换热器是在不同温度物料之间进行热量传递的设备，其主要作用是维持或改变物料的工作温度和相态，满足工艺操作要求，提高过程能量利用效率进行余热回收。

（1）换热器的分类

1）按换热方式分类

①直接接触式

冷热流体直接接触进行换热。彼此混合而实现热量交换，在热交换同时存在质量的混合（气体冷却塔）。

②间壁式

热、冷两种流体之间被固体壁面间隔开，热、冷流体分别在固体壁面的两侧流动，两种流体不直接接触，热量由热流体通过壁面传给冷流体。

③蓄热器

冷热流体交替通过填料，利用填料的蓄热与放热，达到交换热量的目的。

2）按用途分类

①加热器

用于把流体加热到所需温度，被加热流体在加热过程中不发生相变。

②蒸发器

用于加热液体，使其蒸发汽化。如油浆蒸发器。

③再沸器

用于加热已被冷凝的液体，使其再受热汽化。为蒸馏过程专用设备。如塔底重沸器。

④冷却器

用于冷却流体，使其达到所需温度。

⑤冷凝器

用于冷却凝结性饱和蒸汽，使其放出潜热而凝结液化。

3）按传热面形状和结构

①管式换热器

通过管子壁面进行传热的换热器。如管壳式换热器。

②板式换热器

通过板面进行传热的换热器。如板翅式换热器。

③特殊形式换热器

根据工艺特殊要求而设计的具有特殊结构的换热器。如同流式换热器。

（2）换热器的结构

换热器的结构以管壳式换热器为例，主要有管箱、隔板、管板、壳体、管束、折流板、支座及相连管线等组成，如图4.19所示。

1）管箱

管箱是位于换热器两端的重要部件。它的作用是接纳由进口管来的流体，并分配到各换热管内，或是汇集由换热管流出的流体，将其送入排出管输出。

图4.19　管壳式换热器示意图

1—封头；2—隔板；3—管板；4—挡板；5—管子；6—外壳

2）壳体

壳体是壳程流体的通道。

3）换热器管束

换热器管束是管程流体的通道。

4）折流板

折流板是为了提高壳程介质流速，改变介质的流向，达到强化传热的目的；对于卧式换热器，还有支承管束的作用。图4.20（a）为圆盘形，图4.20（b）为双圆缺形，图4.20（c）为单圆缺形。

图4.20　折流板类型

5）支座

支座对整个换热器起到支承的作用。

6）管板

管板用以固定换热管束。

（3）管壳式换热器

管壳式换热器由管束、管板、壳体以及各种接管等主要部件组成。根据其结构特点，可分为固定管板式、浮头式、U形管式、填料函式4种形式。

1）固定管板式换热器

固定管板换热器的两端管板，采用焊接方法与壳体连接固定。其结构简单，制造成本低，能得到最小的壳体内径，管程可分成多样，规格范围广，故在工程中广泛应用。缺点是壳程不能清洗，检查困难，对于较脏或有腐蚀性的介质不能采用。它宜用于壳体与管子温差小，壳程压力不高以及壳程结垢不严重或能用化学清洗的场合，如图4.21所示。

图4.21　固定管板式换热器

2）U形管式换热器

U形管换热器是将管子弯成U形，管子两端固定在同一块管板上。由于壳体与管子分开，可以不考虑热膨胀。因U形管式换热器仅有一块管板，且无浮头，所以结构简单，造价比其他换热器便宜，管束可从壳体内抽出，便于清洗，但管内清洗比较困难，所以管内的介质必须清洁或不易结垢的物料。其缺点：由于管束中心部分存在空隙，所以流体易走短路，影响传热效果。U形管的弯管部分曲率不同，管子长度不一，因而物料分布不如固定管板式换热器均匀。U形管式换热器一般用于高温高压的情况下，当使用在压力较高的环境时，弯管段的壁厚要加厚，弥补弯管后管壁的减薄，如图4.22所示。

3）浮头式换热器

浮头式换热器一端管板与壳体固定，而另一端的管板可在壳体内自由浮动。壳体和管子对热膨胀是自由的，当两种介质的温差较大时，管束与壳体之间不产生温差应力。浮头端设计成可拆结构，使管束易于地插入或抽出，这样为检修、清洗提供了方便。但结构较复杂，而且浮头端小盖在操作时无法知道泄漏情况，故在安装时要特别注意其密封，如图4.23所示。

图4.22　U形管式换热器

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图4.23　浮头式换热器

4）填料函式换热器

这种设备的结构特点与浮头式换热器相类似，浮头部分露在壳体以外，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伸缩，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。填料函式换热器现在已很少采用，如图4.24所示。

