換熱器是實現熱量交換的設備。它工藝過程必不可少的單元設備，廣泛用于石油、化工、輕工、制藥、食品、機械、冶金、動力等工程領域中。今天我們就來**了解下換熱器。
換熱器的分類
1、按作用原理分
（1）直接接觸式換熱器(混和式換熱器)
冷、熱流體直接接觸，相互混和傳遞熱量。特點是結構簡單，傳熱效率高。
適于冷、熱流體允許混和的場合。
如涼水塔、洗滌塔、文氏管及噴射冷凝器等。
（2）蓄熱式換熱器(回流式換熱器、蓄熱器)
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，將熱量傳遞給冷流體，蓄熱體溫度下降，從而達到換熱的目的。特點是結構簡單，可耐高溫，體積龐大，不能完全避免兩種流體的混和。
適于高溫氣體熱量的回收或冷卻。
如回轉式空氣預熱器。
（3）間壁式換熱器(表面式換熱器、間接式換熱器)
冷、熱流體被固體壁面隔開，互不接觸，熱量由熱流體通過壁面傳遞給冷流體。形式多樣，應用廣泛。本章介紹此類換熱器。
適于冷、熱流體不允許混和的場合。
如各種管殼式、板式結構的換熱器。
2、按用途分
加熱器：用于把流體加熱到所需溫度，被加熱流體在加熱過程中不發生相變。
預熱器：用于流體的預熱，以提高整套工藝裝置的效率。
過熱器：用于加熱飽和蒸汽，使其達到過熱狀態。
蒸發器：用于加熱液體，使其蒸發汽化。
再沸器：用于加熱已被冷凝的液體，使其再受熱汽化。為蒸餾過程專用設備。
冷卻器：用于冷卻流體，使其達到所需溫度。
冷凝器：用于冷卻凝結性飽和蒸汽，使其放出潛熱而凝結液化。
3、按傳熱面形狀和結構分
（1）管式換熱器
通過管子壁面進行傳熱的換熱器。按傳熱管的結構形式可分為管殼式換熱器、蛇管式換熱器、套管式換熱器、翅片式換熱器等。應用*廣。
（2）板式換熱器
通過板面進行傳熱的換熱器。按傳熱板的結構形式可分為平板式、螺旋板式、板翅式、熱板式換熱器等。
（3）特殊形式換熱器
根據工藝特殊要求而設計的具有特殊結構的換熱器。如回轉式、熱管、同流式換熱器等。
4、按所用材料分
（1）金屬材料換熱器
由金屬材料加工制成的換熱器。常用的材料有碳鋼、合金鋼、銅及銅合金、鋁及鋁合金、鈦及鈦合金等。因金屬材料導熱系數大，故此類換熱器的傳熱效率高。
（2）非金屬材料換熱器
有非金屬材料制成的換熱器。常用的材料有石墨、玻璃、塑料、陶瓷等。因非金屬材料導熱系數較小，故此類換熱器的傳熱效率較低。常用于具有腐蝕性的物系。
換熱器的結構形式
1、管式換熱器的結構形式
（1）列管式換熱器(管殼式換熱器)
它結構緊湊，單位體積所具有的傳熱面積較大(40～150m2/m3)，傳熱效果好，適應性強，操作彈性大，尤其適用于高溫、高壓和大型裝置中，是管式換熱器中應用*普遍的換熱器。
在列管式換熱器中，由于管內外流體溫度不同，使管束和殼體的受熱程度不同，導致它們的熱膨脹程度出現差別。若兩流體溫差較大，就可能由于熱應力而引起設備的變形，管子彎曲甚至破裂，嚴重時從管板上脫落。因此當兩流體的溫度差超過50℃時，就應從結構上考慮熱膨脹的影響，采取相應的熱補償措施。根據熱補償方法的不同，列管式換熱器分為三種形式。
（2）固定管板式換熱器
它是將兩端管板和殼體連接在一起，因而具有結構簡單，造價低廉的優點，但由于殼程清洗和檢修困難，管外物料應清潔、不易結垢 。對溫差稍大時可在殼體的適當部位焊上補償圈(或稱膨脹節)，通過補償圈發生彈性變形(拉伸或壓縮)來適應外殼和管束不同的膨脹程度，如圖示。這種補償方法簡單但有限，只適用于兩流體溫差小于70℃，殼程流體壓強小于0.6MPa的場合。
2、浮頭式換熱器
它是將一端管板與殼體相連，而另一端管板不與殼體固定連接，可以沿軸向自由浮動，如圖示。這種結構不但可完全消除熱應力，而且在清洗和檢修時整個管束可以從殼體中抽出。因而盡管其結構復雜，造價高，但應用較為普遍。
3、U型管式換熱器
它是將每根管子都彎成U型狀，兩端固定在同一管板的兩側，管板用隔板分成兩室，如圖示。這種結構使得每根管子可以自由伸縮，與其它管子和殼體無關，從而解決了熱補償問題。這種換熱器結構簡單，可用于高溫高壓，但管程不易清洗，而且因管子需要一定的彎曲半徑，故管板的利用率低。
4、蛇管式換熱器
（1）沉浸式蛇管換熱器
蛇管多以金屬管彎繞而成，或制成適應各種容器需要的形狀，沉浸在容器中。兩種流體分別在管內外流動通過蛇管表面進行換熱，如圖所示。其優點是結構簡單，制造方便，能承受高壓，可用耐腐蝕材料制造。缺點是容器內液體湍動程度低，管外對流傳熱系數小，傳熱效果可通過增設攪拌提高，此外傳熱面積有限，主要用于傳熱量不大的容器中。
（2）噴淋式蛇管換熱器
如圖示，將蛇管成排地固定在支架上，冷卻水由*上層管的噴淋裝置中均勻淋下，沿管表面流過，與管內熱流體換熱。其優點是傳熱效果較沉浸式好，傳熱面積大而且可以改變，檢修和清洗方便。缺點是噴淋不易均勻。
