热交换器原理与设计课程设计参考资料

热交换器设计任务书

第一章 绪论

1.1 换热器基本概况

使热量从热流体传递到冷流体的设备称为换热设备，它是化工、炼油、动力、

食品、轻工、原子能、制药、机械及其他许多工业部门广泛使用的一种通用设备。

在这种设备内，至少有两种温度不同的流体参与传热。一种流体温度较高，

放出热量；一种流体温度较低，吸收热量。

换热器的应用广泛，日常生活中的取暖用的暖气散热片、汽轮机装置中的凝

汽器和航天火箭上的油冷却器等，都是换热器。它的主要功能是保证工艺过程对

介质所要求的特定温度，同时也是提高能源利用率的主要设备之一。

对于迅速发展的化工、石油、和石油化学工业来说，换热器尤为重要。例如

常压、减压蒸馏装置中，换热器约占总投资的20%。催化重整及加氢脱硫装置中

约占15%。通常，在化工厂的建设中，换热器约占总投资的11%。换热器即可是

一种单独的设备，如加热器、冷凝器和凝汽器等；也可是某一工艺设备的组成部

分，如氨合成塔内的热交换器。

在制冷工业中，以食品冷藏业常用的以氨为制冷的蒸汽压缩制冷装置为例，

进过压缩后的气态氨在冷凝器中被冷凝为液体；液化后的高压液态氨在膨胀机或

节流阀中绝热膨胀，使温度下降到远低于周围环境的温度；这种低温氨流体在流

经蒸发器时（布置在冷藏管中）吸热蒸发而回复到原先进入压缩机是的氨气状态，

然后再重复心得循环。在其他各种制冷装置中，都存在冷凝器和蒸发器等换热器。

在火力发电厂中装有空气预热器、燃油加热器、给水加热器、蒸汽冷凝器等

一系列的换热器。实际上蒸汽锅炉本身就可以看作是一个大型复杂的换热器。燃

料在炉膛中燃烧产生的热量，通过炉膛受热面、对流蒸发受热面、过热器及省煤

器加热介质，使工质汽化、过热称为能输往蒸汽轮机的符合要求的过热蒸汽。

换热器在节能技术改造中具有很重要的作用。表现在两个方面：一是在生产

工艺流程中使用着大量的换热器，提高这些换热器的效率，显然可以减少能源的

消耗；另一方面用换热器来回收工业余热，可以显著提高设备的热效率。

工业余热数量大，分布广，各国均已把余热回收列为节能工作的一个重要方

面。经验表明，换热器是最有效的余热回收设备。以锻造加热炉为例，普通加热

炉每公斤锻造的能耗为0.7公斤标准燃料，而装有换热器的加热炉每公斤锻造的

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能耗只有0.15公斤左右标准燃料。烧燃料的工业炉，约有60%~70%的热量由烟

