加热是甜菜糖厂工艺过程中不可缺少的单元操作之一。无论在甜菜渗出过程、糖汁澄清过程或煮炼工序中，都需要对糖汁、糖蜜或其他物料进行加热操作，以满足工艺的需要。这一操作是用加热装备即加热器来完成的，所谓加热器就是实现热量传递的一种热设备。

加热器有多种型式并随工业的发展而扩大。早期的加热设备由于制造工艺与科学水平的限制，多具有结构简单、加热面积小和体积较大等特征，如夹套式和蛇管式加热器等。后来，由于制造工艺的发展，研制出一种列管式或管壳式加热器。这种加热器的特点是单位体积设备所能提供的加热面积要大得多，传热效果也好，成为长期以来在工业生产中所使用的典型的加热设备。20世纪60年代左右，由于制造工艺得到进一步完善，一些新型的加热器，如螺旋板式、板壳式、板翅式、板式等加热器获得发展，应用也越加广泛。另外，在这个时期，又相继出现了其他一些新型加热器，如聚四氟乙烯加热器和热管等，使加热器的种类更加多样化。在制糖工业中，长期以来占主导地位的加热设备也是列管式加热器，近年来则逐步引入新型高效的加热设备，如国外有的大型现代化糖厂中，相当一部分列管式加热器已被板式加热器所取代。

工业生产中，由于用途、工作条件和载热体的特性等不同，对加热器提出了不同的要求，出现了不同型式和结构的加热器，为了便于对其进行分析研究，就有多种分类方式。如按作用原理或传热方式分类，有混合式、蓄热式和间壁式加热器。混合式是利用两种换热流体的直接接触与混合作用来进行热量交换，如直接将蒸汽喷入冷水中加热；蓄热式是让两种温度不同的冷热流体先后通过同一种圆体填料进行热量传递；间壁式则是利用一种固体壁面将进行热交换的两种流体隔开，使它们通过壁面进行传热，这种形式的换热器使用最为广泛，甜菜糖厂也都用这类加热器加热物料。

间壁式加热器有多种型式，按传热面的形态和结构可分类如下。

1.通过管壁传热的加热器（即管式）

（1）蛇管式加热器；

（2）套管式加热器；

（3）列管式加热器 这类加热器又可分为固定管板式、U形管式和浮头式等。

2.通过板面传热的加热器（即板面式）

（1）螺旋板加热器；

（2）板式加热器；

（3）伞板式加热器；

（4）板翅式加热器；

（5）板壳式加热器。

综上所述，在制糖工业和其他工业中使用的加热器种类和形式是很多的，但完善的加热设备应尽量满足下列几种要求：

（1）保证达到工艺所规定的加热条件；

（2）强度足够，结构可靠；

（3）便于制造、安装和维修；

（4）经济上要合理；

（5）传热效率高，流体阻力小。

下面主要介绍甜菜糖厂常用的加热器。

蛇管式加热器是一种较简单的加热设备。广泛用于化工、轻工、制药及其他工业中。糖厂的煮炼工序中，有时用于结晶罐进罐前的物料如糖蜜、洗蜜的加热。这种加热器按其结构形状又可分为沉浸式和喷淋式加热器两类，糖厂常用前者。

沉浸式蛇管加热器的结构如图8-1所示。蛇管式加热器的传热面是由弯曲成蛇形的管子组成。蛇管的材料有钢管、铜管或其他有色金属管、陶瓷管、石墨管等。蛇管浸没在盛有载热体的容器内。当蛇管内的热源是液体时，为使整个管中经常充满液体，液体应从蛇管的下端送入，至上端流出；当蛇管内的热源是蒸汽时，为了避免因管内积存冷凝水而产生水击与阻塞，蒸汽应从上部进入，冷凝液则从下端排出。中间加内套筒是为了减少管外流体截面积，提高流速和传热效率。

