五、換熱設備
換熱器是用來完成各種傳熱過程的設備，它是化工、石油、核能和其他許多工業(yè)部門廣泛應用的一種通用工藝設備。
（一）換熱設備分類
熱傳遞有3種基本方式：傳導、對流和輻射。
1．按作用原理或傳熱方式分類
（1）混合式換熱器。
（2）蓄熱式換熱器。
（3）間壁式換熱器。這種形式的換熱器使用最廣泛。
2．按生產(chǎn)中的使用目的分類?？煞殖衫鋮s器、加熱器、冷凝器、汽化器（或再沸器）和換熱器等。
3．按換熱器所用材料分類。一般分成金屬材料和非金屬材料換熱器。
4．按換熱器傳熱面的形狀和結(jié)構(gòu)分類。
（二）幾種常用換熱器
常用的換熱器有夾套式、蛇管式、套管式、列管式、螺旋板式、板式、板翅式等。
1、夾套式換熱器
這種換熱器構(gòu)造簡。換熱器的夾套安裝在容器的外部，夾套與器壁之間形成密封的空間，作為載熱體（加熱介質(zhì)）或載冷體（冷卻介質(zhì)）的通路。夾套一般用碳鋼或鑄鐵制成，可焊在器壁上或者用螺釘固定在容器的法蘭或器蓋上。
夾套式換熱器主要用于反應過程的加熱或冷卻。在用蒸汽進行加熱時，蒸汽由上部接管進入夾套，冷凝水則由下部接管流出。作為冷卻器時，冷卻介質(zhì)（如冷卻水）由夾套下部的接管進入，而由上部的接管流出。
該種換熱器的傳熱系數(shù)較小，傳熱面又受到容器的限制，因此只適用于傳熱量不太大的場合。為了提高其傳熱性能，可在容器內(nèi)安裝攪拌器，使容器內(nèi)液體作強制對流；為了彌補傳熱面的不足，還可在容器內(nèi)安裝蛇管換熱器。
2、蛇管式換熱器
其傳熱面是由彎曲成圓柱形或平板形的蛇形管子組成。制作蛇管的材料有鋼管、銅管或其他有色金屬管、陶瓷管、石墨管等。蛇管式換熱器可分沉浸式和噴淋式兩種。
（1）沉浸式蛇管換熱器。蛇管多以金屬管彎制，制成適應容器要求的形狀，沉浸在容器中。兩種流體分別在蛇管內(nèi)、外流動而進行熱量交換。這種蛇管換熱器的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉，便于防腐，能承受高壓。主要缺點是由于容器的體積較蛇管的體積大得多，故管外流體的對流換熱系數(shù)較小，因而總傳熱系數(shù)K值也較小。如在容器內(nèi)加攪拌器或減小管外空間，則可提高傳熱系數(shù)。
（2）噴淋式蛇管換熱器。噴淋式蛇管換熱器多用作冷卻器。這種設備常放置在室外空氣流通處，冷卻水在汽化時，可帶走部分熱量，可提高冷卻效果。它和沉浸式蛇管換熱器相比，具有便于檢修和清洗、傳熱效果較好等優(yōu)點，其缺點是噴淋不易均勻。
3、套管式換熱器
套管式換熱器系用管件將兩種尺寸不同的標準管連接成為同心圓的套管，然后用180°的回彎管將多段套管串連而成。套管式換熱器的優(yōu)點是：構(gòu)造較簡單；能耐高壓；傳熱面積可根據(jù)需要而增減；適當?shù)剡x擇管子內(nèi)徑、外徑，可使流體的流速較大，且雙方的流體可作嚴格的逆流，有利于傳熱。缺點是：管間接頭較多，易發(fā)生泄漏；單位換熱器長度具有的傳熱面積較小。故在需要傳熱面積不太大而要求壓強較高或傳熱效果較好時，宜采用套管式換熱器。
4、列管式換熱器
