換熱器種類繁多，若按其傳熱面的形狀和結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類可分為管型、板型和其他型式換熱器。而管型換熱器又可分為管殼式換熱器、套管式換熱器、蛇管式換熱器；板型換熱器可分為板式換熱器、板翅式換熱器、板殼式換熱器、螺旋板式換熱器。其他型式換熱器是為了滿足一種特殊要求而出現(xiàn)的換熱器，如回轉(zhuǎn)式換熱器、熱管換熱器等。管殼式換熱器若按功能命名又可分為冷凝器、加熱器、再沸器、蒸發(fā)器、過熱器等。以下介紹一些常用的幾種換熱器。
一、管殼式換熱器
它由許多管子組成管束，管束構(gòu)成換熱器的傳熱面。此類換熱器又稱為列管式換熱器。換熱器的管子固定在管板上，而管板又與外殼聯(lián)接在一起。為了增加流體在管外空間的流速，以改善換熱器的傳熱情況，在筒體內(nèi)間隔安裝了許多折流板。換熱器的殼體和兩側(cè)管箱上開有流體的進(jìn)出口，有時(shí)還在其上裝設(shè)有檢查孔，為安置儀表用的接口管、排液孔和排氣孔等。在換熱器中，一種流體從一側(cè)管箱(稱為前管箱)流進(jìn)管子里，經(jīng)另一側(cè)管箱(稱為后管箱)流出(對(duì)奇數(shù)單管程換熱器)，或繞過管箱，流回進(jìn)口側(cè)前管箱流出(對(duì)偶數(shù)單管程換熱器)，這條路徑稱為管程。另一種流體從筒體上的連接管進(jìn)出換熱器殼體，流經(jīng)管束外，這條路徑稱為殼程。圖5-10所示即為二管程、單殼程，工程上稱為1-2型換熱器(1表示殼程數(shù)，2表示管程數(shù))。
管殼式換熱器是把管子與管板連接，再用殼體固定。根據(jù)其不同的連接與固定方式又可分為固定管板式、釜式浮頭式、U型管式、滑動(dòng)管板式、填料函式等。
1. 固定管板式換熱器
固定管板換熱器的兩端管板，采用焊接方法與殼體連接固定。這種換熱器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；在相同的殼體直徑內(nèi)，排管最多，比較緊湊。由于兩個(gè)管板被換熱管互相支攫，與其他管殼式換熱器相比，管板最薄，不僅造價(jià)低而且每根管子內(nèi)側(cè)都能進(jìn)行清洗。但殼側(cè)清洗較難，不能進(jìn)行機(jī)械清洗，所以宜用于不易結(jié)垢的流體。當(dāng)管束和殼體之間的溫差太大而產(chǎn)生不同的熱膨脹時(shí)，常會(huì)使管子與管板的接口脫開，從而發(fā)生介質(zhì)泄漏。由此可見，這種換熱器適合于溫差不大以及殼程結(jié)垢不嚴(yán)重或能用化學(xué)清洗的場(chǎng)合。由于此類換熱器集中了管殼式換熱器的優(yōu)點(diǎn)，因此應(yīng)用相當(dāng)廣泛。
2. 浮頭式換熱器
浮頭式換熱器針對(duì)固定管板式換熱器的缺陷在結(jié)構(gòu)上做了改進(jìn)，兩端管板只有一端與殼體固定，而另一端的管板可以在殼體內(nèi)自由移動(dòng)，該端稱為浮頭。這類換熱器殼體和管束對(duì)熱膨脹是自由的，故當(dāng)兩種介質(zhì)溫差較大時(shí)，管束與殼體之間不產(chǎn)生溫差應(yīng)力。浮頭端設(shè)計(jì)成可拆結(jié)構(gòu)，使管束可以容易地插入或抽出(也有設(shè)計(jì)成不可拆的)，這樣為檢修、清洗提供了方便。
