全面解析换热器（管式、板式、热管）的结构与性能特点

admin

换热器，这一在工艺流程中不可或缺的单元设备，其应用广泛，涵盖石油、制药、制冷等诸多工程领域。接下来，我们将深入剖析换热器的内部构造及其独特的性能特点。

一、换热器的分类

换热器，这一在工艺流程中扮演着关键角色的设备，其种类繁多，适应于不同的工程需求。接下来，我们将对换热器进行详细的分类探讨。
1、根据换热器的使用目的进行分类

(1)加热器：这类换热器专为将流体加热至特定温度而设计，且在加热过程中流体不会发生相变。

(2)预热器：其作用在于对流体进行预先加热，旨在提升整个工艺流程的效率。

(3)过热器：此类型换热器旨在将饱和蒸汽进一步加热至过热状态。

(4)蒸发器：专门用于加热液体，促使其蒸发汽化。

(5)再沸器：在蒸馏过程中发挥关键作用，加热已冷凝的液体，使其再次汽化。

(6)冷却器：此类换热器用于降低流体的温度，以满足特定的需求。

(7)冷凝器：其功能在于冷凝饱和蒸汽，使其在放出潜热后凝结成液体。
2、按换热器传热面形状和结构分类

(1)管式换热器：此类换热器主要通过管子壁面进行传热。其传热管结构多样，包括列管式换热管、套管式换热器、蛇管式换热器和翅片管式换热器等。管式换热器在各类换热器中应用最为广泛。

(2)板式换热器：这类换热器则通过板面进行传热。根据传热板的不同结构，板式换热器可分为平板式换热器、螺旋板式换热器、板翅式换热器和热板式换热器等几种。

(3)特殊形式换热器：此类换热器是根据特定的工艺需求而设计的，具有独特的结构特点。例如，回转式换热器和热管式换热器等就属于这一类别。
3、按换热器所用材料分类
(1)金属材料换热器：此类换热器以金属材料为主，如碳钢、合金钢、铜及铜合金、铝及铝合金、钛及钛合金等，均被广泛使用。金属材料的高热导率赋予了这类换热器出色的传热效率，因此，在工业生产中，金属材料换热器占据主导地位。

(2)非金属材料换热器：这类换热器则采用石墨、玻璃、塑料及陶瓷等非金属材料制造。由于非金属材料的热导率相对较低，其传热效率亦不及金属材料换热器。然而，它们特别适用于处理具有腐蚀性的物料，弥补了金属材料在某些环境下的不足。

二、管式换热器的结构与性能特点

管式换热器作为一种常见的换热设备，其结构特点主要包括换热管、管板、壳体等关键部件。这类换热器具有优异的传热性能，广泛应用于多种工业领域。同时，其结构简单、维护方便也是其受欢迎的重要原因之一。
．管壳式换热器
管壳式换热器，又称列管式换热器，是应用最为广泛的换热设备。其结构简单、坚固耐用，且造价低廉、用材广泛，同时具备清洗方便、适应性强等优点，因此在换热设备中占据着主导地位。这种换热器根据其结构特点，可分为以下几种类型。

（1）固定管板式换热器

固定管板式换热器由壳体、管束、封头、管板、折流挡板及接管等部件组成。其特征在于，两块管板分别焊接在壳体的两端，而管束则两端固定于管板上。换热器被划分为两部分：换热管内的通道及其与两端相通的部分被称为管程；而换热管外的通道及其与两端相通的部分则被称为壳程。在操作过程中，冷、热流体分别在管程和壳程中连续流动，流经管程的流体被称为管（或管程）流体，而流经壳程的流体则被称为壳（或壳程）流体。


若管流体仅需通过管程一次，则称为单管程。在换热器传热面积较大，所需管子数量众多时，为提升管流体的流速，通常会将换热管划分为若干组，使流体在管内进行多次往返，这被称为多管程。常见的管程数有2、4、6、8等，虽然增加管程数能提高流速和管内对流传热系数，但同时也会增大流动阻力。因此，在实际应用中，管程数不宜过多，以2和4管程最为常见。

同样，壳流体在壳程内的流动也类似。若壳流体仅需通过壳程一次，则称为单壳程。为提升壳流体的流速，可以在与管束轴线平行的方向上设置纵向隔板，将壳程划分为多段。然而，壳程的分程虽然能增加流速、延长流程并强化传热，但也会增大流动阻力和制造安装难度，因此在工程上应用较少。为了优化壳程的换热效果，通常采用折流挡板来强化传热。

