传热操作技术与运行管理

一、传热的基本理论

传热，即热量传递。它是自然界和工程技术领域中极普遍的一种传递过程。热量传递的起因是由于物体内或系统内两部分之间存在温度差。也即凡是有温度差存在的地方，就必然有热量的传递，并且热量总是自发地从高温处向低温处传递。

化工生产中对传热过程的要求经常有以下两种情况：一种是强化传热过程，如各种换热设备中的传热；另一种是削弱传热过程，如对设备和管道的保温，以减少热损失。

（一）传热的基本方式

根据传热机理的不同，热量传递有三种基本方式：热传导、对流传热和辐射传热。

（1）热传导　热传导简称导热，是借助物质的分子、原子或自由电子的运动将热能以动能的形式传递给相邻温度较低的分子的过程。导热的特点是：在传热过程中，物体内的分子或质点并不发生宏观相对位移。热传导不仅发生在固体中，静止流体内的传热也属于导热。

（2）对流传热　由于流体质点之间产生宏观相对位移而引起的热量传递，称为对流传热。对流传热仅发生在流体中。根据引起流体质点相对位移的原因不同，又可分为强制对流传热和自然对流传热。

（3）辐射传热　热量以电磁波形式传递的现象称为辐射。辐射传热是不同物体间相互辐射和吸收能量的结果。辐射传热的特点是不需要任何介质作为媒介，可以在真空中进行。

实际上，传热过程往往不是以某种传热方式单独进行，而是两种或三种传热方式的组合。如化工生产中广泛使用的间壁式换热器中的传热，主要是以流体与管壁间的对流传热和管壁的热传导相结合的方式进行的。

（二）工业加热载体和冷却剂选用

化工生产中通常将换热过程中温度较高放出热量的载热体称为热载热体（或称热流体），将换热过程中温度较低吸收热量的载热体称为冷载热体（或称冷流体）。用于交换热量的设备统称为热交换器或称换热器。

1.载热体的选用原则

（1）载热体应能满足所要求达到的温度。

（2）载热体的温度调节应方便。

（3）载热体的比热容或潜热应较大。

（4）载热体应具有化学稳定性，使用过程中不会分解或变质。

（5）为了操作安全起见，载热体应无毒或毒性较小，不易燃易爆，对设备腐蚀性小。

（6）价格低廉，来源广泛。

此外，对于换热过程中有相变的载热体或专用载热体，则还有比容、黏度、热导率等物性参数的要求。

2.常用加热剂和加热方法

常用的加热剂有饱和水蒸气及热水、矿物油、导生油、无机熔盐、烟道气和电；常用冷却剂主要有空气、水和冷冻盐水。常用的加热剂和冷却剂的适宜温度及适用情况见表2-2。

（三）传热原理

1.间壁式换热器内的传热过程分析

间壁式换热是最常见的工业换热方式。冷、热流体的间壁式换热过程如图2-32所示。从图中可知，间壁传热的过程为：热流体以对流传热方式将热量传给壁面一侧；壁面以导热方式将热量传到壁面另一侧；壁面另一侧再以对流传热方式将热量传给冷流体。即间壁传热由对流—传导—对流三个阶段组成。

2.传热速率与热通量

传热过程中，热量传递的快慢用单位时间的传热量即传热速率来表示，符号为Q，单位为J/s或W。

单位时间、单位传热面积传递的热量称为热通量（或热流强度），用q表示，单位为W/m2。

依据过程速率等于过程推动力与过程阻力之比的规律，传热速率可表示为：

传热速率

（2-13）

由上式可知，传热速率大小取决于传热温差和热阻，因此，要想提高换热器的传热速率，就必须增加传热推动力和降低传热的热阻。

3.传热基本方程式

生产实践和科学实验表明，间壁换热时的传热速率与换热器的传热面积和传热推动力成正比。而其中的传热推动力，在不同的传热壁面位置会随流体的进、出口温度发生变化而不同，也即传热温度差随位置的不同而变化。工程计算中，常采用整个换热器中冷、热流体在各个传热截面传热温度差的平均值来计算传热速率，称为传热平均推动力或传热平均温度差，以Δtm表示，故有：

Q∝SΔtm

引入比例系数K，上式变成为等式，即：

Q=KSΔtm

（2-14）

或

（2-15）

（2-16）

式中　Q——传热速率，J/s或W；

　　　q——热通量，W/m2；

　　　K——传热系数，是一个表示传热过程强弱程度的物理量，W/（m2·K）;

　　　S——传热面积，m2；

　　　Δtm——传热平均温度差，K；

　　　R——换热器的总热阻，K/W；

　　　R′——单位传热面积热阻，m2·K/W。

式（2-14）～式（2-16）统称为传热基本方程式或称传热速率方程式，是间壁传热计算的基本公式。

将式（2-14）改写成：

（2-17）

由式（2-17）可看出K的物理意义为：单位传热面积、单位传热温度差时的传热速率。K值越大，在相同的温度差条件下，所传递的热量越多，热交换程度越强烈。因此，在传热操作中，总是设法提高传热系数K，以强化传热过程。