气带走，被浪费掉了。有段时期国内偏重于用余热锅炉来回收烟气余热，而较少

采用换热器。余热锅炉的热回收率虽较高，但它无助于工业炉本身热效率的提高，

因而无助于炉用高质燃料的节省。装设换热器利用烟气余热来预热工业炉的进

风，可使工业炉本身的热效率得到提高，因而可节省炉用高质燃料。用普通换热

器将空气预热至300~400℃，一般可节约燃料15%~25%，用高温换热器时可以

取得更好的效果，节约燃料可到40%以上。烧低热值燃料的加热炉，将空气和煤

气预热至300℃，可是温度迅速提高1~2倍，可是产量提高20%~30%。对于烧

油的炉子，预热空气有助于燃油雾化质量的改善，使燃料达到充分的燃烧。换热

器的后面再装预热锅炉，可是燃料热量利用率达到80%~90%。由此可见，工业

炉烟气余热回收，应首先满足炉内需要以节省炉用高质燃料，然后考虑外不需要，

争取得到更大的经济效益。对于其他余热的回收，也应遵守以节约燃料为中心进

行综合利用的原则。由于工业余热分布广、形式各种各样，故节能方案也各不相

同，但在各种节能方案中换热器几乎是不可缺少的。

由于实际燃煤、石油、天然气资源储量有限而面临着能源短缺的局面，各国

都在致力于新能源开发，因而换热器的应用与能源的开发（如太阳能、地热能、

海洋热能）与节约紧密联系。所以，热交换器的应用遍及动力、冶金、化工、炼

油、建筑、机械制造、食品、医药及航空航天等各工业部门。它不但是一种广泛

应用的通用设备，并且在某些工业企业中占有很重要的地位。例如在石油化工工

厂中，它的投资要占到建厂投资的1/5，它的重量占工艺设备总重的40%，在年

产30万吨乙烯装置中，它的投资约占总投资的25%，在我国的一些大型炼油企

业中，各式热交换器的装置数达到300~500台以上。就其温度、压力来说，国外

的管壳式换热器的最高压力达84MPa，最高温度达1500℃，而最大外形尺寸达

33m，最大的传热面积达6700m，现有实际情况，还要超过上面给出的数据。

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1.2 换热器的分类及特点

随着科学和生产技术的发展，各种工业部门要求热交换器的类型和结构要与

之相适应，流体的种类、流体的运动、设备的压力和温度等也必须满足生产过程

的要求。近代尖端科学技术的发展（如高压、高速、低温、超低温等），有促使

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了高强度、高效率的紧凑热交换器层出不穷。虽然如此，所有的热交换器仍可按

照他们的一些共同特征来加以区分。例如：

1） 按照工艺功能来分：冷却器、预热器（或加热器）、再沸器、冷却器、蒸发

器、加热器、废热锅炉等。

冷却器：冷却工艺物流的设备。一般冷却剂多采用水，若冷却温度低时，可

采用氨或氟利昂为冷却剂。

预热器（加热器）：加热工艺物流的设备。一半多采用水蒸汽作为加热介质，

当温度高时可采用导热油，熔盐等作为加热介质。

再沸器：用于蒸发蒸馏塔底物料的设备。热虹吸式再沸器被蒸发的物料依靠

液头压差自然循环蒸发。动力循环式再沸器被蒸发物流用泵进行循环蒸发。

冷凝器：蒸馏塔顶物料的冷凝或者反应器冷凝循环回流的设备。

蒸发器：专门用于蒸发溶液中水分或者溶剂的设备。

过热器：对饱和蒸汽再加热升温的设备。

废热锅炉：由工艺的高温物流或者废气中回收其热量而产生蒸汽的设备。

2）按照制造热交换器的材料来分：金属的、陶瓷的、塑料的、石墨的、玻璃的

等。

3） 按照温度状况来分：温度工况稳定的热交换器，热流大小及在指定热交换器

区域内的温度不随时间而变；温度工况不稳定的热交换器，传热面上的热流和温

度都随时间改变。

4） 按照热流体与冷流体的流动方向来分：

顺流式（或称并流式）：两种流体平行地向着同一方向流动；

逆流式：两种流体也是平行流动，但他们的流动方向相反；

错流式（或称叉流式）：两种流体的我流动方向互相垂直交叉。当交叉次数

在四次以上时，可根据两种流体流向的总趋势将其看成逆流或顺流。

混流式：两种流体在流动过程中既有顺流部分，又有逆流部分。

5） 按照传送热量的方法来分：间壁式、混合式、蓄热式等三大类，这是热交换

器最主要的一种分类方法。

间壁式：热流体和冷流体有一固体壁面，一种流体恒在壁的一侧流动，而另

一种流体恒在壁的他侧流动，两种流体不直接接触，热量通过壁面而进行传递。

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混合式（或称直接接触式）：这种热交换器内依靠热流体与冷流体的直接接