固定管板式换热器的结构简单且紧凑，在相同的壳体直径下，其排管数最多且旁路最少。此外，每根换热管均可单独更换，且内部清洗方便。但需要注意的是，其壳程无法进行机械清洗。当换热管与壳体存在较大温差（超过50℃）时，会产生温差应力，此时需要在壳体上设置膨胀节，限制壳程压力不宜过高。因此，固定管板式换热器最适合用于壳方流体清洁、不易结垢且两流体温差不大或温差较大但壳程压力不高的场合。

另一方面，浮头式换热器的结构特点是其中一端管板与壳体非固定连接，允许在壳体内自由伸缩，即浮头设计。这使得在换热管与壳体存在温差时，两者能够自由膨胀而不会产生温差应力。同时，浮头式换热器的管束可以从壳体内轻松抽出，便于内部清洗。然而，其结构相对复杂、用材多、造价高。另外，浮头盖与浮动管板之间的密封性若出现问题，可能导致两种介质的混合。因此，浮头式换热器最适合用于壳体和管束壁温差较大或壳程介质易结垢的场合。

（3）U 型管式换热器
U型管式换热器以其独特结构著称，其中换热管设计为U型，两端均固定在同一个管板上，使得管束具备自由伸缩的能力。这一设计有效避免了因壳体与U型换热管存在温差而产生的温差应力问题。该换热器不仅结构简单、密封面少，而且运行可靠、造价低廉。此外，其管束可轻松抽出，为管间清洗提供了极大便利。然而，它也存在一定的不足，如管内清洗相对困难、管板利用率较低（受管子弯曲半径限制）、内层管间距大可能导致壳程短路，以及内层管子损坏后难以更换，进而报废率较高等。尽管如此，U型管式换热器在管、壳壁温差较大或壳程介质易结垢的场合中仍表现出色，尤其适用于高温、高压、腐蚀性强的介质处理，因其能使高压空间减小、密封问题易于解决，同时节约材料并减少热损失。

（4）填料函式换热器

填料函式换热器以其独特的结构受到关注，其中管板仅在一端与壳体相连，另一端则通过填料函进行密封。这种设计使得管束能够自由伸缩，从而有效避免了因壳壁与管壁温差而产生的温差应力问题。相比浮头式换热器，其结构更为简单，制造更为便捷，且耗材较少，造价相对较低。此外，管束可以从壳体内轻松抽出，不仅便于管内清洗，也易于进行管间清洗，维修工作变得简单而高效。然而，填料函式换热器也存在一定的局限，其耐压能力相对较低，通常不超过4.0MPa；同时，壳程介质有可能通过填料函发生外漏，因此不适用于易燃、易爆、有毒或贵重的介质。总的来说，填料函式换热器在管、壳壁温差较大或介质易结垢的场合中表现出色，特别适合需要经常清理且压力不高的应用场景。

（5）釜式换热器

釜式换热器独具特色，其壳体上部巧妙地设置了蒸发空间，兼具蒸汽室的功能。管束的配置则灵活多变，既可选择固定管板式，也可采用浮头式或U型管式。这种换热器的清洗和维修相当便捷，特别适合处理不清洁或易结垢的介质，并且能够应对高温、高压的工作环境。因此，它广泛应用于液-汽式换热场合，甚至可作简结构的废热锅炉之用。

除了上述提及的五种换热器类型，还存在其他多种形式的管壳式换热器，例如插管式换热器和滑动管板式换热器等。
．螺旋板换热器

蛇管式换热器，作为管式换热器中的一种，以其结构简单和操作便捷而闻名。根据不同的换热方式，它可分为沉浸式和喷淋式两种主要类型。沉浸式蛇管换热器，以其金属管弯绕制成的适应容器形状，沉浸在容器内的液体中，实现管内、管外两种流体的换热。其常用的蛇管形状也多种多样。

这种换热器的优点在于其结构简单、价格亲民、易于防腐蚀，并能承受较高的压力。然而，由于其容器的体积远大于蛇管的体积，导致管外流体的传热膜系数相对较小。因此，为了提升其传热效率，常需要配备搅拌装置。

