程孝剛

[拼音]：huanreqi

[英文]：heat exchanger

將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的裝置，又稱熱交換器。換熱器的應用廣泛，日常生活中取暖用的散熱片、汽輪機裝置中的凝汽器和航天火箭上的油冷卻器等，都是換熱器。它還廣泛應用於化工、石油、動力和原子能等工業部門。它的主要功能是保證工藝過程對介質所要求的特定溫度，同時也是提高能源利用率的主要裝置之一。換熱器既可是一種單獨的裝置，如加熱器、冷卻器和凝汽器等；也可是某一工藝裝置的組成部分，如氨合成塔內的熱交換器。

簡史

由於製造工藝和科學水平的限制，早期的換熱器只能採用簡單的結構，而且傳熱面積小、體積大和笨重、如蛇管式換熱器等。隨著製造工藝的發展，逐步形成一種管殼式換熱器，它不僅單位體積具有較大的傳熱面積，而且傳熱效果也較好，長期以來在工業生產中成為一種典型的換熱器。20世紀20年代出現板式換熱器，並應用於食品工業。以板代管制成的換熱器，結構緊湊，傳熱效果好，因此陸續發展為多種形式。30年代初，瑞典首次製成螺旋板換熱器。接著英國用釺焊法制造出一種由銅及其合金材料製成的板翅式換熱器，用於飛機發動機的散熱。30年代末，瑞典又製造出第一臺板殼式換熱器，用於紙漿工廠。在此期間，為了解決強腐蝕性介質的換熱問題，人們對新型材料製成的換熱器開始注意。60年代左右，由於空間技術和尖端科學的迅速發展，迫切需要各種高效能緊湊型的換熱器，再加上衝壓、釺焊和密封等技術的發展，換熱器製造工藝得到進一步完善，從而推動了上述緊湊型板面式換熱器的蓬勃發展和廣泛應用。在這期間，中國和瑞典各自獨立創制了傘板換熱器。此外，自60年代開始，為了適應高溫和高壓條件下的換熱和節能的需要，典型的管殼式換熱器也得到了進一步的發展。70年代中期，為了強化傳熱，在研究和發展熱管的基礎上又創制出熱管式換熱器。

分類

換熱器按傳熱方式的不同分為混合式、蓄熱式和間壁式3類。

混合式換熱器

通過冷、熱流體的直接接觸、混合進行熱量交換的換熱器，又稱接觸式換熱器。混合式換熱器只適用於允許兩換熱流體可以直接接觸的場合。由於兩流體混合換熱後必須及時分離，這類換熱器適合於氣、液兩流體之間的換熱。例如，化工廠和發電廠所用的涼水塔中，A流體（熱水）由上往下噴淋，而B流體（冷空氣）自下而上吸入，在填充物的水膜表面或飛沫及水滴表面，熱水和冷空氣相互接觸進行換熱，熱水被冷卻，冷空氣被加熱（圖1），然後依靠兩流體本身的密度差得以及時分離。

蓄熱式換熱器

利用冷、熱流體交替流經蓄熱室中的蓄熱體（填料）的表面進行熱量交換的換熱器，如煉焦爐下方預熱空氣的蓄熱室。這類換熱器主要用於回收和利用高溫廢氣的熱量。在圖2中蓄熱室 A正引入熱流體，蓄熱體由熱流體處獲得熱量，進行蓄熱；而蓄熱室B引入冷流體，蓄熱體將前一過程中所蓄熱量釋放給冷流體，進行放熱。經過一定時間後閥門自動切換，使兩蓄熱室的作用恰好相反，如此交替地進行操作。以回收冷量為目的的同類裝置稱蓄冷器，多用於空氣分離裝置中。

間壁式換熱器

冷、熱流體被固體間壁隔開，並通過間壁進行熱量交換的換熱器（圖3），又稱表面式換熱器。這類換熱器應用最廣。間壁式換熱器根據傳熱面（構成整個傳熱面的重複單元稱為傳熱元件）的結構不同可分為管式、板面式和其他型式。