列管式換熱器是目前生產(chǎn)中應用最廣泛的換熱設備，與前述的各種換熱器相比，主要優(yōu)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(jié)構(gòu)較簡單，制造的材料范圍較廣，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。
在列管換熱器中，由于兩流體的溫度不同，使管束和殼體的溫度也不相同，因此它們的熱膨脹程度也有差別，若兩流體的溫差較大（50℃以上）時，就可能由于熱應力而引起設備的變形，甚至彎曲或破裂，因此必須考慮這種熱膨脹的影響。根據(jù)熱補償方法的不同，列管式換熱器有下面幾種形式：
（1）固定管板式熱換器。所謂固定管板式即兩端管板和殼體連接成一體，因此它具有結(jié)構(gòu)簡單和造價低廉的優(yōu)點。但是由于殼程不易檢修和清洗，因此殼方流體應是較潔凈且不易結(jié)垢的物料。當兩流體的溫差較大時，應考慮熱補償。例如具有補償圈（或稱膨脹節(jié)）的固定管板式換熱器，即在外殼的適當部位焊上一個補償圈，當外殼和管束熱膨脹不同時，補償圈發(fā)生彈性變形（拉伸或壓縮），以適應外殼和管束的不同的熱膨脹程度，這種補償方法簡單，但不宜用于兩流體的溫差較大（大于70℃）和殼方流體壓強過高（高于600kPa）的場合。
（2）U型管換熱器。管子彎成U型，管子的兩端固定在同一塊管板上，因此每根管子可以自由伸縮，而與其他管子和殼體均無關(guān)。這種形式換熱器的結(jié)構(gòu)也較簡單，重量輕，適用于高溫和高壓場合。其主要缺點是管內(nèi)清洗比較困難，因此管內(nèi)流體必須潔凈；且因管子需一定的彎曲半徑，故管板的利用率差。
（3）浮頭式換熱器。浮頭式換熱器兩端管板之一不與外殼固定連接，該端稱為浮頭。當管子受熱（或受冷）時，管束連同浮頭可自由伸縮，而與外殼的膨脹無關(guān)，浮頭式換熱器不但可以補償熱膨脹，而且由于固定端的管板是以法蘭與殼體相連接的，因此管束可從殼體中抽出，便于清洗和檢修，故浮頭式換熱器應用較為普遍，但結(jié)構(gòu)較復雜，金屬耗量較多，造價較高。
（4）填料函式列管換熱器。該換熱器的活動管板和殼體之間以填料函的形式加以密封。在一些溫差較大、腐蝕嚴重且需經(jīng)常更換管束的冷卻器中應用較多，其結(jié)構(gòu)較浮頭簡單，制造方便，易于檢修清洗。
5、板片式換熱器
板片式換熱器的傳熱面是由冷壓成形或經(jīng)焊接的金屬板材構(gòu)成的。屬于這類的換熱器有螺旋板式換熱器、板式換熱器和板翅式換熱器等。
6、非金屬換熱器
在化工生產(chǎn)中有不少具有強腐蝕性的物料，這時用普通材料制成的換熱設備不能滿足需要。隨著化學工業(yè)的發(fā)展，出現(xiàn)和發(fā)展了許多耐腐蝕的新型材料（如陶瓷、玻璃、聚四氟乙烯、石墨等）的換熱器。
例題1．與沉浸式蛇管換熱器相比，噴淋式蛇管換熱器的主要特點為（ ）。
A. 可承受較高的壓力 B. 傳熱效果較好 C. 檢修和清洗困難 D. 管板利用率低
答案：B. 傳熱效果較好
例題2.沉浸式蛇管換熱器的缺點是（ ）。
A．結(jié)構(gòu)復雜 B．價格高
C．承壓低 D．總傳熱系數(shù)K值較小
答案：D．總傳熱系數(shù)K值較小
例題3．目前生產(chǎn)中應用最廣泛的傳熱設備是（ ）。
A．沉浸式蛇管換熱器 B．噴淋式蛇管換熱器
C．套管式換熱器 D．列管式換熱器
答案：D．列管式換熱器
