換熱設備

換熱設備使熱量從熱流體傳遞到冷流體的設備稱為換熱設備。換熱設備廣泛套用於煉油、化工、輕工、製藥、機械、食品加工、動力以及原子能工業部門當中。

基本介紹

• 中文名：換熱設備
• 外文名： heat exchange equipment
• 套用範圍：煉油、化工、輕工、製藥、機械等
• 分類：盤管式、套管式、列管式等
• 強化方式：擴大傳熱面積、增大傳熱溫差
• 新技術：石墨換熱設備、導熱複合材料等

基本信息

通常，在某些化工廠的設備投資中，換熱器占總投資的30%；在現代煉油廠中，換熱器約占全部工藝設備投資的40%以上；在海水淡化工業生產當中，幾乎全部設備都是由換熱器組成的。換熱器的先進性、合理性和運轉的可靠性直接影響產品的質量、數量和成本。

根據不同的使用目的，換熱器可以分為四類：加熱器、冷卻器、蒸發器、冷凝器。按照傳熱原理和實現熱交換的形式不同可以分為間壁式換熱器、混合式換熱器、蓄熱式換熱器（冷熱流體直接接觸）、有液態載熱體的間接式換熱器四種。衡量一台換熱器好壞的標準是傳熱效率高，流體阻力小，強度足夠，結構合理，安全可靠，節省材料，成本低，製造、安裝、檢修方便。

管式換熱設備

管式換熱設備是以管壁為換熱間壁的換熱設備。這類換熱設備常用的有盤管式，套管式，列管式和翅片管式等。

盤管式

盤管式換熱器有沉浸式和噴淋式兩種。沉浸式換熱器是將盤管浸沒在裝有流體的容器中，盤管內通以另一種流體進行熱交換。盤管可以做成各種形狀，有將若干段直管上下並列排列(稱排管)。有將長管彎曲成螺旋形 (稱盤香管)，此外還有其他的形式。

這種換熱器管外空間較大，因而管外流體流速較小，傳熱係數不高，傳熱效率低，是較古老的一種設備。其優點是結構簡單，製造、維修方便，造價低，能承受較高壓力。由於管外有大量液體，故對操作條件的改變並不敏感。

噴淋式是將一種流體分散成液滴從上面噴淋下來，經盤管外表面進行換熱，通常用作冷卻器。這種換熱器常見的有兩種用法。一種用法是用於高壓液氨的冷卻，這時冷卻劑在管外噴淋。另一種是常壓下牛乳的冷卻，冷卻劑在管內流動，而牛乳則在盤管外表面上噴淋。

噴淋的方法可將上方噴淋管上鑽許多小孔，或採用邊緣成鋸齒形的小槽。這樣噴淋液體便自小孔或齒緣均勻分布到盤管上，並依次向下流動。

噴淋式與沉浸式相比，管外流體傳熱係數有所提高，因此所需傳熱面積、材料消耗和製造成本都較低。此外，清洗消毒也較方便。同時，冷卻水消耗量只有沉浸式的一半。不過，這種設備占地面積大，操作時管外有水氣發生，對環境不利，故常安裝在室外。而且，管子氧化快，使用壽命短，噴淋的液體量有變化時，溫度反映極為敏感。

套管式

套管式換熱器是用兩根口徑不同的管子相套而成的同心套管，再將多段套管連線起來，每一段套管稱為一程。各程的內管用U形管相連線，而外管則用支管連線。這種換熱器的程數較多，一般都是上下排列，固定於支架上。若所需傳熱面積較大，則可將套管換熱器組成平行的幾排，各排都與總管相連。

操作時，一種流體在內管中流動，另一種流體則在套管間的環隙中流動。用蒸汽加熱時，液體從下方進入套管的內管，順序流過各段套管由上方流出。蒸汽則從上方進入，冷凝水由最下面的套管排出。

最新的套管式換熱器有三層同心套管。在這種換熱器中，里、外兩層通入加熱介質，一般使用過熱水，中間一層通入產品。這樣做的好處是產品兩面都受到加熱，大大擴大了傳熱面積。目前這種三層同心套管式換熱器廣泛使用於番茄醬無菌包裝前的物料殺菌和冷卻。

套管式換熱器每程的有效長度不能太長，否則管子易向下彎曲，並引起環隙層中的流體分布不均勻。通常採用的長度為4～6m。在安裝時，每程管子向上應有一定傾斜度，產品從下方進入，由下而上流過各程管子，從上方流出以避免由產品帶入的氣泡在管內積聚而影響傳熱效果。

在套管式換熱器中，通過選擇合適的管徑，可將內、外管間的環隙橫截面做得很小，這樣便於在載熱體用量不大的情況下，也可以獲得較高的流速，以保證內管兩側都能獲得較高的傳熱係數，提高傳熱效率。

套管式換熱器的優點是結構簡單，能耐高壓，可保證逆流操作，排數和程數可任意添減調節，伸縮性很大。它可用於加熱、冷卻或冷凝。特別適用於載熱體用量小或物料有腐蝕性時的換熱。缺點是管子接頭多，易泄漏，每單位管長的傳熱面積有限，因此往往設備體積較大，同時每平方米傳熱面積的金屬消耗量也是各種換熱器中最大的，可達150kg/m，而列管式換熱器的金屬消耗量只有30kg/m，因此，設備成本較高。套管式換熱器適合於傳熱面積不需要太大的情況。