4.换热器热负荷的计算

（1）热负荷与传热速率　生产上每一台换热器内的冷、热两股流体间在单位时间内所交换的热量是根据生产上换热任务的需要提出的。这种为达到一定的换热目的，要求换热器在单位时间内传递的热量称为换热器的热负荷。由此可见，热负荷是由生产工艺条件决定的，是换热器的生产任务。

应该指出，工业上常用传热速率来表征换热器的生产能力。而换热器的传热速率是换热器单位时间内能够传递的热量。它是换热器本身的特性。为确保换热器能完成生产任务，必须使其传热速率等于（或略大于）热负荷。

（2）热负荷的计算　根据工艺条件的不同，热负荷的计算方法有以下几种。

①显热法　若流体在换热过程中没有相变，其热负荷可按下式计算：

Q=WcpΔt

（2-18）

式中　W——热流体或冷流体的质量流量，kg/s;

　　　cp——热流体或冷流体的恒压比热容，kJ/（kg·K）;

　　　Δt——热流体或冷流体在换热器的进、出口温度差，K。

②潜热法　若流体在换热过程中仅仅发生恒温相变，其传热量可按下式计算：

Q=Wr

（2-19）

式中　r——热流体或冷流体的汽化潜热，kJ/kg。

③焓差法　由于工业换热器中流体的进出口压力相差不大，故可近似为恒压过程。不论有无相变过程，此时热量可按下式计算：

Q=WΔH

（2-20）

式中　ΔH——热流体或冷流体在换热器进、出口的焓差，kJ/kg。

5.传热平均温差的计算

在传热基本方程中，Δtm为换热器的传热平均温度差，传热平均温度差的大小及计算方法与两流体间的温度变化及相对流动方向有关。

（1）恒温传热过程的传热平均温度差　当冷、热两流体在换热过程中均只发生恒温相变时，热流体温度T和冷流体温度t沿管壁始终保持不变，称为恒温传热。此时，各传热截面的传热温度差完全相同，并且流体的流动方向对传热温度差也没有影响。换热器的传热推动力可取任一传热截面上的温度差（常见于蒸发器的情况）：

Δtm=T-t

（2-21）

（2）变温传热过程的传热平均温度差　在大多数情况下，间壁一侧或两侧流体的温度通常沿换热器管长而变化，对此类传热则称为变温传热。对于两侧流体的温度均发生变化的传热过程，传热平均温度差的大小还与两流体间的相对流动方向有关。在间壁式换热器中，冷热流体的流向可分为并流（两流体的流动方向相同）、逆流（两流体的流动方向相反）、错流（两流体的流动方向垂直交叉）和折流（一流体流动方向不变，另一流体流动方向变化或两流体流动方向均变化），如图2-33所示。

并流和逆流时，冷、热流体的传热平均温度差等于传热过程中的较大温度差Δt1和较小温度差Δt2的对数平均值：

（2-22）

式中,Δtm称为传热对数平均温度差，K或℃。

逆流时,Δt1=T1-t2，Δt2=T2-t1；并流时，Δt1=T1-t1，Δt2=T2-t2。

当换热器两端温度差Δt1/Δt2≤2时，可近似用算术平均值来代替对数平均值，即：

（2-23）

错、折流时的传热平均温度差通常是先按逆流流动计算出对数平均温度差，再乘以一个恒小于1的校正系数φΔt，即：

（2-24）

式中,φΔt称为温差校正系数，其大小与流体的温度变化有关，其值总是≤1，可以由相关专业书籍中查得。

6.传热面积的计算

计算热负荷、平均温度差和传热系数的目的，都在于最终确定换热器所需要的传热面积。换热器传热面积可以通过传热速率式得出：

（2-25）

为了安全可靠以及在生产发展时留有余地，实际生产中还往往考虑10%～25%的安全系数，即实际采用的传热面积要比计算得到的传热面积大10%～25%。

在化工生产中使用广泛的套管式和列管式换热器，其面积可按下式计算：

S=nπdL

（2-26）

式中　n——管子的根数;

　　　d——管子的直径，m；

　　　L——管子的长度，m。

在实际生产中，确定换热器的传热面积是一个复杂的反复核算过程，这里从略。

7.总传热系数的确定

传热系数是评价换热器传热性能的重要参数，也是对传热设备进行工艺计算的依据。换热器的总传热系数K值主要取决于换热器的类型、流体的种类和性质以及操作条件等。工业生产用列管式换热器中总传热系数K的大致范围列于表2-3。

（1）总传热系数K的理论计算　在换热器结构确定的前提下，传热系数K可用公式计算确定。计算公式可应用串联热阻叠加原理推导得出，具体方法可参考相关专业书籍，按传热面为平面或圆筒面进行K值计算。