浮頭式換熱器適用于管殼壁間溫差較大，或易于腐蝕和易于結(jié)垢的場(chǎng)合。但這類換熱器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，笨重，造價(jià)約比固定管板式高20%左右，材料消耗大。
3. U型管式換熱器
U型管式換熱器僅有一塊管板。它是將管子彎成U型，管子兩端固定在同一塊管板上。由于殼體和管子分開，管束可以自由伸縮，不會(huì)因管壁、殼壁之間的溫度差而產(chǎn)生熱應(yīng)力，熱補(bǔ)償性能好。管程為雙管程，流程較長(zhǎng)，流速較高，傳熱性能好，承壓能力強(qiáng)。因U型管式換熱器僅有一塊管板，且無(wú)浮頭，所以結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)比其他換熱器便宜，管束可以從殼體內(nèi)抽出，管外便于清洗，但管內(nèi)清洗困難，所以管內(nèi)的流體必須是清潔及不易結(jié)垢的物料。
U型管式換熱器，一般使用于高溫高壓的情況下。尤其使用在壓力較高的情況下，在彎管段壁厚要加厚，以彌補(bǔ)彎管后管壁的減薄。
4. 填料函式換熱器
對(duì)于一些腐蝕嚴(yán)重，溫差較大而經(jīng)常要更換管束的垮熱器，采用填料函式換熱器要比浮頭式或固定式換熱器優(yōu)越得多。它具有浮頭式換熱器的優(yōu)點(diǎn)，又克服了固定式換熱器的缺點(diǎn)，結(jié)構(gòu)較浮頭簡(jiǎn)單，制造方便，易于檢修清洗。
填料函式換熱器的管板也僅有一端與殼體固定，另一端采用填料函密封，如圖5-14所示，它的管束也可以自由膨脹，所以也不需考慮由于管壁、殼壁溫度差引起的熱應(yīng)力，且管程和殼程都能清洗，加工制造較浮頭方便，且造價(jià)較低。但由于填料密封處易于泄漏，故殼程壓力不能過高，也不易用于殼程內(nèi)為易揮發(fā)、易燃、易爆和有毒介質(zhì)的場(chǎng)合。
目前所使用的填料函式換熱器都較小，使用在直徑700mm以下，大直徑填料函式換熱器采用得很少，尤其在操作壓力及溫度較高的條件下就更少。
5. 折流桿式換熱器
折流桿式換熱器是一種殼體內(nèi)的折流元件由一系列細(xì)小的折流桿組成的管殼式換熱器。這些細(xì)小的折流桿相互平行以一定的間距焊在由棒材或桿材制成的外環(huán)上形成折流圈，每一根折流圈相隔一定距離按一定的排列分別焊接或用普通的定距管固定于拉桿上形成圖5-16所示的折流桿網(wǎng)絡(luò)。這些折流桿網(wǎng)絡(luò)與換熱管一起組成了折流桿換熱器的主體結(jié)構(gòu)(折流桿管束)。
折流桿換熱器是為了改善常規(guī)的板式折流板換熱器的流體誘導(dǎo)振動(dòng)而設(shè)計(jì)的。在這種結(jié)構(gòu)中，支撐管子的折流桿與管子幾乎不存在間隙，管束中每根傳熱管的上、下、左、右都得到了可靠的支撐，而且從根本上改變了流體的流動(dòng)狀況，變折流板換熱器的橫向流動(dòng)為平行于管子的軸向流動(dòng)，從而消除了產(chǎn)生液體誘導(dǎo)振動(dòng)的根源。采用此種結(jié)構(gòu)的換熱器還具有以下特點(diǎn)：
① 由于殼側(cè)流體以軸向流動(dòng)為主，降低了殼側(cè)壓降；
② 與折流板換熱器相比，具有更高的殼程單位壓降與總傳熱系數(shù)的傳熱特性比K/△p；
③ 在換熱器內(nèi)不存在嚴(yán)重的滯流區(qū)域，因而效益高，具有不易結(jié)垢的優(yōu)點(diǎn)。