列管式

列管式換熱器又稱為管殼式換熱器。這種換熱器在工業上套用最為廣泛，型式也比較多。

列管式換熱器由管束、管板、外殼、封頭，折流板等組成。管束兩端固定在管板上，管子可以脹接(將管子內孔用機械方法擴張，使管壁由內向外擠壓而固定在管板上)或焊接在管板上。管束置於管殼之內，兩端加封頭並用法蘭固定。這樣，一種流體從管內流過，另一種流體從管外流過。兩封頭和管板之間的空間即作為分配或匯集管內流體之用。兩種流體互不混合，只通過管壁相互換熱。

如果列管換熱器兩端封頭分別設流體的進口和出口，同時封頭內不另設隔板，則流體自一端進入後，一次通過全部管子從另一端流出。這種列管換熱器稱為單程式。為了使管內有一定流速，可將管束分為若干組，並在封頭內加裝隔板，即成為多程式。例如國產列管式換熱器的系列有兩程、四程、六程等。對於程數為偶數時，流體進出口在同一端。

對於管外殼間的流體，也有同樣的情況。為了使流體在管外分布均勻，或者為了當流量小時提高流速，以保持較高的傳熱係數，就在管外裝設折流板(或擋板)。折流板形式常用的有兩種，一為弓形，另一為圓盤環形。折流板對較長的列管換熱器來說也同時起著中間支架的作用，以防止管子彎曲與震動。這對臥式換熱器來說尤為重要。

列管式換熱器是一種簡單的剛性結構。管子緊密地固定在管架上，兩塊管架又分別焊在外殼的兩端，然後再用螺栓與封頭的法蘭相連。這種結構稱為固定管架式。

由於換熱器內管內、外溫度不同，管壁溫度和殼壁溫度也就不同，致使管束與殼體的熱膨脹程度不同。這種熱膨脹作用所產生的應力往往使管子發生彎曲，或管子從管架上脫落，甚至會使換熱器毀壞。所以當殼壁和管壁溫差大於50℃時，應考慮補償措施以消除這種應力。

常用的補償措施有浮頭補償、補償圈補償和U形管補償。

浮頭補償是換熱器兩端的管架之一不固定在外殼上，此端稱為浮頭。當管子受熱或受冷時，浮頭一端可以自由伸縮，不受外殼膨脹的影響。

補償圈補償是在外殼上焊上一個補償圈。當外殼和管子熱脹冷縮時，補償圈發生彈性變形，達到補償目的。

U形管補償是將管子彎成U形，管子兩端均固定在同一管架上。因此，每根管子都可自由伸縮，而與其他管子及外殼無關。其缺點是彎管內面清洗困難。

列管式換熱器是目前食品廠使用最多的換熱器。其優點是易於製造，生產成本低，適用性強，可以選用的材料較廣，維修、清洗都較為方便，特別是對高壓流體更為適用。在食品工業中常用作製品的預熱器、加熱器和冷卻器，在冷凍系統中可以用作冷凝器和蒸發器。在用蒸汽加熱時，蒸汽在管外流動。在考慮食品的衛生要求時，可採用不鏽鋼作為管子、封頭的材料。其缺點是結合面較多，易造成泄漏現象。

翅片管式

在生產中常常會遇到這種情況，換熱器間壁兩側流體的傳熱係數相差頗為懸殊，這時可考慮採用翅片管式換熱器。例如食品工業中常見的乾燥和採暖裝置中用蒸汽加熱空氣時，管內的傳熱係數要比管外的大幾百倍，管外傳熱成了傳熱過程的主要阻力。這時採用翅片管式是很有利的。一般來說，當兩種流體的傳熱係數相差 3倍以上時，就應考慮採用翅片管式換熱器。

翅片管的形式很多，常見的有縱向翅片、橫向翅片和螺旋翅片三種。

翅片管式換熱器的安裝，務必使空氣能從兩翅片之間的深處穿過，否則翅片間的氣體會形成死區，使傳熱效果低下。

翅片管式換熱器既可以用來加熱空氣或氣體，也可利用空氣來冷卻其他流體。後者稱為空氣冷卻器。採用空氣冷卻比用水冷卻經濟，而且可避免廢水處理和水源不足等問題，所以翅片管式空氣冷卻器的套用十分廣泛。

板式換熱器

板式換熱器是以板壁為換熱壁的換熱器，常見的有片式換熱器、螺旋板式換熱器、旋轉刮板式換熱器以及夾套式換熱器等。

片式

片式換熱器是一種新型高效換熱器，早在20世紀20年代就在食品工業中套用。由於它有許多獨特的優點，所以在乳品工業、果汁工業以及其他液體食品生產中用做高溫短時(HTST)殺菌設備，也用於液體食品的冷卻和真空濃縮。這種換熱器從20世紀50年代起逐漸擴展到石油化工等部門，近十餘年來發展很快。

片式換熱器具有許多優點，遠非其他換熱器所能比擬，主要優點有：

① 傳熱效率高： 由於板間空隙小，冷熱流體均能獲得較高的流速，且由於板上的凹凸溝紋，流體通過就形成急劇湍流，故其傳熱係數較高。板間流動的臨界雷諾數為180～ 200。一般使用的線速度為0.5m/s，Re數為5000左右，表面傳熱係數為5800W/m·K，故適於快速冷卻和加熱。

