换热设备的换热过程
现以间壁式换热器为例说明其换热过程。在间壁式换热设备中，主要是传导和对流两种传热方式。如图3-1所示，温度不同的两种流体被器壁隔开，温度为t1的热流体以对流的方式将热量传给器壁的一侧，器壁以传导方式将热量从一侧传向另一侧，最后器壁的另一侧又以对流方式将热量传给温度为t2的冷流体。即对流-导热-对流的传热过程。经理论分析，在此传热过程中，热流体传给冷流体的传热速率与传热面积、冷热流体的温度差及传热系数成正比。因此增大传热面积、提高传热系数、增大冷热流体的温度差都可提高传热速率，但在实际应用中温度差是不能随意改变的，增大传热面积又会使设备的结构庞大，制造成本加大，而传热系数又与诸多因素有关，所以在工程实际中应全面考虑各种因素，综合分析，设计出既能满足工艺要求，又结构紧凑，且成本低廉、效率高的换热设备。一般应从如下几方面考虑。
(1)增加流体的流速，以增加流体的湍流程度来提高流体的传热系数，但增大流速会增加流体流过换热元件时的压力降，使泵、压缩机的负荷加大，能耗增加，故应将传热系数和压力降综合考虑，选择适宜的流速。就流体本身而言，粘度越小则传热系数越大，液体的传热系数远大于气体的传热系数。另外，在冷凝或汽化时传热系数比无相变换热过程要高得多，这些都是设计、使用换热器时应注意的。
(2)尽量采用导热性能好的材料作为换热元件，如钢、铜、铝等金属材料，并且在强度和结构允许的情况下尽量使器壁薄一些；在使用过程中，器壁面上往往会沉淀结垢，如水垢、油垢、结焦等，这些污垢的传热系数很低，会大大降低设备的传热系数，所以换热设备要定期清扫除垢。
(3)流体的温度是由工艺条件确定的，所以两种流体的温度差是不可随意增大的，但若使两种流体在设备中按逆流方式流动，则可使其平均温差大于顺流时的平均温差，有利于热量的传递。
(4)可通过在管式换热器中采用翅片管、波纹管和小直径的换热管等方式来增大传热面积，在板片式换热器中由于传热表面是薄板，更易压制成各种形状，以增大传热面积和增加流
体的湍流状态，提高传热效率。
按用途分类
化工生产中所用的各种换热设备因其功用不同，也相应地有不同的名称。
(1)冷却器用水或其他冷却介质冷却液体或气体。用空气冷却或冷凝工艺介质的称为空冷器；用低温的制冷剂，如冷盐水、氨、氟利昂等作为冷却介质的称为低温冷却器。
(2)冷凝器冷凝蒸气或混合蒸气。若蒸气经过时仅冷凝其中一部分，则称为部分冷凝器；如果全部冷凝为液体后又进一步冷却为过冷的液体，则称为冷凝冷却器；如果通入的蒸气温度高于饱和温度，则在冷凝之前，还经过一段冷却阶段，这就叫冷却冷凝器。
(3)加热器用蒸汽或其他高温载热体来加热工艺介质，以提高其温度。
(4)换热器在两个不同工艺介质之间进行显热交换，即在冷流体被加热的同时，热流体被冷却。
(5)再沸器用蒸汽或其他高温介质将蒸馏塔底的物料加热至沸腾，以提供蒸馏时所需的热量。
(6)蒸气发生器用燃料油或气的燃烧加热生产蒸气。如果被加热汽化的是水，也叫蒸汽发生器，即锅炉；如果被加热的是其他液体物，则统称为汽化器。
(7)过热器将水蒸气或其他蒸气加热到饱和温度以上。
(8)废热（或余热）锅炉凡是利用生产过程中的废热（或余热）来产生蒸汽的统称为废热锅炉。
按换热方式分类
换热设备根据热量传递方法的不同，可以分为间壁式、直接接触式和蓄热式三大类。
(1)间壁式换热器温度不同的两种流体通过隔离流体的固体壁（器壁）面进行热量传递，两流体之间因有器壁分开，故互不接触，这是化工生产经常要求的条件，也是应用最广泛的一类。
(2)直接接触式换热器又称混合式换热器，冷流体和热流体在进入换热器后直接接触传递热量。这种方式对于工艺上允许两种流体可以混合的情况下，是比较方便而有效的，如凉水
塔、文氏管、喷射式冷凝器等。
(3)蓄热式换热器又称蓄热器，是一个充满蓄热体（如格子砖）的蓄热室，热容量很大。温度不同的两种流体先后交替地通过蓄热室，高温流体将热量传给蓄热体，然后蓄热体又将这部分热量传给随后进入的低温流体，从而实现间接的传热过程。这类换热器结构较为简单，可耐高温，常用于高温气体的冷却或废热回收，如回转式蓄热器。
化工生产中应用最多的是各类间壁式换热器。在间壁式换热器中，由于传热过程不同，操作条件、流体性质、间壁材料及制造加工等因素，决定了换热器的结构类型也是多种多样的。