（2）污垢热阻　换热器在使用过程中，传热壁面常有污垢形成，对传热产生附加热阻，该热阻称为污垢热阻。通常，污垢热阻比传热壁面的热阻大得多，因而在传热计算中应考虑污垢热阻的影响。影响污垢热阻的因素很多，主要有流体的性质、传热壁面的材料、操作条件、清洗周期等。通常根据经验直接估计污垢热阻值，将其考虑在K中。为消除污垢热阻的影响，应定期清洗换热器。

表2-4列出了一些常见流体的污垢热阻R垢的经验值。

8.强化传热的途径

所谓强化传热，就是设法提高换热器的传热速率。从传热基本方程Q=KSΔtm可以看出，增大传热面积S、提高传热推动力Δtm以及提高传热系数K都可以达到强化传热的目的，应从以下几个方面着手。

（1）增大传热面积　增大传热面积，可以提高换热器的传热速率。但增大传热面积不能靠增大换热器的尺寸来实现，而是要从设备的结构入手，提高单位体积的传热面积。工业上往往通过改进传热面的结构来实现。如采用翅片管、采用异形表面等，它不仅使传热面得到充分的扩展，而且还使流体的流动和换热器的性能得到相应的改善。应予指出，改进传热面结构以提高单位体积的传热面积同时，往往会使流体流动阻力有所增加，故设计或选用时应综合比较，全面考虑。

（2）提高传热推动力　传热推动力即传热平均温度差。生产中常用增大传热平均温度差的方法来提高换热器的传热速率。如采用传热温度差较大的逆流换热、用提高加热剂温度及降低冷却剂温度的方法增大传热温差等。但传热平均温度差的大小是由两流体的进、出温度大小及相对流向决定的。一般来说，物料的温度由工艺条件所决定，不能随意变动，而加热剂或冷却剂的温度，可以通过选择不同介质和流量加以改变。但需要注意的是，改变加热剂或冷却剂的温度，必须考虑到技术上的可行性和经济上的合理性。

（3）提高传热系数　增大传热系数以提高换热器传热速率的方法是最具潜力的途径。为提高K值，可采取的具体措施如下。

①增加流体流动的湍流程度　增加流体流动的湍动程度的具体方法有：加大流体的流速和增加流体的人工扰动以减薄层流底层。如在列管式换热器的壳程中安装折流挡板，使流体流动方向不断改变。

②尽量采用有相变的流体　流体有相变时的对流传热系数远大于无相变时的对流传热系数。因此，在满足工艺条件的前提下，应尽可能采用相变传热。

③尽量采用热导率大的载热体　一般热导率与比热容较大的流体，其对流传热系数也较大。如空气冷却器用水冷却后，传热效果大大提高。

④减小垢层热阻　污垢的存在将使传热系数大大降低。对于刚投入使用的换热器，污垢热阻很小，可不予考虑，但随着使用时间的增加垢层逐渐增厚，使其成为阻碍传热的主要因素。因此，应对换热器进行定期清洗除垢，以强化传热。

⑤在气流中喷入液滴　在气流中喷入液滴能强化传热，其原因是液雾改善了气相放热强度低的缺点，当气相中液雾被固体壁面捕集时，气相换热变成了液膜换热，液膜表面蒸发传热强度极高，因而使传热得到强化。

需要指出的是，在采用各种方法和措施企求提高传热速率的同时，必须权衡由此带来的诸如经济效益、能源消耗、设备结构、清洗检修等多方面问题而加以综合考虑。

二、传热设备

传热设备是石油与化工生产中应用最普遍的单元操作设备。由于化工生产中物料的性质、传热的要求等各不相同，因此换热器也有很多种类。生产上应根据工作介质、温度、压力的不同，选择不同种类的换热器，以实现更大的经济效益。下面主要介绍生产中广泛使用的管、板式间壁换热器。

（一）管式换热器

1.管壳式换热器

管壳式换热器又称列管式换热器，是目前化工生产中应用最为广泛的一种通用标准换热设备。它的主要优点是单位体积具有的传热面积较大以及传热效果较好，结构简单、坚固、制造较容易，操作弹性较大，适应性强等。因此在高温、高压和大型装置上多采用管壳式换热器，在生产中使用的换热设备中占主导地位。

（1）管壳式换热器的结构　管壳式换热器结构如图2-34所示，主要由壳体、管束、管板、折流挡板和封头等部件组成。壳体内装有管束，管束两端固定在管板上。管子在管板上的固定方法可采用胀接、焊接或胀焊结合法。管壳式换热器中，一种流体在管内流动，其行程称为管程；另一种流体在管外流动，其行程称为壳程。管束的壁面即为传热面。

1—折流挡板；2—管束；3—壳体；4—封头；5—接管；6—管板

在管壳式换热器中，通常在其壳体内均安装一定数量与管束相互垂直的折流挡板。以防止流体短路，迫使流体按规定路径多次错流通过管束；增加流体流速；增大流体的湍动程度。折流挡板的形式较多，如图2-35所示，其中以圆缺形（弓形）挡板为最常用。