图8-1 沉浸式蛇管加热器

1—壳体 2—蛇管 3—支架 4—内套筒

蛇管加热器的优点是：

（1）结构简单，造价低廉；

（2）蛇管能承受高压；

（3）操作管理比较方便。

其缺点为：

（1）传热效率低；

（2）设备笨重，不适合制造传热面积较大的大型加热设备。

此外，糖厂有时也采用鼓泡式加热器。这种加热器是借助于带有小孔的管子来加热。蒸汽通入管子，经小孔直接排入并与物料混合。显然这种加热方法稀释了物料，所以只能应用于加热水或浓度过高的糖蜜等。

（一）多程列管式加热器的结构

多程列管式加热器又称管壳式加热器，常用的为固定管板式加热器，如图8-2所示，是糖厂使用最为广泛的一种加热装备。

图8-2 多程列管式加热器

1—上盖 2—双路阀 3—上管板 4—加热管 5—下盖 6—下管板 7—下糖汁分配室 8—壳体 9—拉杆 10—上糖汁分配室 11—分层隔板

这种加热器器体是一个钢制圆筒，两端用上盖和下盖密闭。加热面是由许多直管表面所组成，加热管的两端胀接或焊接在上、下管板上。糖汁在管内流动，蒸汽自蒸汽入口进入在管外加热。在两端上下公共室（或称分配室）中有特别排列的纵向隔板，把加热器分成多次管程，每通过加热管一次称为一程。在隔板分成的分室中，糖汁进入的第一分室和排出的最后分室为一个管程，其余均具有两个管程，糖汁在一个管程中上升，而在另一个管程中下降。如图8-3所示为上下公共室中所分隔的分室的一种形式以及糖汁的流动方向。由于总管程总是偶数，因此根据管程数，有6程、10程、12程等加热器，图8-3中为16程，糖汁从上端进入上公共室的第一分室，由于隔板的阻隔，糖汁在一束管子中自上而下流入下公共室的第一分室，再通过另一束管子自下而上流至上公共室第二分室，再经另一束管子下降，如此上下循环，最终由上公共室最后的分室流出器外。在进汁和排汁口安装双路阀或双开关阀控制启用或停用。如图8-4所示为双路阀，图中双阀盘关闭加热器的进出口，处于停用状态，糖汁自左端进入，沿弯道自右端排出。如启用加热器，则转动手柄，阀盘自加热器进出口移动至弯道进出口，将弯道关闭。则左端流入的糖汁进入加热器进口，从加热出口排出的糖汁自右端排走。显然双路阀只能截止或开通，不能调节。

图8-3 多程列管式加热器的公共室

图8-4 双路阀

在多程列管式加热器中，当管子数目及被加热的糖汁量与单程列管式加热器相同时，糖汁通过的速度比在单程加热器为快，并随程数的增加而增大。例如12程加热器糖汁在管子中的流速约为管数相同的单程加热器的12倍。提高糖汁流速可使糖汁的湍流程度增加，使传热系数增高，减慢积垢的生成速度。但流速太大时，流体阻力增加，增加泵的功率消耗。通常采用的糖汁流速为1.2～1.5m/s。

加热器的上盖和下盖分别用铰链与器体上的两个支架连接，以便向一边启开。两盖再用铰链连接在拉杆上。两个盖的重量差不大，只需要克服铰链的摩擦阻力，就能方便地开启。上下盖与器体是用大直径的铰链螺栓连接密闭的。为使器内各程密封，在分配室的各分程隔板与盖子的结合处开设燕尾槽，敷设耐热橡胶垫片。

加热蒸汽经蒸汽阀自器体中部进入，汽凝水从加热室的底部接管排出。而氨气及其他不凝气则从顶部与底部的排气管排至大气或其他真空管路中。在上盖上装有排气阀，在下盖安装有排汁阀。

在这种加热器中，管束与壳体是刚性连接的，若管外蒸汽的温度高于管内流体的温度，则壳体的壁温高于管束壁温，壳体的伸长大于管束的伸长，在壳体截面和管束截面上便产生了热应力。若此热应力很大，应在壳体上设置膨胀补偿器。

U型管式列管加热器是把加热管束弯成U形，管子的两端固定在同一管板上，因此每根管子可以自由伸缩。这种加热器适用于高温和高压的场合。

浮头式列管加热器的两端管板之一不与外壳固定连接，该端称为浮头。当管子受热时，管束连同浮头可以自由伸缩，这样不但可以补偿热膨胀，而且由于固定端的管板是以法兰与壳体相连，因此管束可以从壳体中伸出，便于清洗和检修，但该器结构较复杂，造价较高。