② 結構緊湊： 在較小的工作空間內可容納較大的傳熱面積，這是片式熱交換器的顯著特點之一。片式熱交換器單位體積內可提供的傳熱面積為250～1500m/m，這是任何其他換熱器所不及的，例如，列管式換熱器只有40～150m/m。

③ 操作靈活： 當生產上要求改變工藝條件或生產能力時，可任意增加或減少板片數目，以滿足生產工藝的要求。另外在同一台設備上還可任意分段成為預熱、加熱、冷卻和熱量回收等的組合。

④ 適於熱敏產品： 熱敏食品以快速薄層通過時，不至於有過熱現象。

⑤ 衛生條件可靠： 由於密封結構保證兩流體不相混合，同時拆卸裝配簡單易行，且又便於清洗，故可保證良好的食品衛生條件。

由於上述優點，片式換熱器在食品工業上套用極為廣泛，特別是用於乳品和蛋品的高溫短時殺菌和超高溫殺菌，用於果汁和飲料的加熱、殺菌和冷卻，用於麥芽汁和啤酒的冷卻和殺菌。

片式換熱器最主要的缺點有：

① 密封周邊長，需要較多的密封墊圈，且墊圈需要經常檢修清洗，所以易於損壞。

② 不耐高壓，且流體流過換熱器後壓力損失較大。

片式換熱器由許多薄的金屬型板平行排列而成。型板(傳熱板)由水壓機衝壓成型。它懸掛於導桿上，其前端有固定板，旋緊後支架上的壓緊螺桿可使壓緊板與各傳熱板疊合在一起。板與板之間在板的四周上有橡膠墊圈，以保證密封並使兩板間有一定間隙。調節墊圈的厚度可調節板間流道的大小。每塊板的四個角上，各開一孔，借圓環墊圈的密封作用，使四個孔中只有兩個孔可與板面一側的流道相通，另兩個孔與另一側的流道相通。這樣，冷流體和熱流體就在薄板的兩側交替流動，進行換熱。

金屬傳熱板是片式換熱器的主要組件，決定了換熱器的性能和造價。目前工業中套用了多種類型的傳熱板，其結構形式和性能均有較大差別，主要有如下幾種：

(1) 平行波紋板： 金屬板波紋是水平的平行波紋。流體垂直流過波紋時，形成了水平的薄膜波紋。由於流體流動，其方向和流速多次變動，形成強烈湍流，表面傳熱係數增大。其傳熱係數可比管式換熱器大四倍。此外，由於板面凹凸不平，傳熱面也增大了。平行波紋板還可以有多種形狀。波紋板的間距一般為3～6mm，流體流過的速度為0.3～ 0.8m/s。為了防止因薄板兩側壓差造成薄板變形，壓板表面上經一定間隔加裝凸起，以增加支點，保證板的剛度和板間距。

(2)交叉波紋板： 波紋不是水平的，而與水平方向成一角度，相鄰兩板的波紋方向正好相反。因此，兩塊板疊在一起時，波紋就成點狀接觸。這樣可以增加板的強度，保持板間距離。當流體通過這樣的通道時，流速時大時小。流過點狀接觸部分時，忽散忽聚，引起劇烈的擾動，從而提高了換熱係數。與平行波紋板相比，當流速只有平行波紋板的一半時，即0.25～0.3m/s左右時，傳熱係數即可相同。其缺點是製造技術要求高，兩板疊合，公差不能太大，否則將影響傳熱。

(3) 半球形板： 在傳熱板上壓出半球形凸起。相鄰兩塊傳熱板的半球形凸起相互錯開，起支點的作用，承受兩側的壓力差，保證板的剛度和板間距。板間距一般為6～8mm。這種板形適用於黏性較大的流體。在半球形板上，由於許多球形凸起的存在，促使流體形成劇烈的湍流，流向不斷發生急劇變化，成為網狀的流型。故這種板屬於所謂的網流板。

螺旋板式

螺旋板式換熱器是用兩張平行的薄鋼板卷製成具有兩條螺旋通道的螺旋體後，再加上端蓋和連線管而製成的。螺旋通道之間用許多定距支撐，以保證通道間距，增加鋼板強度。冷熱流體在兩個互不相混的通道內相互以逆流方式流動並通過鋼板傳熱。

螺旋板式設備的主要優點為：

① 結構緊湊，體積小，重量輕，金屬消耗量小：其單位傳熱面所占有的體積比列管式小好幾倍。例如一台傳熱面積達100m的螺旋板式換熱器，其直徑僅1.3m，高1.4m。

② 效率高： 由於流體在通道內流動時，在離心力的作用下，因此在低雷諾數下即可得到湍流，並且在設計中，允許液體流速較高(液體≤2m/s)，又保證逆流操作，故傳熱效率很高。

③ 有“自潔作用”： 通道不易堵塞，適於處理含固體顆粒或纖維的料液以及其他高黏度液體。其“自潔作用”表現為;若通道局部為污物所堵，因截面積減小，局部流速增大，因而對沉積物起著沖刷作用。這點與列管式換熱器的管內流動截然相反。

