一、概述
在炼油、化工生产中，绝大多数的工艺过程都有加热、冷却和冷凝的过程，这些过程总称为换热过程。传热过程的进行需要一定的设备来完成，这些使传热过程得以实现的设备就称之为换热设备。据统计，在炼油厂中换热设备的投资占全部工艺设备总投资的35％～40％,因为绝大部分的化学反应或传质传热过程都与热量的变化密切相关，如反应过程中，有的要放热，有的要吸热，要维持反应的连续进行，就必须排除多余的热量或补充所需的热量；工艺过程中某些废热或余热也需要加以回收利用，以降低成本。另外，生产所得的油品或化工产品，需要将其冷却或冷凝，以便储存和运输。以上这些与热量有关的过程都需要使用换热设备。使用换热设备是为了达到加热或冷却的目的，如果将那些需要加热的流体与需要冷却的流体，经过换热设备相互换热，既可回收热量，又可降低冷却水的消耗。
综上所述，换热设备是炼油、化工生产中不可缺少的重要设备。换热设备在动力、原子能、冶金及食品等其他工业部门也有着广泛的应用。
二、换热设备的指标要求
1、效率要高。效率高就要求其传热系数大，传热系数是指在单位时间内、单位面积上温度每变化一度所传递的热量。
2、结构紧凑。要使换热设备的结构紧凑就要求其比表面积大，比表面积是指单位体积的换热设备所具有的传热面积，即传热面积与换热设备体积之比。
3、节省材料。要做到此点要求其比重量要小，所谓比重量是指单位传热面积所耗用的金属量，即换热设备总金属用量与传热面积之比。
4、压力降要小。流体在设备中流动阻力小、压力损失就小，节省动力、操作成本降低。
5、要求结构可靠、制造成本低，便于安装、检修、使用周期长。
由于要全面满足上述要求是非常困难的，因而产生了各种各样的换热器，以适应各种特定的工艺条件。
三、换热器的分类
换热设备的分类方法很多，现将几种常见的分类方法介绍如下：
1、按用途分类：分为热交换器、冷凝器、蒸发器、加热器及冷却器等五类。
1）热交换器：两种不同温度的介质进行热量交换，使一种介质降温而另一种介质升温，以满足各自的需要。
2）冷凝器：两种不同温度的介质进行热量交换，其中一种介质由汽态被冷凝成液态。
3）蒸发器：与冷凝器的操作刚好相反，两种 介质中的一种介质由液体被蒸发成汽体。
4）加热器：只单纯的完成一种介质的加热升温的操作。
5）冷却器：如果热量不回收利用，完成用冷却剂（如水、空气）来冷却另外一种介质的操作的换热器称为冷却器。如用空气作为冷却剂的换热器称为空气冷却器，简称空冷器。
2、按材料分类：分为金属材料和非金属材料换热器。
3、按结构分类：分为管壳式换热器和板式换热器。
1）管壳式换热器：特点是圆形的外壳中装有管束。一种介质流经换热管内的通道及其相贯通部分（称为壳程）。它可分为:浮头式换热器、U型管式换热器、套管式换热器、固定管板式换热器等。
2）板式换热器：它是由压成各种形状的薄板组成传热面的，冷、热两种介质分别在相邻两板之间流动。常见的板式换热器有平板式换热器、伞板式换热器、螺旋板式换热器及板壳式换热器。
板式换热器的传热效率虽然较高，但由于其强度低，密封性能差，故其应用受到了限制。因此，在石油、化工工业中应用较多的是管壳式换热器，它已被当成传统的换热设备来加以使用。
四、管壳式换热器的总体结构
1、管壳式换热器的总体结构以及特点
1）浮头式换热器
浮头式换热器的一端管板是固定的。与壳体刚性连接，另一端管板是活动的，与壳体之间并不相连。活动管板一侧总称为浮头，浮头式换热器的管束可从壳体中抽出，故管外壁清洗方便，管束可在壳体中自由伸缩，所以无温差应力；但结构复杂、造价高，且浮头处若密封不严会造成两种流体混合。浮头式换热器适用于冷热流体温差较大（一般冷流进口与热流进口温差可达110℃），介质易结垢需要清洗的场合。在炼油厂中使用的各类管壳式换热器中浮头式最多。
浮头式换热器
2）固定管板式换热器
这类换热器的结构简单，重量轻，造价较低，在相同的壳层情况下，可较其他型式的列管换热器多排一些传热管子。但是壳体与管层之间的流体的温差不能太大，因温差太大时，会产生较大的热应力，使管子与管板结合处松脱而产生泄漏。此外这类换热器因管板是固定的，所以在检修，更换管子或清洗壳层时，都比较困难。此换热器适用于壳程介质不易结垢，或是有结垢但可进行化学清洗的场合；壳壁与管壁因温度差而引起的膨胀量之差不大，或膨胀差虽大但壳程压力不高的情况。
固定管板式换热器
3）U型管式换热器