在糖厂使用的加热器中，两种换热介质的温差不大，热应力较小，同时，为了不使设备结构较复杂，U型管和浮头式列管加热器糖厂很少使用。

（二）列管式加热器主要结构的设计

1.加热管在管板上的排列

加热管在管板上的排列主要采用三种方法，即等边三角形排列法、正方形排列法和组合排列法。

等边三角形排列法如图8-5（1）所示。其优点是在一定的管板面积上可以放置较多的加热管，提供较多的传热面。

图8-5 加热管在管板上的排列

正方形排列法如图8-5（2）所示。在一定的管板面积上排管数比三角形排列法少10%～14%。其优点在于加热管外表面可用机械方法清理，管间可处理较脏流体。在浮头式和填料函式加热器中多采用这种排列法。

在多程列管式加热器中，常常在各程间采用等边三角形排列法，而在程与程之间采用正方形排列法，称为组合排列法，如图8-5（3）所示，图中尺寸标注c为管程隔板两侧第一排管子中心之间的距离。

图8-5中所标注的t，表示相邻加热管中心的距离，称为管间距。在加热器的传热面积及加热管长一定的情况下，管间距t越小，则加热器壳体直径就越小，从而使加热器的紧凑性提高。同时又可提高壳程流体的流速，有利于传热。但当管间距过小，管板强度下降，并影响管子和管板的连接质量，还会给清洗带来麻烦。

综上所述，在采用等边三角形排列时，应使管间距t≥1.25d_w（d_w为加热管的外径）；采用正三角形排列时，应使t_最小≥d_w+6（mm）。最外层列管中心至壳体内表面的距离e≥+10（mm）。对于多程列管式加热器管程隔板槽两侧第一排管子中心之间的距离c，可根据表8-1查取。

表8-1 多程列管式加热器的c值 单位：mm

2.加热管与管板的连接

加热管与管板的连接是设计、制造中的重要环节，直接影响生产和操作。连接的方式有三种：胀接、焊接和焊接加胀接。

（1）胀接 胀接就是利用胀管器伸入管板孔内的换热管端部滚辗而扩张，产生塑性变形。同时，因加热管径的增大又迫使管板产生弹性变形。当胀管器撤除后，管板的弹性变形欲恢复原状，而加热管的塑性变形部分则不能恢复，结果使管板与加热管紧密地贴接，从而达到密封和牢固连接的目的。如图8-6为胀管前后管径增大和受力情况的示意图。

图8-6 胀管前后管端变化示意图

为了保证胀接的高质量，应注意下列几点：

①管板材料的硬度高于加热管材的硬度。除在选材时注意这一点之外，胀管前应把加热管端退火。

②管板孔与加热管之间的间隙。在保证顺利穿管的前提下应尽量减少，以防止胀管时管端塑性变形太大而影响加热管的强度。

③关于管孔板的形式。对于设计压力不大于0.6MPa及胀口所受拉脱力较小时，可采用光孔，否则采用带环形槽的管板孔。

管板孔和管端的表面粗糙度，对于加热器所处理的介质不易渗漏时，一般可取Ra 10～20μm；当介质易渗漏时可取Ra 5～10μm。但都不得有纵向划痕。

④胀管前的清理。管板孔及管端必须清理干净，不得有油渍、污物、铁屑和锈蚀等。应将管端清锈至呈现金属光泽，清锈长度不小于管板厚度的2倍。

⑤胀接温度。胀接工作不应在低于-10℃温度下进行。

⑥胀度要适当。胀接过轻，不能保证密封性和牢固性；胀接过重，则因管壁减薄太大，导致管子断裂或管板变形。

胀接法一般多用于压强小于4MPa、温度低于300℃的条件下。高温时胀接处管板和加热管之间的挤压应力降低，引起接头松动而泄漏。加热器、蒸发罐加热面积较大，管径较小，因而常用胀接，结晶罐用胀接也可用焊接。

