來源：裝置達人
1、概述
在化工生産中，為了保證化學反應的順利進行，使化學反應維持在一定溫度和壓力下進行。有時需要加熱，有時需要冷卻。是以合理而有效地進行傳熱是化工生産中十分重要的基本操作之一。
1. 傳熱的基本方式
根據傳熱機理的不同，熱傳遞有三種基本方式：熱傳導、對流傳熱和輻射傳熱。
1.1 熱傳導:是依靠物體内分子的互相碰撞進行的熱量傳遞過程。
1.2 對流傳熱:流體内部質點發生宏觀相對位移而引起的熱量傳遞過程，對流傳熱隻能發生在液體或氣體流動的場合。
1.3 輻射傳熱:熱量以電磁波的形式在空間的傳遞稱為熱輻射。熱輻射與熱傳導和對流傳熱的最大差別就在于它可以在完全真空的地方傳遞而無需任何媒體。
2. 傳熱過程中冷熱流體(接觸)熱交換方式
傳熱過程中冷熱流體(接觸)熱交換可分為三種基本方式，直接混合式換熱，間壁式換熱，蓄熱式換熱三種。
2.1 直接混合式換熱：冷、熱流體直接接觸，互相混合傳遞熱量。該類型換熱器結構簡單，傳熱效率高，适用于冷、熱流體允許混合的場合。
2.2 蓄熱式換熱：蓄熱式換熱是在蓄熱器中實作熱交換的一種換熱方式。此類換熱器是借助于熱容量較大的固體蓄熱體，将熱量由熱流體傳給冷流體。當蓄熱體與熱流體接觸時，從熱流體處接受熱量，蓄熱體溫度升高，然後與冷流體接觸，将熱量傳給冷流體，蓄熱體溫度下降，進而達到換熱的目的。
2.3 間壁式換熱：冷、熱流體被固體壁面(傳熱面)所隔開，互不接觸，它們在壁面兩側流動，熱量由熱流體通過壁面傳給冷流體。适用于冷、熱流體不允許混合的場合。
換熱器：能實作冷熱流體之間熱量交換的裝置。
一、換熱器的分類
1、按傳熱面結構分：
1.1 管式換熱器
可分為列管式換熱器、蛇管式換熱器、套管式換熱器、噴淋式換熱器、翅片管式換熱器；
1.2 闆式換熱器
可分為平闆式換熱器、翅片闆式換熱器、螺旋闆式換熱器、闆殼式換熱器；
2、按用途分：
2.1 預熱器：用于預熱物料；
2.2 加熱器：用于流體，産品的加熱；
2.3 冷卻器：用于流體的冷卻；
2.4 冷凝器：用于流體、蒸汽的冷凝，分餾過程的餾分回收或産生真空；
2.5 再沸器：用于被精餾物料的加熱、汽化。
3、按傳熱方式分:
直接混合式換熱器，間壁式換熱器，蓄熱式換熱器三種。其中間壁式換熱器在化工生産中應用最廣。
3.1 間壁式換熱器
3.1.1 列管式換熱器
列管式換熱器是目前生産上應用最廣的一種換熱裝置。它主要由殼體、換熱管、封頭、管闆、折流擋闆等部件組成。列管式換熱器的主要優點是機關體積所具有的傳熱面積大以及傳熱效果好。此外，結構簡單，制造材料的範圍較廣，操作彈性較大等，是以，在高溫高壓和大型裝置上多采用列管式換熱器。
（1）列管式換熱器的基本型式:
1) 固定管闆式
其結構特點是兩塊管闆分别焊接于殼體的兩端，管束兩端焊接或脹接在管闆上，封頭用螺栓與管闆相連，封頭與管闆之間的空間構成流體的配置設定室。為了提高殼内流體的流速，通常在殼體内安裝一定數量與管束垂直的折流擋闆。常用的擋闆形式有圓缺形(又稱弓形)和盤環形兩種(見圖)。由于管闆與殼體、管子都焊在一起，位置完全固定不變，故稱為固定管闆式。整個換熱器分為兩部分：換熱管内的通道及與其兩端相貫通處稱為管程；換熱管外的通道及與其相貫通處稱為殼程。若管流體一次通過管程，稱為單管程。流體在管内依次往返多次，則稱為多管程。常采用二管程和四管程(見圖)。
