換熱器（heat exchanger），是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設(shè)備，又稱熱交換器。換熱器在化工、石油、動(dòng)力、食品及其它許多工業(yè)生產(chǎn)中占有重要地位，其在化工生產(chǎn)中換熱器可作為加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器和再沸器等，應(yīng)用廣泛。例如 電廠低溫用聚四氟乙烯換熱器是發(fā)電廠為降低排煙溫度進(jìn)行余熱回收的新型裝置設(shè)備。采用氟塑料換熱器，能夠防止酸腐蝕，并將煙氣溫度降至100度以內(nèi)。鄭州工業(yè)大學(xué)研制成功聚四氟乙烯(簡稱F一4)管板限脹施壓加熱焊接” 工藝，解決了氟塑料管子與管板連接的關(guān)鍵技術(shù)。隨后，國產(chǎn)各種類型的換熱器陸續(xù)投入實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用并取得良好的效果。

發(fā)展背景

換熱器是一種在不同溫度的兩種或兩種以上流體間實(shí)現(xiàn)物料之間熱量傳遞的

換熱器節(jié)能設(shè)備，是使熱量由溫度較高的流體傳遞給溫度較低的流體，使流體溫度達(dá)到流程規(guī)定的指標(biāo)，以滿足工藝條件的需要，同時(shí)也是提高能源利用率的主要設(shè)備之一。換熱器行業(yè)涉及暖通、壓力容器、中水處理設(shè)備，化工，石油等近30多種產(chǎn)業(yè)，相互形成產(chǎn)業(yè)鏈條。

數(shù)據(jù)顯示2010年中國換熱器產(chǎn)業(yè)市場規(guī)模在500億元左右，主要集中于石油、化工、冶金、電力、船舶、集中供暖、制冷空調(diào)、機(jī)械、食品、制藥等領(lǐng)域。其中，石油

適用于不同介質(zhì)、不同工況、不同溫度、不同壓力的換熱器，結(jié)構(gòu)型式也不同，換熱器的具體分類如下：

一、按傳熱原理分類

1、間壁式換熱器

間壁式換熱器是溫度不同的兩種流體在被壁面分開的空間里流動(dòng)，通過壁面的導(dǎo)熱和流體在壁表面對流，兩種流體之間進(jìn)行換熱。間壁式換熱器有管殼式、套管式和其他型式的換熱器。間壁式換熱器是目前應(yīng)用最為廣泛的換熱器。

2、蓄熱式換熱器

蓄熱式換熱器通過固體物質(zhì)構(gòu)成的蓄熱體，把熱量從高溫流體傳遞給低溫流體，熱介質(zhì)先通過加熱固體物質(zhì)達(dá)到一定溫度后，冷介質(zhì)再通過固體物質(zhì)被加熱，使之達(dá)到熱量傳遞的目的。蓄熱式換熱器有旋轉(zhuǎn)式、閥門切換式等。

3、流體連接間接式換熱器

流體連接間接式換熱器，是把兩個(gè)表面式換熱器由在其中循環(huán)的熱載體連接起來的換熱器，熱載體在高溫流體換熱器和低溫流體之間循環(huán)，在高溫流體接受熱量，在低溫流體換熱器把熱量釋放給低溫流體。

4、直接接觸式換熱器

又被稱為混合式換熱器，這種換熱器是兩種流體直接接觸，彼此混合進(jìn)行換熱的設(shè)備，例如，冷水塔、氣體冷凝器等。

5、復(fù)式換熱器

兼有汽水面式間接換熱及水水直接混流換熱兩種換熱方式的設(shè)備。同汽水面式間接換熱相比，具有更高的換熱效率；同汽水直接混合換熱相比具有較高的穩(wěn)定性及較低的機(jī)組噪音。

