换热设备的换热过程
现以间壁式换热器为例说明其换热过程。在间壁式换热设备 中，主要是传导和
对流两种传热方式。如图3-1所示，温度不同的 两种流体被器壁隔开，温度为t ι的
热流体以对流的方式将热量传 给器壁的一侧，器壁以传导方式将热量从一侧传向另
一侧，最后器 壁的另一侧又以对流方式将热量传给温度为t 2的冷流体。即对流- 导
热-对流的传热过程。经理 论分析，在此传热 过程中，热流体传 给冷流体的传热速
率与传热面积、冷热流体的温度差及传热系数成 正比。因此增大传热面积、提 高传
热系数、增 大冷热流体的温度差 都可提高传热速率，但在实际应用中温度差是不能
随意改变的，增 大传热面积又会使设备的结构庞大，制造成本加大，而传热系数又
与诸多因素有关，所以在工程实际中应全面考虑各种因素，综合分 析，设计出既能
满足工艺要求，又结构紧凑，且成本低廉、效率高的换热设备。
一般应从如下几方面考虑。
(1) 增加流体的流速，以增加流体的湍流程度来提高流体的传热系数，但增 大流速会增加流体流
过换热元件时的压力降，使泵、压缩机的负荷加大，能耗增 加，故应将传热系数和压力降综合考虑，选择适宜的流速。就流体本身而言，粘 度越小则传热系数越大，液体的传热系数远大于气体的传热系数。另外，在冷凝 或汽化时传热系数比无相变换热过程要高得多，这 些都是设计、使用换热 器时应 注意的。
(2) 尽量采用导热性能好的材料作为换热元件，如钢、铜、铝等金属材料， 并且在强度和结构允
许的情况下尽量使器壁薄一些；在使用过程中，器壁 面上往 往会沉淀结垢，如水垢、油垢、结焦等，这些污垢的传热系数很低，会大大降低 设备的传热系数，所以换热设备要定期清扫除垢。
(3) 流体的温度是由工艺条件确定的，所以两种流体的温度差是不可随意增 大的，但若使两种流
体在设备中按逆流方式流动，则可使其平均温差大于顺流时 的平均温差，有利于热量的传递。
(4) 可通过在管式换热器中采用翅片管、波纹管和小直径的换热管等方式来 增大传热面积，在板
片式换热器中由于传热表面是薄板，更易压制成各种形状， 以增大传热面积和增加流体的湍流状态，提高传热效率。 按用途分类
化工生产中所用的各种换热设备因其功用不同，也相应地有不同的名称。
(1) 冷却器用水或其他冷却介质冷却液体或气体。用空气冷却或冷凝工艺介 质的称为空冷器；用
低温的制冷剂，如冷盐水、氨、氟利昂等作为冷却介质的称 为低温冷却器。
(2) 冷凝器冷凝蒸气或混合蒸气。若蒸气经过时仅冷凝其中一部分，则称为 部分冷凝器；如果全
部冷凝为液体后又进一步冷却为过冷的液体，则称为冷凝冷 却器；如果通入的蒸气温度高于饱和温度，则在冷凝之前，还经过一段冷却阶段， 这就叫冷却冷凝器。
(3) 加热器用蒸汽或其他高温载热体来加热工艺介质，以提高其温度。
(4) 换热器在两个不同工艺介质之间进行显热交换，即在冷流体被加热的同 时，热流体被冷却。
(5) 再沸器用蒸汽或其他高温介质将蒸馏塔底的物料加热至沸腾，以提供蒸 馏时所需的热量。
(6) 蒸气发生器用燃料油或气的燃烧加热生产蒸气。如果被加热汽化的是水， 也叫蒸汽发生器，
即锅炉；如果被加热的是其他液体物，则统称为汽化器。
(7) 过热器将水蒸气或其他蒸气加热到饱和温度以上。
(8) 废热(或余热)锅炉凡是利用生产过程中的废热(或余热)来产生蒸汽 的统称为废热锅炉。
图3 -1经过語嚨的 换热过程
按换热方式分类
换热设备根据热量传递方法的不同，可以分为间壁式、直接接触式和蓄热式三大类。
(1)间壁式换热器温度不同的两种流体通过隔离流体的固体壁(器壁)面进行热量传递，两流体之间因有器壁分开，故互不接触，这是化工生产经常要求的条件，也是应用最广泛的一类。
(2)直接接触式换热器又称混合式换热器，冷流体和热流体在进入换热器后直接接触传递热量。这种方式对于工艺上允许两种流体可以混合的情况下，是比较方便而有效的，如凉水塔、文氏管、喷射式冷凝器等。
(3)蓄热式换热器又称蓄热器，是一个充满蓄热体(如格子砖)的蓄热室，热容量很大。温度不同的两种流体先后交替地通过蓄热室，高温流体将热量传给蓄热体，然后蓄热体又将这部分热量传给随后进入的低温流体，从而实现间接的传热过程。这类换热器结构较为简单，可耐高温，常用于高温气体的冷却或废热回收，如回转式蓄热器。