（2）管壳式换热器的热补偿装置　管壳式换热器操作时，由于冷热流体温度不同，使壳体和管束受热程度不同，其膨胀程度也不同，若冷热流体温差较大（50℃以上）时，就可能由于热应力而引起设备变形，或使管子弯曲、从管板上松脱，甚至造成管子破裂或设备毁坏。因此必须从结构上考虑这种热膨胀的影响，采取各种补偿的办法，消除或减小热应力。常见的温差补偿措施有：补偿圈补偿、浮头补偿和U形管补偿等。由此，列管式换热器也可分为以下三种形式。

①固定管板式换热器——补偿圈补偿　此类换热器的结构特点是两端管板和壳体连接成一体，管束两端固定在两管板上。当换热器的壳体与传热管壁之间的温差大于50℃时，则需加补偿圈（也称膨胀节）。图2-36为具有补偿圈的固定管板式换热器，即在外壳的适当部位焊上一个补偿圈，当外壳和管束热膨胀不同时，补偿圈发生弹性变形（拉伸或压缩），以适应外壳和管束不同的热膨胀程度。

1—挡板；2—补偿圈；3—放气嘴

此类换热器的特点是：热补偿方法与设备结构简单，成本低，但受膨胀节强度的限制，壳程压力不能太高，且壳程检修和清洗困难。因此，此类换热器适用于壳程流体清洁且不结垢和不具腐蚀性，两流体温差不大（不大于70℃）和壳程压力不高（一般不高于600kPa）的场合。

②浮头式换热器——浮头补偿　浮头式换热器的结构如图2-37所示。其两端管板之一不与壳体固定连接，可以在壳体内沿轴向自由伸缩，该端称为浮头。此类换热器的优点是当壳体与管束因温度不同而引起热膨胀时，管束连同浮头可在壳体内沿轴向自由伸缩，不会产生温差应力；且管束可以从壳内抽出，便于管内和管间的清洗。其缺点是结构复杂，用材量大，造价高。浮头式换热器适用于壳体与管束温差较大或壳程流体容易结垢的场合。

1—管程隔板；2—壳程隔板；3—浮头

③U形管式换热器——U形管补偿　图2-38所示为一U形管式换热器。把每根管子都弯成U形，两端固定在同一管板上，因此，每根管子皆可自由伸缩，从而解决了热补偿问题。U形管式换热器的优点是结构简单，运行可靠，造价低，重量轻；管间清洗较方便。其缺点是管内清洗较困难；可排管子数目较少；管束最内层管间距大，壳程易短路，且因管子需一定的弯曲半径，故管板利用率较差。U形管式换热器适用于管、壳程温差较大或壳程介质易结垢而管程介质不易结垢的场合，尤其适用于高温高压气体的换热。浮头式和U形管式列管换热器，我国已有系列标准，可供选用。

1—U形管；2—壳程隔板；3—管程隔板

除上述三种常见的热补偿方式外，工业上有时还采用类似于浮头补偿的填料函式换热器。填料函式换热器的结构如图2-39所示。其结构特点是管板只有一端与壳体固定，另一端采用填料函密封。管束可以自由伸缩，不会产生温差应力。该换热器的优点是结构较浮头式换热器简单，造价低；管束可以从壳体内抽出，管、壳程均能进行清洗。其缺点是填料函耐压不高，一般小于4.0MPa；壳程介质可能通过填料函向外泄漏。填料函式换热器适用于管、壳程温差较大或介质易结垢需要经常清洗且壳程压力不高的场合。

1—活动管板；2—填料压盖；3—填料；4—填料函；5—纵向隔板

2.套管式换热器

套管式换热器是由两种直径不同的标准管套在一起组成同心圆套管，然后将若干段这样的套管用U形肘管连接而成，其结构如图2-40所示。每一段套管称为一程，程数可根据所需传热面积的多少而增减。

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，适当选择内管和外管的直径，可使流体的流速增大，而且冷、热流体可作严格逆流，传热效果较好。其缺点是单位传热面积的金属耗量大；管子接头多，易泄漏，占地面积大，检修清洗不方便。此类换热器适用于高温、高压及流量较小的场合。

3.蛇管换热器

蛇管换热器根据操作方式不同，分为沉浸式和喷淋式两类。

（1）沉浸式蛇管换热器　沉浸式蛇管换热器的结构如图2-41（a）所示。此种换热器通常以金属管自弯绕而成，制成适应容器的形状沉浸在容器内的液体中。管内流体与容器内液体隔着管壁进行换热。几种常用的蛇管形状如图2-41（b）所示。此类换热器的优点是结构简单、造价低廉、便于防腐、能承受高压。缺点是管外对流传热系数小，常需加搅拌装置，以提高传热系数。