（2）焊接 焊接连接具有气密性良好、承压能力高、对管板孔的加工要求低、允许采用较小的管板厚度、焊接制造比较简单等优点。所以焊接连接应用越来越广泛。特别是温度超过300℃，压力超过4MPa或要求接头绝对不漏时，以及管材料为不锈钢等不易胀紧的场合下，采用焊接比较可靠。如图8-7为两种管子与管板的焊接形式。图中（1）为常用的焊接形式，适用材料为碳钢、不锈钢。为了在停车后，避免管板上有流体停滞，并补偿管子入口处压力损失的特殊情况，减少管口处阻力，可参照图中（2）所示的形式，但这种结构焊接技术要求较高。(www.daowen.com)

在加热管和管板的焊接连接中，当管壁和管板厚度相差很大时，常因焊接过程中两者的冷却速度不同而产生热应力，使焊缝开裂。因为焊接后，管板孔和加热管之间仍然存在着环形间隙，如图8-7所示，从而造成“缝隙腐蚀”。因此国内外广泛采用焊接和胀接同时并用的方法。

（3）焊接加胀接 焊接以后再加胀接，减少了加热管与管板孔之间的间隙，可以减少焊接裂纹，提高接头的抗疲劳性能，消除了应力腐蚀与缝隙腐蚀，使用寿命比单用焊接时长。所以在高温高压加热器制造中，目前几乎都采用这种方法。焊胀结合的结构，可采用胀后密封焊、焊后贴胀（轻度胀接、清除间隙）等方法。通常在温度不太高而压力很高，或介质极易渗漏，或要求绝对不漏的情况下，采用胀接加密封焊，这种结构以胀接承受连接强度，后密封则为加强密封性。在有缝隙腐蚀的物料接触时，为了消除管子与管板孔之间的间隙，防止缝隙腐蚀，采用焊后贴胀的方法。

为了更进一步提高大型、高温、高压加热器的质量和生产率，国外还发展了爆炸胀接和脉冲胀接的新工艺。

3.管板与壳体的连接

管板与壳体的连接形式分为两类：一是不可拆式；二是可拆式。

对不可拆式的加热器，其壳体与管板采用焊接形式连接。常用于刚性结构的固定管板式加热器。如图8-8是在设计中常用的一种结构形式。这种形式的管板背后开槽，壳体嵌入槽内后再进行焊接，壳体容易对中，施焊方便，焊接质量好，管板兼作法兰。也常用管板直接焊接在壳体上。

图8-7 管子与管板的焊接形式

1—加热管 2—管板 3—间隙

图8-8 管板与壳体的不可拆连接

可拆式管板因管束经常需抽出清洗、维修，所以管板与壳体不采用焊接连接，而制成可拆形式，固定在壳体法兰与管箱法兰之间，图8-9为两种夹持形式。可拆式连接一般用于浮头式、U形、填料函式等加热器，结构复杂，糖厂较少采用。

图8-9 管板与壳体的可拆连接

4.不凝气、汽凝水及加热蒸汽管的连接

（1）不凝气管的连接 为了能很好地排出不凝气，应该很好地考虑不凝气排出管的连接。由于加热器直径不大，一般只于蒸汽入口的对面安装排气管。

在用汽轮机或蒸汽机的乏汽或者用减压蒸汽加热时，汽鼓压力大于大气压力，此时不凝气管可直接通至大气。操作时，适当打开排气阀门，不凝气即可排至大气，但阀门不宜开得过大，以有少量蒸汽随不凝气排出即可。

在用蒸发罐汁汽加热时，若加热器靠近蒸发罐，排气管可接至下一效的汁汽室上部。例如，当抽用第一效汁汽时，排气管应接至第二效的汁汽室。若加热器远离蒸发罐，则排气管应越级连接，即当抽一效汁汽时，排气管应接至第三效的汁汽室，这样可保证有足够的压力差，使排气顺利。

应该同时从加热室的顶部及底部抽出相对密度不同的不凝气，但底部排气管距底管板的距离应不少于100mm，以免排气口被汽凝水浸没及把汽凝水抽出。排气管要有足够大的管径，根据糖厂的经验，对于加热面积为75m²的加热器，排气管的截面积应有6.5cm²。管径过小会影响排气效果。一般用D_g15～50mm的管子，操作时可用阀门来控制。