化工生产中应用最多的是各类间壁式换热器。在间壁式换热器中，由于传热过程不同，操作条件、流体性质、间壁材料及制造加工等因素，决定了换热器的结构类型也是多种多样的。
根据间壁的形状，间壁式换热器大体上分为管式和板面式两大类。
管式换热器有管壳式、套管式、蛇管式、螺旋管式等，板面式换热器有板式、螺旋板式、板翅式、板壳式等。
管壳式换热器管程结构
管板
管板是换热器的主要部件之一。现代高温高压大型换热器中，管板的重量可超过20t，厚度达300mm 以上。它在换热器制造成本中占有相当大的比重。在选择管板材料时，除要满足机械强度的要求以外，还必须考虑管内和管外流体的腐蚀性，以及管板与管子材料的电化学兼容性等问题。最常见的材料是碳钢和合金钢。但合金钢很贵，从经济上考虑，采用复合板或堆焊衬里是合适的。
管子
管子材料常用的为碳钢、低合金钢、不锈钢、铜、海军铜、铜镍合金、铝合金。此外还有一些非金属材料（如石墨、陶瓷等）亦有采用。在现代化工和石油工业中，高温、高压和腐蚀常常同时存在。在设计和制造换热器时，正确选用材料很重要，既要满足工艺条件要求，又要经济。目前一般认为在高温应用中，金属复合材料是发展方向，这样可以节省大量贵重金属。
管板和管子的连接
管板和管子的连接是管壳式换热器制造中最主要的问题。连接方法基本上还是胀接和焊接。对于高温高压管子，常常焊、胀并用。目前手工胀管已逐渐被自动或半自动胀管设备代替。在大批量生产中，已釆用双头和多头胀管器及整套设备，一台自动多头胀管器每小时可胀接一千多根管子，效率很高。由于胀接是靠管子的变形来达到密封和压紧的一种机械连接方法，当温度升高时，材料的刚性下降，热膨胀应力也增大，可能引起接头脱落或松动，发生泄漏。因此，在高温下，不宜用胀接。除操作温度外，压力、材质等对胀接质量及适用范围都有影响。近年来焊接法所占的比重日益增加，一般认为，焊接比胀接更能保证严密性。对于碳钢或低合金钢，温度在300 C以上，大都采用焊接连接。因
为当温度在300C 以上时，蠕变造成胀接残余应力松弛，将使胀口失效。目前广泛采用焊接加胀接。这种方法能够提高接头的抗疲劳性能，并且能消除应力腐蚀和间隙腐蚀，从而延长接头的使用寿命。
强化传热表面
如果管内、外的传热膜系数相差大，设法强化膜系数较低一侧的壁表面是很有效的。常用的方法有两种：一种是增大表面积，这有各种各样的翅片管，如横向的高翅片和低翅片管、纵向翅片管。不仅管外壁面有翅片，内壁面亦可有翅片。根据具体情况来选用合适的翅片管，如高翅片管大多用于空气冷却器；对于管壳式换热器，常用的是低翅片管（或称螺纹管），它可增加外壁面积2? 5倍（相对于同样管径的光管而言）。管子两端没有翅片，以便于管子和管板连接。翅片的外径应略小于无翅片部分，使管子能顺利地通过管板和支撑板或折流板上的管孔。另一种方法是提高传热系数。针对不同的传热机理，采取不同的措施。沟槽管用于冷凝；多孔表面用于沸腾；还有波纹管，不仅可以增大传热面积，而且可以提高湍流程度，从而提高膜系数。
封头和管箱
封头和管箱是换热器的主要部件，位于壳体两端，其作用是控制及分配管程流体。如管内流体有腐蚀性，封头或管箱所用的材料应与管子和管板相匹配。当壳体直径较小时，常采用封头，接管和封头可用法兰连接或用螺纹连接。封头与壳体之间则用螺栓连接。检查或清洗管子时，必须卸下封头。壳径较大的换热器，大多采用管箱。管箱具有一个可卸盖板，因此在检查或清洗管子时，无须卸下管箱。这样，管箱上的接管可不受干扰。管箱维修方便，但价格较高。管箱与壳体用螺栓连接。管箱的结构、密封形式、法兰连接和管箱上开孔等都是设计时应多
加考虑的问题。这些部件的好坏，直接影响换热器的效率。在高压下，应
尽量减小各种开口尺寸，以
便采用较小尺寸的法兰连接。在高温下，还应尽可能地减少法兰连接。因为在高温下，特别是当温度超过500C时，材料的强度便急剧下降, 结果会使连接的法兰和螺栓都要设计得十分粗大。
管壳式换热器壳程结构
壳体
壳体有各种形式，但基本上就是一个圆筒形状的容器，器壁上焊有接管，供壳程流体进入和排出之用。直径小于400mm的壳体，通常用钢管制成，大于400mm 时都用钢板卷焊而成。壳体的圆度很重要，圆度差的壳体，会使折流板与壳体之间的缝隙加宽，漏流增大，降低传热效率。
