图解各种换热器工作原理和特点

一、换热器

1、U形管式换热器

每根管子都弯成U形，固定在同一侧管板上，每根管可以自由伸缩，也是为了消除热应力。

性能特点：

（1）优点

此类换热器的特点是管束可以自由伸缩，不会因管壳之间的温差而产生热应力，热补偿性能好；管程为双管程，流程较长，流速较高，传热性能较好；承压能力强；管束可从壳体内抽出，便于检修和清洗，且结构简单，造价便宜。（2）缺点

是管内清洗不便，管束中间部分的管子难以更换，又因较内层管子弯曲半径不能太小，在管板中心部分布管不紧凑， 所以管子数不能太多，且管束中心部分存在间隙，使壳程流体易于短路而影响壳程换热。

此外，为了弥补弯管后管壁的减薄，直管部分需用壁较厚的管子。这就影响了它的使用场合，仅宜用于管壳壁温相差较大，或壳程介质易结垢而管程介质清洁及不易结垢，高温、高压、腐蚀性强的情形。

2、沉浸式蛇管换热器

沉浸式蛇管换热器以蛇形管作为传热元件的换热器，是间壁式换热器种类之一。根据管外流体冷却方式的不同，蛇管式换热器又分为沉浸式和喷淋式。

（1）优点

这是一种古老的换热设备。它结构简单，制造、安装、清洗和维修方便，便于防腐，能承受高压，价格低廉，又特别适用于高压流体的冷却、冷凝，所以现代仍得到广泛应用。

（2）缺点

由于容器体积比管子的体积大得多、笨重、单位传热面积金属耗量多，因此管外流体的表面传热系数较小。为提高传热系数，容器内可安装搅拌器。

3、列管式换热器

冷流体走管内，热流体经折流板走管外，冷、热流体通过间壁换热。

性能特点：

列管式换热器的结构比较简单、紧凑、造价便宜，但管外不能机械清洗。此种换热器管束连接在管板上，管板分别焊在外壳两端，并在其上连接有顶盖，顶盖和壳体装有流体进出口接管。通常在管外装置一系列垂直于管束的挡板。同时管子和管板与外壳的连接都是刚性的，而管内管外是两种不同温度的流体。因此，当管壁与壳壁温差较大时，由于两者的热膨胀不同，产生了很大的温差应力，以至管子扭弯或使管子从管板上松脱，甚至毁坏换热器。

为了克服温差应力必须有温差补偿装置，一般在管壁与壳壁温度相差50℃以上时，为安全起见，换热器应有温差补偿装置。但补偿装置（膨胀节）只能用在壳壁与管壁温差低于60～70℃和壳程流体压强不高的情况。一般壳程压强超过0.6MPa时，由于补偿圈过厚，难以伸缩，失去温差补偿的作用，就应考虑其它结构。

4、螺旋板式换热器

由两块相互平行的钢板，卷制成相互隔开的螺旋形流道。螺旋板的两端焊有盖板。冷热流体分别在两流道内流动。

性能特点：

（1）传热效率高（性能好）

一般认为螺旋板式换热器的传热效率为列管式换热器的1～3倍。等截面单通道不存在流动死区，定距柱及螺旋通道对流动的扰动降低了流体的临界雷诺数，水-水换热时，螺旋板式换热器的传热系数较大可达3000W/（㎡·K）。

（2）有效回收低温热能

螺旋板式换热器由两张卷制而成，进行余热回收，充分利用低温热能。

（3）运行可靠性强

不可拆式螺旋板式换热器螺旋通道的端面采用焊接密封，因而具有较高的密封性，保证两种工作介质不混合。

（4）阻力小

在壳体上的接管采用切向结构。比较低的压力损失，处理大容量蒸汽或气体；有自清刷能力，因其介质呈螺旋型流动，污垢不易沉积；清洗容易，可用蒸汽或碱液冲洗，简单易行，适合安装清洗装置；介质走单通道，允许流速比其他换热器高。

（5）可多台组合使用

单台设备不能满足使用要求时，可以多台组合使用。但组合时，必须符合下列规定：并联组合、串联组合，设备和通道间距相同。混合组合：一个通道并联，一个通道串联。

5、喷淋式换热器

热流体在裸露的管中流过，冷却水喷淋流过蛇管。

性能特点：

这种换热器是将换热管成排地固定在钢架上，热流体在管内流动，冷却水从上方喷淋装置均匀淋下，故也称喷淋式冷却器。喷淋式换热器的管外是一层湍动程度较高的液膜，管外给热系数较沉浸式增大很多。

另外，这种换热器大多放置在空气流通之处，冷却水的蒸发亦带走一部分热量，可起到降低冷却水温度，增大传热推动力的作用。因此，和沉浸式相比，喷淋式换热器的传热效果大有改善。

6、热管换热器

一根密封的金属管子，管内壁覆盖一层有毛细结构材料作成的芯网，其中间是空的。管内装有一定量的热载体（如液氨、氟利昂等），被气化，流向冷端，蒸汽在冷端被冷凝，放出汽化潜热，而加热了冷流体。冷凝液又流回热端，如此反复。

性能特点：

（1）热管换热器可以通过换热器的中隔板使冷热流体完全分开，在运行过程中，单根热管因为磨损、腐蚀、超温等原因发生破坏时，基本不影响换热器运行。热管换热器用于易然、易爆、腐蚀性强的流体，换热场合具有很高的可靠性。

（2）热管换热器的冷、热流体完全分开流动，可以比较容易的实现冷、热流体的逆流换热。冷热流体均在管外流动，由于管外流动的换热系数远高于管内流动的换热系数，用于品位较低的热能回收场合非常经济。