換熱器是用來完成各種傳熱過程的設備，它是化工、石油、核能和其他許多工業(yè)部門廣泛應用的一種通用工藝設備。
（一）換熱設備分類
熱傳遞有3種基本方式：傳導、對流和輻射。
1．按作用原理或傳熱方式分類
（1）混合式換熱器。
（2）蓄熱式換熱器。
（3）間壁式換熱器。這種形式的換熱器使用最廣泛。
2．按生產(chǎn)中的使用目的分類?？煞殖衫鋮s器、加熱器、冷凝器、汽化器（或再沸器）和換熱器等。
3．按換熱器所用材料分類。一般分成金屬材料和非金屬材料換熱器。
4．按換熱器傳熱面的形狀和結(jié)構(gòu)分類。
（二）幾種常用換熱器
常用的換熱器有夾套式、蛇管式、套管式、列管式、螺旋板式、板式、板翅式等。
1、夾套式換熱器
這種換熱器構(gòu)造簡。換熱器的夾套安裝在容器的外部，夾套與器壁之間形成密封的空間，作為載熱體（加熱介質(zhì)）或載冷體（冷卻介質(zhì)）的通路。夾套一般用碳鋼或鑄鐵制成，可焊在器壁上或者用螺釘固定在容器的法蘭或器蓋上。
夾套式換熱器主要用于反應過程的加熱或冷卻。在用蒸汽進行加熱時，蒸汽由上部接管進入夾套，冷凝水則由下部接管流出。作為冷卻器時，冷卻介質(zhì)（如冷卻水）由夾套下部的接管進入，而由上部的接管流出。
該種換熱器的傳熱系數(shù)較小，傳熱面又受到容器的限制，因此只適用于傳熱量不太大的場合。為了提高其傳熱性能，可在容器內(nèi)安裝攪拌器，使容器內(nèi)液體作強制對流；為了彌補傳熱面的不足，還可在容器內(nèi)安裝蛇管換熱器。
2、蛇管式換熱器
其傳熱面是由彎曲成圓柱形或平板形的蛇形管子組成。制作蛇管的材料有鋼管、銅管或其他有色金屬管、陶瓷管、石墨管等。蛇管式換熱器可分沉浸式和噴淋式兩種。
（1）沉浸式蛇管換熱器。蛇管多以金屬管彎制，制成適應容器要求的形狀，沉浸在容器中。兩種流體分別在蛇管內(nèi)、外流動而進行熱量交換。這種蛇管換熱器的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉，便于防腐，能承受高壓。主要缺點是由于容器的體積較蛇管的體積大得多，故管外流體的對流換熱系數(shù)較小，因而總傳熱系數(shù)K值也較小。如在容器內(nèi)加攪拌器或減小管外空間，則可提高傳熱系數(shù)。
（2）噴淋式蛇管換熱器。噴淋式蛇管換熱器多用作冷卻器。這種設備常放置在室外空氣流通處，冷卻水在汽化時，可帶走部分熱量，可提高冷卻效果。它和沉浸式蛇管換熱器相比，具有便于檢修和清洗、傳熱效果較好等優(yōu)點，其缺點是噴淋不易均勻。
3、套管式換熱器
套管式換熱器系用管件將兩種尺寸不同的標準管連接成為同心圓的套管，然后用180°的回彎管將多段套管串連而成。套管式換熱器的優(yōu)點是：構(gòu)造較簡單；能耐高壓；傳熱面積可根據(jù)需要而增減；適當?shù)剡x擇管子內(nèi)徑、外徑，可使流體的流速較大，且雙方的流體可作嚴格的逆流，有利于傳熱。缺點是：管間接頭較多，易發(fā)生泄漏；單位換熱器長度具有的傳熱面積較小。故在需要傳熱面積不太大而要求壓強較高或傳熱效果較好時，宜采用套管式換熱器。
4、列管式換熱器