这种换热器不同于固定管板式和浮头式，只有一块管板，换热管作为U字形、两端都固定在同一块管板上；管板和壳体之间通过螺栓固定在一起。这种换热器结构简单、造价低，管束可在壳体内自由伸缩，无温差应力，也可将管束抽出清洗且还省了一块管板；但U形管管内清洗困难且管子更换也不方便，由于U形弯管半径不能太小，故与其他管壳式换热器相比布管较少，结构不够紧凑。它适用于冷热流体温差较大、管内走清洁不易结垢的高温、高压、腐蚀性较大的流体的场合。
U型管换热器
4）釜式换热器
这种换热器的壳体直径一般为管束直径的1.5～2.0倍，管束偏置于壳体的下方，液面淹没管束，使管束上部形成一定的汽液分离空间。此换热器多用来做蒸发器、精馏塔的重沸器或简单的废热锅炉。根据需要，管束可以是固定管板型、浮头型或U型管型。
2、管壳式换热器的主要组合部件
管壳式换热器的主要组合部件有前端管箱，壳体和后端结构（包括管束）三部分，详细分类以及代号（英文字母）如下所示：
换热器结构代号
换热器结构代号
3、换热器型号的表示方法
换热器型号表示方法
现举例说明：
1）浮头式换热器
平盖管箱，公称直径500mm，管程和壳程设计压力均为1.6MPa，公称换热面积54㎡，较高级冷拔换热管外径25mm，管长6m，4管程单壳程的浮头式换热器。
其型号为：AES500-1.6-54-6/25-4Ⅰ
2）固定管板式换热器
封头管箱，公称直径700mm，管程设计压力2.5MPa，壳程设计压力1.6MPa，公称换热面积200 ㎡，较高级冷拔换热管外径25mm,管长9m，4管程单壳程的固定管板式换热器。
其型号为：BEM700-2.5/1.6-200-9/25-4Ⅰ
3）U型管式换热器
封头管箱，公称直径500mm，管程设计压力4.0MPa，壳程设计压力1.6MPa，公称换热面积75 ㎡，较高级冷拔换热管外径19mm,管长6m，2管程单壳程的U型管式换热器。
其型号为：BIU500-4.0/1.6-75-6/19-2Ⅰ
4）釜式重沸器
平盖管箱，管箱内直径600mm，圆筒内直径1200mm，管程设计压力2.5MPa，壳程设计压力1.0MPa，公称换热面积90㎡，普通级冷拔换热管外径25mm,管长6m，2管程釜式重沸器。
其型号为：AKT-600/1200-2.5/1.0-90-6/25-2Ⅱ
5）浮头式冷凝器
封头管箱，公称直径1200mm，管程设计压力2.5MPa，壳程设计压力1.0MPa，公称换热面积610㎡，普通级冷拔换热管外径25mm,管长9m，4管程单壳程的浮头式冷凝器。
其型号为：BJS1200-2.5/1.0-610-9/25-4Ⅱ
五、管壳式换热器的主要零部件
（一）换热管及在管板上的排列方式
换热管是管壳式换热器的传热元件，它直接与两种介质接触，所以换热管的形状和尺寸对传热有很大的影响。小管径利于承受压力，因而管壁较薄且在相同的壳径内可以排列较多的管子，使换热器单位体积的传热面积增大、结垢紧凑，单位传热面积金属耗量少，传热效率也稍高一些，但制造麻烦，且小直径管子易结垢，不易清洗。所以一般对清洁流体用小直径管子，粘性较大的或污染的流体采用大直径管子。我国管壳式换热器常用换热管为：碳钢、低合金钢管有Φ19×2、 Φ25×2.5、 Φ38×3、 Φ57×3.5；不锈钢管有Φ25×2、 Φ38×2.5。
在相同的传热面积的情况下，换热管越长则壳体、封头的直径和壁厚就越小，经济性越好；但换热管过长，经济效果不再显著且清洗、运输、安装都不太方便。换热管的长度规格有1.5、2.0、3.0、4.5、6.0、7.5、9.0、12.0m，在炼油厂所用的换热器中最常用的是6m管长。换热管一般都用光管，为了强化传热，也可用螺纹管、带钉管及翅片管。
换热管在管板上的排列形式有正三角形、转角正三角形、正方形和转角正方形等。如图所示。三角形排管多，结构紧凑，但管外清洗不方便；正方形排管少，结构不够紧凑，但管外清洗较方便。一般在固定管板式换热器中多用三角形排列，浮头式换热器多用正方形排列。
换热管排列方式
（二）管板及换热管的连接
管板一般采用圆形平板，在板上开孔并装设换热管，在多管程换热器中管板上还设置分程隔板。管板还起分隔管程和壳程空间，避免冷热流体混合的作用。管板与换热管间可采用胀接、焊接或二者并用的连接方式。
