换热器
一、夹套式换热器
如图所示，为一夹套式换热器。这种换热器结构简单，即在反应器(或容和的外部筒体部分焊接或安装一夹套层，在夹套与器壁之间形成密闭的空间，成为一种流体的通道。
夹套式换热器主要用于反应器的加热或冷却。当蒸气进行加热时，蒸气由上部接管进入夹套，冷凝水由下部接管排出。如用冷却水进行冷却时，则由夹套下部接管进入，而由上部接管流出。由于夹套内部清洗比较困难，故一般用不易产生垢层的水蒸气、冷却水等作为载热体。
这种换热器的传热系数较小，传热面又受到容器冷凝液的限制，因此适用于传热量不大的场合。为了提高其传热性能，可在容器内安装搅拌器，使容器内液体作强制对流。为了弥补传热面积的不足，还可在容器内加设蛇管等。当夹套内通冷却水时，可在夹套内加设挡板，这样既可使冷却水流向一定，又可使流速增大，以提高对流传热系数。
二、蛇管式换热器
1.沉浸式蛇管换热器
如图所示，为一沉浸式蛇管换热器。蛇管多以金属管弯绕成窗口器的形状，沉浸在容器中的液体内。两种流体分别在管内、外流动进行热交换。
沉浸式蛇管换热器
这种换热器的优点是结构简单，价格低廉，便于防腐，能承受高压。其主要缺点是管外对流传热系数较小，因而传热系数K值也较小如在容器内加设搅拌器，则可提高传热系数。
2.喷淋式蛇管换热器
喷淋式蛇管换热器
如图所示，它是用水作为喷淋冷却剂，以冷却管内的热流体，故常称为水冷器。冷却水从上面的水槽(或分布管)中淋下，沿蛇管表面下流，与管内的热流体进行热交换。这种设备通常放置在室外空气流通处，冷却水在外部汽化时，可带走部分热量，以提高冷却效果。它与沉浸式蛇管换热器相比，具有便于检修、清洗和传热效果较好等优点；其缺点是占地较大，喷淋不易均匀，耗水量大。
三、套管式换热器
如图所示，为一套管式换热器。这种换热器是由两种不同直径的管子装成同心套管，每一段直出口-管称为一程，程数根据换热任务和要求确定。每程的有效长度为4～6m，内管直径在38～89mm范围内选取，外管直径在60～114mm范围内选取，一般均选标准管。
套管换热器的优点是结构简单，能耐高压，传热面积可根据需要易于增减，恰当地选择内管和外管的直径，可使流体流速增大，且呈浦流状态，故一般具有较高的传热系数，同时也可减少垢层的形成，两种流体可始终保持逆流流动，传热效果较好。其缺点是单位传热面积的金属消耗量大，占地较大。故一般适用于流量不大、所需传热面积较小及高压的场合。
四、列管式换热器
列管式换热器又称管壳式换热器，是目前石油化工生产中应用^广泛的一种换热器。它与其它换热器相比，主要优点是单位体积所具有的传热面积大，传热效果好，结构比较简单，处理能力大，适应性强，操作弹性大，尤其在高温、高压和大型装置中应用更为普遍。
1.列管换热器的结构
列管换热器主要由壳体、管束(换热管)、管板(又称花板)、顶盖(又称封头)和连接管等部件组成。
壳体内装有管束，管束是由许多无缝钢管两端固定在管板上组成的，固定的方法可用胀接法，也可用焊接法。
一种流体通过管内流动，其行程称为管程，另一种流体在壳体与管束间的空隙流动，其行程称为壳程。
流体一次通过管程的称为单管程列管换热器。当换热器的传热面积较大时，管子数目较多，为提高管程的流体流速，常将管子平均分成若干组，使流体在管内依次往返多次通过，称为多管程。
增加管程数虽然可以提高流速使对流传热系数增大，但随着管程数增加，流体流动阻力增大，动力费用增加，结构也变得复杂，故管程数不宜过多，通常多为2、4、6程。