触而进行传热，例如冷水塔以及喷射式热交换器。

蓄热式（或称回热式）：其中也有固体避免，但两种流体并非同时而是轮流

地和壁面接触。当热流体流过时，把热量储蓄与壁面内，壁的温度逐渐升高；而

当冷流体流过时，壁面放出热量，壁的温度逐渐降低，如此反复进行，已达到热

交换的目的。例如炼铁厂的热风炉。

在混合式、间壁式和蓄热式三种类型中，间壁式热交换器的生产经验、分析

研究和计算方法比较丰富和完整，因而在对混合式和蓄热式热交换器进行分析和

计算时，常采用一些渊源于间壁式换热器的计算方法。

1.2.1 直接接触式换热器

它是利用两种换热流体的直接接触与混合作用来进行热量交换。混合式换热

器操作的一个主要因素是要是两种流体接触的面积尽可能大，以促使他们之间的

热量交换。为了获得大的接触面积，可在设备中设置防止搁栅或填料，有事也可

以把液体喷成细滴。此类设备通常做成塔状。

1.2.2 蓄热式换热器

它是让两种温度不同的流体先后通过一种固体填料（如炼焦炉下方的蓄热室

中放置的多空性格子砖和在制氧装置中所有蓄冷器中的卵石等）的表面，如图1

—1所示。首先让热流体通过，把热量蓄积在填料中，然后，当冷流体通过时，

将热量带走。这样，在填料被加热和冷却的过程中，进行着热流体和冷流体之间

的热量传递。在使用这种换热器时，不可避免地会使两种流体有少量混合，切必

然是成对使用，即当一个通过热流体时，另一个则通过冷流体，并且自动阀进行

交替切换，使生产得以连续进行。

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图1-1 蓄热式换热器示意图

1.2.3 间壁式换热器

它是利用金属壁面将进行热交换的冷、热流体隔开，使它们通过避免进行传

热。这种形式的换热器使用最广泛。间壁式换热器按照传热面的形状和结构可分

为“套夹式”换热器、“管壳式”器、“面板式”换热器。

一 “夹套式”换热器

如图1-2所示，夹套是用焊接或螺钉的方法，固定安装在容器外部，在加热

时，蒸汽自上而下流经夹套冷凝后流出，在冷却时，冷却水由上而下流经夹套，

吸热后流出。其结构简单，但因传热面记得限制，传热效果不是很好，主要用于

反应器的加热或冷却设备的保温。

图1-2 夹套式换热器示意图

二 “管式”换热器

虽然在换热率，设备结构的紧凑性和金属消耗等方面都不如其他新型换热

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器，但他具有结构坚固，操作弹性大和使用材料范围广泛等优点。尤其在高温、

高压和大型换热器中，仍占有相当优势。又可以细分为：蛇管式换热器、套管式

换热器、列管式换热器。

1 蛇管式换热器

它是最早出现的一种结构简单和操作方便的传热设备，它本身又可以分成沉

浸式和喷淋式两种。

（1） 沉浸式蛇管设备

蛇管多以金属管子弯绕而成，或制成适应容器情况的形状，如图1-3所示。

内通一种流体，沉浸在盛有另一种流体的容器中，进行热交换。其结构简单，能

耐高压。但因容器中流体流速小，因而给热系数小，传热效率低。如果在容器中

搅拌装置或减少关外空间，则传热效率有所提高。

图1-3 蛇管的形状

（2） 喷淋式蛇管换热器

这种形式的换热器多用来冷却管子内的流体，如图1-4所示，将蛇管成排固

定在钢架上，被却的流体在管内流动，冷却水从蛇管上方的喷淋装置均匀淋下。

其传热效果较沉浸式为好，切便于检修和清洗。但这种类型换热器体积庞大，有

事喷淋效果不够理想。

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1-4 喷淋式换热器示意图

2 套管式换热器

如图1-5所示，是将两种直径不同的直管装成同心套管，并用U型周管把多

段直管串联起来，内管及套管间隙中各有一种流体流过，进行热交换。其结构简

单，能耐高压。这种换热器一般适用于流体流量较小和所需要的传热面积不大的

场合。

3 列管式换热器

又称管壳式换热器，主要由壳体、管束、管箱、封头等部件组成，如图所示。

管束两端固定在管板上，管板连同管束都固定在壳体上，封头、壳体上装有流体

的进出口接管。热交换时，一种流体在管束及与其相同的管箱内流动，其所进过

的路程成为管程；为了提高管程流体的流速，可在壳体内装设一定数目与管束相

互垂直的折流挡板，这样既提高壳程流体的流速，同时又迫使壳程流体遵循规定

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的路径流过，多次地错流流过管束，有利于提高传热效果。列管式换热器操作时，

