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1. 概述
1.1换热设备在工业中的应用
在工业生产中，用于在两种或两种以上流体间、一种流体一种固体间、固体粒子间或者热接触且具有不同温度的同一种流体间的热量（或焓）传递的装置称为换热设备。它是化工、炼油、食品、轻工、能源、制药、机械及其他许多工业部门广泛使用的一种通用设备。对于迅速发展的化工、炼油等工业生产来说，换热设备尤为重要。在化工厂中，换热设备的投资约占总投资的10%~30%；在炼油厂中，约占总投资的35%~40%。近20年来，换热设备在能源储存、转化、回收，以及新能源利用和污染治理中得到了广泛的应用。
在工业生产中，换热设备的主要作用是使热量由温度较高的流体传递给温度较低的流体，使流体温度达到工艺过程规定的指标，以满足工艺过程上的需要。此外，换热设备也是回收余热、废热特别是低位热能的有效装置。例如，烟道气（约200~300℃）、高炉炉气压力蒸汽（约500℃）、需要冷却的化学反应工艺气（300~1000℃）等余热，通过余热锅炉可生产压力蒸汽，作为供热、供气、发电和动力的辅助能源，从而提高热能的总利用率，降低燃料消耗和电耗，提高工业生产经济效益。
换热设备随着使用目的的不同，可以把它分为热交换器、加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等。由于使用的条件不同，换热设备又有各种不同的形势和结构。另外，在化工生产中，有时换热设备作为一个单独的化工设备，有时则把它作为某一工艺设备中的组成部分，如氨合成塔中的下部热交换器、精馏塔底部的再沸器和顶部的回流冷凝器或分凝器等。总之，换热设备在化工生产中的应用是十分广泛的，任何化工生产工艺几乎都离不开它。近年来，随着这节能技术的发展，应用领域不断扩大，利用换热设备进行高温和低温热能回收带来了显著的经济效益。目前，在换热设备中，使用量最大的是管壳式换热器。管壳式换热器按用途分为无相变传热的换热器和有相变传热的冷凝器和重沸器。
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随着环境保护要求的提高，近年来加氢装置的需求越来越多，如加氢裂化，煤油
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加氢，汽油、柴油加氢和润滑油加氢装置等建设增加，所需的高温、高压换热器数量随之加大。螺纹锁紧环换热器、Ω密封环换热器、金属垫圈式换热器、密封盖板式换热器技术发展越来越快，不仅在承温、承压上满足装置运行要求，而且在传热与动力消耗上发展较快，同时亦适用于乙烯裂解。化肥中合成氨、聚合和天然气等场合，可满足承压高达35MPa，承温达700℃的使用要求。在这些场合，换热设备占有的投资占50%以上。
在500~1200℃燃气、合成气、烟气使用的石油、化工、乙烯、原子能、航天、化肥等领域使用的换热设备主要是用特殊材料制造的肺废热锅炉，各种结构和用途的废热锅炉的应用回收了大量的热能。如温度高达550~780℃炼油装置燃气系统，450~1200℃的航天发动机燃气系统，680~1100℃化肥中合成气系统，650~900℃乙烯裂解气系统都采用具有特殊结构的一种管壳式换热器。
1.2传热的一般概念
传热学是一门研究由于温度不同所引起的热的传递过程的学科。它与热力学不同之处，在于后者是讨论平衡状态的系统，用以预测某一系统从平衡状态改变到另一种平衡状态的可能性问题，但不能预测所发生的变化到底有多快，因为在这种状态变化的过程中，系统并不是处于平衡状态。因此，这就需要由传热学来解决。由此可见，传热学不仅要阐明热能被传递的原因，而且也用于预测在特定条件下，所发生热量传递的快慢，即所谓热传递的速率。 (1)、传热过程的应用
在物体内部或物系之间，只要存在温差，就会发生从高温处向低温处的热量传递。自然界和生产领域中普遍存在着这种以温度差为推动力的热量传递现象。热量传递简称传热。在工业生产中，传热过程所涉及的主要问题有3类，即物料的加热或冷却；热量与冷量的回收利用；设备或管路的保温。 (2)、热量传递的基本方式
第 2页 根据热量传递机理的不同，有三种基本热传递方式：传导、对流和辐射。
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ⅰ、热传导 物体各部分之间不发生相对位移时，依靠分子、原子及自由电子等微观粒子的热运动而产生的热量传递称为热传导，又称导热。
从微观的角度来看，气体、液体、导电固体或非导电固体的热传导机理是不同的。气体中，热传导是气体分子不规则热运动时相互碰撞的结果。温度较高的气体分子具有较大的运动动能，不同能量水平的分子相互碰撞使热量从高温处迁移到低温处。导电固体具有大量的自由电子，它们在固体晶格中的运动类似于气体分子，在导电固体中，自由电子的运动对热量传导起着重要作用。在非导电固体中，热传导是通过晶格的振动实现的。对于液体的热传导机理，目前还存在不同的观点：一种观点认为液体的热传导类似于气体，只是情况更复杂，因为液体的分子间距较小，分子间作用力对分子碰撞的影响比气体的大；另一种观点认为液体的热传导类似于非导电固体，主要靠弹性波的作用。