列管式換熱器是目前生產(chǎn)中應用最廣泛的換熱設備，與前述的各種換熱器相比，主要優(yōu)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(jié)構(gòu)較簡單，制造的材料范圍較廣，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。
在列管換熱器中，由于兩流體的溫度不同，使管束和殼體的溫度也不相同，因此它們的熱膨脹程度也有差別，若兩流體的溫差較大（50℃以上）時，就可能由于熱應力而引起設備的變形，甚至彎曲或破裂，因此必須考慮這種熱膨脹的影響。根據(jù)熱補償方法的不同，列管式換熱器有下面幾種形式：
（1）固定管板式熱換器。所謂固定管板式即兩端管板和殼體連接成一體，因此它具有結(jié)構(gòu)簡單和造價低廉的優(yōu)點。但是由于殼程不易檢修和清洗，因此殼方流體應是較潔凈且不易結(jié)垢的物料。當兩流體的溫差較大時，應考慮熱補償。例如具有補償圈（或稱膨脹節(jié)）的固定管板式換熱器，即在外殼的適當部位焊上一個補償圈，當外殼和管束熱膨脹不同時，補償圈發(fā)生彈性變形（拉伸或壓縮），以適應外殼和管束的不同的熱膨脹程度，這種補償方法簡單，但不宜用于兩流體的溫差較大（大于70℃）和殼方流體壓強過高（高于600kPa）的場合。
（2）U型管換熱器。管子彎成U型，管子的兩端固定在同一塊管板上，因此每根管子可以自由伸縮，而與其他管子和殼體均無關(guān)。這種形式換熱器的結(jié)構(gòu)也較簡單，重量輕，適用于高溫和高壓場合。其主要缺點是管內(nèi)清洗比較困難，因此管內(nèi)流體必須潔凈；且因管子需一定的彎曲半徑，故管板的利用率差。
（3）浮頭式換熱器。浮頭式換熱器兩端管板之一不與外殼固定連接，該端稱為浮頭。當管子受熱（或受冷）時，管束連同浮頭可自由伸縮，而與外殼的膨脹無關(guān)，浮頭式換熱器不但可以補償熱膨脹，而且由于固定端的管板是以法蘭與殼體相連接的，因此管束可從殼體中抽出，便于清洗和檢修，故浮頭式換熱器應用較為普遍，但結(jié)構(gòu)較復雜，金屬耗量較多，造價較高。
（4）填料函式列管換熱器。該換熱器的活動管板和殼體之間以填料函的形式加以密封。在一些溫差較大、腐蝕嚴重且需經(jīng)常更換管束的冷卻器中應用較多，其結(jié)構(gòu)較浮頭簡單，制造方便，易于檢修清洗。
5、板片式換熱器
板片式換熱器的傳熱面是由冷壓成形或經(jīng)焊接的金屬板材構(gòu)成的。屬于這類的換熱器有螺旋板式換熱器、板式換熱器和板翅式換熱器等。
6、非金屬換熱器
在化工生產(chǎn)中有不少具有強腐蝕性的物料，這時用普通材料制成的換熱設備不能滿足需要。隨著化學工業(yè)的發(fā)展，出現(xiàn)和發(fā)展了許多耐腐蝕的新型材料（如陶瓷、玻璃、聚四氟乙烯、石墨等）的換熱器。
例題1．與沉浸式蛇管換熱器相比，噴淋式蛇管換熱器的主要特點為（ ）。
A. 可承受較高的壓力 B. 傳熱效果較好 C. 檢修和清洗困難 D. 管板利用率低
答案：B. 傳熱效果較好
例題2.沉浸式蛇管換熱器的缺點是（ ）。
A．結(jié)構(gòu)復雜 B．價格高
C．承壓低 D．總傳熱系數(shù)K值較小
答案：D．總傳熱系數(shù)K值較小
例題3．目前生產(chǎn)中應用最廣泛的傳熱設備是（ ）。
A．沉浸式蛇管換熱器 B．噴淋式蛇管換熱器
C．套管式換熱器 D．列管式換熱器
答案：D．列管式換熱器