主要用于管內流體的冷卻，常設置在室外空氣流通處，
5、套管式換熱器
將兩種直徑不同的直管制成同心套管，根據換熱要求將若干段套管連接組合而成，如圖示。
每段套管稱為一程，長約4～6m，每程的內管依次與下一程的內管用U型彎頭連接，外管之間也由管子連通，可同時幾排并列，每排與總管相連。換熱時一種流體走管內，另一種流體走環隙，而且兩種流體可始終保持逆流換熱，Δtm大。適當選擇兩管的直徑，兩流體可得到較高的流速，故一般具有較高的傳熱系數。其優點是結構簡單，能耐高壓，傳熱面積易于增減；缺點是設備結構不緊湊，金屬耗用量大，一般用于換熱量不大的場合。
翅片管式換熱器
它是在管的表面上加裝一定形式的翅片，有橫向和縱向兩類。
翅片管換熱器主要用于兩種流體的對流傳熱系數相差較大時，在h小的一側加裝翅片，從而增大傳熱面積，提高流體的湍動程度，以提高對流傳熱系數。
為了使換熱器結構更為緊湊，提高單位體積的傳熱面積，增加傳熱效果，以及適應某些工藝過程的需要等，開發了以板狀作為傳熱面積的換熱器，稱為板式換熱器。
1、平板式換熱器
由一組長方形的金屬薄板平行排列在一起，采用夾緊裝置組裝于支架上而構成，見圖。而相鄰板間的邊緣襯有墊片(橡膠或壓縮石棉等)，壓緊后板內形成密封的液體通道。每塊板的4個角上有圓孔，其中一對圓孔和板間相通，而另外一對圓孔通過加裝墊片和板內相隔，在相鄰板上錯開以分別形成兩流體通道，從而使兩流體交錯地流過板片兩側通過板片進行換熱。板厚通常為0.5～3mm，板面壓制成波紋狀，兩板間距4～6mm，材質一般為不銹鋼。
特點是：
(1)總傳熱系數高。因板面壓制成波紋狀，流動湍動程度大，污垢熱阻小，在低雷諾數(Re=200左右)下即達到湍流，而且板薄，因而K值可達到1200～1500W/m2·K。
(2)結構緊湊。由于板薄而且兩板間距小，因而單位體積提供的傳熱面積大，可達到250～1000m2/m3，金屬耗用量少。
(3)操作靈活性大。因具有可拆結構，根據生產需要通過調節板數增減傳熱面積，檢修和清洗方便。
(4)兩流體嚴格成逆流，Δtm大，傳熱推動力大。
主要缺點是允許的操作壓強和溫度低。因板薄壓強高容易變形，墊片壓強高時容易滲漏，所以操作壓強不超過2MPa，因受墊片材料的耐熱性限制，操作溫度對橡膠墊不超過130℃，石棉墊不超過250℃。此外流通截面積小，故處理量小。自20世紀50年代以來，主要應用于輕工、食品等行業。
2、螺旋板式換熱器
它是由兩張互相平行的薄金屬板，卷制成同心的螺旋形通道。在其中央設置隔板將兩通道隔開，兩板間焊有定距柱以維持通道間距，螺旋板兩側焊有蓋板和接管。兩流體分別在兩通道內流動，通過螺旋板進行換熱，見圖。
分為I型、II型、III型和G型等幾種形式。
特點是：
(1)總傳熱系數高 由于流體在螺旋形通道內受到慣性離心力的作用和定距柱的干擾，低雷諾數(Re=1400～1800)下即可達到湍流，允許流速大(液體為2m/s，氣體為20m/s)，故傳熱系數大。如水對水換熱過程K=2000～3000W/m2·K。
(2)不易結垢和堵塞 由于流速較高且在螺旋形通道中流過，有自行沖刷作用，故流體中的懸浮物不易沉積下來。
(3)能利用低溫熱源 由于流道長而且兩流體可達到完全逆流，因而傳熱溫差大，能充分利用溫度較低的熱源。
(4)結構緊湊 由于板薄2～4mm，單位體積的傳熱面積可達到150～500m2/m3。
主要缺點是操作壓強不能超過2MPa，操作溫度在300～400℃以下，另外因整個換熱器焊為一體，一旦損壞檢修困難。螺旋板換熱器直徑在1.5m之內，板寬200～1200mm，板厚2～4mm，兩板間距5～25mm，可用普通鋼板和不銹鋼制造，目前廣泛用于化工、輕工、食品等行業。
3、板翅式換熱器
板翅式換熱器的結構型式很多，但是基本結構是由平行隔板和各種型式的翅片構成的板束組裝而成，如圖示。
在兩塊平行薄金屬之間，夾入波紋狀或其它形狀的翅片，兩邊以側條密封，即組成為一個換熱單元體。將各單元體進行不同的疊積和適當的排列，并用釬焊固定，成為并流、逆流、錯流的板束(或稱蕊部)。然后再將帶有流體進出口接管的集流箱焊在板束上，即成為板翅式換熱器。常用的翅片為光直型、鋸齒型和多孔型三種型式。
板翅式換熱器一般用鋁合金制造，結構緊湊、輕巧，單位體積傳熱面積可達到2500～4000m2/m3，傳熱系數高，空氣的對流傳熱系數可達到350W/m2·K，承壓可達5MPa。但容易堵塞，清洗困難，不易檢修，適用于清潔和無腐蝕性流體的換熱。現已在石油化工、氣體分離等工業中得到應用。
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