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第七节换热器

换热器是化工、石油、动力、食品及其它许多工业部门的通用设备，在生产中占有重要地位。在化工
生产中换热器可作为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等，应用更加广泛。换热器种类很多，但
根据冷、热流体热量交换的原理和方式基本上可分三大类，即间壁式、混合式和蓄热式。在三类换热器中，
间壁式换热器应用最多，以下讨论仅限于此类换热器。

6-7-1间壁式换热器的类型

夹套式换热器这种换热器是在容器外壁安装夹套制成(参见图6-3)，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。
沉浸式蛇管换热器这种换热器是将金属管弯绕成各种与
容器相适应的形状(图6-45)，并沉浸在容器内的液体中。蛇管
换热器的优点是结构简单，能承受高压，可用耐腐蚀材料制造；
其缺点是容器内液体湍动程度低，管外给热系数小。为提高传热
系数，容器内可安装搅拌器。
图6-45蛇管的形状
喷淋式换热器这种换热器是将换热管成排地固定在钢架上(图6-46)，热流体在管内流动，冷却水

图6-46喷淋式冷却器
1-直管；2-U型管；3-水槽；4-齿形槽板
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。
套管式换热器套管式换热器是由直径不同的直管制
成的同心套管，并由U形弯头连接而成(图6-47)。在这种
换热器中，一种流体走管内，另一种流体走环隙，两者皆图6-47套管式换热器
可得到较高的流速，故传热系数较大。另外，在套管换热1-内管；2-外管；3-U型肘管

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器中，两种流体可为纯逆流，对数平均推动力较大。
套管换热器结构简单，能承受高压，应用亦方便(可根据需要增减管段数目)。特别是由于套管换热
器同时具备传热系数大、传热推动力大及能够承受高压强的优点，在超高压生产过程(例如操作压力为3000
大气压的高压聚乙烯生产过程)中所用的换热器几乎全部是套管式。
管壳式换热器管壳式(又称列管式)换热器是最典型的间壁式换热器，它在工业上的应用有着悠久的
历史，而且至今仍在所有换热器中占据主导地位。
管壳式换热器主要有壳体、管束、管板和封头等部分组成(图6-48)，壳体多呈圆形，内部装有平行管
束，管束两端固定于管板上。在管壳换热器内进行换热的两种流体，一种在管内流动，其行程称为管程；
一种在管外流动，其行程称为壳程。管束的壁面即为传热面。
为提高管外流体给热系数，通常在壳体内安装一定数量的横向折流档板。折流档板不仅可防止流体短
路、增加流体速度，还迫使流体按规定路径多次错流通过管束，使湍动程度大为增加(图6-49)。常用的档
板有圆缺形和圆盘形两种(图6-50)，前者应用更为广泛。

图6-48固定管板式换热器图6-49流体在壳内的折流

图6-50折流档板的形式

流体在管内每通过管束一次称为一个管程，每通过壳体一次称为一个壳程。图6-48所示为单壳程单
管程换热器，通常称为1-1型换热器。为提高管内流体的速度，可在两端封头内设置适当隔板，将全部管
子平均分隔成若干组。这样，流体可每次只通过部分管子而往返管束多次，称为多管程。同样，为提高管
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外流速，可在壳体内安装纵向档板使流体多次通过壳体空间，称多壳程。图6-51所示为两壳程四管程即
2-4型换热器。‘

图6-51两壳程四管程的管壳式换热器

在管壳式换热器内，由于管内外流体温度不同，壳体和管束的温度也不同。如两者温差很大，换热器
内部将出现很大的热应力，可能使管子弯曲，断裂或从管板上松脱。因此，当管束和壳体温度差超过50
℃时，应采取适当的温差补偿措施，消除或减小热应力。根据所采取的温差补偿措施，换热器可分为以下
几种主要型式。
(1)固定管板式
当冷、热流体温差不大时，可采用固定管板即两端管板与壳体制成一体的结构型式(图6-48)。这种换
热器结构简单成本低，但壳程清洗困难，要求管外流体必须是洁净而不易结垢的。当温差稍大而壳体内压
力又不太高时，可在壳体壁上安装膨胀节以减小热应力。
(2)浮头式换热器
这种换热器中两端的管板有一端可以沿轴向自由浮动(图6-51)，这种结构不但完全消除了热应力，而
且整个管束可从壳体中抽出，便于清洗和检修。因此，浮头式换热器是应用较多的一种结构