在我國(guó)GB 151《管殼式換熱器》規(guī)范中，對(duì)換熱器型號(hào)的表示方法是參照美國(guó)的TEMA規(guī)范，用三個(gè)英文字母來表示換熱器的三個(gè)主要組成部分的結(jié)構(gòu)型式，以表達(dá)換熱器的整體結(jié)構(gòu)型式。其表示方法如下：
在上述表示方法中，DN為換熱器的公稱直徑，對(duì)卷制圓筒為圓筒內(nèi)徑，對(duì)鋼管制圓筒為鋼管外徑。A為換熱器的公稱換熱面積，它是以換熱管外徑為基礎(chǔ)，扣除伸入管板內(nèi)的換熱管長(zhǎng)度后，計(jì)算得到的管束外表面積經(jīng)圓整后得到的計(jì)算換熱面積。LN為公稱長(zhǎng)度，它是指換熱管的長(zhǎng)度，換熱管為直管時(shí)，取直管長(zhǎng)度，換熱管為U型管時(shí)，指U型管的直管段長(zhǎng)度。S表示換熱管管材(只限于鋁、銅、鈦)。pt/ps為管/殼程設(shè)計(jì)壓力，而設(shè)計(jì)壓力是指在相應(yīng)的設(shè)計(jì)溫度下，用以確定換熱器圓筒厚度及其他受壓元件厚度的壓力，一般取略高于工作壓力。Ⅰ級(jí)管束是指采用較高級(jí)、高級(jí)冷拔換熱管，適用于無(wú)相變傳熱和易產(chǎn)生振動(dòng)的場(chǎng)合，Ⅱ級(jí)管柬為采用普通級(jí)冷拔換熱管，適用于重沸、冷凝傳熱和無(wú)振動(dòng)的一般場(chǎng)合。Ⅰ、Ⅱ級(jí)管束只限于碳鋼和低合金鋼。
二、套管換熱器
套管換熱器由直徑不同的兩根標(biāo)準(zhǔn)管組成的同心套管為基體，內(nèi)管用U形彎頭連接，外套管直管連接，整個(gè)蛇形套管固定在支架上，如圖5-18所不。套管換熱器每一段直套管簡(jiǎn)稱為一程，冷、熱流體分別流過內(nèi)管和環(huán)形通道，并在其中實(shí)現(xiàn)熱交換。如內(nèi)管通過需加熱的天然氣，外管通過蒸汽，它在結(jié)構(gòu)上很有利于形成完全的逆流方式傳熱。
外管與內(nèi)管的連接有可拆和不可拆兩種方式。如圖5-19和圖5-20所示。為了使內(nèi)外管之間的環(huán)形空間即蒸汽通道能進(jìn)行清洗、檢修，以及防止內(nèi)外管之間由于溫差所引起的熱應(yīng)力，常使內(nèi)外管之間的連接一端采用不拆式，另一端采用可拆式。
套管換熱器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造、拆裝方便，管程可流通高壓介質(zhì)，天然氣流通內(nèi)管可以采用與集輸管線相同材質(zhì)和相同直徑的管子，因而在天然氣集輸系統(tǒng)應(yīng)用較多。但該設(shè)備管接頭多，容易泄漏，環(huán)形通道難于清洗，制造成本高，單位傳熱面積的金屬耗量大，對(duì)于大容量的換熱器更顯得笨重和不經(jīng)濟(jì)。因而其適合于傳熱面積較小(10～12m2)和流量不大的場(chǎng)合。
三、水套加熱爐
水套爐是天然氣輸氣系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛的專用設(shè)備，具有品種多、配置多樣，結(jié)構(gòu)緊湊、功能齊全、適用范圍廣等特點(diǎn)，是理想的加熱設(shè)備。
