. .. . i. .w. 换热器 换热器的发展已经有近百年的历史，其在国民经济的诸多领域(如食品、制药、石油化工、空调、动力、冶金、轻工等)得到广泛的应用。换热器是化工、石油、制药及能源等行业中应用相当广泛的单元设备之一。 定义：换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，又称热交换器。 换热器（heat exchanger），是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，又称热交换器。换热器是制冷空调、暖通、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。按使用功能分：冷凝器、蒸发器、再热器、过热器和再沸器等。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。在制冷空调、暖通等领域主要涉及混合式换热器和间壁式换热器，其中以间壁式换热器应用最多。
一、混合式换热器 混合式热交换器是依靠冷、热流体直接接触而进行传热的，这种传热方式避免了传热间壁及其两侧的污垢热阻，只要流体间的接触情况良好，就有较大的传热速率。故凡允许流体相互混合的场合，都可以采用混合式热交换器，例如气体的洗涤与冷却、循环水的冷却、汽-水之间的混合加热、蒸汽的冷凝等等。它的应用遍及化工和冶金企业、动力工程、空气调节工程以及其它许多生产部门中。 (1)冷却塔(或称冷水塔) 在这种设备中，用自然通风或机械通风的方法，将生产中已经提高了温度的水进行冷却降温之后循环使用，以提高系统的经济效益。例如热力发电厂或核电站的循环水、合成氨生产中的冷却水等，经过水冷却塔降温之后再循环使用，这种方法在实际工程中得到了广泛的使用。 冷却塔是利用空气同水的接触（直接或间接） 来冷却水的设备。是以水为循环冷却剂，从一系统中吸收热量并排放至大气中，从而降低塔空气温度，制造冷却水可循环使用的设备。 冷却塔主要应用于空调冷却系统、冷冻系列、注塑、制革、发泡、发电、汽轮机、. .. . i. .w. 铝型材加工、空压机、工业水冷却等领域，应用最多的为空调冷却、冷冻、塑胶化工行业。具体划分，如下： A、空气室温调节类：空调设备、冷库、冷藏室、冷冻、冷暖空调等； B、制造业及加工类：食品业、药业、金属铸造、塑胶业、橡胶业、纺织业、钢铁厂、化学品业、石化制品类等； C、机械运转降温类：发电机、汽轮机、空压机、油压机、引擎等； D、其他类行业…… 冷却塔的作用是将携带废热的冷却水在塔体部与空气进行热交换，使废热传输给空气并散入大气中，其结构示意图见图1，工作原理图见图2，实物图见图3。
图1 冷却塔结构示意图 . .. .
i. .w. 图2 冷却塔工作原理图 图3 冷却塔实物图 (2)气体洗涤塔(或称洗涤塔) . .. . i. .w. 在工业上用这种设备来洗涤气体有各种目的，例如用液体吸收气体混合物中的某些组分，除净气体中的灰尘，气体的增湿或干燥等。但其最广泛的用途是冷却气体，而冷却所用的液体以水居多。空调工程中广泛使用的喷淋室，可以认为是它的一种特殊形式。喷淋室不但可以像气体洗涤塔一样对空气进行冷却，而且还可对其进行加热处理。但是，它也有对水质要求高、占地面积大、水泵耗能多等缺点：所以，目前在一般建筑中，喷淋室已不常使用或仅作为加湿设备使用。但是，在以调节湿度为主要目的的纺织厂、卷烟厂等仍大量使。 图4为大型商业建筑用中央空调组合式空调机组段中的喷淋室段。
(a) 喷淋室工作原理图
(b) 喷淋室构件组合示意图 . .. .
i. .w. (c) 喷淋排管示意图 (d) 中央空调组合式空调机组段喷淋室实物图 图4大型商业建筑用中央空调组合式空调机组段中的喷淋室段 (3)喷射式热交换器 在这种设备中，使压力较高的流体由喷管喷出，形成很高的速度，低压流体被引入混合室与射流直接接触进行传热，并一同进入扩散管，在扩散管的出口达到同一压力和温度后送给用户。 . .. . i. .w. (4)混合式冷凝器 这种设备一般是用水与蒸汽直接接触的方法使蒸汽冷凝。
二．间壁式换热器 下面重点介绍本专业应用最多的间壁式换热器。 间壁式换热设备按照其功能可命名，如冷凝器、蒸发器、再热器、过热器和再沸器等； 按换热部件的特点可分为：管壳式换热器、套管式换热器、翅片管式换热器（包括冰箱用丝管式冷凝器、箱壁式冷凝器、吹胀式蒸发器）、板式换热器、板翅式换热器、管带式换热器。 （1）壳管式换热器 壳管式换热器是石油、化工、冶金和制冷等工业部门中应用最普遍(约占70％)，理论研究和设计技术最完善，运用可靠性良好的一类换热器。分为列管式和盘管式(平面型和空间型)，列管式又分为卧式壳管式与立式壳管式。其研究包括了管程和壳程两侧的传热强化研究。 其由壳体、传热管束、管板、折流板（挡板）和管箱等部件组成。壳体多为圆筒形，部装有管束，管束两端固定在管板上。进行换热的冷热两种流体，一种在管流动，称为管程流体；另一种在管外流动，称为壳程流体。为提高管外流体的传热分系数，通常在壳体安装若干挡板。挡板可提高壳程流体速度，迫使流体按规定路程多次横向通过管束，增强流体湍流程度。 本专业主要用于大型中央空调水冷式机组的水冷式冷凝器、氨制冷系统等，主要有立式壳管式换热器和卧式壳管式冷凝器。下面分别予以介绍： ① 立式壳管式冷凝器
立式壳管式冷凝器的外壳是有钢板焊成的圆柱形筒体，筒体两端焊有多孔管板，在两端管板的对应孔中，用扩胀法或焊接法将无缝钢管固定，成为一个垂直管束。其结构如图5所示。 . .. .