二、按用途分類

1、加熱器

加熱器是把流體加熱到必要的溫度，但加熱流體沒有發(fā)生相的變化。

2、預(yù)熱器

預(yù)熱器預(yù)先加熱流體，為工序操作提供標(biāo)準(zhǔn)的工藝參數(shù)。

換熱器

3、過熱器

過熱器用于把流體（工藝氣或蒸汽）加熱到過熱狀態(tài)。

4、蒸發(fā)器

蒸發(fā)器用于加熱流體，達(dá)到沸點(diǎn)以上溫度，使其流體蒸發(fā)，一般有相的變化。

三、按結(jié)構(gòu)分類

可分為：浮頭式換熱器、固定管板式換熱器、U形管板換熱器、板式換熱器等。

行業(yè)狀況

概述

換熱器在石油、化工、輕工、制藥、能源等工業(yè)生產(chǎn)中，常常用作把低溫流體加熱或者把高溫流體冷卻，把液體汽化成蒸汽或者把蒸汽冷凝成液體。換熱器既可是一種單元設(shè)備，如加熱器、冷卻器和凝汽器等；也可是某一工藝設(shè)備的組成部分，如氨合成塔內(nèi)的換熱器。換熱器是化工生產(chǎn)中重要的單元設(shè)備，根據(jù)統(tǒng)計(jì)，熱交換器的噸位約占整個(gè)工藝設(shè)備的20%有的甚至高達(dá)30%，其重要性可想而知。

管殼式

管殼式換熱器是一個(gè)量大而品種繁多的產(chǎn)品，迫切需要新的耐磨損、耐腐蝕、高強(qiáng)度材料。我國在發(fā)展不銹鋼銅合金復(fù)合材料、鋁鎂合金及碳化硅等非金屬材料等方面都有不同程度的進(jìn)展，其中尤以鈦材發(fā)展較快。鈦對海水、氯堿、醋酸等有較好的抗腐蝕能力，如再強(qiáng)化傳熱，效果將更好，一些制造單位已較好的掌握了鈦材的加工制造技術(shù)。對材料的噴涂，我國已從國外引進(jìn)生產(chǎn)線。鋁鎂合金具有較高的抗腐蝕性和導(dǎo)熱性，價(jià)格比鈦材便宜，應(yīng)予注意。國內(nèi)在節(jié)能增效等方面改進(jìn)換熱器性能，提高傳熱效率，減少傳熱面積降低壓降，提高裝置熱強(qiáng)度等方面的研究取得了顯著成績。換熱器的大量使用有效的提高了能源的利用率，使企業(yè)成本降低，效益提高。

金屬換熱

間壁式

夾套式換熱器：

這種換熱器是在容器外壁安裝夾套制成，結(jié)構(gòu)簡單；但其加熱面受容器壁面限制，傳熱系數(shù)也不高.為提高傳熱系數(shù)且使釜內(nèi)液體受熱均勻，可在釜內(nèi)安裝攪拌器.當(dāng)夾套中通入冷卻水或無相變的加熱劑時(shí)，亦可在夾套中設(shè)置螺旋隔板或其它增加湍動(dòng)的措施，以提高夾套一側(cè)的給熱系數(shù).為補(bǔ)充傳熱面的不足，也可在釜內(nèi)部安裝蛇管. 夾套式換熱器廣泛用于反應(yīng)過程的加熱和冷卻。

沉浸式蛇管換熱器：

這種換熱器是將金屬管彎繞成各種與容器相適應(yīng)的形狀，并沉浸在容器內(nèi)的液體中.蛇管換熱器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，能承受高壓，可用耐腐蝕材料制造；其缺點(diǎn)是容器內(nèi)液體湍動(dòng)程度低，管外給熱系數(shù)小.為提高傳熱系數(shù)，容器內(nèi)可安裝攪拌器。

噴淋式換熱器：

這種換熱器是將換熱管成排地固定在鋼架上，熱流體在管內(nèi)流動(dòng)，冷卻水 從上方噴淋裝置均勻淋下，故也稱噴淋式冷卻器.噴淋式換熱器的管外是一層湍動(dòng)程度較高的液膜，管外給熱系數(shù)較沉浸式增大很多.另外，這種換熱器大多放置在空氣流通之處，冷卻水的蒸發(fā)亦帶走一部分熱量,可起到降低冷卻水溫度，增大傳熱推動(dòng)力的作用.因此，和沉浸式相比，噴淋式換熱器的傳熱效果大有改善。