（2）汽凝水管的连接 加热后汽鼓中的汽凝水应该通过汽凝水排出器不断排出，或者把它送到蒸发罐的自蒸发器，以利用自蒸发产生的蒸汽。若加热器靠近蒸发罐，则汽凝水可接到下一效的自蒸发罐去。例如，当抽一效汁汽加热时，汽凝水接至第二效的自蒸发器；如加热器远离蒸发罐，因为管路较长，管路阻力较大，此时应把汽凝水送至第三效的自蒸发器。汽凝水在管路中的流速以1m/s左右为宜。

（3）蒸汽入口管的结构与位置 蒸汽入口管的直径，随所用的蒸汽量及压力的不同而异，作为统一的标准，应以计算出管的最大直径为准。

蒸汽入口管的结构，通常采用图8-10的型式，使进入的蒸汽逐渐扩散，减慢其流速不但有利于蒸汽的分布，而且可减少进入汽口处的加热管受到集中的冲击。

蒸汽入口管的安装位置也应适当考虑，对于立式加热器来说，加热蒸汽的入口管应安装在加热室的上方，与加热器上管板的距离为加热器高度的1/4。这样，可避免由于蒸汽的冲击作用使管子产生过度的震动而损坏，同时有利于汽凝水沿着管子向下流动。因为加热器的直径不大，一般只需安装一个进汽口即可。

蒸汽在管中的流速为30～35m/s，视汽压的大小而定。

图8-10 蒸汽入口管结构简图

1—蒸汽入口接管 2—加热器壳体

（三）列管式加热器的特点

糖厂常用的为刚性结构的固定管板式列管加热器，其优点为：

（1）结构简单、紧凑；

（2）处理能力大，适应性强，能承受高温高压；

（3）易于制造，生产成本低；

（4）管内清洗比较方便。

其缺点为：

（1）管间不能清洗，所以只能通以清洁流体；

（2）如管壳体温度相差较大或线膨系数相差较大时，会产生较大的温差应力，造成事故。所以应用范围受到一定限制。

（一）结构与工作原理

套管式加热器主要由上汽室、下汽室及中间加热汽室组成，加热管由内管及外套管组成。如图8-11所示。内套管1较小较长，同心地套在较大较短的外套管2中，内外管之间就形成了环状空隙，外套管2用胀接法固定在管板3上。管板4与壳体用法兰连接，内管1与管板4为活接。以便于拆卸清洗。器底与加热室壳体用旁通管5相接。

糖汁自中间加热汽室下部进入，经由内外管间的通道上升，而自上部排出。加热蒸汽则由上汽室进入，经内管向下，蒸汽中部分已凝结的凝结水从下汽室排出，尚未凝结的蒸汽继续从下汽室经连接的旁通管路进入中间加热汽室，蒸汽在外套管外壁冷凝，凝结水自中间加热汽室底排出，不凝结气则自顶部排出。这种加热器已应用于欧洲的甜菜糖厂。

（二）套管式加热器的特点

（1）糖汁在内管和外套管间形成的较薄的环形夹层中加热，且流速较快，因而传热效率高，使糖汁加热到只低于加热用汽温度1～2℃。传热系数约为一般加热器的3倍，可充分利用低温汁汽加热和汽凝水加热。

（2）由于该器是一种长管单程加热器，同多程加热器相比，糖汁流动阻力较小，停留时间也较短。

图8-11 套管单程列管式加热器

1—加热内套管 2—加热外套管 3、4—管板 5—旁通管 6—密封胶圈

（3）设备单位容积的加热面积大，结构紧凑，占地面积小。

（4）设备的结构复杂，清除结垢麻烦。

板式加热器又称片式加热器，国内外糖厂正在推广使用。

（一）结构及工作原理

板式加热器主要由一定数量的板片、垫片、固定框架和压紧装置（压紧螺杆和活动压板）等组成。板片系由冲压或滚压成各种形状的薄金属板组成，如图8-12（1）所示是一块典型板片。板片角上开有流体通道孔，四周及角孔周围压有密封垫圈槽。装配时首先用黏结剂将垫片贴牢在板片密封槽中，角孔周围部分槽中根据流动需要放置垫片，一方面防止流体的泄漏，另一方面使板片之间形成一定的间隙。将若干块板片按加热要求适当依次迭合，由压板借压紧螺杆压紧，相邻板间就形成通道，借助板片角孔与垫圈的恰当布置，使相邻两通道中分别通过冷、热流体。