同样，为提高壳程的流体流速，增大壳程侧的对流传热系数。当常在壳程安装折流挡板，以常见的折流挡板有圆缺形(或称弓形)和圆盘形两种，前者应用较为广泛。
圆缺形折流挡板
圆盘形折流挡板
2.列管式换热器的基本型式
列管式换热器操作时，由于冷、热两流体温度不同，使壳体和管束的温度也不同，其膨胀程度就不同。如果两流体的温度相差较大(如50℃以上)时，就可能由于热应力而引起设备的变形，甚至弯曲和断裂、或管子从管板上松脱，因此就必须从结构上采取适当的温差补偿措施，以消除或减小热应力。根据采取热补偿的措施不同，列管式换热器常有以下三种基本形式。
(1)固定管板式换热器
如图所示，为具有补偿圈(或称膨胀节)的固定管板式列管换热器，当壳体与管束间有温差时，依靠补偿圈的弹性变形，来适应壳体与管束间的不同热膨胀。这种补偿结构一般适用于壳体与管束间的温度差低于50℃，壳程压力小于6kgf/cm2的情况。这种换热器具有结构比较简单、造价低廉的优点；但其缺点是因管束不能抽出而使壳程清洗困难，因此要求壳程的流体应是较清洁且不易结垢的物料。
(2)浮头式换热器
如图所示，为一浮头式换热器，两端管板中有一端不与壳体固定相连，该端称为浮头。当壳体与管束因温度不同而引起热膨胀时，管束连同浮头就可在壳体内自由伸缩，而与壳体无关，从而解决热补偿问题。另外，由于固定端的管板是以法兰与壳体相连接的，因此管束可以从壳体中抽出，便于清洗和检修，所以浮头式换热器应用较为普遍，其缺点是结构比较复杂，金属消耗量多，造价较高。
(3)U形管式换热器
如图所示，为一U形管式换热器，每根管子都弯成U形，两端均固定在同一管板上，因此管子可以自由伸缩，从而解决热补偿问题。这种型式换热器结构较简单，重量轻，适用于高温和高压的情况。其主要缺点是管程清洗比较困难，且因管子有一定弯曲半径，管板利用率较低，管程不易清洗，因此管程流体必须清洁。
上述三种型式的列管式换热器，我国已有系列化标准，其规格和系列标准课本P298-303。
五、其它类型换热器
除了上述几种在炼油及石油化工生产中普通应用的换热器外，还有其它类型的换热器。目前应用虽然不太普遍，但由于这些换热器具有设备紧凑句单位体积传热面积大、金属材料耗量少及传热效果好等优点，其使用范围正日益扩大。下面简单介绍几种。
1.翅片式换热器
为了增加传热面，提高传热效果，在换热管表面上加上纵向(轴向)或横向(径向)翅片，称为翅片换热器，常见的几种翅片形式如图5-36所示
当相互换热的两流体的对流传热系数相差较大时，如用水蒸气加热空气或粘性大的液体，用空气冷却热的液体时，则空气或粘性大的液体一侧的热阻为控制性热阻。此时，如在换热管的气体或粘性大的液体一侧增设翅片，既可增大了气体一侧的对流传热面积(翅片的面积为光滑管面积的2～9倍)，又可增强气体流动的湍动程度，从而提高了换热器的传热效果。一般来说，当两流体的对流传热系数之比等于或大于3时，为强化传热，宜采用翅片式换热器。
翅片的种类很多，按其高度可分为高翅片和低翅片两种。高翅片适用于冷、热流体的对流传热系数相差大的场合，如气体的加热或冷却。低翅片多为螺纹管，适用于冷、热流体的对流传热系数相差不太大的场合，如粘度较大流体的加热或冷却等。
目前，在炼油和石油化工中，翅片式换热器较为重要的应用是空气冷却器(简称空冷器)，由翅片管束、风机和支架组成。热流体进入各管束中，经冷却后汇集于排出管排出。冷空气由轴流式通风机吹过管束，通风机装在管束下方称为强制式空冷器；通风机装在管束上方称为引风式空冷器。