螺旋板式換熱器的缺點為：

① 不易檢修，鋼板如有漏泄，要拆開修理較為困難;

② 所能承受的壓力不高;

③ 流動阻力和動力消耗較大。

旋轉刮板式

這類換熱器的原理是被加熱或冷卻的料液從傳熱面一側流過，由刮板在靠近傳熱面處連續不斷地運動使料液成薄膜狀流動，故亦可稱之為刮板薄膜換熱器或刮面式換熱器。

刮板的作用不僅在於提高換熱器的傳熱係數，而且還可以增強乳化、混合和增塑等作用。

這種換熱器是由內表面磨光的中空圓筒和帶有刮板的內轉筒以及外圓筒所構成。內轉筒與中間圓筒內表面之間狹窄的環形空間即為被處理料液的通道，料液由一端進入，從另一端排出。內轉筒轉速約為500r/min，由金屬或適宜的塑膠製成的刮刀以松式連線固定在內轉筒上。轉動時，刮刀在離心力作用下貼緊傳熱面，從而使傳熱面不斷地刮清露出。刀刃必須經常打磨，以保持平直鋒利。

中間圓筒的外部是夾套，夾套內流入加熱介質或冷卻劑。用液體冷卻劑時，傳熱面兩側流體的流向應以逆向為好。

旋轉刮板式換熱器可以單獨使用，也可以若干個串聯使用，並配以料泵向換熱器送料。這種換熱器操作時的可變參數是料液流量、刮板轉速。在加熱(或冷卻)劑溫度一定的條件下，調節料液流量可得到所要求的溫度。這種換熱器的優點是傳熱係數高，拆裝清洗方便，又是完全密閉的設備。缺點是功率消耗大。

旋轉刮板式換熱器在食品工業中特別適合於人造奶油、冰淇淋等的製造，因為這些製品要求快速冷卻的同時，又要求強烈的攪拌。

夾套式換熱器

在食品工廠中使用的夾層鍋、冷熱缸和加熱桶等都屬於夾套式換熱器。這種換熱器有多種型式和用途。有常壓式、低壓或加壓式，有的配有攪拌槳以加速換熱。攪拌槳的類型有葉輪式、螺旋槳式、錨式和槳式等。容器有直立圓筒形或圓球形。通過夾套進行加熱或冷卻。

攪拌的目的是為了增加對流換熱。攪拌槳類型的選擇取決於產品的黏度。螺旋槳式攪拌槳用於黏度高達2Pa·s的產品，攪拌槳的直徑大約為桶徑的三分之一。葉輪式攪拌槳一般使用的直徑也是桶徑的三分之一，但使用黏度高達50Pa·s。槳式攪拌槳使用直徑較大，可以達到桶徑的二分之一到三分之二，能使用於黏度達1000Pa·s的產品。對於更高黏度的產品，要使用錨式攪拌槳。

直接式換熱器

直接式換熱器也稱為混合式換熱器，其特點是冷、熱流體直接混合進行換熱，因此，在熱交換的同時，還發生物質交換。直接式與間接式相比，由於省去了傳熱間壁，因此結構簡單，傳熱效率高，操作成本低。但採用這種設備只限於允許兩種流體混合的場合。

蒸汽直接式

蒸汽和液體食品混合加熱是常見的一種加熱方式。實踐經驗表明，在蒸汽和液體食品之間需要大的接觸面，以利於蒸汽的快速冷凝，加速換熱速度。研究表明，減小接觸面，換熱速率明顯降低。在設備性能不正常時，如液滴太大或蒸汽泡太大，會導致換熱速度低下。這種情況在高黏度產品時容易發生。

儘管在加熱蒸汽和液體食品之間有很大的溫度差，但這類設備的加熱仍然是溫和的。原因之一是加熱時間很短，只有幾分之一秒;另外一個原因，也許是更為重要的，是在蒸汽和食品之間立即形成一層很薄的冷凝液膜。這層液膜起到保護食品免受高溫的影響。因此，蒸汽直接加熱方式允許有很高的溫度梯度，這是任何間壁式換熱器無法做到的。

這種換熱器對蒸汽質量有一定要求，這是由於設備性能的需要和保證產品質量，蒸汽必須不含不凝結氣體，因為不凝結氣體會影響蒸汽冷凝，干擾換熱過程。關於汽源，蒸汽或鍋爐用水不應含有影響產品風味的物質。換句話說，鍋爐用水應該具備飲用水的質量，非正常的水處理劑是不許使用的。有些國家已將此列入了法規。

在有些使用場合下，例如牛或牛乳製品的連續殺菌，需要除去蒸汽和產品混合時所增加的水分，以保持原有的組分不變。除去水分的方法通常是在真空下使水分蒸發。這是一舉兩得的做法，因為在真空閃蒸水分時，既除了水分，又可以使產品迅速冷卻。通過溫度控制(在蒸汽混合前、混合後以及蒸發後)，可以做到處理前後產品的水分含量不變。

這種蒸汽直接加熱設備有兩種類型。噴射式在連續流動的液體中噴射蒸汽; 注入式在連續流動的蒸汽中注入液體。在蒸汽噴射式(蒸汽進入液體)中，蒸汽或者通過許多小孔，或者通過環狀的蒸汽簾噴射入流體管道中。在蒸汽注入式(液體進入蒸汽)中，液體或者以膜的形式，或者以液滴的形式分布在充滿高壓蒸汽的容器中，落於容器底部，加熱後的液體從底部排出。