固定管闆式換熱器的優點是結構簡單、緊湊。每根換熱管都可以進行更換，且管内清洗友善。其缺點是殼程不能進行機械清洗；當換熱管與殼體的溫差較大時，需在殼體上設定膨脹節，因而殼程壓力受膨脹節強度的限制不能太高。固定管闆式換熱器适用于殼程流體清潔且不易結垢，兩流體溫差不大或溫差較大但殼程壓力不高的場合。
 | 折流擋闆 | |
具有補償圈的固定管闆式換熱器
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| 由于冷熱流體的溫度不同，外殼和管子的溫度也必然會有所差異，會導緻外殼和管子熱膨脹的程度有所不同，嚴重時可将管子扭曲變形，或管子從管束上脫落。當外殼和管子的溫差超過50℃時，就必須采取措施來減小或消除它們之間因熱膨脹量不同所造成的影響，固定管闆式換熱器采用補償圈來消除管子與殼體的熱膨脹量不同引起的熱應力的影響。它與普通固定管闆式換熱器的不同，就在于在殼體上具有一圈通過滾壓或焊接的波形補償圈(又稱膨脹節)，這種換熱器結構簡單，但補償能力有限，它隻能在管子與殼體的溫度差不大于60～70℃的情況下使用。另外，當殼程流體壓強大于6atm時，由于補償圈過厚，難以伸縮，也會失去溫差補償的作用。 |
2) U型管式換熱器：
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| 其結構特點是隻有一個管闆，換熱管為U型，管子兩端固定在同一管闆上。管束可以自由伸縮，當殼體與U型換熱管有溫差時，不會産生溫差應力。U型管式換熱器的優點是結構簡單，隻有一個管闆，密封面少，運作可靠，造價低；管束可以抽出，管間清洗友善。 其缺點是管内清洗比較困難：由于管子需要有一定的彎曲半徑，故管闆的使用率較低，在同樣的體積下所提供的傳熱面積較小；隻有一塊管闆支撐管束，操作中易發生振動。内層管子壞了不能更換，因而報廢率較高(一根U形管相當于兩根直管)。U型管式換熱器适用于管、殼壁溫差較大或殼程媒體易結垢，而管程媒體清潔不易結垢以及高溫、高壓、腐蝕性強的場合。一般高溫、高壓、腐蝕性強的媒體走管内，可使高壓空間減小，并可節約材料和減少熱損失。 |
3) 浮頭式換熱器：
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| 其結構特點是将管側一端的管闆用法蘭固定到殼體上，另一端管闆可以在殼體内沿軸向自由伸縮，該端稱為浮頭。浮頭式換熱器的優點是當換熱管與殼體有溫差存在，殼體或換熱管膨脹時，互不限制，不會産生溫差應力；管束可從殼體内抽出，便于管内和管間的清洗。其缺點是結構較複雜，用材量大，造價高；浮頭蓋與浮動管闆之間若密封不嚴，發生内漏，會造成兩種媒體的混合。浮頭式換熱器适用于殼體和管束壁溫差較大或殼程媒體易結垢的場合。 |
3.1.2 選擇适宜的流體走管程和殼程
1) 不潔淨的，易結垢的或帶固體顆粒的流體适宜走管程，便于清洗(一般冷卻水含雜質多，硬度高，易結垢，走管程)；
2) 腐蝕性的或高溫高壓的流體宜走管程，進而避免管束和殼體同時受腐蝕和受壓；
3) 粘度較小，流量小的流體；被加熱的或不易加熱的流體宜走管程；
4) 被冷卻的流體宜走殼程，便于散熱，但冷凍劑卻最好走管程，因為管程熱損失小；