（3）对于含尘量较高的流体，热管换热器可以通过结构的变化、扩展受热面等形式，解决换热器的磨损和堵灰问题。

（4）热管换热器用于带有腐蚀性的烟气余热回收时，可以通过调整蒸发段、冷凝段的传热面积来调整热管管壁温度，使热管尽可能避开较大的腐蚀区域。

7、套管式换热器

冷、热流体分别在内管和套管中流动并换热。

（1）优点

这种换热器具有若干突出的优点，所以至今仍被广泛用于石油化工等工业部门。

结构简单，传热面积增减自如。因为它由标准构件组合而成，安装时，无需另外加工。传热效能高。它是一种纯逆流型换热器，同时还可以选取合适的截面尺寸，以提高流体速度，增大两侧流体的传热系数，因此它的传热效果好。液-液换热时，传热系数为 870～1750W/（m2·℃）。这一点特别适合于高压、小流量、低传热系数流体的换热。套管式换热器的缺点是占地面积大；单位传热面积金属耗量多，约为管壳式换热器的五倍；管接头多，易泄漏；流阻大。结构简单，工作适应范围大，传热面积增减方便，两侧流体均可提高流速，使传热面的两侧都可以有较高的传热系数，是单位传热面的金属消耗量大，为增大传热面积、提高传热效果，可在内管外壁加设各种形式的翅片，并在内管中加设刮膜扰动装置，以适应高粘度流体的换热。可以根据安装位置任意改变形态，利于安装。（2）缺点

检修、清洗和拆卸都较麻烦，在可拆连接处容易造成泄漏。生产中，有较多材料选择受限，由于套管式换热器大多是内管中不允许有焊接，因为焊接会造成受热膨胀开裂，而套管式换热器大多数为了节省空间选择，弯制，盘制成蛇管形态，故有较多特殊的耐腐蚀材料无法正常生产。套管换热器国内还没有形成统一的焊接标准，各个企业都是根据其它换热产品经验选择焊接方式，所以，套管式换热器的焊接处，出现各类问题司空见惯，需要经常注意检查，保养。二、具有补偿圈的换热器

1、浮头式换热器

两端的管板，有一段不与壳体相连，可以在管长方向自由浮动，当壳体与管束因温度不同而引起不同的热膨胀时，可以消除热应力。

冷流体入口 热流体入口

（1）优点

管束可以抽出，以方便清洗管、壳程；介质间温差不受限制；可在高温、高压下工作；可用于结垢比较严重的场合；可用于管程易腐蚀场合。（2）缺点

小浮头易发生内漏；金属材料耗量大，成本高20%；结构复杂。2、夹套式换热器

夹套式换热器是间壁式换热器的一种，在容器外壁安装夹套制成。

性能特点：

结构简单，但其加热面受容器壁面限制，传热系数也不高。为提高传热系数且使釜内液体受热均匀，可在釜内安装搅拌器。当夹套中通入冷却水或无相变的加热剂时，亦可在夹套中设置螺旋隔板或其它增加湍动的措施，以提高夹套一侧的给热系数。为补充传热面的不足，也可在釜内部安装蛇管。夹套式换热器广泛用于反应过程的加热和冷却。

3、板翅式换热器

由隔板、肋片和侧条组成单元体，多个单元体经逆流或错流组装为组装件，再将带有集流出口的集流箱焊接到组装件上。由于材料轻薄，换热面积与换热器体积之比可达4000 m2/ m3 。

性能特点：

（1）传热效率高，由于肋片对流体的扰动使边界层不断破裂，因而具有较大的换热系数；同时由于隔板、肋片很薄，具有高导热性，所以使得板肋式换热器可以达到很高的效率。

（2）紧凑，由于板肋式换热器具有扩展的二次表面，使得它的比表面积可达到1000 m2/ m3 。

（3）轻巧，原因为紧凑且多为铝合金制造，现在钢制，铜制，复合材料等的也已经批量生产。

（4）适应性强，板肋式换热器可适用于：气－气、气－液、液－液、各种流体之间的换热以及发生集态变化的相变换热。通过流道的布置和组合能够适应：逆流、错流、多股流、多程流等不同的换热工况。通过单元间串联、并联、串并联的组合，可以满足大型设备的换热需要。工业上可以定型、批量生产以降低成本，通过积木式组合扩大互换性。

（5）制造工艺要求严格，工艺过程复杂。

（6）容易堵塞，不耐腐蚀，清洗检修很困难，故只能用于换热介质干净、无腐蚀、不易结垢、不易沉积、不易堵塞的场合。

4、涡流热膜换热器

流热膜换热器体积只有传统管壳式换热器的1/5，采用全不锈钢焊接结构。既具有钎焊板式换热器体积小、耐高温的优势，又克服了框架板式换热器胶条老化、维护费用高的缺陷，它采用经纳米技术处理的不锈钢涡流管作为换热元件，极大提高了换热器的整体性能。

性能特点：

节能，该换热器传热系数为6000～8000W/（m2·℃）；全不锈钢制作，使用寿命长，可达20a以上，十年内出现换热器质量问题免费更换；改层流为湍流，提高了换热效率，降低了热阻；换热速度快，耐高温（400℃），耐高压（2.5MPa）；结构紧凑，占地面积小，重量轻，安装方便，节约土建投资；设计灵活，规格齐全，实用针对性强，节约资金；应用条件广泛，适用较大的压力、温度范围和多种介质热交换；维护费用低，易操作，清垢周期长，清洗方便；采用纳米热膜技术，显著增大传热系数；应用领域广阔，可广泛用于热电、厂矿、石油化工、城市集中供热、食品医药、能源电子、机械轻工等领域。