1.傳熱的基本方式

根據傳熱機理的不同，熱傳遞有三種基本方式：熱傳導、對流傳熱和輻射傳熱。

熱傳導:是依靠物體內分子的相互碰撞進行的熱量傳遞過程。

對流傳熱:流體內部質點發生宏觀相對位移而引起的熱量傳遞過程，對流傳熱只能發生在液體或氣體流動的場合。

輻射傳熱:熱量以電磁波的形式在空間的傳遞稱為熱輻射。熱輻射與熱傳導和對流傳熱的最大區別就在于它可以在完全真空的地方傳遞而無需任何介質。

2.傳熱過程中冷熱流體(接觸)熱交換方式

傳熱過程中冷熱流體(接觸)熱交換可分為三種基本方式，直接混合式換熱，間壁式換熱，蓄熱式換熱三種。

1)直接混合式換熱：冷、熱流體直接接觸，相互混合傳遞熱量。該類型換熱器結構簡單，傳熱效率高，適用于冷、熱流體允許混合的場合。

2)蓄熱式換熱：蓄熱式換熱是在蓄熱器中實現熱交換的一種換熱方式。此類換熱器是借助于熱容量較大的固體蓄熱體，將熱量由熱流體傳給冷流體。當蓄熱體與熱流體接觸時，從熱流體處接受熱量，蓄熱體溫度升高，然后與冷流體接觸，將熱量傳給冷流體，蓄熱體溫度下降，從而達到換熱的目的。

3)間壁式換熱：冷、熱流體被固體壁面(傳熱面)所隔開，互不接觸，它們在壁面兩側流動，熱量由熱流體通過壁面傳給冷流體。適用于冷、熱流體不允許混合的場合。

第一節 換熱器

換熱器：能實現冷熱流體之間熱量交換的裝置。

1.換熱器的分類

1.1按傳熱面結構分：

1)管式換熱器

可分為列管式換熱器、蛇管式換熱器、套管式換熱器、噴淋式換熱器、翅片管式換熱器；

2)板式換熱器

可分為平板式換熱器、翅片板式換熱器、螺旋板式換熱器、板殼式換熱器；

1.2按用途分：

1)預熱器：用于預熱物料；

2)加熱器：用于流體，產品的加熱；

3)冷卻器：用于流體的冷卻；

4)冷凝器：用于流體、蒸汽的冷凝，分餾過程的餾分回收或產生真空；

5)再沸器：用于被精餾物料的加熱、汽化；

1.3按傳熱方式分:

直接混合式換熱器，間壁式換熱器，蓄熱式換熱器三種。其中間壁式換熱器在化工生產中應用最廣。

2.間壁式換熱器

2.1列管式換熱器

列管式換熱器是目前生產上應用最廣的一種換熱設備。它主要由殼體、換熱管、封頭、管板、折流擋板等部件組成。列管式換熱器的主要優點是單位體積所具有的傳熱面積大以及傳熱效果好。此外，結構簡單，制造材料的范圍較廣，操作彈性較大等，因此，在高溫高壓和大型裝置上多采用列管式換熱器。

2.1.1列管式換熱器的基本型式:

1)固定管板式

其結構特點是兩塊管板分別焊接于殼體的兩端，管束兩端焊接或脹接在管板上，封頭用螺栓與管板相連，封頭與管板之間的空間構成流體的分配室。為了提高殼內流體的流速，通常在殼體內安裝一定數量與管束垂直的折流擋板。常用的擋板形式有圓缺形(又稱弓形)和盤環形兩種(見圖)。由于管板與殼體、管子都焊在一起，位置完全固定不變，故稱為固定管板式。整個換熱器分為兩部分：換熱管內的通道及與其兩端相貫通處稱為管程；換熱管外的通道及與其相貫通處稱為殼程。若管流體一次通過管程，稱為單管程。流體在管內依次往返多次，則稱為多管程。常采用二管程和四管程(見圖)。

固定管板式換熱器的優點是結構簡單、緊湊。每根換熱管都可以進行更換，且管內清洗方便。其缺點是殼程不能進行機械清洗；當換熱管與殼體的溫差較大時，需在殼體上設置膨脹節，因而殼程壓力受膨脹節強度的限制不能太高。固定管板式換熱器適用于殼程流體清潔且不易結垢，兩流體溫差不大或溫差較大但殼程壓力不高的場合。

    由于冷熱流體的溫度不同，外殼和管子的溫度也必然會有所差異，會導致外殼和管子熱膨脹的程度有所不同，嚴重時可將管子扭曲變形，或管子從管束上脫落。當外殼和管子的溫差超過50℃時，就必須采取措施來減小或消除它們之間因熱膨脹量不同所造成的影響，固定管板式換熱器采用補償圈來消除管子與殼體的熱膨脹量不同引起的熱應力的影響。它與普通固定管板式換熱器的不同，就在于在殼體上具有一圈通過滾壓或焊接的波形補償圈(又稱膨脹節)，這種換熱器結構簡單，但補償能力有限，它只能在管子與殼體的溫度差不大于60～70℃的情況下使用。另外，當殼程流體壓強大于6atm時，由于補償圈過厚，難以伸縮，也會失去溫差補償的作用。

2)U型管式換熱器：

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其結構特點是只有一個管板，換熱管為U型，管子兩端固定在同一管板上。管束可以自由伸縮，當殼體與U型換熱管有溫差時，不會產生溫差應力。U型管式換熱器的優點是結構簡單，只有一個管板，密封面少，運行可靠，造價低；管束可以抽出，管間清洗方便。