（1）管式換熱器：以管子表面作為傳熱面，包括蛇管式換熱器、套管式換熱器和管殼式換熱器等；

（2）板面式換熱器：以板面作為傳熱面，包括板式換熱器、螺旋板換熱器、板翅式換熱器、板殼式換熱器和傘板換熱器等；

（3）其他型式換熱器：為滿足某些特殊要求而設計的換熱器，如刮面式換熱器、轉盤式換熱器和空氣冷卻器等。

工作原理

根據傳熱學的原理，事家，遵循下列傳熱方程式

φ＝KAΔtm式中φ為熱流量，即換熱器在單位時間內的傳熱量(瓦)；K為傳熱係數（瓦每平方米每攝氏度），它標誌換熱器傳熱強度的大小，其倒數1/K標誌熱流通過壁的本身、壁兩側面上形成的汙垢層和壁兩側的流體膜層所遇到的總熱阻大小，K值越大，傳熱強度越大，熱阻越小；A為換熱器的傳熱面積（米2）；Δtm 為兩換熱流體在換熱過程中的平均溫差(℃)，它標誌傳熱過程中推動力的大小，是實現傳熱過程的必要條件。Δtm 與傳熱過程中兩流體沿傳熱面(F)的溫度(t)分佈有關，而溫度分佈又取決於兩流體流向的選擇。

流向一般有順流和逆流兩種。圖4表示兩流體在不發生物相變化（沸騰或冷凝）的傳熱過程中，兩種流向流體的溫度t沿傳熱表面F的變化情況。順流時，入口處兩流體的溫差最大，並沿傳熱表面逐漸減小，至出口處溫差為最小，且

總是大於

。逆流時，沿傳熱表面兩流體的溫差分佈較均勻，且

有可能小於

。在冷、熱流體的進出口溫度一定的條件下，當兩種流體都無相變時，以逆流的平均溫差最大，順流最小。在完成同樣傳熱量的條件下，採用逆流可使平均溫差增大，換熱器的傳熱面積減小；若傳熱面積不變，採用逆流時可使加熱或冷卻流體的消耗量降低。前者可節省裝置費，後者可節省操作費，故在設計或生產使用中應儘量採用逆流換熱。當冷、熱流體兩者或其中一種有物相變化（沸騰或冷凝）時，由於相變時只放出或吸收汽化潛熱，流體本身的溫度並無變化，因此流體的進出口溫度相等，這時兩流體的Δtm 就與流體的流向選擇無關。除這兩種流向外，還有錯流和折流（圖5）等流向。

在傳熱過程中，降低間壁式換熱器中的熱阻以提高傳熱係數K，是一個重要的問題。熱阻主要來源於間壁兩側粘滯於傳熱面上的流體薄層（稱為邊界層）和換熱器使用中在壁兩側形成的汙垢層，而金屬壁的熱阻相對較小。邊界層熱阻的倒數稱為給熱係數（或稱換熱係數）。增加流體的流速和擾動性，可減薄邊界層，降低其熱阻，提高給熱係數，但增加流體流速會使能量消耗增加，故設計時應在減小熱阻和降低能耗之間作合理的協調。為了降低汙垢的熱阻，可設法延緩汙垢的形成，並定期清洗傳熱面。

用材

一般換熱器都用金屬材料製成。其中碳素鋼和低合金鋼大多用於製造中、低壓換熱器。各種組織的不鏽鋼除主要用於不同的耐腐蝕條件外，奧氏體不鏽鋼還可作為耐高、低溫的材料。銅、鋁及其合金多用於製造低溫換熱器。鎳合金則用於高溫條件下。非金屬材料除製作墊片零件外，有些已開始用於製作非金屬材料的耐蝕換熱器，如石墨換熱器、氟塑料換熱器和玻璃換熱器。