水套爐是以水作為傳熱介質(zhì)的間接加熱設(shè)備，如圖5-21。水套爐是由簡(jiǎn)體、煙火管、氣盤管和其他附件組成。氣盤管和進(jìn)出筒體處用盤根密封，松緊由填料壓蓋調(diào)節(jié)。水套爐通過水箱給爐內(nèi)加水，水套爐爐內(nèi)壓力(殼程壓力)為常壓。水套爐筒體上焊有溫度計(jì)插孔，裝有水位計(jì)，以控制水套爐運(yùn)行。水套爐筒體靠鞍式支座支撐，筒體上敷設(shè)耐火材料保溫。
水套爐的加熱原理是天然氣燃燒器噴出的高溫火焰直接加熱煙火管，高溫?zé)煔庀蚝罅鲃?dòng)，經(jīng)煙氣出口管進(jìn)入煙箱，然后經(jīng)煙囪排入大氣。但煙火管和煙氣出口管附近的水受熱后因密度減小而上升，與氣盤管接觸傳熱后溫度下降，又因密度增加而下沉，又被加熱后又上升，如此不斷循環(huán)，以加熱氣盤管內(nèi)的天然氣，達(dá)到提高天然氣氣流溫度的目的。但要注意水套加熱爐禁止超壓使用，即氣盤管內(nèi)的天然氣不能超過允許工作壓力。
四、板式換熱器
板式換熱器包括板片式、板翅式和螺旋板式三種結(jié)構(gòu)，其中應(yīng)用最廣的是板片式換熱器，通常簡(jiǎn)稱為板式換熱器。
板式換熱器如果是以板作為間壁，則稱為板片式換熱器，如圖5-22所示。在這種換熱器中，由于流體沿板流動(dòng)的換熱系數(shù)小，通常在板上加翅板或設(shè)法使流體作螺旋狀運(yùn)動(dòng)來強(qiáng)化傳熱，這樣構(gòu)成的換熱器稱為板翅式換熱器(圖5-23)和螺旋板式換熱器(圖5-24)。還有一些板式換熱器的間壁被壓制成波紋狀，也同樣能強(qiáng)化傳熱。
板式換熱器具有總傳熱系數(shù)高、占地面積小、能實(shí)現(xiàn)多種介質(zhì)換熱、對(duì)數(shù)平均溫差小、末端溫差小和使用方便的優(yōu)點(diǎn)，但能承受的工作壓力較低(一般低于2.5MPa)，不能用于含有較大固體顆粒的流體。
五、電熱帶
在集輸系統(tǒng)中，電熱帶在現(xiàn)場(chǎng)上已逐步在推廣使用。一般采用電熱帶來作為地面管線和設(shè)備的電伴熱產(chǎn)品。
電熱帶具有熱效率高(可達(dá)80%～90%)，發(fā)熱均勻，溫度控制準(zhǔn)確，反應(yīng)快，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)控及遙控，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化管理，管理費(fèi)用低，投資少等優(yōu)點(diǎn)。但其電熱絲壽命短，易于出現(xiàn)斷路的情況，且斷路的機(jī)會(huì)隨電熱帶的長(zhǎng)度增加而增加。而且電熱帶更換時(shí)還需更換保溫層。
電熱帶主要有單相恒功率電熱帶、三相恒功率電熱帶、高溫電熱帶以及自限式電熱帶等幾種形式。
現(xiàn)以單相恒功率電熱帶(圖5-25)為例介紹其基本構(gòu)造。電熱帶主要由兩根平行的電源母線和電熱絲，以及必要的絕緣材料組成，電熱絲每隔一定距離與母線連接，形成連續(xù)的并聯(lián)電阻。所謂“發(fā)熱節(jié)長(zhǎng)”即每根電熱絲與母線連接的距離。母線通電后，將各電阻絲同時(shí)加熱，形成一條連續(xù)的電加熱帶。對(duì)電加熱帶的溫度控制主要利用溫度控制器。溫度控制器由感溫包、毛細(xì)管和溫控電觸器等組成。它可以實(shí)現(xiàn)電熱帶溫度的就地控制。溫控精度在±4℃左右。