蒸汽噴射式

蒸汽噴射式冷凝器也是混合式換熱器，不同的是利用冷卻水與蒸汽混合，使蒸汽冷凝，以除去水分。這在濃縮操作中是必須的。在濃縮操作中要快速除去蒸發出來的蒸汽，此外，還要在蒸發室內造成真空。

按其原理和結構不同，冷凝器有以下幾種：

① 噴射式冷凝器： 用斷面逐漸收縮的錐形噴嘴進行水或其他液體冷卻劑噴射時，水在噴嘴內的流速就逐漸增快。速度越高意味著動能越大，而壓力則越小。如果以噴嘴座板將噴嘴上、下游隔開，上游空間(即水室)通入高壓水，則由於水的噴射就造成下游的低壓，因而產生抽汽的作用。

吸汽室將蒸汽吸入後，經過導向擋板使之從水流射束的四周均勻地進入混合室，而與許多聚集於喉部的射束表面相接觸。因射束的流速高，其動能大，蒸汽即凝結在水柱表面而被帶走。經過噴嘴所形成的射流速度一般為15～30m/s。帶走蒸汽的各射流在喉部準確聚集後，通過擴壓管將動能轉換為勢能以後，再從尾管排出。

由上述可知，噴射式冷凝器除了有混合冷凝作用外，還具有抽真空的作用。所以特別適用於真空系統中蒸汽的排除。例如食品工業中的真空濃縮、真空脫氣、真空乾燥等。當用這種水力噴射器作冷凝器時，就可以不再需要真空泵了。

一般水力噴射冷凝器的高壓水壓力為0.2～0.5MPa，可採用高壓頭的離心泵或多級離心泵供送。

② 填料式冷凝器：冷卻水從上部噴淋而下，與上升的蒸汽在填料層內接觸。填料層是由許多空心圓柱形填料環或其他填料充填而成，組成兩種流體的接觸面。混合冷凝後的冷凝水從底部排出，不凝結氣體則由頂部排出。

③ 孔板式冷凝器： 孔板式冷凝器裝有若干塊鑽有很多小孔的淋水板。淋水板的形式有交替相對放置的弓形式和圓盤、圓環交替放置的形式。冷卻水自上方引入，順次經板孔穿流而下的同時，還經淋水板邊緣泛流而下。蒸汽則自下方進入，以逆流方式與冷水接觸而被冷凝。少量不凝結氣體從上方排出。進入的冷卻水經與蒸汽進行熱交換後被加熱，而後從下方尾管排出。

除水力噴射冷凝器外，填料式和孔板式冷凝器都需要真空泵，使冷凝器內處於負壓狀態。在這種情況下，如無適當措施，冷凝水無法排出。通常採用兩種方法，即低位式和高位式。

低位式冷凝器是直接使用抽水泵將冷凝水從冷凝器內抽出，因而可以簡單地安裝在地面上，故名低位式冷凝器。高位式冷凝器不用抽水泵，而是將冷凝器置於10m以上的高度，利用其下部很長的尾管(稱為氣壓管，俗稱大氣腿)中液體靜壓頭的作用來平衡上方冷凝器內的真空度，同時抽出冷凝水。為了保證外部空氣不進入真空設備，氣壓管應淹沒在地面的溢流槽中。

④ 水簾(水幕)式空氣冷卻器： 這種混合換熱器比較典型的是用作空氣的冷卻淨化器。含塵的空氣進入後，經與冷卻水的水幕接觸而降溫，增濕，淨化。

傳熱強化介紹

換熱設備穩定傳熱時的傳熱量為Q，傳熱基本方程式可以表示為：Q=KAΔt_m由方程式可知，換熱設備的換熱量分別與傳熱係數K、換熱面積A、傳熱溫差t_m成正比，三者均是影響傳熱量的重要物理量，因此，擴大傳熱面積 A、增大傳熱溫差 t_m、提高傳熱係數 K均可以使傳熱過程強化。

擴大傳熱面積

擴大傳熱面積是實現換熱設備傳熱強化的一種有效途徑，擴大傳熱面積不應該靠加大設備的外部尺寸來實現，應從設備內部結構來考慮，使換熱設備高效而緊湊。

在管殼式換熱器中，一般採用以下措施：（1） 採用合適導流筒結構，最大限度地消除傳熱死區，高效利用換熱面；（2）採用小直徑換熱管，並選擇合適的管間距或排列方式來合理地布置受熱面，在加大傳熱面積的同時，還可以改善流動特性；（3）採用擴展表面換熱面，儘可能增大換熱器的有效傳熱面積；（4）改良傳熱表面性能，將管子內、外表面製成各種不同的表面形狀。

增大傳熱溫差

增大傳熱溫差 t_m的方法一般有兩種：一是對無相變的流體，儘可能使冷、熱流體相互逆流，或採用換熱網路技術，合理地布置多股流體流動與換熱；二是增加冷、熱流體進出口溫度差來增大平均傳熱溫差 t_m。