（2）喷淋式蛇管换热器，这种换热器主要用于冷却管内的热流体。其工作原理是，固定在支架上的蛇管呈垂直排列，热流体从下部的管子进入，再由上部的管子流出。同时，冷却水通过管上方的喷淋装置均匀地喷洒在上层蛇管上，并沿着管外表面向下流，直至下层蛇管表面，最终汇集在排管的底盘中。这种装置常置于室外空气流通处，利用冷却水在空气中的气化过程带走部分热量，从而增强冷却效果。

与沉浸式蛇管换热器相比，喷淋式蛇管换热器在检修清理方面显得更为便捷，同时其传热效果也更为出色。然而，它也存在一些不足之处，包括体积较为庞大，占地面积相对较大，以及冷却水量需求较高，喷淋均匀度有时难以控制。尽管如此，由于蛇管换热器整体结构简单、操作起来相当方便，因此它依然被广泛应用于制冷装置和小型制冷机组中。
．套管式换热器
与喷淋式蛇管换热器相比，套管式换热器在结构上更为紧凑，占地面积相对较小。同时，其传热效率也相对较高，能够更好地满足高强度换热的需求。此外，套管式换热器还具有操作简便、维护成本低等特点，因此在一些需要高强度换热且空间有限的场合，如化工生产和石油提炼等领域，套管式换热器得到了广泛的应用。

套管式换热器是由两种不同直径的直管相互套合，形成同心圆般的结构。其内管通过U型肘管依次相连，而外管则相互连接，共同构成了这种换热器的独特构造，如图4-43所示。在套管式换热器中，每一段套管都被称为一程，其数量可以根据实际传热面积的需求进行灵活增减。当进行换热时，一种流体在内管中流动，而另一种流体则在环隙中流动，内管的壁面就成为了主要的传热面。

套管式换热器具有结构简洁明了的优点，能够承受较高的压力。其传热面积具有灵活性，能够根据实际需求进行增减。通过合理选择管内外径，可以增加流体的流速，同时实现两种流体之间的逆流换热，从而有效促进传热过程。然而，该换热器也存在一些不足之处，例如单位传热面积所需的金属材料较多，且管子接头众多，给检修和清洗带来了一定的不便。因此，套管式换热器更适合用于高温、高压以及小流量流体之间的换热场景。
4. 翅片管式换热器
翅片管式换热器通过在管外增加翅片，扩大了传热面积，进一步强化了传热效果。这种换热器结构紧凑，能够适应高温、高压的工作环境，同时还能用于小流量流体的换热。然而，其缺点在于翅片容易积灰，需要定期清洗，以确保换热效率不受影响。因此，在选择时，需要根据实际使用场景和需求来权衡其优缺点。

翅片管式换热器，亦被称为管翅式换热器，其独特之处在于换热器管的外表面或内表面附着众多翅片。这些翅片通常可分为纵向和横向两种类型，而工业上常用的翅片形式也多种多样。

翅片与管表面的紧密连接至关重要，因为若连接处存在间隙，会导致接触热阻显著增加，进而影响传热效率。为了确保紧密连接，常采用热套、镶嵌、张力缠绕以及焊接等方法。此外，翅片管的制造工艺也多种多样，包括整体轧制、整体铸造和机械加工等。
在化工生产中，气体的加热和冷却是常见需求。由于气体的对流传热系数相对较小，当与气体换热的另一流体为水蒸汽冷凝或冷却水时，气体侧的热阻往往会成为传热的限制因素。为了强化传热，我们需要增加气体侧的对流传热面积。通过在换热管的气体侧增设翅片，不仅可以显著增大传热面积，还能增强气体的湍动程度，从而降低气体侧的热阻，提高气体传热系数。

尽管加装翅片会增加设备成本，但在某些情况下，如两种流体的对流传热系数之比超过3:1时，采用翅片管式换热器在经济上显得尤为合理。这种换热器作为空气冷却器在工业上有着广泛的应用。通过使用空气代替水冷，不仅适用于缺水地区，而且在水源充足的地方也能带来显著的经济效益。

三、板式换热器的结构与性能特点

板式换热器由一系列波纹板片组成，通过这些板片的交替排列，形成了流道。其结构特点在于波纹板片的设计，这种设计不仅增强了换热器的紧凑性，还优化了流体的流动路径，从而提高了传热效率。此外，板式换热器还具有结构简单、拆卸方便、易于维护等优点，使其在化工生产中得到了广泛的应用。
．平板式换热器的结构与特点