（2）喷淋式蛇管换热器　喷淋式蛇管换热器的结构如图2-42所示。此类换热器常用作冷却器冷却管内热流体，且常用水作为喷淋冷却剂，故常称为水冷器。它是将若干排蛇管垂直地固定在支架上，蛇管的排数根据所需传热面积的多少而定。热流体自下部总管流入各排蛇管，从上部流出再汇入总管。冷却水由蛇管上方的喷淋装置均匀地喷洒在各排蛇管上，并沿着管外表面淋下。该装置通常置于室外通风处，冷却水在空气中汽化时，可以带走部分热量，以提高冷却效果。与沉浸式蛇管换热器相比，喷淋式蛇管换热器具有检修清洗方便、传热效果好等优点。缺点是体积庞大，占地面积多；冷却水耗用量较大，喷淋不均匀等。

4.翅片管换热器

翅片管换热器又称管翅式换热器，如图2-43所示。其结构特点是在换热管的外表面或内表面（或同时）装有许多翅片，常用翅片有纵向和横向两类，如图2-44所示。

化工生产中常遇到气体的加热或冷却，因气体的对流传热系数较小，所以当换热的另一方为液体或发生相变时，换热器的传热热阻主要集中在气体一侧。此时，在气体一侧设置翅片，既可增大传热面积，又可增加气体的湍动程度，减少了气体侧的热阻，提高了传热效率。一般来说，当两种流体的对流传热系数之比超过3∶1时，可采用翅片换热器。

工业上常用翅片换热器作为空气冷却器，用空气代替水，不仅可在缺水地区使用，即使在水源充足的地方也较经济。空冷器主要由翅片管束、风机和构架组成。管材本身大多采用碳钢，但翅片多为铝制，可以用缠绕、镶嵌的办法将翅片固定在管子的外表面上，也可以用焊接固定。热流体通过封头分配流入各管束，冷却后汇集在封头后排出。冷空气由安装在管束排下面的轴流式通风机强制向上吹过管束及其翅片，通风机也可以安装在管束上面，而将冷空气由底部引入。空冷器的主要缺点是装置比较庞大，占空间多，动力消耗也大，如图2-45所示。

（二）板式换热器

1.夹套换热器

这种换热器结构简单，其结构如图2-46所示。它由一个装在容器外部的夹套构成，夹套与器壁间形成的密封空间为载热体之通道。容器内的物料和夹套内的加热剂或冷却剂隔着器壁进行换热，器壁就是换热器的传热面。

1—反应器；2—夹套

其优点是结构简单，容易制造；可与反应器或容器构成一个整体，主要应用于反应过程的加热或冷却。其缺点是传热面积小；器内流体处于自然对流状态，传热效率低；夹套内部清洗困难。夹套内的加热剂和冷却剂一般只能使用不易结垢的水蒸气、冷却水和氨等。夹套内用蒸汽加热时，应从上部进入，冷凝水从底部排出；当夹套用作冷却时，冷却剂应从底部进入，从上部排出。为了提高其传热性能，可在容器内安装搅拌器，使器内液体作强制对流；为了弥补传热面的不足，还可在器内安装蛇管等。

2.平板式换热器

平板式换热器简称板式换热器，是一种新型的高效换热器，其结构和板框压滤机相似，如图2-47所示。主要由传热板片、垫片和压紧装置三部分组成。板片为1～2mm厚的金属薄板，并冲压成凹凸不平的规则波纹。若干板片叠加排列，夹紧组装于支架上，两相邻板的边缘衬有垫片，压紧后板间形成流体通道。每块板的四个角上各开一个孔，借助于垫片的配合，使两个对角方向的孔与板面一侧的流道相通，另两个对角方向的孔则与板面另一侧的流道相通。这样，使两流体分别在同一块板的两侧流过，通过板面进行换热。板式换热器中除了两端的两个板面外，每一块板面都是传热面，可根据所需传热面积的变化，增减板的数量。板片是板式换热器的核心部件。波纹状的板面使流体流动均匀，传热面积增大，促使流体湍动。

板式换热器的优点是结构紧凑，板面很薄，两块板面之间的流道空隙只有4～6mm，因而单位体积设备提供的传热面积很大；此外，它的板面加工容易，组装灵活，可随时增减板数；板面波纹使流体湍动程度增强，从而具有较高的传热效率；拆装方便，有利于清洗和维修。其缺点是处理量小；受垫片材料性能的限制，操作压力和温度不能过高。此类换热器适用于需要经常清洗、工作环境要求十分紧凑，操作压力较低（一般低于1.5MPa），温度在-35～200℃的场合。

3.螺旋板式换热器

螺旋板式换热器是由两块薄金属板焊接在一块分隔挡板（图中心的短板）上并卷成螺旋形而成的，如图2-48所示。它由螺旋形传热板、中心隔板、顶底部盖板（或封头）、定距柱和连接管等部件构成。操作时两流体分别在两通道内流动，隔着薄板进行换热。其中一种流体由外层的一个通道流入，顺着螺旋通道流向中心，最后由中心的接管流出；另一种流体则由中心的另一个通道流入，沿螺旋通道反方向向外流动，最后由外层接管流出。两流体在换热器内作逆流流动。

按流体在流道内的流动方式和使用条件的不同，螺旋板式换热器可分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和G四种结构形式。