無論哪種方法，由於工藝和設備條件的限制，都只能在有限的範圍內採用，因此，我們不能把增大傳熱溫差t_m作為增強換熱器傳熱效果的主要手段。

技術發展概況

工業已開發國家從上世紀40年代起，便相繼開發了結構型式各異的石墨換熱器。1947年，英國愛奇遜電極公司研製成功了塊孔式石墨換熱器，鮑威爾杜富林公司開發了DELAN1UM石墨換熱器。1949年，日本碳素公司成功地製造出RESBON石墨換熱器，法國和前蘇聯在上世紀60-70年代先後生產出各具特色的石墨換熱器。如法國羅蘭碳素公司生產的塊孔式換熱器，其換熱面積達1500m²，列管式換熱器的換熱面積已大於1500m²，作為石墨換熱器的換熱石墨塊的直徑達1800mm。

我國自1980年以來，伴隨改革開放後化學工業的發展，石墨換熱器的產量基本呈逐年直線上升趨勢。上世紀80年代末期全國石墨換熱器總產量超過4萬m²。據了解國內從事石墨換熱器研究與生產的企業一度達上百家，其中南通碳素廠、上海碳素廠、瀋陽化工機械廠、遼陽碳素廠等曾經達到一定的規模實力。國內最早從事石墨換熱器研究與生產的單位是瀋陽化工研究院，1956年已開始對酚醛樹脂浸漬石墨進行研究，並製造了板式石墨換熱器。1959年掌握了酚醛石墨管的製造方法，為我國列管式換熱器的大量生產進行了技術儲備。1964年瀋陽化工機械廠研製成功列管式石墨換熱器和矩形塊孔式石墨換熱器，開創了我國石墨換熱器大量套用的先河。1995年，冶金建築研究院用聚四氟乙烯分散液浸漬石墨生產換熱器，用於冶金酸洗鋼板，縮小了我國與國外在這一領域的差距。

南通碳素廠從上世紀60年代末開始起步，到上世紀80年代已能生產各種結構型式、各種規格的石墨換熱器，產量躍居全國第一。但進入上世紀90年代以後，我國石墨換熱器的需求逐步達到一個相對穩定水平。生產企業開始從擴大產能轉而加大技術改造項目的投入，或者與國際名牌公司建立合資企業，以適應第一次產能過剩後定單數量長期徘徊不前的局面。

國內外石墨換熱器的生產工藝技術路線常用的有四條。

第一條為壓型不透性石墨工藝，即將人造石墨粉與合成樹脂混合，經壓型、固化、機械加工和裝配而成。該工藝生產周期短，製造方便，成本低，製造的換熱器機械強度高，但傳熱性能相對較低。前蘇聯、日本和我國常採用這種技術，適用於製造列管式石墨換熱器。如前蘇聯ATM 一型石墨產品，其配方為粗顆粒人造石墨33%，細顆粒人造石墨43.6%，酚醛樹脂23.4%。國內生產企業採用這種工藝生產了大量的石墨換熱器。為了使石墨換熱器能處理某些特殊介質，各國廠家還採用了不同的粘結劑。如前蘇聯諾契爾斯克電極廠為了提高石墨換熱器的抗腐蝕性能，開展了用酚醛呋喃複合樹脂的研究，並取得了一定的成效。國內不少企業從上世紀70年代開始生產聚氯乙烯壓型石墨管，用於製造列管式石墨換熱器。有的還在此基礎上填充玻璃纖維以提高石墨坯材的強度。

第二條為電極浸漬酚醛樹脂的工藝，即採用粗顆粒的焦炭與煤瀝青混合，經擠壓成型、焙燒、石墨化、浸漬、機械加工，再裝配而成。這種工藝生產的石墨材料強度高，傳熱性好，能夠製成規格大、換熱面積大的塊孔式或列管式石墨換熱器，但生產周期長，成本較高，基材的粒度粗。這種工藝曾在世界各國的套用相當普及，現在已基本淘汰。而目前我國絕大部分石墨換熱器是採用這種工藝生產。

第三條是綜合性工藝技術路線，即採用細顆粒的人造石墨粉與煤瀝青混合後，經振動成型、焙燒、浸漬樹脂、加工、裝配而成，生產成本較第一、二種工藝路線低得多，製成的石墨材料強度高，質量穩定，特別是石墨化電極緊俏時，意義更大。我國吉林市江城碳素廠就採用這種工藝生產塊孔式石墨換熱器。

第四條為採用化工專用石墨浸漬樹脂的工藝技術路線。即把細顆粒的石油焦(顆粒度為0.1—0.2mm)與煤瀝青混合，經軋輥、磨粉、模壓、焙燒、石墨化、浸漬樹脂、機械加工再裝配而成。這種不透性石墨材料顆粒細微、緻密度高、使用壓力達0.5—1.5MPa、換熱效率極好，能夠製成高質量的石墨換熱器，工業已開發國家普遍採用這種工藝生產石墨換熱器。國內化工建設項目引進的石墨換熱器一般均為這類產品。國內東新電碳廠自1981年以來，採用高性能細顆粒結構的不透性石墨材料，生產了KSH系列圓塊孔式石墨換熱器，達到國外同類產品水平。 上述四條工藝路線中，我國主要採用前三種工藝組織生產石墨換熱器，其質量與國外產品相比尚有一定差距。為此“八五”計畫以來國家將四條工藝路線納入重大技術裝備攻關項目，委託東新電碳廠等單位開展相應的研究，並取得了一定的成果。