根据间壁的形状，间壁式换热器大体上分为管式和板面式两大类。
管式换热器有管壳式、套管式、蛇管式、螺旋管式等，板面式换热器有板式、螺旋板式、板翅式、板壳式等。
管壳式换热器管程结构
管板
管板是换热器的主要部件之一。现代高温高压大型换热器中，管板的重量可超过20t，厚度达300mm以上。它在换热器制造成本中占有相当大的比重。在选择管板材料时，除要满足机械强度的要求以外，还必须考虑管内和管外流体的腐蚀性，以及管板与管子材料的电化学兼容性等问题。最常见的材料是碳钢和合金钢。但合金钢很贵，从经济上考虑，采用复合板或堆焊衬里是合适的。
管子
管子材料常用的为碳钢、低合金钢、不锈钢、铜、海军铜、铜镍合金、铝合金。此外还有一些非金属材料（如石墨、陶瓷等）亦有采用。在现代化工和石油工业中，高温、高压和腐蚀常常同时存在。在设计和制造换热器时，正确选用材料很重要，既要满足工艺条件要求，又要经济。目前一般认为在高温应用中，金属复合材料是发展方向，这样可以节省大量贵重金属。
管板和管子的连接是管壳式换热器制造中最主要的问题。连接方法基本上还是胀接和焊接。
对于高温高压管子，常常焊、胀并用。目前手工胀管已逐渐被自动或半自动胀管设备代替。在大批量生产中，已釆用双头和多头胀管器及整套设备，一台自动多头胀管器每小时可胀接一千多根管子，效率很高。由于胀接是靠管子的变形来达到密封和压紧的一种机械连接方法，当温度升高时，材料的刚性下降，热膨胀应力也增大，可能引起接头脱落或松动，发生泄漏。因此，在高温下，不宜用胀接。除操作温度外，压力、材质等对胀接质量及适用范围都有影响。近年来焊接法所占的比重日益增加，一般认为，焊接比胀接更能保证严密性。对于碳钢或低合金钢，温度在300℃以上，大都采用焊接连接。因为当温度在300℃以上时，蠕变造成胀接残余应力松弛，将使胀口失效。目前广泛采用焊接加胀接。这种方法能够提高接头的抗疲劳性能，并且能消除应力腐蚀和间隙腐蚀，从而延长接头的使用寿命。
强化传热表面
如果管内、外的传热膜系数相差大，设法强化膜系数较低一侧的壁表面是很有效的。常用的方法有两种：一种是增大表面积，这有各种各样的翅片管，如横向的高翅片和低翅片管、纵向翅片管。不仅管外壁面有翅片，内壁面亦可有翅片。根据具体情况来选用合适的
翅片管，如高翅片管大多用于空气冷却器；对于管壳式换热器，常用的是低翅片管（或称螺纹管），它可增加外壁面积2〜5倍（相对于同样管径的光管而言）。管子两端没有翅片，以便于管子和管板连接。翅片的外径应略小于无翅片部分，使管子能顺利地通过管板和支撑板或折流板上的管孔。另一种方法是提高传热系数。针对不同的传热机理，采取不同的措施。沟槽管用于冷凝；多孔表面用于沸腾；还有波纹管，不仅可以增大传热面积，而且可以提高湍流程度，从而提高膜系数。
封头和管箱
封头和管箱是换热器的主要部件，位于壳体两端，其作用是控制及分配管程流体。如管内流体有腐蚀性，封头或管箱所用的材料应与管子和管板相匹配。当壳体直径较小时，常采用封头，接管和封头可用法兰连接或用螺纹连接。封头与壳体之间则用螺栓连接。检查或清洗管子时，必须卸下封头。壳径较大的换热器，大多采用管箱。管箱具有一个可卸盖板，因此在检查或清洗管子时，无须卸下管箱。这样，管箱上的接管可不受干扰。管箱维修方便，但价格较高。管箱与壳体用螺栓连接。管箱的结构、密封形式、法兰连接和管箱上开孔等都是设计时应多加考虑的问题。这些部件的好坏，直接影响换热器的效率。在高
压下，应尽量减小各种开口尺寸，以便采用较小尺寸的法兰连接。在高温下，还应尽可能地减少法兰连接。因为在高温下，特别是当温度超过500℃时，材料的强度便急剧下降，结果会使连接的法兰和螺栓都要设计得十分粗大。
管壳式换热器壳程结构
壳体
壳体有各种形式，但基本上就是一个圆筒形状的容器，器壁上焊有接管，供壳程流体进入和排出之用。直径小于400mm的壳体，通常用钢管制成，大于400mm时都用钢板卷焊而成。壳体的圆度很重要，圆度差的壳体，会使折流板与壳体之间的缝隙加宽，漏流增大，降低传热效率。
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