螺旋板换热器的优点是：结构紧凑，单位体积的传热面积为管壳式换热器的3倍；流体流动的流道长且两流体完全逆流（对Ⅰ型），可在较小的温差下操作，能利用低温热源和精密控制温度；由于流体在螺旋通道中流动，在较低的雷诺值（一般Re=1400～1800，有时低到500）下即达到湍流，并且可选用较高的流速（液体为2m/s，气体为20m/s），故总传热系数高；由于流体的流速较高，且具有惯性离心力作用，故不易结垢而堵塞。

螺旋板换热器的缺点是：操作压力和温度不宜太高，一般操作压力在2MPa以下，温度在400℃以下；不易检修，因整个换热器为卷制而成，一旦发生泄漏，修理内部很困难。

4.板翅式换热器

板翅式换热器也是一种新型的高效换热器，隔板、翅片和封条（侧条）构成了其结构的基本单元，如图2-49所示。在翅片两侧各安置一块金属平板，两边以侧条密封，并用钎焊焊牢，从而构成一个换热单元体。根据工艺的需要，将一定数量的单元体组合起来，并进行适当排列，然后焊在带有进出口的集流箱上，便构成具有逆流、错流或错逆流等多种形式的换热器。目前常用的翅片形式有光直形翅片、锯齿形翅片和多孔形翅片。

板翅式换热器的主要优点有：①总传热系数高，传热效果好。由于翅片在不同程度上促进了湍流并破坏了传热边界层的发展，故总传热系数高。同时冷、热流体间换热不仅以平隔板为传热面，而且大部分热量通过翅片传递，因此提高了传热效果。②结构紧凑。单位体积设备提供的传热面积一般能达到2500m2，最高可达4300m2。③轻巧牢固。此类换热器通常采用铝合金制造，故重量轻。在相同的传热面积下，其质量约为管壳式换热器的1/10。同时由于波形翅片对隔板的支撑作用，故强度很高，其操作压力可达5MPa。④适应性强，操作范围广。由于铝合金在低温下的延展性和抗拉强度都很高，故此类换热器操作范围广，适用于低温和超低温的场合。且可用于各种情况下的热交换，也可用于蒸发或冷凝；操作方式可以是逆流、并流、错流或错逆流同时并进等；此外还可用于多种不同介质在同一设备内进行换热。

板翅式换热器的缺点有：①由于设备流道很小，故易堵塞，而且增大了压强降；换热器一旦结垢，清洗和检修很困难，所以处理的物料应较洁净或预先进行净制。②由于隔板和翅片都由薄铝片制成，故要求介质对铝不发生腐蚀。

板翅式换热器因其轻巧、传热效率高等许多优点，其应用领域已从航空、航天、电子等少数部门逐渐发展到石油化工、天然气液化、气体分离等更多的工业部门。

（三）热管换热器

热管是一种新型换热元件，由热管组合而成的换热装置称为热管换热器。

1.热管的结构与工作原理

热管的类型很多，但其基本结构和工作原理大致相同。下面以吸液芯热管为例，说明其工作原理。如图2-50所示，是一根热管的结构示意图。在一根密闭的金属管内充以适量特定的工作液体，紧靠管子内壁处装有金属丝网或纤维、布等多孔物质的吸液芯。全管沿轴向分成三段：蒸发段（又称热端）、绝热段（又称蒸汽输送段）和冷凝段（又称冷端）。当热源流体从管外流过时，热量通过管壁和吸液芯传给工作液体，并使其汽化，蒸汽沿管子的轴向流动，在冷端向冷流体释放出冷凝潜热而被冷源流体冷凝，然后在吸液芯的毛细管力作用下冷凝液流回蒸发段，从而完成了一个工作循环。如此反复循环，热量便不断地从热源流体传给冷源流体。

由此可见，热管是将传统的固体壁面两侧之间的传热，巧妙地改变成两个管外表面的传热。由于过程传送的是汽化潜热，因此，它的传热能力比一般间壁传热要高出几个数量级。

热管的管壳是一个完全密封的容器，它的几何形状无特殊的限制，管内保持高真空，其材质是根据使用温度范围和选用工作性质来确定。一般由导热性能好、耐压、耐热应力、防腐的不锈钢、铜、铅、镍、铌、钽或玻璃、陶瓷等材料构成。在热管内传递热量的工质是决定热管可在多大温度范围内应用的重要因素。热管内的液汽两相共存的工作介质始终是饱和的。工质要求具有较高的汽化潜热和热导率、较低的黏度和熔点、具有较大的表面张力，以及有较好的润湿毛细结构的能力等。

2.热管换热器形式及应用

目前使用的热管换热器多为箱式结构，如图2-51所示。把一组热管组合成一个箱形，中间用隔板分为冷、热两个流体通道，所有管壳外壁上装有翅片，以强化传热效果。热管换热器的传热特点是热量传递汽化、蒸汽流动和冷凝三步进行，由于汽化和冷凝的对流强度都很大，蒸汽的流动阻力又较小，因此热管的传热热阻很小，即使在两端温度差很小的情况下，也能传递很大的热流量。因此，它特别适用于低温差传热的场合。热管换热器具有传热能力大、结构简单、工作可靠等优点。图2-52为热管换热器的两个应用实例。