在壳程进口接管处常装有防冲板或称缓冲板，以防止进口流体直接撞击管束上部的管排。这种撞击会侵蚀管子，并且会引起振动。图3-12所示为两种进口接管和防冲板的布置。图a是普通接管，为了不使进口处局部阻力过大，必须抽出一些管子，传热面积因而略有减小。图b是一扩大型接管，防冲板放在扩大部分，不影响管数。也有采用导流筒装置，位于管束两端，它不仅能起防冲板作用，而且还可以改善两端的流体分布，提高传热效率。图3-13所示为两种不同结构的导流筒，图a 的结构比较简单，但要抽去一部分管子；图b是在壳体外焊有一段环状夹套，原来的壳体构成了夹套的内层。在它的壁面上，沿着圆周开有方形或长方形孔，孔的总面积远远大于进口接管的截面积。这种结构常作为气体或蒸汽进口的分布器，故又称为带状蒸汽分布器。这种结构型式，不用抽去管子，传热效率有所提高，但造价较高，导流筒不仅用丁进口，也可用于出口。目前采用导流筒的换热器不多，但研究证明，在许多情况下是应该采用的，尤其是大型换热器在高流速条件下工作，将更显示出其优越性。
折流板(a) a IA接管扩大型接鶯
?1 3-12进口接管&防冲扳的布
导流爾
导浙:Hs (b)
图3-13 导流PI结构示意图
折流板的作用是引导壳程流体反复地改变方向作错流流动或其他形式的流 动，并可调节折流板
间距以获得适宜流速，提高传 热效率。另外，折流板 还可起 到支撑管束的作用。
(1) 纵向折流板。其目的是使壳程和管程流体达到完全逆流，提高平均温差。 但由于密封困
难，常常发生泄漏，不仅达不到原来 的目的，甚至破坏操作。而且 制造上也较复杂，故很少采用。
(2) 圆缺形(弓形)折流板。如图3-14所示，这是一种错流式折流板。缺口 的大小用切除高度与壳内径之比值来表示。常用的缺口大小为20%? 25%。对于低 压气体系统，
图3-14 折流板缺口方位示意图
为了尽量减小压降，缺口大小常达40%? 45%。大多数换热器采用水平缺口的
折流板，但它不适用于水平放置的冷凝器，因为不利于凝液的排放；也不适用于
较脏的流体，因为脏物可能沉积在折流板之间，这时应采用垂直缺口。图3-15
所示为各种形式的折流板。其中 最常用的是单缺口和双缺口折流板。当要 求压降
特别低时，采用三缺口或缺口无管式较好。孔流式及盘与环折流板已很少见。
图3-16所示为缺口无管的换热器示意图。由于缺口区不排管子，传热面积略有减小，但缺口无管时压降很小，可以适当地提高流速，从而提高传热系数。另外，这种换热器具有很好的防振动的性能。
图:i- Pfi ??口无野换热器
确定折流板间距的原则主要是考虑流体流动，比较理想的是使缺口的流通截面积和通过管束的错流流动截面积大致相等。这样可以减小压降，并且避免或减小“静止”区，从而改善传热效果。板间距不得小于壳内径的1/5或50mm o另外，还应考虑振动问题。
折流板上管孔及折流板直径的大小应使管孔与管子之间及折流板与壳内壁之间的间隙合乎要求。间隙过大，泄漏严重，对传热不利，而且还会有振动的问题。间隙过小，安装困难。
蒸汽操作规程
引送蒸汽以前，必须首先排净管道内的积水，以防汽水相击，造成“水锤”效应，引起不必要的安全事故。因此，必须小心谨慎，不能操之过急，须按照以下程序进行：
一、引用蒸汽：
1、首先打开送蒸汽管线上的所有倒淋阀门，排净管道内的积水。
2、暖管操作：
A、通知调度，先微开蒸汽输送阀“暖管”，从倒淋处排除冷凝水。
B 、当倒淋处积水排尽，有干蒸汽冒出时，方可关闭阀门，从前往后逐段进行，直到管线内积水完全排尽。
C 、在暖管过程中，应注意检查管道支架与膨胀节的情况，如发
3 、引蒸汽操作：暖管过程结束后通知调度，逐步打开蒸汽输送阀，
使管道升压直至完全开启，开启后应加关半圈，以防热胀而卡死。操作时应缓慢起压，防止管道震动，造成破坏，升压速率应不超过每分钟0.2MPa为宜。
二、引用蒸汽进装置：
1、通知各用蒸汽单位，开启蒸汽管道和减温减压装置的所有疏水阀、放净阀，排出管道内积存水和凝结水。
2、缓慢打开蒸汽总阀的跨线阀门，手动打开减温减压装置
0.4MPa> 1.1MPa蒸汽管线自调阀门进行主管线暖管操作（过程如上A、
B、C所述），从倒淋处排水。
3、引蒸汽操作：暖管过程结束后，即可逐步打开蒸汽输送阀，
使管道升压直至完全开启，开启后应加关半圈，以防热胀而卡死。操作时应缓慢起压，防止管道震动，造成破坏。升压速率：升压速率应不超过每分钟0.2MPa为宜。此时应手动控制减温减压装置0.4MPa
1.1MPa蒸汽管线自调阀门，勿使管线超压，当压力稳定后投用自调。