其缺點是管內清洗比較困難：由于管子需要有一定的彎曲半徑，故管板的利用率較低，在同樣的體積下所提供的傳熱面積較小；只有一塊管板支撐管束，操作中易發生振動。內層管子壞了不能更換，因而報廢率較高(一根U形管相當于兩根直管)。U型管式換熱器適用于管、殼壁溫差較大或殼程介質易結垢，而管程介質清潔不易結垢以及高溫、高壓、腐蝕性強的場合。一般高溫、高壓、腐蝕性強的介質走管內，可使高壓空間減小，并可節約材料和減少熱損失。

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3)浮頭式換熱器：

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其結構特點是將管側一端的管板用法蘭固定到殼體上，另一端管板可以在殼體內沿軸向自由伸縮，該端稱為浮頭。浮頭式換熱器的優點是當換熱管與殼體有溫差存在，殼體或換熱管膨脹時，互不約束，不會產生溫差應力；管束可從殼體內抽出，便于管內和管間的清洗。其缺點是結構較復雜，用材量大，造價高；浮頭蓋與浮動管板之間若密封不嚴，發生內漏，會造成兩種介質的混合。浮頭式換熱器適用于殼體和管束壁溫差較大或殼程介質易結垢的場合。

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2.1.2選擇適宜的流體走管程和殼程

   1)不潔凈的，易結垢的或帶固體顆粒的流體適宜走管程，便于清洗(一般冷卻水含雜質多，硬度高，易結垢，走管程)；

   2)腐蝕性的或高溫高壓的流體宜走管程，從而避免管束和殼體同時受腐蝕和受壓；

  3)粘度較小，流量小的流體；被加熱的或不易加熱的流體宜走管程；

  4)被冷卻的流體宜走殼程，便于散熱，但冷凍劑卻最好走管程，因為管程熱損失小；

  5)飽和蒸汽宜走殼程，因為蒸汽比較潔凈，還便于排出不凝氣和冷凝液；

2.2換熱器的基本操作和常見故障處理

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常見故障 產生原因 處理方法
5 H- g6 o: M) I" p傳熱效率下降1)列管結疤和堵塞2)殼體內不凝氣或冷凝液增多(3)管路或閥門有堵塞 1)清洗管子2)排放不凝氣或冷凝液(3)檢查清理
5 U& C8 f$ l* M6 m發生振動1)殼程介質流速太快2)管路振動所引起3)管束與折流板結構不合理4)機座剛度較小1)調節殼程介質流量2)加固管路3)改進設計4)適當加固

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2.3套管式換熱器

套管式換熱器是由兩種不同直徑的直管套在一起組成同心套管，其內管用U型肘管順次連接，外管與外管互相連接而成的，換熱時一種流體走內管，另一種流體走環隙，內管的壁面為傳熱面。此類換熱器適用于高溫、高壓及小流量流體間的換熱。

2.4蛇管式換熱器

通常按照換熱方式不同，將蛇管式換熱器分為沉浸式和噴淋式兩類。

沉浸式蛇管換熱器多以金屬管彎繞而成，制成適應容器的形狀，沉浸在容器內的液體中，兩種流體分別在管內、管外進行換熱。為了改善傳熱效果，通常在容器里裝設攪拌器。

沉浸式蛇管換熱器具有結構簡單、價格便宜、材料范圍廣。能承受高壓、操作管理方便等優點，常用在傳熱量不大的反應釜中作輔助加熱器用。

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   噴淋式蛇管換熱器：冷卻水由管上方的噴淋裝置中均勻地噴灑在上層蛇管上，并沿著管外表面淋瀝而下，降至下層蛇管表面，最后收集在排管的底盤中。該裝置通常放在室外空氣流通處，冷卻水在空氣中氣化時，可帶走部分熱量，以提高冷卻效果。

2.5螺旋板式換熱器

它是由兩張間隔一定的平行薄金屬板卷制而成的。兩張薄金屬板形成兩個同心的螺旋型通道，兩板之間焊有定距柱以維持通道間距，在螺旋板兩側焊有蓋板。冷、熱流體分別通過兩條通道，通過薄板進行換熱。適用于流速較高，溫差較小，操作溫度和壓力不宜太高的場合。因整個換熱器為卷制而成，一旦發現泄漏，維修很困難。

2.6翅片管式換熱器

其結構特點是在換熱器管的外表面或內表面裝有許多翅片，常用的翅片有縱向和橫向兩類。翅片管式換熱器適用于兩種流體的傳熱膜系數相差很大的情況。翅片管式換熱器作為空氣冷卻器，在工業上應用很廣。

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2.7夾套式換熱器

夾套式換熱器結構如圖所示。夾套空間是加熱介質或冷卻介質的通路，這種換熱器主要用于反應過程的加熱或冷卻。當用蒸汽進行加熱時，蒸汽上部接管進入夾套，冷凝水由下部接管流出。作為冷卻器時，冷卻介質(如冷卻水)由夾套下部接管進入，由上部接管流出。

夾套式換熱器結構簡單，但由于其加熱面受容器壁面限制，傳熱面較小，且傳熱系數不高，常用于傳熱量不大的場合，為改進這些缺點，通常在容器內裝上攪拌器使流體處于強制對流狀態，同時在容器內加設盤管，以增大傳熱面積。

2.8板式換熱器

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板式換熱器是由一組長方形的薄金屬板平行排列，夾緊組裝于支架上面構成。兩相鄰板片的邊緣襯有墊片，壓緊后板間形成密封的流體通道，且可用墊片的厚度調節通道的大小。每塊板的四個角上，各開一個圓孔，其中有兩個圓孔和板面上的流道相通，另兩個圓孔則不相通。它們的位置在相鄰板上是錯開的，以分別形成兩流體的通道。冷、熱流體交替地在板片兩側流動，通過金屬板片進行換熱。板式換熱器便于清洗，操作壓力和溫度受密封墊片材料性能限制而不宜過高。