平板式换热器，简称板式换热器，其核心结构如图片4-46所示。它由多组长方形的薄金属板平行且紧密地排列，并通过支架进行夹紧组装。相邻板片的边缘则衬有垫片，这些垫片在压紧后能够形成密封的流体通道，同时，通过调节垫片的厚度，可以灵活地控制通道的大小。每块板的四个角上都开有圆孔，其中两个与板面上的流道相连通，另外两个则不连通。这种设计巧妙地确保了两种流体在相邻板上能够错位流动，从而形成了各自的通道。在换热过程中，冷、热流体交替地流过板片两侧，通过金属板片的直接接触进行高效的热量交换。

为了进一步优化换热效果，板片通常会被冲压成凹凸的波纹状。这些波纹形状多样，但常用的包括水平波纹、人字形波纹和圆弧形波纹等。这些波纹设计不仅增大了传热面积，还有助于促进流体的湍动，从而提高换热效率。

板式换热器的核心部件——板片

板式换热器的性能与其核心部件——板片的设计和制造质量息息相关。这些板片通常由金属材料制成，经过精密的冲压工艺，形成了凹凸的波纹状表面。这些波纹不仅增加了传热面积，还有助于增强流体的湍动，进而提升换热效率。在制造过程中，对板片的尺寸精度、表面粗糙度以及波纹的一致性都有着严格的要求，以确保换热器的性能稳定可靠。

板式换热器的优势在于其结构紧凑，能够在有限的设备体积内提供广阔的换热面积。其组装过程灵活多变，根据实际需求可以轻松增减板数，从而灵活调整传热面积。板面特有的波纹设计使得流体在通过时的截面变化复杂，进而增强了流体的扰动，显著提高了传热效率。此外，板式换热器的拆装过程简便快捷，为日常的维护和清洗带来了极大的便利。

然而，板式换热器也存在一些不足之处。由于其处理量相对较小，且操作时的压力和温度受密封垫片材料的性能限制，因此不适宜在过高压力和温度下使用。但总体而言，板式换热器非常适合那些需要经常清洗、工作环境紧凑且工作压力在2.5 MPa以下、温度在-35℃至200℃之间的场合。
．螺旋板式换热器

螺旋板式换热器以其独特的结构形式，在实际应用中展现出了出色的性能。其核心特点在于板片呈螺旋状排列，这种设计不仅使得流体在换热器内的流动路径更为曲折，从而增强了流体的扰动，还进一步提升了传热效率。此外，螺旋板式换热器的拆装过程也相对简便，为日常的维护和清洗提供了极大的便利。然而，该换热器也存在一定的局限性，例如其处理能力受到板片尺寸和数量的限制，且在处理高温高压环境下的流体时可能存在一定的难度。总体而言，螺旋板式换热器在那些需要高效传热、便于清洗且工作压力在1.6 MPa以下、温度在-50℃至350℃之间的场合中表现尤为出色。

螺旋板式换热器，如图4-48所示，是由两张保持一定间距的平行薄金属板卷制而成。这两张薄金属板构成了两个同心的螺旋型通道，其间焊有定距柱以确保通道间距的稳定。在螺旋板的两侧，则焊有盖板以密封通道。在换热过程中，冷、热流体分别流经这两条通道，通过薄金属板进行高效的热量交换。此外，根据流动方式的不同，常用的螺旋板式换热器可分为四种类型。

（1）Ⅰ型螺旋板式换热器

Ⅰ型螺旋板式换热器的两侧螺旋通道完全焊接密封，构成不可拆结构，如图（a）所示。在换热过程中，冷流体从外周流向中心，而热流体则从中心流向外周，形成完全逆流。这种设计使得两种流体能够进行高效的热量交换，特别适用于液体与液体间的传热。

（2）Ⅱ型螺旋板式换热器

Ⅱ型螺旋板式换热器的一个螺旋通道两侧焊接密封，而另一个通道则敞开，如图（b）所示。这种设计允许一种流体沿螺旋通道流动，同时另一种流体沿换热器的轴向流动。这种结构特别适用于两流体流量差异较大的场合，常被用作冷凝器或气体冷却器。

（3）Ⅲ型螺旋板式换热器

Ⅲ型螺旋板式换热器的结构如图（c）所示。在这种设计中，一种流体进行螺旋流动，而另一种流体则同时具有轴向和螺旋向的流动。这种结构特别适用于汽体的冷凝过程。

（4）G型螺旋板式换热器

G型螺旋板式换热器，又称塔上型，常被安装在塔顶作为冷凝器使用，采用立式安装方式，下部通过法兰与塔顶法兰相连结。在换热过程中，汽体由下部进入中心管上升至顶盖处折回，然后沿轴向自上而下流过螺旋通道，被冷凝后排出。

