不足，还可在器内安装蛇管等
图9夹套换热器（四）板式换热器：见图10结构：板式换热器是由一系列具有一定波纹形状的金属片叠装而成的一种新型高效换热器。各种板片之间形成薄矩形通道，通过板片进行热量交换。板式换热器是液-液、液-汽进行热交换的理想设备。优点：它具有换热效率高、热损失小、结构紧凑轻巧、占地面积小、安装清洗方便、应用广泛、使用寿命长等特点。在相同压力损失情况下，其传热系数比列管式换热器高3-5倍，占地面积为管式换热器的三分之一，热回收率可高达90%以上。缺点：容量较小；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； 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。
图10板式换热器
（五）螺旋板式换热器：见图11结构：本设备由两张板卷制而成，形成了两个均匀的螺旋通道，两种传热介质可进行全逆流流动，大大增强了换热效果，即使两种小温差介质，也能达到理想的换热效果。优点：:螺旋板式换热器结构紧凑，单位体积提供的传热面很大，如直径￠1500mm高1200mm的螺旋板换热器的传热面可达130m2；流体在螺旋板内允许流速较高，并且流体沿螺旋方向流动，滞流层薄，故传热系数大，传热效率高；此外还因流速大，脏物不易滞留；阻力小。缺点：螺旋板式换热器要求焊接质量高，检修比较困难。重量大，刚性差，螺旋板式换热器运输和安装时应特别注意。
图11螺旋板式换热器间壁式换热器的应用（一）管式换热器
1.蛇管式换热器（1）沉浸式蛇管换热器：高压腐蚀性介质的冷却可以采用沉浸式蛇管换热器，稍作改变可以作为管式反应器或作反应延时器使用。（2）喷淋式换热器：多用作冷却器，一般用于烟气预热回收。这种设备常放置在室外空气流通处，冷却水在空气中汽化时可带走部分热量，以提高冷却效果。 2.套管式换热器：套管换热器结构简单，能承受高压，应用亦方便(可根据需要增减管段数目).特别是由于套管换热器同时具备传热系数大，传热推动力大及能够承受高压强的优点，在超高压生产过程(例如操作压力为3000大气压的高压聚乙烯生产过程)中所用的换热器几乎全部是套管式。综上在需要传热面积不太大且要求压强较高或传热效果较好时，宜采用套管式换热器3.列管式换热器在石油化工生产中，尤其是高温高压等大型换热器主要选择列管式换热器。其传热系数一般在800~1000W/㎡*℃。（1）固定管板时换热器：这种换热器适用于两种介质温差不大，或温差较大但壳程压力不高，及壳程介质清洁，不易结垢的场合。（2）U型管式换热器：适用于高温高压条件，管内宜走洁净流体。（3）浮头式换热器：适用于壳体与管束之间壁温差较大或壳程介质易结垢的场合。（二）翅片式换热器：
1.翅片管换热器：翅片管式换热器主要应用于气体的加热或冷却，常见的翅片管式换热器是炼油厂生产中的空冷器。2.翅片板换热器：由于铝合金的导热系数高，且在零度以下操作时，其延性和抗拉强度都可提高，故操作范围广，可在热力学零度至200C的范围内使用，适用于低温和超低温的场合。适应性也较强，既可用于各种情况下的热交换，也可用于蒸发或冷凝。操作方式可以是逆流、并流、错流或错逆流同时并进等。此外还可用于多种不同介质在同一设备内进行换热。（三）夹套换热器：
夹套式换热器广泛用于反应过程的加热和冷却。其传热系数一般取300~400W/㎡*℃。（四）板式换热器：
板式换热器与管壳式比传热效率更高，占地少，重量轻，更便宜，但是板式管热器受到温度和压力的限制，同时对于含有颗粒的介质也不适用于板式换热器，容易堵塞流道。其传热系数一般在3000~5000W/㎡*℃。（五）螺旋板式换热器：
中小型合成氨厂的变换热交换器和合成塔下部的热交换器已先后用螺旋板式换热器取代管壳式换热器。烧碱厂的电解液加热器和浓碱液的冷却器采用螺旋板式换热器较多。另外，塔顶冷凝、发烟硫酸冷却和脂肪酸冷却等也多采用螺旋板式换热器。由于封闭结构，适用于易燃、易爆、有毒和贵重流体的工况。但由于结构所限，不能适用于高压工况。其传热系数一般在1000~2000W/㎡*℃。