ⅱ、对流传热 对流仅发生于流体中，它是指由于流体的宏观运动使流体各部分之间发生相对位移而导致的热量传递过程。由于流体间各部分是相互接触的，除了流体的整体运动所带来的热对流之外，还伴生有由于流体的微观粒子运动造成的热传导。在工程上，常见的是流体流经固体表面时的热量传递过程，称之为对流传热。
对流传热通常用牛顿冷却定律来描述，即当主体温度为tf的流体被温度为tw的热壁加热时，单位面积上的加热量可以表示为：
当主体温度为tf的流体被温度为tw的冷壁冷却时，有
式中q为对流传热的热通量，W/m2；a为比例系数，称为对流传热系数, W/(m2·℃)。牛顿冷却公式表明，单位面积上的对流传热速率与温差成正比关系。
ⅲ、热辐射 辐射是一种通过电磁波传递能量的过程。物体因各种原因发出辐射能，其中因热的原因发出辐射能的现象称为热辐射。
自然界中各个物体都不停地向其周围空间发出热辐射，同时又不断地吸收其它物
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体发出的辐射能。辐射与吸收过程的综合结果就造成了以辐射方式进行物体间的热量
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传递，即辐射传热。当物体与周围环境处于热平衡时，物体的辐射传热量为零，但这只是动态平衡，辐射与吸收过程仍在不停地进行。
与热传导和对流传热不同，辐射传热无须借助中间介质的存在来传递热量，可以在真空中传递，而且辐射传热的进行不仅产生能量的转移，而且伴随着能量形式的转换，即发射时由热能转换为辐射能，吸收时又从辐射能转换为热能。
虽然物体可以热辐射的方式进行热量传递，但一般只在高温或低温下才成为主要传热方式。
以上分别讨论了热传导、对流和热辐射三种热量传递方式的基本机理。在实际问题中，这些方式往往是相互伴随着同时发生而成为复合传热过程，此时应针对具体问题根据传热机理区分和综合运用这三种基本传热方式的相关知识。
1.3换热器的分类
(1)、按原理分类：
ⅰ、直接接触式换热器 这类换热器的主要工作原理是两种介质经接触而相互传递热量，实现传热，接触面积直接影响到传热量，这类换热器的介质通常一种是气体，另一种为液体，主要是以塔设备为主体的传热设备，但通常又涉及传质，故很难区分与塔器的关系，通常归口为塔式设备，电厂用凉水塔为最典型的直接接触式换热器。
ⅱ、蓄能式换热器(简称蓄能器) 这类换热器用量极少，原理是热介质先通过加热固体物质达到一定温度后，冷介质再通过固体物质被加热，使之到达传热量的目的。
ⅲ、间壁式换热器 这类换热器用量非常大，占总量的99%以上，原理是热介质通过金属或非金属将热量传递给冷介质，这类换热器我们通常称为管壳式、板式、板翅式或板壳式换热器。 (2)、按传热种类分类
ⅰ、无相变传热 一般分为加热器和冷却器。
ⅱ、有相变传热 一般分为冷凝器和重沸器。重沸器又分为釜式重沸器、虹吸式第 4页 重沸器、再沸器、蒸发器、蒸汽发生器、废热锅炉。
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(3)、按生产中使用目的分类
换热设备按在生产中使用的目的不同可分为冷却器、加热器、冷凝器、再沸器和蒸发器等。 (4)、按结构分类
分为浮头式换热器、固定管板式换热器、填料函式换热器、U型管式换热器、蛇管式换热器、双壳程换热器、单套管换热器、多套管换热器、外导流筒换热器、折流杆式换热器、热管式换热器、插管式换热器、滑动管板式换热器。 (5)、按折流板分布分类
分为单弓形换热器、双弓形换热器、三弓形换热器、螺旋弓形换热器。 (6)、按板状分类
分为螺旋板换热器、板式换热器、板翅式换热器、板壳式换热器、板式蒸发器、板式冷凝器、印刷电路板换热器、穿孔板换热器。 (7)、按密封形式分类
此类换热器多用于高温、高压装置中，具体分为：螺旋锁紧环换热器、Ω环换热器、薄膜密封换热器、钢垫圈换热器、玻璃钢换热器、密封盖板式换热器。 (8)、空冷式换热器分类
分为干式空冷器、湿式空冷器、干湿联合空冷器、电站空冷器、表面蒸发式空冷器、板式空冷器、能量回收空冷器、自然对流空冷器、高压空冷器。 (9)、按材料分类
主要为金属和非金属两大类。金属又可分为低合金钢、高合金钢、低温钢、稀有金属等；非金属可分为石墨、氟塑料、陶瓷纤维复合材料、玻璃钢等。 (10)、按强化传热元件分类
分为螺纹管换热器、波纹管换热器、异型管换热器、表面多孔管换热器、螺旋扁管换热器、螺旋槽管板换热器、环槽管换热器、纵槽管换热器、螺旋绕管式换热器、T型翅片管换热器、新结构高效换热器、内插物换热器、锯齿管换热器。
换热器的种类繁多，还有按管箱分类等，各种换热器各自适用于某一工况。为此，第 5页