i. .w. 图5 立式壳管式冷凝器 立式冷凝器的主要特点是： 1°由于冷却流量大流速高，故传热系数较高，一般K=600～700(kcal/m2?h?℃)。 2°垂直安装占地面积小，且可以安装在室外。 3°冷却水直通流动且流速大，故对水质要求不高，一般水源都可以作为冷却水。 4°管水垢易清除，且不必停止制冷系统工作。 5°但因立式冷凝器中的冷却水温升一般只有2～4℃，对数平均温差一般在5～6℃左右，故耗水量较大。且由于设备置于空气中，管子易被腐蚀，泄漏时比易被发现。 ② 卧式壳管式冷凝器
卧式冷凝器制冷设备与立式冷凝器有相类似的壳体结构，但在总体上又有很多不同之处，主要区别在于壳体的水平安放和水的多路流动。卧式冷凝器两端管板外面各用一个端盖封闭，端盖上铸有经过设计互相配合的分水筋，把整个管束分隔成几个管组。从而使冷却水从一端端盖下部进入，按顺序流过每个管组，最后从同一端盖上上部流出过程中，要往返4～10个回程。这样做既可以提高管冷却水的流速，从而提高传热系数，又使使高温的制冷剂蒸气从壳体上部的进气管进入管束间. .. . i. .w. 与管冷却水进行充分的热交换。冷凝下来的液体从下部出液管流入贮液筒。具体结构如图6所示，壳式换热器实物图见图7-8。
图6 卧式壳管式冷凝器 图7 弓形折流板管壳式换热器实物图 . .. .
i. .w. 图8 单壳程水平圆缺形折流板管壳式换热器结构示意图 知识补充： 目前国壳管式换热器主要还是采用弓型隔板作为管间的支撑结构，在这种结构的换热器中，流体在壳程呈“z”形流动，在隔板和壳体壁相连处存在流动死区；流体在隔板间分离引起动量的急剧变化而造成压力的严重损失；在隔板与壳体和传热管与隔板之间存在旁路流和泄漏流，降低了流体的有效质量流量，这些缺点导致了壳管式换热器传热系数低、压降高。随着金属材料价格的不断增长和节能工作的迫切需求，促进了高效壳管式换热器的研究和应用。近年来，螺旋隔板换热器作为一种新型的壳管式换热器形式，受到国外学者的广泛关注，并在工业中推广应用，取得了很好的节能、节材经济效益。 折流板是提高换热器工效的重要部件。传统换热器中最普遍应用的是弓形折流板，由于存在阻流与压降大、有流动滞死区、易结垢、传热的平均温差小、振动条件下易失效等缺陷，近年来逐渐被螺旋折流板所取代。理想的螺旋折流板应具有连续的螺旋曲面。由于加工困难，目前所采用的折柳板，一般由若干个1/4的扇形平面板替代曲面相间连接，形成近似的螺旋面。在折流时，流体处于近似螺旋流动状态。相比于弓形折流板，在相同工况下，这样的折流板（被称为非连续型螺旋折流板）可减少压降45%左右，而总传热系数可提高20%～30%，在相同热负荷下，可大大减小换热器尺寸。 螺旋折流板管壳式换热器如下图10所示。 . .. . i. .w. (a)
(b) (c) 壳管式换热器螺旋折流板 图10螺旋折流板管壳式换热器 （2）套管式换热器 套管式换热器是用两种尺寸不同的标准管连接称为同心圆的套管，外面的叫壳程， . .. . i. .w. 部的叫管程。两种不同介质可在壳程和管程逆向流动(或同向)以达到换热的效果。两种不同直径的管子套在一起组成同心套管，每一段套管称为“一程”，程的管（传热管）借U形肘管,而外管用短管依次连接成排,固定于支架上。热量通过管管壁由一种流体传递给另一种流体。通常，热流体（A流体）由上部引入,而冷流体（B流体）则由下部引入。套管中外管的两端与管用焊接或法兰连接。管与U形肘管多用法兰连接,便于传热管的清洗和增减。每程传热管的有效长度取4～7米。这种换热器传热面积最高达18m2,故适用于小容量换热。当外管壁温差较大时,可在外管设置U形膨胀节或外管间采用填料函滑动密封,以减小温差应力。管子可用钢、铸铁、瓷和玻璃等制成,若选材得当,它可用于腐蚀性介质的换热。这种换热器具有若干突出的优点，所以至今仍被广泛用于石油、石油化工等工业部门。具体结构如图11所示，实物图如图12所示。
(d) 图 11 套管式换热器结构图
其主要特点有：