三、换热器的操作

（一）列管式换热器的操作

1.列管式换热器的正确使用

（1）开、停车及正常操作步骤

①开车前，应检查压力表、温度计、安全阀、液位计以及有关阀门是否完好。

②在通入热流体（如蒸汽）之前，应先打开冷凝水排放阀门，排除积水和污垢；打开放空阀，排除空气和其他不凝性气体。

③换热器开车生产时，要先通入冷流体（打开冷流体进口阀和放空阀），待换热器中液位达到规定位置时，缓慢或分次通入热流体（如蒸汽），做到先预热后加热，切忌骤冷骤热，以免换热器受到损坏，影响其使用寿命。

④进入换热器的冷热流体如果含有大颗粒固体杂质和纤维质，一定要提前过滤和清除，防止堵塞通道。

⑤根据工艺要求，调节冷、热流体的流量，使其达到所需要的温度。

⑥经常检查冷热流体的进出口温度和压力变化情况，发现温度、压力有异常，应立即查明原因，及时消除故障。

⑦定期分析流体的成分，根据成分变化确定有无内漏，以便及时进行堵管或换管处理。

⑧定期检查换热器有无渗漏，外壳有无变形以及有无振动，若有应及时处理。

⑨定期排放不凝性气体和冷凝液，以免影响传热效果；根据换热器传热效率下降情况，应及时对换热器进行清洗，以消除污垢。

⑩停车时，应先关闭热流体的进口阀门，然后关闭冷流体进口阀门；并将管程及壳程流体排净，以防冻裂和产生腐蚀。

（2）具体操作要点　化工生产中对物料进行加热（沸腾）、冷却（冷凝），由于加热剂、冷却剂等的不同，换热器具体的操作要点也有所不同。

①蒸汽加热　蒸汽加热必须不断排除冷凝水，否则积于换热器中，部分或全部变为无相变传热，传热速率下降。同时还必须及时排放不凝性气体，以确保传热效果。

②热水加热　热水加热一般温度不高，加热速度慢，操作稳定，只要定期排放不凝性气体，就能保证正常操作。

③烟道气加热　烟道气一般用于生产蒸汽或加热、汽化液体。烟道气的温度较高，且温度不易调节。在操作过程中，必须时时注意被加热物料的液位、流量和蒸汽产量，还必须做到定期排污。

④导热油加热　导热油加热的特点是温度高、黏度较大、热稳定性差、易燃、温度调节困难。操作时必须严格控制进出口温度，定期检查进出管口及介质流道是否结垢，做到定期排污，定期放空，过滤或更换导热油。

⑤水和空气冷却　操作时注意根据季节变化调节水和空气的用量。用水冷却时，还要注意定期清洗。

⑥冷冻盐水冷却　其特点是温度低，腐蚀性较大。在操作时应严格控制进出口的温度防止结晶堵塞介质通道，要定期放空和排污。

⑦冷凝　冷凝操作需要注意的是，定期排放蒸汽侧的不凝性气体，特别是减压条件下不凝性气体的排放。

2.常见故障及处理方法

列管式换热器的常见故障及处理方法汇总于表2-5，供参考。

（二）板式换热器的操作

板式换热器是一种新型的换热设备，由于其结构紧凑，传热效率高，所以在化工、食品和石油等行业中得到广泛使用，但其材质为钛材和不锈钢，致使其价格昂贵，因此要正确使用和精心维护，否则既不经济，又不能发挥其优越性。

1.板式换热器的正确使用

（1）开停车及运行中的注意事项

①开车前应确认设备管道已完好连接，温度计、压力表等仪表是否安装到位。

②开车时先打开高温介质进口阀，引高温介质，待升到一定压力后，引低温介质。操作时，应防止换热器骤冷骤热；应严格控制开启速度，防止水击；使用压力不可超过铭牌规定。

③引工艺介质时，如出现微漏现象，可观察运行1～2h，如仍有微漏，则用敲击扳手均匀再紧一遍。

④进入换热器的冷、热流体如果含有大颗粒泥砂（1～2mm）和纤维质，一定要提前过滤，防止堵塞狭小的间隙。

⑤运行中，温差突变或阻力降增大，一般是入口处有杂物或换热板流体通道堵塞。应首先清理过滤器，如效果不明显，则应安排计划检修清洗换热板。

⑥经常察看压力表和温度计数值，及时掌握运行情况。

⑦当传热效率下降20%～30%时，要清理结疤和堵塞物，清理方法用竹板铲刮或用高压水冲洗，冲洗时波纹板片应垫平，以防变形。严禁使用钢刷刷洗。

⑧使用中发现垫口渗漏时，应及时冲洗结疤，拧紧螺栓，如无效，应解体组装。

⑨根据需要对换热器保温，防止雨淋和节约能源，导轨和滑轮定期防腐。

⑩停车时，缓慢关闭低温介质入口阀门，待压力降至一定值后，关高温介质进口阀门。保持冷、热流体压差不大。待流体压力降至常压、温度降至常温后，交付检修。

（2）过滤器的清洗　由于板式换热器流体通道狭小，因此一般在流体进口都装有过滤器。过滤器的规格应根据流体介质的浑浊性、颗粒度等情况选取。考虑生产的连续性和便于清洗，过滤器设有副线，清洗时间根据流体温差情况决定。在线运行时，开副线，关过滤器前后截断阀，拆过滤器，清洗滤芯杂质，视滤芯情况更换滤芯，完毕回装，不需停车。