如图8-12（2）所示为板式加热器的结构组成示意图，热流体（图中虚线）从板片下部的孔进入，经过奇数（1、3、5、7……）空隙至板片上部汇集流出；冷流体（图中粗实线）从板片上部的孔进入，经偶数（2、4、6、8……）空隙，至下部汇集排出。这样，每块板片的两侧，一边为热流体，另一边为冷流体。两者通过金属板片进行热量传递。

板片是这种加热器的主要构件，通常在其面上制出各种形式的波纹，目的是为了增加流动的湍动程度，提高加热器的传热效率。板片表面结构有人字形、水平平直波纹形、皱折波纹形、瘤形凹凸板、锯齿形波纹板等。材料主要是不锈钢，其次是铝及其合金，近年来也有采用钛制板片。

图8-12 板式加热器

板式加热器一般在压力为1.6MPa和温度为150℃内操作，性能可靠。目前国内制造的板式加热器采用丁腈橡胶垫圈时，允许使用温度为150℃以下，使用压力为0.6MPa，对人字形板式加热器允许使用压力为1MPa。近年来，国外由于采用压缩石棉垫片，最高操作温度360℃，最高操作压力2.8MPa。英国APV公司生产的R235大型板式加热器，总传热面积达1540m²，流量达2500m³/h，单板传热面积2.2m²，最高操作压力0.7MPa，最高操作温度150℃。

（二）板式加热器的特点

（1）传热效率高，一般比管壳式加热器高2～4倍。

（2）结构紧凑，体积小，质量轻。

（3）加热物料在加热器中停留时间短，适用于热敏性物料的加热，例如牛乳、味精溶液等。

（4）节省材料，每平方米加热面积约消耗金属16kg。

（5）操作灵活性大，应用范围广。可通过装设中间隔板，同时进行几种流体相互加热。也可通过增减板片的方法，调整所需加热面积。

（6）板片易于打开，观察及清洗都较方便。

（7）板片较薄，承压能力低。

（8）处理量较小，不宜处理悬浮状物料。

（一）结构和工作原理

螺旋板式加热器由外壳、螺旋体、密封及进出口等四部分组成。如图8-13所示为此类加热器的一种。螺旋体是用两块平行的钢板在专用卷床上卷制而成。每块钢板被同时绕成螺旋形状，并形成两个同心通道，各通道为环状的单一通道，其截面为长方形，进出口接管分别装于两通道的边缘端。

如图8-13所示的这种螺旋板式加热器适用于对流传热，主要用于液-液流体的传热。如法国一些糖厂用于凝结水加热压粕水或主灰汁等。它的主要特点是螺旋通道的两端全部填入密封条后焊接密封，两流体都是呈螺旋流动，冷流体从外周流向中心流出，热流体由中心沿螺旋流向外周排出。两流体呈逆向流动通过间壁进行热交换。

图8-13 螺旋板式加热器

（二）螺旋板式加热器的特点

（1）传热效率高，一般比管壳式高 40%左右。

（2）制造简单，材料省，结构紧凑，其单位体积的传热面积约为管壳式加热器的3倍。

（3）温差应力小，不易污塞，能精确控制出口温度，可利用低温热源，允许的最小温差为最低，在两流体温差为3℃情况下仍可进行热交换，且热损失小。

（4）承压能力受限制。这是因为螺旋板的直径较大，厚度较小，刚度差。目前世界各国生产的螺旋板式加热器的最高工作压力为4MPa。

（5）修理困难。由于结构上的限制，一旦产生泄漏时不易修理，往往只能整台报废。

（6）机械通洗困难。故主要采用热水冲洗、酸洗和蒸汽吹洗三种方法。