由于管外增设了翅片，这样既增大了传热面积，同时又增强了管外空气的端流程度，因而就减少了管子内、外对流传热系数过于悬殊的影响，从而提高了换热器的传热效果。
空冷器的优点是不用冷却水，动力消耗较水冷低。
主要缺点是：热介质入口温度较低(例如＜70-80℃)用空冷温差太小；介质凝点太高(例如高于5℃)，用空冷时可能在局部地方易于造成管子堵塞；介质出口温度要求较低，用空冷在夏季难于满足要求。
2.螺旋板式换热器
螺旋板式换热器是一种新型换热器，是由两张平行的薄钢板焊接在一块分隔板(中心隔板)上，并卷制成一对互相隔开的螺旋形流道。两板之间焊有定距柱以维持流道的问距，同时也增强螺旋板的刚度。螺旋板的两端焊有盖板，两端面及螺旋板上设有冷、热流体进、出口接管。冷、热流体分别在两个螺旋形流道中流动，通过螺旋板进行热量交换。如图所示。
螺旋板式热交换器
1、2-金属片 3-隔板 4、5-冷流体连接管 6、7热流体连接管
螺旋板式换热器的直径一般在1.6m以内，板宽为200～1200mm，极厚为2～4mm，两板间距为5～25mm。常用材料为碳钢或不锈钢。螺旋板式换热器的主要优点是结构紧凑，单位体积所提供的传热面积大(约为列管式换热器的三倍)；流体允许有较高的流速(液体可达2m/s，气体可达20m/s)，湍流程度大，传热系数较大(约为列管换热器的1～2倍)；可实现纯逆流操作；不易结垢，不易堵塞。其主要缺点是操作压力和温度不宜太高，流体流动阻力较大，不易检修，且对焊接质量要求很高。故一般操作压力低于2Okgf/cm2，温度在300～400℃以下。
3.板式换热器
板式换热器是由一组矩形金属薄板平行排列、相邻板之间衬以垫片并用框架夹紧组装而成。板片四角开有圆孔，形成流体通道，冷、热流体分别在同一板片两侧流过，通过板片进行换热。为其组装流。板片厚度为0.5～3mm，通常压制成各种波纹形状。
流体流向示意图 水平波纹板
板式换热器的主要优点是:结构紧凑，单位体积设备提供的传热面积大，约为250～1000m2/m3，而列管式换热器只有40～150m2/m3；传热系数高，对低粘度液体传热，传热系数可达1500～4700W/(m2.℃)，^高可达7000W/(m2.℃)，操作灵活，适应性大，可以根据需要增减板数以调整传热面积，加工制造容易、检修清洗方便、热损失少。其主要缺点是:因受到板片刚度、垫片种类及沟槽结构的限制，允许的操作压力较低；因受垫片材质的限制，操作温度不能太高，对合成橡胶垫片，操作温度不超过130℃，对压缩石棉垫片也应低于250℃；因板间距小，流道截面小，流速不能过大，所以处理量较小，不易密封，易泄漏，易于堵塞。
4.热管换热器
热管换热器是一种新型、高效、节能换热器，广泛使用于航天航空业，并逐步用于加热炉对流室烟气余热回收中。它是由数根热管组成的。热管外部装有翅片以提高传热效果。热管管束中间装有隔板，冷、热流体分别在隔板的两侧流动，通过热管进行热量传递。
其工作原理为:当热管的两端分别被加热(与热流体接触)和冷却(与冷流体接触)时，被加热的一端(称为蒸发段)管中的液体吸热蒸发成为蒸气，蒸气沿管中心通道向另一端(称为冷凝段)并在此冷凝放出热量，由于多孔管芯毛细作用，冷凝下来的液体又会自动地沿管芯流回蒸发段。如此循环往复，通过工作介质的蒸发、冷凝，将热量由热流体传递至冷流体。热管换热器具有传热效率高、结构紧凑、操作简单、使用寿命长等优点。
热管的结构及工作原理
1-管壳 2-管芯 3-凝液流 4-蒸气流 5-隔板