套管式換熱器套管式換熱器是由直徑不同的直管制成的同心套管，并由U形彎頭連接而成.在這種換熱器中，一種流體走管內(nèi)，另一種流體走環(huán)隙，兩者皆可得到較高的流速，故傳熱系數(shù)較大.另外，在套管換熱器中，兩種流體可為純逆流，對數(shù)平均推動(dòng)力較大。套管換熱器結(jié)構(gòu)簡單，能承受高壓，應(yīng)用亦方便(可根據(jù)需要增減管段數(shù)目). 特別是由于套管換熱器同時(shí)具備傳熱系數(shù)大，傳熱推動(dòng)力大及能夠承受高壓強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。

板式換熱器：

板式換熱器高清圖

最典型的間壁式換熱器，它在工業(yè)上的應(yīng)用有著悠久的歷史，而且至今仍在所有換熱器中占據(jù)主導(dǎo)地位。主體結(jié)構(gòu)由換熱板片以及板間的膠條組成。長期在市場占據(jù)主導(dǎo)地位，但是其體積大，換熱效率低，更換膠條價(jià)格昂貴（膠條的更換費(fèi)用大約占整個(gè)過程的1/3-1/2）。主要應(yīng)用于液體-液體之間的換熱，行業(yè)內(nèi)常稱為水水換熱，其換熱效率在5000w/m2.K。

為提高管外流體給熱系數(shù)，通常在殼體內(nèi)安裝一定數(shù)量的橫向折流檔板。折流檔板不僅可防止流體短路，增加流體速度，還迫使流體按規(guī)定路徑多次錯(cuò)流通過管束，使湍動(dòng)程度大為增加。常用的檔板有圓缺形和圓盤形兩種，前者應(yīng)用更為廣泛.。

由于中國新版GMP的推出，板式換熱將逐漸退出食品，飲料，制藥等衛(wèi)生級別高的行業(yè)。

管殼式換熱器：

管殼式換熱器圖解

管殼式(又稱列管式) 換熱器是管殼式換熱器主要有殼體、管束、管板和封頭等部分組成，殼體多呈圓形，內(nèi)部裝有平行管束或者螺旋管，管束兩端固定于管板上。在管殼換熱器內(nèi)進(jìn)行換熱的兩種流體，一種在管內(nèi)流動(dòng)，其行程稱為管程；一種在管外流動(dòng)，其行程稱為殼程。管束的壁面即為傳熱面。管子的型號不一，過程一般為直徑16mm 20mm或者25mm三個(gè)型號，管壁厚度一般為1mm，1.5mm，2mm以及2.5mm。進(jìn)口換熱器，直徑最低可以到8mm，壁厚僅為0.6mm。大大提高了換熱效率，2012年來也在國內(nèi)市場逐漸推廣開來。管殼式換熱器，螺旋管束設(shè)計(jì)，可以最大限度的增加湍流效果，加大換熱效率。內(nèi)部殼層和管層的不對稱設(shè)計(jì)，最大可以達(dá)到4.6倍。這種不對稱設(shè)計(jì)，決定其在汽-水換熱領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。最大換熱效率可以達(dá)到14000w/m2.k，大大提高生產(chǎn)效率，節(jié)約成本。

同時(shí)，由于管殼式換熱器多為金屬結(jié)構(gòu)，隨著中國新版GMP的推出，不銹鋼316L為主體的換熱器，將成為飲料，食品，以及制藥行業(yè)的必選。

雙管板換熱器也稱P型換熱器：

該熱換器是在管殼式換熱器的兩頭各加一個(gè)管板，可以有效防止泄漏造成的污染。市場上國產(chǎn)品牌較少，價(jià)格昂貴，一般在10萬元以上，進(jìn)口可以到幾十萬，符合新版GMP規(guī)定，雖價(jià)格昂貴，但決定其市場廣闊。

混合式

混合式熱交換器是依靠冷、熱流體直接接觸而進(jìn)行傳熱的，這種傳熱方式避免了傳熱間壁及其兩側(cè)的污垢熱阻，只要流體間的接觸情況良好，就有較大的傳熱速率。故凡允許流體相互混合的場合，都可以采用混合式熱交換器，例如氣體的洗滌與冷卻、循環(huán)水的冷卻、汽-水之間的混合加熱、蒸汽的冷凝等等。它的應(yīng)用遍及化工和冶金企業(yè)、動(dòng)力工程、空氣調(diào)節(jié)工程以及其它許多生產(chǎn)部門中。