5) 飽和蒸汽宜走殼程，因為蒸汽比較潔淨，還便于排出不凝氣和冷凝液；
2.2 換熱器的基本操作和常見故障處理
| 蒸汽換熱器 的基本操作 | 操作步驟 |
| 換熱器的投用 | 1)投用前應檢查壓力表，溫度計，安全閥，液位計以及有關閥門是否齊全好用； 2)換熱器投用前須先用工廠風吹掃，吹掃時頂部放空（V-3、V-1）給氣，底部倒淋（V-2、V-4）排氣，管殼程同時吹掃，避免出現憋壓、洩漏；再用氮氣置換。 3)投用蒸汽總管：引蒸汽時先打開蒸汽總管上的倒淋，稍開蒸汽閥暖管，防止發生水擊，至倒淋無水時，關倒淋，全開蒸汽閥。 4)先打開高點放空閥(V－1),再打開冷媒體入口閥(V－6)，由高點放空閥(V－1)排氣，排氣完畢後關閥放空閥，打開冷媒體出口閥(V-5)； 5)引蒸汽時要緩慢，升溫速度控制在25℃／h，做到先預熱後加熱，先打開調節閥（V-8）倒淋（V-11），再緩慢開啟蒸汽根部入口閥（V-9）暖管，至倒淋無水時，關倒淋，打開殼體高點放空閥(V-13)，先由副線閥(V-12)控制升溫速度，由殼體高點放空閥(V-13)排氣，排氣完畢後關閉；打開底部倒淋（V-4）排凝，至凝液溫度、壓力滿足要求時，關閉底部倒淋，打開(V-7)和(V-10)至凝液總管。穩定後緩慢提量，再由副線閥切換到控制閥； 6)正常操作中，如需提高或降低蒸汽量時，應做到緩慢增加或緩慢降低，做到少量多次； |
| 換熱器的停用 | 1)停用蒸汽時要緩慢進行，為防止控制閥不嚴，由蒸汽根部入口閥(V-9)控制降溫速度，關閉蒸汽出入口根部閥和出入口閥；緊急停用時，先将蒸汽副線閥打開，再關閉蒸汽出入口閥。 2)先開冷媒體副線閥（V-14），再關閉冷媒體出入口閥； 3)由換熱器底部倒淋(V-2)、(V-4)倒空物料；再由高點放空(V－1)(V-3)進行吹掃，徹底倒空物料。 |
| 熱油換熱器 的基本操作 | 操作步驟 |
| 換熱器的投用 | 1)投用前應檢查壓力表，溫度計，安全閥，液位計以及有關閥門是否齊全好用； 2)換熱器投用前須先用蒸汽吹掃，吹掃時頂部放空給汽，底部導淋排汽，管殼程同時吹掃，避免出現水擊、憋壓、洩漏；再用氮氣置換。 3)先打開高點放空閥(V－1),再打開冷媒體入口閥(V－6)，由高點放空閥(V－1)排氣，排氣完畢後關閥放空閥，打開冷媒體出口閥(V-5)； 4)引熱油時要緩慢，升溫速度控制在30℃／h，做到先預熱後加熱，防止換熱器法蘭突然受熱漏油，先由熱油根部出口閥(V-10)控制升溫速度，打開高點放空閥(V-3)，全開熱油出口控制閥(V-8)，由高點放空閥(V-3)排氣，排氣完畢後關閉；再打開熱油入口閥(V-7)和熱油根部入口閥(V-9)，穩定後緩慢提量，再由根部閥切換到控制閥； 5)正常操作中，如需提高或降低熱油量時，應做到緩慢增加或緩慢降低，做到少量多次； |
| 換熱器的停用 | 1)停用熱油時要緩慢進行，為防止控制閥不嚴，由熱油根部入口閥(V-9)控制降溫速度，關閉熱油出入口根部閥和出入口閥；緊急停用時，先将熱油副線閥打開，再關閉熱油出入口閥。 2)先開冷媒體副線閥（V-11），再關閉冷媒體入口閥(V-6)、冷媒體出口閥(V-5)； 3)由換熱器底部倒淋(V-2)、(V-4)倒空物料；再由高點放空(V－1)(V-3)進行吹掃，徹底倒空物料。 |
| 常見故障 | 産生原因 | 處理方法 |