2.板式换热器的常见故障与处理方法

板式换热器的常见故障及处理方法汇总于表2-6，供参考。

四、传热设备的维护与保养

1.列管式换热器的维护与保养

列管式换热器的维护保养是建立在日常检查的基础上的，只有通过认真细致的日常检查，才能及时发现存在的问题和隐患，从而采取正确的预防和处理措施，使设备能够正常运行，避免事故的发生。

日常检查的主要内容有：是否存在泄漏，保温保冷层是否良好，无保温设备局部有无明显变形，设备的基础、支吊架是否良好，利用现场或总控制室仪表观察流量是否正常、是否超温超压，设备有安全附件的是否良好，用听棒判断异常声响以确认设备内换热器是否相互碰撞、摩擦等。

（1）日常维护的内容　列管式换热器的日常维护和监测应观察和调整好以下工艺指标。

①温度　温度是换热器运行中的主要控制指标，可从在线仪表测定、显示、检查介质的进、出口温度，依此分析、判断介质流量大小及换热效果的好坏以及是否存在泄漏。判断换热器传热效率的高低，主要在传热系数上，传热系数低其效率也低，由工作介质的进、出口温度的变化可决定对换热器进行检查和清洗。

当将水作为冷却介质时，应将出口温度控制在50℃以内，若出口温度超过50℃，极易滋生微生物，引起列管的腐蚀穿孔。

②压力　通过对换热器的压力及进、出口压差进行测定和检验，可以判断列管的结垢、堵塞程度及泄漏等情况。若列管结垢严重，则阻力将增大，若堵塞则会引起节流及泄漏。对于有高压流体的换热器，如果列管泄漏，高压流体一定向低压流体泄漏，造成低压侧压力很快上升，甚至超压，并损坏低压设备或设备的低压部分。所以必须解体检修或堵管。

③泄漏　换热器的泄漏分为内漏和外漏。外漏的检查比较容易，轻微的外漏可以用肥皂水或发泡剂来检验，对于有气味的酸、碱等气体可凭视觉和嗅觉等感觉直接发现，有保温的设备则会引起保温层的剥落；内漏的检查，可以从介质的温度、压力、流量的异常，设备的声音及振动等其他异常现象发现。

④振动　换热器内的流体流速一般较高，流体的脉动及横向流动都会诱导换热管的振动，或者整个设备的振动。但最危险的是工艺开车过程中，提压或加负荷较快，很容易引起加热管振动，特别是在隔板处，管子的振动频率较高，容易把管子切断，造成断管泄漏，遇到这种情况必须停机解体检查、检修。

⑤保温（保冷）　经常检查保温（或保冷）层是否完好，通常凭眼睛的直接观察就可发现保温（或保冷）层的剥落、变质及霉烂等损坏情况，应及时进行修补处理。

（2）保养措施

①保持主体设备外部整洁，保温层和漆膜完好。

②保持压力表、温度计、安全阀和液位计等附件齐全、灵敏、准确。

③发现法兰口和阀门有泄漏时，应抓紧消除。

④开停换热器时，不应将蒸汽阀门和被加热介质阀门开得太猛，否则容易造成外壳与列管伸缩不一，产生热应力，使局部焊缝开裂或管子胀口松弛。

⑤尽量减少换热器开停次数，停止时应将内部水和液体放净，防止冻裂和腐蚀。

⑥定期测量换热器的壁厚，应两年一次。

2.板式换热器的维护与保养

（1）保持设备整洁，涂料完整。紧固螺栓的螺纹部分应涂防锈油并加外罩，防止生锈和黏结灰尘。

（2）保持压力表和温度计清晰，阀门和法兰无泄漏。

（3）定时检查设备静密封的外漏情况；通过压力表或温度表监测流体进出口的压力、温度情况，没安装温度表或压力表的设备可通过红外线测温仪监测进出口温度；对设备的内漏，可通过流体取样分析或电导分析仪监测。

（4）拆装板式换热器，螺栓的拆卸和拧紧应对面进行，松紧适宜。拆卸和组装波纹板片时，不要将胶垫弄伤或掉出，发现有脱落部分，应用胶质粘好。

（5）定期清理和切换过滤器，预防换热器堵塞。

（6）注意基础有无下沉不均匀现象和地脚螺栓有无腐蚀。