按照用途的不同，可將混合式熱交換器分成以下幾種不同的類型：

(1)冷卻塔(或稱冷水塔)

在這種設(shè)備中，用自然通風(fēng)或機(jī)械通風(fēng)的方法，將生產(chǎn)中已經(jīng)提高了溫度的水進(jìn)行冷卻降溫之后循環(huán)使用，以提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益。例如熱力發(fā)電廠或核電站的循環(huán)水、合成氨生產(chǎn)中的冷卻水等，經(jīng)過水冷卻塔降溫之后再循環(huán)使用，這種方法在實(shí)際工程中得到了廣泛的使用。

(2)氣體洗滌塔(或稱洗滌塔)

在工業(yè)上用這種設(shè)備來洗滌氣體有各種目的，例如用液體吸收氣體混合物中的某些組分，除凈氣體中的灰塵，氣體的增濕或干燥等。但其最廣泛的用途是冷卻氣體，而冷卻所用的液體以水居多。空調(diào)工程中廣泛使用的噴淋室，可以認(rèn)為是它的一種特殊形式。噴淋室不但可以像氣體洗滌塔一樣對空氣進(jìn)行冷卻，而且還可對其進(jìn)行加熱處理。但是，它也有對水質(zhì)要求高、占地面積大、水泵耗能多等缺點(diǎn)：所以，在一般建筑中，噴淋室已不常使用或僅作為加濕設(shè)備使用。但是，在以調(diào)節(jié)濕度為主要目的的紡織廠、卷煙廠等仍大量使用！

(3)噴射式熱交換器

在這種設(shè)備中，使壓力較高的流體由噴管噴出，形成很高的速度，低壓流體被引入混合室與射流直接接觸進(jìn)行傳熱，并一同進(jìn)入擴(kuò)散管，在擴(kuò)散管的出口達(dá)到同一壓力和溫度后送給用戶。

(4)混合式冷凝器

這種設(shè)備一般是用水與蒸汽直接接觸的方法使蒸汽冷凝。

蓄熱式

蓄熱式換熱器用于進(jìn)行蓄熱式換熱的設(shè)備。內(nèi)裝固體填充物，用以貯蓄熱量。一般用耐火磚等砌成火格子（有時(shí)用金屬波形帶等）。換熱分兩個(gè)階段進(jìn)行。第一階段，熱氣體通過火格子，將熱量傳給火格子而貯蓄起來。第二階段，冷氣體通過火格子，接受火格子所儲(chǔ)蓄的熱量而被加熱。這兩個(gè)階段交替進(jìn)行。通常用兩個(gè)蓄熱器交替使用，即當(dāng)熱氣體進(jìn)入一器時(shí)，冷氣體進(jìn)入另一器。常用于冶金工業(yè)，如煉鋼平爐的蓄熱室。也用于化學(xué)工業(yè)，如煤氣爐中的空氣預(yù)熱器或燃燒室，人造石油廠中的蓄熱式裂化爐。

蓄熱式換熱器一般用于對介質(zhì)混合要求比較低的場合。

陶瓷

陶瓷換熱器是一種新型的列管式高溫?zé)崮芑厥昭b置，主要成份為碳化硅，可以廣泛用于冶金、機(jī)械、建材、化工等行業(yè)，直接回收各種工業(yè)窯爐排放的850－1400℃高溫?zé)煔庥酂?，以獲得高溫助燃空氣或工藝氣體。

陶瓷換熱器研制成的這種裝置的換熱元件材料系一種新型碳化硅工程陶瓷，它具有耐高溫和抗熱沖擊的優(yōu)異性能，從 1000 ℃ 風(fēng)冷至室溫，反復(fù)50 次以上不出現(xiàn)裂紋；導(dǎo)熱系數(shù)與不銹鋼等同；在氧化性和酸性介質(zhì)中具有良好的耐蝕性。在結(jié)構(gòu)上成功地解決了熱補(bǔ)償和較好地解決了氣體密封問題。該裝置傳熱效率高，節(jié)能效果顯著，用以預(yù)熱助燃空氣或加熱某些過程的工藝氣體，可節(jié)約一次能源，燃料節(jié)約率可達(dá)30 %－55%，并可強(qiáng)化工藝過程，顯著提高生產(chǎn)能力。