| 傳熱效率下降 | 1)列管結疤和堵塞 2)殼體内不凝氣或冷凝液增多 (3)管路或閥門有堵塞 | 1)清洗管子 2)排放不凝氣或冷凝液 (3)檢查清理 |
| 發生振動 | 1)殼程媒體流速太快 2)管路振動所引起 3)管束與折流闆結構不合理 4)機座剛度較小 | 1)調節殼程媒體流量 2)加強管路 3)改進設計 4)适當加強 |
2.3 套管式換熱器
| | 套管式換熱器是由兩種不同直徑的直管套在一起組成同心套管，其内管用U型肘管順次連接配接，外管與外管互相連接配接而成的，換熱時一種流體走内管，另一種流體走環隙，内管的壁面為傳熱面。此類換熱器适用于高溫、高壓及小流量流體間的換熱。 |
2.4 蛇管式換熱器
通常按照換熱方式不同，将蛇管式換熱器分為沉浸式和噴淋式兩類。
| | 沉浸式蛇管換熱器多以金屬管彎繞而成，制成适應容器的形狀，沉浸在容器内的液體中，兩種流體分别在管内、管外進行換熱。為了改善傳熱效果，通常在容器裡裝設攪拌器。 沉浸式蛇管換熱器具有結構簡單、價格便宜、材料範圍廣。能承受高壓、操作管理友善等優點，常用在傳熱量不大的反應釜中作輔助加熱器用。 |
| | 噴淋式蛇管換熱器：冷卻水由管上方的噴淋裝置中均勻地噴灑在上層蛇管上，并沿着管外表面淋瀝而下，降至下層蛇管表面，最後收集在排管的底盤中。該裝置通常放在室外空氣流通處，冷卻水在空氣中氣化時，可帶走部分熱量，以提高冷卻效果。 |
2.5 螺旋闆式換熱器
| | | 它是由兩張間隔一定的平行薄金屬闆卷制而成的。兩張薄金屬闆形成兩個同心的螺旋型通道，兩闆之間焊有定距柱以維持通道間距，在螺旋闆兩側焊有蓋闆。冷、熱流體分别通過兩條通道，通過薄闆進行換熱。适用于流速較高，溫差較小，操作溫度和壓力不宜太高的場合。因整個換熱器為卷制而成，一旦發現洩漏，維修很困難。 |
2.6 翅片管式換熱器
其結構特點是在換熱器管的外表面或内表面裝有許多翅片，常用的翅片有縱向和橫向兩類。翅片管式換熱器适用于兩種流體的傳熱膜系數相差很大的情況。翅片管式換熱器作為空氣冷卻器，在工業上應用很廣。
| | | 翅片型式 | |
| | 空冷器是利用空氣在翅片管的外面流過，以冷卻或冷凝在管内通過的流體。 | |
2.7 夾套式換熱器
| | 夾套式換熱器結構如圖所示。夾套空間是加熱媒體或冷卻媒體的通路，這種換熱器主要用于反應過程的加熱或冷卻。當用蒸汽進行加熱時，蒸汽上部接管進入夾套，冷凝水由下部接管流出。作為冷卻器時，冷卻媒體(如冷卻水)由夾套下部接管進入，由上部接管流出。 夾套式換熱器結構簡單，但由于其加熱面受容器壁面限制，傳熱面較小，且傳熱系數不高，常用于傳熱量不大的場合，為改進這些缺點，通常在容器内裝上攪拌器使流體處于強制對流狀态，同時在容器内加設盤管，以增大傳熱面積。 |
2.8 闆式換熱器
| | 闆式換熱器是由一組長方形的薄金屬闆平行排列，夾緊組裝于支架上面構成。兩相鄰闆片的邊緣襯有墊片，壓緊後闆間形成密封的流體通道，且可用墊片的厚度調節通道的大小。每塊闆的四個角上，各開一個圓孔，其中有兩個圓孔和闆面上的流道相通，另兩個圓孔則不相通。它們的位置在相鄰闆上是錯開的，以分别形成兩流體的通道。冷、熱流體交替地在闆片兩側流動，通過金屬闆片進行換熱。闆式換熱器便于清洗，操作壓力和溫度受密封墊片材料性能限制而不宜過高。 |