【机械设计】动图详解：九种换热器的工作原理

换热器是在不同温度的两种或两种以上流体间实现热量传递的节能设备，对于大面积供热而言，换热器的存在必不可少。

   

按照换热器的传热方式，换热器可分为三大类：

直接接触式换热器，也叫混合式换热器，是冷热流体进行直接接触并换热的设备。通常情况下，直接接触的两种流体是气体和汽化压力较低的液体；

蓄能式换热器的工作原理，是利用固体物质的导热特性，具体而言，热介质先将固体物质加热到一定温度，冷介质再从固体物质获得热量，通过此过程可实现热量的传递；

间壁式换热器，也是利用了中介物的热传导，冷、热两种介质被固体间壁隔开，并通过间壁进行热量交换。对于供热企业而言，间壁式换热器的应用最为广泛。根据结构的不同，它还可划分为管式换热器、板式换热器和热管换热器。

管壳式换热器又称列管式换热器。是以封闭在壳体中管束的壁面作为传热面的间壁式换热器。这种换热器结构较简单，操作可靠，可用各种结构材料（主要是金属材料）制造，能在高温、高压下使用，是目前应用最广的类型。

管壳式换热器

根据所采用的补偿措施，管壳式换热器可分为固定管板式换热器、浮头式换热器、U型管式换热器、填料函式换热器等四种类型。

固定管板式换热器是管壳式换热器的一种。固定管板式换热器两端的管板采用焊接的方式与壳体连接，主要由外壳、管板、管束、顶盖（封头）等部件构成。

固定管板式换热器

固定管板式换热器的优点是：

◆结构简单；

◆在相同的壳体直径内，排管数最多，旁路最少；

◆每根换热管都可以进行更换，且管内清洗方便。

固定管板式换热器的缺点是：

◆壳程不能进行机械清洗；

◆当换热管与壳体的温差较大（大于50℃）时会产生温差应力，解决措施是在壳体上设置膨胀节，因而壳程压力受膨胀节强度的限制不能太高；

◆只适用于流体清洁且不易结垢，两流体温差不大或温差较大但壳程压力不高的工作场合。

浮头换热器是管壳式换热器的一种，它有一端管板不与外壳相连，可以沿轴向进行自由浮动，也称为浮头。浮头由浮动管板、钩圈和浮头端盖组成，是可拆连接，管束可从壳体内抽出。

浮头式换热器

浮头式换热器的优点是：

◆若换热管与壳体有温差存在，即壳体或换热管膨胀时，不会产生温差应力；

◆管束可从壳体内抽出，便于管内和管间的清洗。

浮头式换热器的缺点是：

◆结构较复杂，用材量大，造价高；

◆如果浮头盖与浮动管板之间密封不严，会发生内漏，造成两种介质的混合。

U形管式换热器是管壳式换热器的一种，它由管板、壳体、管束等零部件组成。U型管式换热器的每根管子都弯成U型，进出口分别安装在同一管板的两侧，封头用隔板分成两室，由此，每根管子都可以自由伸缩，而与其他管子和壳体无关。

U型管式换热器

U型管式换热器的优点是：

◆管束可以自由浮动，无须考虑温差应力，可用于大温差场合；

◆它只有一块管板，法兰数量少，泄露点少、结构简单；

◆U型管式换热器运行可靠，造价低。

U型管式换热器的缺点是：

◆管内清洗比较困难。由于管子需要有一定的弯曲半径，管板的利用率较低；

◆管束最内层的管间距大，壳程易短路。当管内流速太高时，将会对U形弯管段产生严重的冲蚀，影响其使用寿命；

◆内层管若损坏就不能更换，因而报废率较高。

喷淋式换热器是管式换热器的一种，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，喷淋式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。和沉浸式换热器相比，喷淋式换热器的传热效果大有改善。

喷淋式换热器

喷淋式换热器的优点是：

◆结构简单、造价便宜；

◆可起到降低冷却水温度，增大传热推动力的作用；

◆能耐高压；

◆便于检修、清洗，水质要求低。

喷淋式换热器的缺点是：

◆冷却水喷淋不均会影响传热效果；

◆只能安装在室外。

套管式换热器是管式换热器的一种，是由两种尺寸不同的标准管连接而成的同心圆套管，外面的叫壳程，内部的叫管程。两种不同介质可在壳程和管程内逆向流动（或同向）以达到换热的效果。套管式换热器通常由壳体（包括内壳和外壳）、U型肘管、填料函等组成。

套管式换热器

套管式换热器的优点是：

◆结构简单，能耐高压；

◆传热面积可根据需要增减，应用方便。

套管式换热器的缺点是：

◆管间接头多，易泄露；

◆占地面积较大，单位传热面消耗金属量大。

夹套式换热器是板式换热器的一种，在容器外壁安装夹套制成，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。

夹套式换热器

夹套式换热器的优点是：

◆结构简单；

◆加工方便。

夹套式换热器的缺点是：

◆传热面积小，传热效率低。

螺旋板换热器属于板式换热器的一种，是由两张平行的金属板卷制而成，在其内部形成两个同心的螺旋形通道。换热器中央设置隔板，将螺旋形通道隔开，两板之间焊有定距柱以维持通道间距。

螺旋板式换热器

螺旋板式换热器的优点是：

◆传热系数高；

◆不易结垢和堵塞；

◆能利用温度较低的热源；

◆结构紧凑。

螺旋板式换热器的缺点是：

◆操作压强和温度不宜太高；

◆不易检修。

热管是由一根抽除不凝性气体的密封金属管内充以一定量的某种工作液体而成。工作液体在热端吸收热量而沸腾汽化，产生的蒸汽流至冷端冷凝放出潜热，冷凝液回至热端，再次沸腾汽化。如此反复循环，热量不断从热端传至冷端。

热管换热器

热管换热器的优点是：

◆结构简单，使用寿命长，工作可靠；

◆具有极高的导热性、良好的等温性；

◆冷热两侧的传热面积可任意改变、可远距离传热、可控制温度。

其缺点是：

◆抗氧化、耐高温性能较差。

◆保持管网清洁。无论是在工作前还是工作完成后，都必须清洗管网，避免发生换热器堵塞的现象。此外，要注意对除污器和过滤器的清洗，让整个换热工作顺利完成。

◆严格把关软化水。在进行供热介质处理前，要检查系统中和软化罐中的水质问题，确定水质合格后可注入。

◆检验新系统。对于新近的系统，不能立刻使之与换热器进行交替使用，而要使新系统在指定的时间段内运行，在完成运行检验后，才能把换热器并入系统中。这样做的目的是避免管网中的杂质破坏换热器的内部设备

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