陶瓷換熱器的生產(chǎn)工藝與窯具的生產(chǎn)工藝基本相同，導(dǎo)熱性與抗氧化性能是材料的主要應(yīng)用性能。它的原理是把陶瓷換熱器放置在煙道出口較近，溫度較高的地方，不需要摻冷風(fēng)及高溫保護(hù)，當(dāng)窯爐溫度1250-1450℃時(shí)，煙道出口的溫度應(yīng)是1000-1300℃，陶瓷換熱器回收余熱可達(dá)到450-750℃，將回收到的的熱空氣送進(jìn)窯爐與燃?xì)庑纬苫旌蠚膺M(jìn)行燃燒，這樣直接降低生產(chǎn)成本，增加經(jīng)濟(jì)效益。

陶瓷換熱器在金屬換熱器的使用局限下得到了很好的發(fā)展，因?yàn)樗^好地解決了耐腐蝕，耐高溫等課題。它的主要優(yōu)點(diǎn)是：導(dǎo)熱性能好，高溫強(qiáng)度高，抗氧化、抗熱震性能好。壽命長，維修量小，性能可靠穩(wěn)定，操作簡便。

浮頭式

設(shè)計(jì)要求

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，各種不同型式和種類的換熱器發(fā)展很快，新結(jié)構(gòu)、新材料的換熱器不斷涌現(xiàn)。為了適應(yīng)發(fā)展的需要，中國對某些種類的換熱器已經(jīng)建立了標(biāo)準(zhǔn)，形成了系列。完善的換熱器在設(shè)計(jì)或選型時(shí)應(yīng)滿足以下基本要求：

（1） 合理地實(shí)現(xiàn)所規(guī)定的工藝條件；

（2） 結(jié)構(gòu)安全可靠；

（3） 便于制造、安裝、操作和維修；

（4） 經(jīng)濟(jì)上合理。

浮頭式換熱器的一端管板與殼體固定，而另一端的管板可在殼體內(nèi)自由浮動(dòng)，殼體和管束對膨脹是自由的，故當(dāng)兩張介質(zhì)的溫差較大時(shí)，管束和殼體之間不產(chǎn)生溫差應(yīng)力。浮頭端設(shè)計(jì)成可拆結(jié)構(gòu)，使管束能容易的插入或抽出殼體。（也可設(shè)計(jì)成不可拆的）。這樣為檢修、清洗提供了方便。但該換熱器結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，而且浮動(dòng)端小蓋在操作時(shí)無法知道泄露情況。因此在安裝時(shí)要特別注意其密封。

浮頭換熱器的浮頭部分結(jié)構(gòu)，按不同的要求可設(shè)計(jì)成各種形式，除必須考慮管束能在設(shè)備內(nèi)自由移動(dòng)外，還必須考慮到浮頭部分的檢修、安裝和清洗的方便。

在設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮浮頭管板的外徑Do。該外徑應(yīng)小于殼體內(nèi)徑Di，一般推薦浮頭管板與殼體內(nèi)壁的間隙b1=3~5mm。這樣，當(dāng)浮頭出的鉤圈拆除后，即可將管束從殼體內(nèi)抽出。以便于進(jìn)行檢修、清洗。浮頭蓋在管束裝入后才能進(jìn)行裝配，所以在設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮保證浮頭蓋在裝配時(shí)的必要空間。

鉤圈對保證浮頭端的密封、防止介質(zhì)間的串漏起著重要作用。隨著幞頭式換熱器的設(shè)計(jì)、制造技術(shù)的發(fā)展，以及長期以來使用經(jīng)驗(yàn)的積累，鉤圈的結(jié)構(gòu)形式也得到了不段的改進(jìn)和完善。

鉤圈一般都為對開式結(jié)構(gòu)，要求密封可靠，結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、便于制造和拆裝方便。

浮頭式換熱器以其高度的可靠性和廣泛的適應(yīng)性，在長期使用過程中積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。盡管受到不斷涌現(xiàn)的新型換熱器的挑戰(zhàn)，但反過來也不斷促進(jìn)了自身的發(fā)展。故迄今為止在各種換熱器中仍占主導(dǎo)地位。