由于管束与壳体的温度不同，两者所用材料有时也不相同，导致两者热膨胀不同。

若两者的温度差较大时，就可能会引起设备变形、扭弯或破裂。为此，考虑到热

膨胀的影响，需采用各种补偿措施结构。列管式换热器，根据补偿程度不同，常

用的有以下几种结构形式：

a) 固定管板式热交换器

管束两端的管板和管壳固定连接，使用广泛，已系列化：对于温度差大于

60℃，而壳体受压不太高时，可在壳体上加上热补偿结构——膨胀节，最大使用

温度不用大于120℃。他的优点是结构简单、紧凑、造价便宜。缺点是管外不能

进行机械清洗，因此，壳体流体需用不易生垢的清洁流体。

b) 浮头式换热器

管束的一端管板与壳体连接，另一端管板与壳体不连接，受热或受冷时，可

以沿管长方向自由伸缩，成为浮头。浮头有内浮或外浮头，其结构复杂，金属材

料多，制造成本高，但整个管束可以从壳体内拆卸出来，便于检修和清洁。它适

用于管壁和壳壁温差大，管束空间经常清洗的场合。

c) 型管式换热器

每根管子都弯成U形，进、出口都安装在同一管板的两侧，再将该侧管箱

用隔板分成两室，由于只有一块管板，管子在受热或受冷时，可以自由伸缩。其

结构简单，能耐高温，高压，但管束不易清洗，拆换管子也不容易。因此要求通

过管内的流体是洁净的。这种换热器壳用于温差变化大很大，高温或高压的场合。

d) 填料函式换热器

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它有两种形式，一种是在管板上的每根管子的端部都有单独的填料函密封，

以保证管子的自由伸缩。当换热器的管子数目很少时，才采用这种结构，但管距

比一般换热器要大，结构复杂。另一种形式是在列管的一端与外壳做成浮动结构，

在浮动处采用整体填料函密封，结构简单，但此种结构不易直径大，压力高的情

况。

我国已制定了列管式换热器系列化标准，标准中规定了列管式换热器的主要

参数有公称换热面积、公称直径、公称压力、换热管长度、管子外径、管子间距

和排列，可供工程设计时采用。

三 “板面式”换热器

“板面式”换热器的传热性能要比“管子”换热器优越，由于采用“板面”

的特殊结构，使流体在较低的速度下就达到湍流状态，从而强化了传热。该设备

采用板材制作，故在大规模组织生产时，可降低设备成本，但其耐压性能比“管

式”较差。是有熟悉各种形式换热器的特点，设计换热器时才能综合考虑材料、

压力、温度差、结构、流体状态、应用方式、检修和清理等因素，选用最佳的换

热器形式，才能保证达到工艺所规定的换热条件，且强度足够、结构可靠，同时

便于制造、安装、检修又经济合理，从而使设计达到该具体条件下的最佳设计。

1.3 换热器研究其发展

1.3.1 换热器的研究

由于换热器的技术性能直接影响到整个工艺装置的综合技术经济指标，因

此，国外在组织打大规模生产的同时，对于其研究设计工作给与了很大注意。

传热机理和传热设备二者之间是不可分割的。传热机理，其中包括冷凝、蒸

发、对流、辐射和传导，到现在还没有被完全了解，因此传热仍然是一门实验科

学。其理论方面有一种国际性的刊物不断进行报导，最近若干次国际技术会议也

是为传热研究而专门举行的。由于从化学工业到宇宙开发需要换热器，并且愈来

愈对换热器提出各种特殊而往往是极为苛刻的要求，因此，各国对传热及其传热

设备的竞相研究目前仍处方兴阶段。从传热机理的探讨到设备机构的创新，从设

计计算到制造工艺，都有专门的机构从事研究。目前，仅每年发表的传热技术文

献即数千余篇。

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实验室的研究虽然有价值，但用小型设备进行的模拟实验，常常不容易很快