螺旋板式换热器的显著优势在于其螺旋通道设计。由于流体在惯性离心力和定距柱的共同作用下，能在较低的雷诺数下即进入湍流状态，且允许采用较高的流速，从而显著提高了传热系数。此外，流速的提升和离心力的作用还使得流体中的悬浮物难以沉积，有效减少了结垢和堵塞的可能性。更长的流体流程和两流体间的完全逆流设计，使得换热器能在较小的温差下工作，从而充分利用了低温热源。此外，其结构紧凑，单位体积的传热面积约为管壳式换热器的三倍。然而，也存在一定的操作限制：操作温度和压力不宜过高，目前最高操作压力为2MPa，温度需控制在400℃以下。此外，由于换热器整体采用卷制工艺，一旦发生泄漏，维修难度较大。
．热板式换热器
热板式换热器，一种高效板面式换热器，其核心传热组件为特制的热板。这些热板依据等阻力流动原理，通过点焊或滚焊工艺，将双层或多层金属平板精心制成各种图案，并边缘密封，形成一体化的结构。在高压环境下，平板间充气构建出流动空间，优化流道设计，从而实现高效传热。热板的厚度和层数均可灵活调整，如不等厚双层热板、等厚双层热板、三层不等厚热板以及四层等厚热板等多样化形式，为设计者提供了广泛的选择空间。

热板式换热器在流动状态上表现出色，其阻力小且传热效率极高。该换热器能够根据特定的工程需求，灵活地制成各种不同形状，同时，根据所处理介质的特性，可以选择合适的板材进行制作。因此，热板式换热器在加热、保温、干燥以及冷凝等多种工艺过程中都能发挥出色作用，其作为一种创新型的换热器，无疑具有极为广阔的应用空间。

四、热管换热器的结构与性能特点

热管换热器以其独特的结构和卓越的性能，在换热领域占据了一席之地。其结构主要包括热管本体、冷凝端和蒸发端，通过这些部分的巧妙组合，实现了高效的传热效果。同时，热管换热器还具有以下特点：一是传热效率高，能够迅速将热量从一处传递到另一处；二是结构紧凑，占用空间小，便于安装和使用；三是适应性强，可根据不同的工程需求进行定制化设计。这些特点使得热管换热器在能源、化工、制冷等多个领域都得到了广泛的应用。

热管换热器，一种以热管为核心传热单元的新型高效换热器，由壳体、热管及隔板精妙构成。热管，作为核心的传热元件，不仅具有出色的导热性能，更是一种真空容器，其关键组件包括壳体、吸液芯以及工作液。在工作过程中，壳体被抽成真空后注入适量工作液，随后密闭形成热管。当热源对热管的一端进行加热时，工作液会吸收热量并蒸发汽化。携带潜热的蒸汽在压差驱动下，迅速传输至壳体的另一端，并向冷源释放潜热而凝结。随后，凝结的冷凝液在重力作用下回流至热端，再次经历沸腾汽化。这一循环往复的过程，确保了热量能够持续不断地从热端传递至冷端。

热管，这一高效的传热元件，根据其冷凝液循环方式的不同，可分为吸液芯热管、重力热管和离心热管三类。吸液芯热管利用毛细管作用使冷凝液返回热端，这种设计使得它在失重环境下也能正常工作。重力热管则依靠重力引导冷凝液流回热端，其传热具有单向性，通常垂直放置。而离心热管则通过离心力使冷凝液回到热端，非常适合用于旋转部件的冷却。
此外，热管还以其工作液的工作温度进行分类，包括深冷热管、低温热管、中温热管和高温热管。它们分别在200K以下、200550K、550750K和750K以上的温度范围内工作，所选用的工作液也各不相同。

热管的独特传热机制在于其通过沸腾汽化、蒸汽流动和蒸汽冷凝三个步骤进行热量传递。由于沸腾和冷凝的过程都伴随着强烈的对流传热，而蒸汽的流动阻力损失又相对较小，因此热管能够在很小的温差下传递巨大的热流量。这一特性使得它在低温差传热场合以及需要高等温性要求的场合中表现出色。

基于这些优点，热管换热器在结构上简单且耐用，具有广泛的应用范围，能够处理气─气、气─液和液─液之间的换热过程。