（4）其他类型换热设备简介

1）板式换热器

由许多波纹形的传热板片，按一定的间隔，通过橡胶垫片压紧组成的可拆卸的换热设备。板片组装时，两组交替排列，板与板之间用黏结剂把橡胶密封板条固定好，其作用是防止流体泄漏并使两板之间形成狭窄的网形流道，换热板片压成各种波纹形，以增加换热板片面积和刚性，并能使流体在低流速成下形成湍流，以达到强化传热的效果。板上的4个角孔，形成了流体的分配管和泄集管，两种换热介质分别流入各自流道，形成逆流或并流通过每个板片进行热量的交换。

图4.24　填料函式换热器

1—纵向管板；2—浮头管板；3—活套法兰；4—部分剪切环；5—填料压盖；6—填料；7—填料函

板式换热器的特点如下：

①体积小，占地面积少。

②传热效率高。

③组装灵活。

④金属消耗量低。

⑤热损失小。

⑥拆卸、清洗、检修方便。

板式换热器的缺点是密封周边较长，容易泄漏，使用温度只能低于150℃，承受压差较小，处理量较小，一旦发现板片结垢必须拆开清洗，如图4.25所示。

2）蓄热式换热器

蓄热式换热器通过多孔填料或基质的短暂能量储存，将热量从一种流体传递到另外一种流体。首先，在习惯上称为加热周期的时间内，热气流流过蓄热式换热器中的填料，热量从气流传递到填料，气流温度降低。在这个周期结束时，流动方向进行切换，冷流体流经蓄热体。在冷却周期，流体从蓄热填料吸收热量。因此，对于常规的流向变换，蓄热体内的填料交替性的与冷热流体进行换热，蓄热体内以及气流在任意位置的温度都不断随时间波动。启动后，经过数个切换周期，蓄热式换热器进入稳定运行时状态，蓄热体内某一位置随时间的波动在相继的周期内都是相同的。从运行的特性上很容易区分蓄热式换热器和回热式换热器，回热式换热器中两种流体的换热是通过各个位置的固定边界进行的，在稳定运行时换热器内的温度只与位置有关，而在蓄热式换热器热量的传递都是动态的，同时依赖于位置和时间。

传热元件周期性地分别被热、冷流体加热和冷却；传热过程是不稳定的；单位容积内布置的换热面积较大，结构紧凑，节约金属，传热效率较高，通常用于换热系数不大的气体间的传热。但设备体积庞大，冷、热流体之间存在一定程度的混合，它常用于气体的余热或冷量的回收利用。由于有转动部件，对密封要求较高，填料多数为耐火砖或波纹铝带等金属作为填充物，如图4.26所示。

图4.25　板式换热器

图4.26　蓄热式换热器原理图

3）套管式换热器

套管式换热器由两根不同直径、同心组装的直管和连接内管的U形弯管所组成，进行换热的两种流体分别进入内管和内、外管的环形通道进行换热（通常采用逆流方式）。当需要较大传热面积时，可将几段套管串联排列。

优点：结构简单，传热面积可调整。

缺点：金属消耗量大，且弯管连接处易发生泄漏。

套管式换热器多用于流量较小而压力较高的两流体传热，常用作冷却器和冷凝器，如图4.27所示。

图4.27　套管式换热器

4）空气冷却器

空气冷却器是以空气作为冷却介质，对流经管内的热流体进行冷却或冷凝。它主要由管束、风机、构架及百叶窗等部件组成。应用于初步冷却或高沸点馏分的冷凝场合，适用于缺水地区，如图4.28所示。

图4.28　空气冷却器结构图

1—构架；2—风机；3—风筒；4—平台；5—风箱；6—百叶窗；7—管束；8—梯子

（5）换热设备的维护与使用

1）日常维护

①装置系统蒸汽吹扫时，应尽可能避免对有涂层的冷换设备进行吹扫，工艺上确实避免不了，应严格控制吹扫温度（进冷换设备）不大于200℃。以免造成涂层破坏。

②装置开停工过程中，换热器应缓慢升温和降温，避免造成压差过大和热冲击。

③应遵循停工时“先热后冷”，即先退热介质，再退冷介质；开工时“先冷后热”，即先进冷介质，后进热介质。

④认真检查设备运行参数，严禁超温、超压。对按压差设计的换热器，在运行过程中不得超过规定的压差。

⑤操作人员应严格遵守安全操作规程，定时对换热设备进行巡回检查，检查基础支座稳固及设备泄漏等。

⑥防冻防凝检查（测温，低点脱水）。

⑦经常对管、壳程介质的温度及压降进行检查，分析换热器的泄漏和结垢情况。在压降增大和传热系数降低超过一定数值时，应根据介质和换热器的结构，选择有效的方法进行清洗。

2）应常检查换热器的振动情况

①有防腐涂层的冷换设备在操作运行时，应严格控制温度，避免涂层损坏。

②接管法兰、前管箱、后头盖法兰无泄漏。

③保持保温层完好。

④静电接地完好。

⑤地角螺栓齐全。

⑥基础无变形或下沉。

⑦有压力表、温度计的安装齐全，指示准确。

⑧检查流体的温度和压力

换热器常见故障与处理见表4.5。

表4.5　换热器常见故障与处理