地用在工业装置上。因此，有些国家如美国比较重视现场实验。但现场实验费用

很高，常常超过很多公司的支付能力。为此，美国在1962年成立了“换热器研

究公司”HTRI，其费用有五十多个公司分担。到目前为止，根据该公司的报导，

很多换热器设计得过于保守，如果采用HTRI的数据，可以节省换热器费用。

在进行换热器最佳设计时，需要进行很多复杂的计算，包括综合计算经济指

标的对比与分析，工艺计算和机械强度计算等。采用人工计算，一般都是经过若

干次反复计算，这不仅很难找出最佳值，而且既费时间又容易出错。因此，采用

电子计算机进行换热器设计，在国外引起了普遍重视，近年来，尤其在美国有了

新的发展。

现代的石油和化工过程经常要求在极其广阔的范围内进行热交换，压力、温

度和腐蚀性都变得难以应付。要求换热条件即使千变万化，换热器也必然是各种

各样的。没有也不可能找到一种“万能”的换热器，每种结构形式都有它自己的

特长和短处。国外在设计换热器时，对于形式的选择是很重视的，他们常常通过

繁杂的计算来进行技术经济对比。换热器选择时，考虑的因素很多，如材料、压

力、温度、温差和压降、结垢、流体状态、应用形式、检修和清理等。有些结构

形式，在一中情况下使用最好的，然而在另外的情况下，却可能完全不能令人满

意。

1.3.2 换热器的发展

随着化学和石油工业以及新兴的石油化学工业的发展，对换热器的需要也日

益增加。许多国家都组织有若干专业公司或工厂进行大规模生产。

由于制造工艺和科学水平的限制，早起的换热器只能采用简单的结构，而且

换热面积小、体积大和笨重，如蛇管式换热器等。随着制造工艺的发展，逐步形

成一种管壳式换热器，它不仅单位体积具有较大的传热面积，而且传热效果也较

好，长期以来在工业生产中成为一种典型的换热器。

换热器在工业中的应用，至少已有200余年的历史，大致可分为三个时期：

20世纪以前的原始时期，20实际的前50年为初步发展时期，近30余年的迅速

发展时期。

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原始时期，换热器大都由铸铁管组装而成，主要用于动力、化工、钢铁等工