當然，與量大面廣的金屬換熱設備相比較，石墨換熱設備機械強度低和使用溫度不高的弱點比較明顯，為此，近年來國內外科研和生產部門採用了許多措施以提高石墨換熱設備的整機性能。

首先是採用材料增強技術，石墨換熱器用浸漬石墨塊的採用在石墨材料表面塗敷耐磨陶瓷氧化物的方法，提高塊材的耐磨蝕性，適宜於在流速快、固體含量大的介質中使用。德國西格里公司開發了這種表面塗敷耐磨陶瓷氧化物塗層的OIABON石墨塊材。此外，當列管式換熱器用於處理含有較多固體顆粒或流速較快而存在腐蝕危險的場合時，也可以在管板的進料側塗腐這種塗層，而塗腐這種塗層的成本並不高。石墨換熱器用增強石墨管的先將碳纖維束浸入樹脂或樹脂溶液，然後纏繞在石墨管的外表面，纏繞後，把管子加熱到120—180℃，使樹脂固化形成堅固的傳力橋。這種增強石墨管即使在負載驟減和應力波動時，也能保持其增強效果。石墨管之間、管板與石墨管之間的粘結強度也得到了提高，石墨管的破壞壓力可增大30—40%。其次是開發浸漬劑品種。浸漬石墨的不透性是靠浸漬來實現的。因此浸漬劑的質量直接影響石墨換熱器的使用性能。常用的浸漬劑有熱固性、低粘度的酚醛樹脂、改性酚醛樹脂、糠酮樹脂、有機矽樹脂等，使用溫度約170℃。

同時，世界各國還開發出一些獨特的浸漬劑，如日本開發的二乙烯基苯樹脂N210系列產品，使用溫度一般為180—320℃，大大拓展了石墨換熱器的套用範圍。而美國開發了聚脂樹脂作為石墨材料的浸漬劑，用於製造食品工業用換熱設備。此外美、法、日、前蘇聯等國為使石墨換熱器能在高溫下使用，採用了“碳浸漬法”，即採用含碳量較高的碳氫化合物在高溫下氣相熱解，使其形成的熱解碳沉積在碳孔隙中，以達到石墨材料的不滲透性。這種材料製成的石墨換熱器的使用溫度高達400℃。我國除常用的酚醛樹脂和極少量的聚四氟乙烯浸漬的石墨換熱器外，在浸漬劑開發方面與世界水平尚有一定的差距。

三是改進石墨換熱器結構，提高設備的使用性能和運行穩定性。羅蘭碳素公司的塊孔式換熱器的結構設計在世界上是最為成功的，其結構特點在於強化液體的流動性，在石墨塊的上、下兩端面上開一條高度為2—3mm的湍流槽，組裝堆疊後將構成湍流增進器。儘管該公司的GMS/8型換熱器通常設計為單管程結構形式，但由於在每層之間均設有湍流增進器且長徑比達到13.5，因而提高了傳熱效率。此外通過採用多殼程結構，在每兩個換熱塊中間放一折流板，與殼體側折流板錯開，強制流體經橫向孔道流動以提高換熱效率。

新發展

我國石墨換熱器經過近三十年的發展，已經做到了國際上套用的品種絕大部分都能生產，使用材料也從電極石墨轉向化工專用石墨，並出現了一批能夠生產較高質量、規格齊全的石墨換熱器廠家。

改革開放以來我國石油和化學工業得到了前所未有的發展，石墨換熱器的主要用戶化肥工業，經過50多年的發展已形成了包括科研、設計、設備製造、施工安裝、生產、銷售、農化服務等一套完整的工業體系。氮肥和合成氨產量居世界第一，磷肥產量居世界第二，我國已經成為世界上最大的化肥生產國和消費國。化肥自給率已接近90%，其中氮肥自給率達到100%，磷肥自給率已達到94%。2008年我國磷肥總產量超過1325萬噸，已達到2020年磷肥需求預測水平。

化學工業的興旺大大帶動了我國石墨換熱器的開發與套用。近年來，用戶對規格各異、性能好、質量高的石墨換熱器的迫切需求，促使國內石墨換熱器廠家紛紛擴大生產能力，加大科研投入，改進生產工藝及技術裝備，有的採取與外商合作的方式提高石墨換熱器的生產水平，從而大大縮小了我國石墨換熱器技術與國外的差距。其進步主要表現在：

一是開發了增強不透性石墨材料，擴大換熱器的套用範圍。石墨換熱器用不透性石墨材料的增強技術在美、日、德、法等國已得到較為廣泛的套用。如採用碳纖維增強塊孔式石墨換熱器的浸漬石墨塊或列管式石墨換熱器的石墨管和石墨管板，以及開發表面塗敷耐磨陶瓷氧化物塗層的石墨材料等新技術等。天華化工機械與自動化研究設計院成功地研製出碳纖維增強石墨管，其性能基本達到德國西格里公司的增強石墨管的性能，從而大大提高了石墨換熱器的抗熱震性、抗磨蝕性和抗裂性，拓展了石墨換熱器在高溫、高壓等環境中的套用範圍。