管板与换热管的胀接连接是利用管子与管板材料的硬度差（选材时管板材料硬度要高于管子材料硬度），使管子在管孔中在胀管器的作用下直径扩大并产生塑性变形，而管板只产生弹性变形，在胀管后管板在弹性恢复力的作用下与管子外表面紧紧贴合在一起，达到密封和紧固连接的目的，如图所示。胀接连接结构简单、便于管子更换与修补，但不宜在高温、高压下工作。随着温度和压力增高，胀接的密封性和牢固性将逐渐下降。
换热管与管板胀接
焊接连接是将换热管的端部与管板焊在一起，这种连接形式工艺简单、不受管子与管板材料硬度的限制，而且在高温、高压下仍能保持良好的连接密封性和牢固性，所以在高温、高压下甚至某些压力并不太高的场合都使用焊接连接，如图所示。焊接连接的缺点是只在管子端部与管板焊死，而沿管板厚度方向的大部分管段其外壁与管板之间存在环行间隙，在这些间隙中流体不流动，及易造成“间隙腐蚀”，为消除间隙可采用胀接和焊接并用的连接方式。
换热管与管板焊接
（三）壳体及管板的连接
管壳式换热器的壳体都是圆筒形的，直径较小时用无缝钢管制作，直径较大时用钢板卷制焊接而成；壳体所用材料及要求与一般的压力容器相同。不同类型的管壳式换热器其壳体与管板的连接方式不同，在固定管板式换热器中，两端管板均与壳体采用焊接连接，这种连接称为管板与壳体的不可拆连接；根据管板是否兼作法兰其结构不同，如图所示，多数情况下采用管板兼作法兰的结构。在浮头式、U形管式换热器中固定端的管板与壳体采用可拆连接，将管板夹持在壳体法兰与管箱法兰之间，这样便于管束从壳体中抽出进行清洗和维修，如图所示。
管板兼做管箱法兰
管板与管箱焊接
管板夹持在壳体法兰与管箱法兰之间
（四）管箱
管箱的作用是将进入管程的流体均匀分布到各换热管，把管内流体汇集在一起送出换热器。在多管程换热器中，管箱还可通过设置隔板起分隔作用。管箱结构如图所示，其中图（a）适用较清洁的介质，因检查管子及清洗时只能将管箱整体拆下，故不太方便；图（b）在管箱上装有平盖，只要将平盖拆下即可进行清洗和检查，所以工程应用较多，但材料消耗多；图（c）是将管箱与管板焊成一体，这种结构密封性好，但管箱不能单独拆下，检修、清洗都不方便，实际应用较少。
管箱结构
（五）折流板
折流板是设置在壳体内与管束垂直的弓形或圆盘－圆环形平板，如图所示。安装折流板迫使壳程流体按照规定的路径多次横向穿过管束，既提高了流速又增加了湍流速度，改善了传热效果，在卧式换热器中折流板还可起到支撑管束的作用。但在冷凝器中，由于冷凝传热系数与蒸汽在设备中的流动状态无关，因此不需要设置折流板。
折流板
六、管壳式换热器流体通过管程或壳程的选择
1、流体经过换热器时应走管程还是走壳程，需要考虑多方面因素，不能提出一定的规则。但总的原则是有利传热、防止腐蚀、减少阻力、不易结垢、便于清扫。
2、腐蚀性介质走管程，以免使管程和壳程材质都遭到腐蚀。
3、有毒介质走管程，这样泄漏的机会就少一些。
4、流量小的流体走管程，以便选择理想的流速，流量大的流体宜走壳程。
5、高温、高压流体走管程，因管子直径较小可承受较高的压力。
6、容易结垢的流体在固定管板式和浮头式换热器中走管程，在U形管式换热器中走壳程，这样便于清洗和除垢；若是在冷却器中，一般是冷却水走管程、被冷却流体走壳程。
7、流体的流向对传热也有较大的影响，为充分利用同一介质冷热对流的原理，以提高传热效率和减少动力消耗，无论管程还是壳程，当流体被加热或蒸发时，流向应由下向上；当流体被冷却或冷凝时应由上向下。
七、换热设备的操作
无论是冷凝、冷却器还是加热器，换热器的操作必须抓住两个主要问题，即防止漏油与正确开停。
1、防止漏油：
为防止换热器因安装不好而漏油，在开工前必须试压（用热水或水蒸汽）。试验压力一般应是公称压力的1.5倍，但根据现有的设备制造水平似乎太高，可以适当降为最高操作压的1.25～1.5倍。试压时重点检查法兰接合面和胀口是否漏，检查内漏的方法是重点观察压力降的变化。
2、正确开停：
为了延长换热器寿命和保证平稳操作，必须正确地开停和切换换热器，使用和切换时应先通冷流（油、水）后通热流（油、水蒸汽）同时打开放空阀排除器内气体后关闭放空阀。某些重油换热器为避免初通入时，重油凝死，故要先通入水蒸汽预热和扫通，再进行正常切换启用。停换热器时，先关热流，后关冷流，同时进行扫线放油排空。总之，开时先开冷后开热；关时先关热后关冷，其目的都是为了使换热器逐渐升温（或降温），避免由于突然升温（或降温）而使换热器热胀冷缩，引起漏油或遭到破坏。
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