业部门。19世纪50年代出现了蓄热室，蓄热室预热空气比用单式的金属换热器

所能达到的温度高，因而足见取代了原始的铸铁换热器，成为19世纪后50年代

中工业炉的主要换热设备。

20世纪初期，换热器开始能进入了一个新的发展时期。20世纪20年代出现

板式换热器，并应用于食品工业。以板代管制成的换热器，结构紧凑，传热效果

好，因此陆续发展为多种形式。30年代初，瑞典首次制成螺旋板换热器。接着

英国用焊接法制造出一种由铜及其合金材料制成的板翅式换热器，用于飞机发动

机的散热。30年代末，瑞典又制造出第一台板壳式换热器，用于纸浆工厂。在

此期间，为了解决强腐蚀性介质的换热问题，人们对新型材料制成的换热器开始

注意。

60年代左右，由于空间技术和尖端科学的迅速发展，迫切需要各种高效能

紧凑型的换热器，再加上冲压、钎焊和密封等技术的发展，换热器制造工艺得到

进一步完善，从而推动了紧凑型板面式换热器的蓬勃发展和广泛应用。此外，自

60年代开始，为了适应高温和高压条件下的换热和节能的需要，典型的管壳式

换热器也得到了进一步发展。70年代中期，为了强化传热，在研究和发展热管

的基础上又创制出热管式换热器。

目前各种换热器的发展很快，新的结构不断出现，以满足各种工业部门的需

要。国外换热器目前发展的基本状况是：管式换热器的设计没有重大进展，但无

论就其数量或适用场合来看仍居主要地位，最老的管式换热器如蛇管式、盘管式

等在某些场合下仍有应用：各种板式换热器正在逐渐代替管式换热器；制造工艺

获得了改进，新的材料被大量使用；从空间技术发展起来的“热管”引起了很大

重视，最终有可能对某些方面的换热器带来根本的革新。

管式换热器虽然在换热效率、紧凑性和金属消耗量等方面不及其他新型换热

器，但它具有结构坚固、弹性大、材料范围广等独特优点，使它在各种换热器的

竞相发展中得以继续存在下去，并且目前仍是化工、石油和石油化学工业中换热

器的“主力军”。在高温高压和大型换热器中，它占据着据对优势。但是近年来，

它的性能没有多大改进，其设计都按照有关标准规定严格进行。很多国家采用了

美国TEMA标准或根据TEMA标准来修订自己的标准。国外近期的目标已转向

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于改进其制造工艺、采用新的材料和提高劳工效率生产率。在压力较低、温度不

高、流量不是很大以及处理强腐蚀介质而须用贵金属材料的若干场合，各种新型、

高效、紧凑性换热器正在逐步取代管式换热器。

换热器基本的发展趋势是，提高紧凑性、降低材料消耗、提高传热效率、保

证互换性和扩大容器的灵活性（采用积木式结构），通过减少污塞和便于除垢来

减少操作事故。在广泛的范围内将向大型化发展。

各种新型高效的紧凑式换热器的应用范围将进一步扩大。在压力、温度、流

量允许范围内，特别是有化学腐蚀而须用贵重材料制作的场合下，紧凑式换热器

将进一步取代管式换热器。

在广泛的领域内，特别是在高温、高压和大型化的场合下，管式（尤其是管

壳式）换热器将继续获得发展。在炼油与化工厂中，管壳式换热器仍将是基本的

换热设备之一。在高压条件下如合成氨中的高压气体冷却，原用的套管式结构将

日益缩小其应用，而代之以管壳式结构，制造工艺的改进将继续置于重要地位。

板式换热器进一步发展的重点是改进垫片材料和密封接触，改进板片的刚度

设计，一边提高制作温度和使用压力，扩大使用范围。

板壳式换热器将继续扩大使用范围，发展新的制造工艺（主要是成型及环节

工艺）改进结构设计。

螺旋板换热器的压力限制是个问题，但在允许的压力范围内，其应用将进一

步扩大，制造特别是焊接工艺将进一步改进。

板翅式换热器今后的发展目标，主要是采用新的制造特别是钎焊工艺，扩大

使用范围，采用新的材料，板束尺寸和总组合体将向大型发展。预计在石油化学

工业中将进一步得到推广。

翅片管空冷器的使用将更加广泛，用空冷器的水冷的趋势仍将继续。虽然在

设计上还有预料不到的很多大改进，但翅片管将采用更多更新的材料，发展更多

的结构形式，制造工艺将继续获得改进。

由于工业用热的日益增长和处于经济型的考虑，热量回收将更加引起重视。

一些“板式”表面的换热器，将在热回收领域内继续扩大使用范围。新型结构的

各种交流换热器（蓄热器）将获得发展，特别是旋转式蓄热器，但是密封问题有

待进一步解决。各种新型材料换热器将进一步得到发展，并将继续扩大材料范围。

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为了节约贵重材料，各种新工艺、新技术如复合、衬里及表面处理等技术将作为

重要课题加以研究和发展。在提高转热率、缩小空间和节约材料方面，还将继续

探讨新的途径，各种新型换热器将继续获得发展。新出现的“热管”，将获得广

泛研究，以便探索在化工与石油工业中具体应用的可能性及其使用场合。