二是開發化工專用石墨材料。國外十分注重發展細顆粒、低孔隙率、高強度的石墨產品。英國摩根碳素公司製造的化工專用石墨坯材的顆粒度小於0.35mm，法國羅蘭碳素公司的大規格細顆粒耐高溫石墨的顆粒度為0.1-0.2mm和0.5-2.0mm，美國聯合碳化物公司擁有當今世界上獨特的大塊 材 細 顆 粒 結 構 不 透 性 石 墨 ， 其 最 大 顆 粒 為0.15mm。化工專用石墨材料顆粒細、密度高、機械強度和換熱性能好，成為世界各國製造石墨換熱器的首選材料。國內東新電碳廠、青島碳製品廠、上海碳素廠等經過努力生產出了高強度、細顆粒的化工專用石墨，從而徹底改變了製造化工用石墨設備使用冶金電極石墨材料的狀況。

三是開發出一批大規格、高參數石墨換熱器。國外石墨換熱器的規格大型化、性能高參數化趨勢已十分明顯，為此國內江西貴溪化肥廠、銅陵磷銨廠等國家重點建設項目專門從法國羅蘭碳素公司和維卡勃公司購進了大型石墨換熱器。“八五”計畫以來，東新電碳廠在化工部的支持下配備了大型混合設備及振動成型機，相繼生產出直徑為1000mm、1200mm、1300mm的塊材，並在焙燒、浸漬和石墨化處理工藝方面進行了有益的探索，大大緩解了國內大型石墨換熱器需求方面的矛盾。

天華化工機械及自動化研究設計院開發研製的大型氟塑膠-石墨板式換熱器是上世紀90年代以來非常值得一提的技術成果。由於氟塑膠-石墨板式換熱器板片是由非金屬複合材料壓制而成，因此在保證板片能夠進行換熱的前提下，還要在保證板片具有足夠高的強度並能夠壓製成形方面做大量的工作。在板片設計方面，考慮到非金屬複合材料的特點(如與金屬材料相比脆性大抗壓強度低)，該院借鑑金屬板式換熱器板片設計經驗，設計單板換熱面積為0.34-0.6m2板片時將長寬比從金屬板片的2.1提高到2.8，即大型板片長度更長但寬度基本保持不變，其結果是介質在換熱器中流過的路線更長，由於在換熱器內停留的時間更長，換熱更為充分，提高了換熱器總傳熱係數。在板片研製方面，主要是提高材料的導熱係數，解決板片脫模問題和板片收縮問題，包括基本組成成分、物料配比的篩選，物料混合方式及其對板片力學性能影響的研究，對不同熱成型及壓制方法製得的板片進行力學性能測試等，最終確定製作板材的最佳成型溫度、成型時間、冷卻方式和脫模方式。在密封結構方面，不是採用國外單純的面密封結構，而是採用線面結合的密封結構，此結構密封面積小，同等密封壓緊力下可在密封面上產生更大的單位面積壓緊力，即在密封件上壓強更大。實踐證明該密封方式效果良好。

由天華院研製生產的大型氟塑膠-石墨板式換熱器具有如下特點：由氟塑膠、石墨等非金屬材料複合製成的人字形波紋板片作傳熱元件；採用線面結合的密封結構；用固定端板及螺栓結構作緊固件；用壓緊彈簧、活動端板結構作調節件以緩解板片之間因收縮與膨脹引起的應力破壞等。

2003年10月在齊魯分公司萬噸微球裝置中作為鋁溶膠換熱設備投用，至今設備已穩定運行多年，不僅換熱效果良好、耐腐蝕性強，而且結構緊湊、占地面積小、易於安裝維修。設備技術指標達到設計要求，滿足了生產需要。使鋁溶膠生產擺脫了每3個月就需更換列管式石墨換熱器的狀況，而且年增加產值900萬元、利潤400萬元，節約資金70萬元。2005年8月由中國石油化工股份公司科技開發部組織的技術鑑定會鑑定該項技術成果已達到國際先進水平。

青島金利康化工設備有限公司開發的組合列管式磷酸濃縮換熱器也是一個有特色的產品，這項技術的出現在一定程度上解決了傳統石墨換熱器結構上因黏結劑與浸漬石墨塊材兩種不同材料線脹係數的明顯差異所引起的應力破壞。列管式石墨換熱器換熱管與管板連線主要分為兩種類型，即傳統粘結型式和彈性密封型式。組合列管式石墨換熱器採用石墨作為結構材料，而兩端管板均為固定管板，管板與換熱管結合使用高彈性耐腐蝕材料實現彈性密封連線。此種石墨換熱器結構簡單，抗震，傳熱性能好，操作阻力小，易維護和管理，消除了傳統石墨換熱器結構上因黏結劑與浸漬石墨塊材兩種不同材料線脹係數的明顯差異所引起的應力破壞，即使在溫差較大的工藝條件下，操作仍然穩定可靠；設備全部採用承插式活連線，維修方便，換管簡單，不僅換熱面積不減少且可避免因堵管出現整機報廢。普通粘結型石墨換熱器因黏結劑與浸漬石墨塊材兩種不同材料線脹係數的明顯差異，易引起應力破壞；在溫差的作用下石墨管“差異伸長”，溫度不均布因素導致應力破壞，管板為黏性連線，維修不方便；操作過程中易結垢，造成傳熱性能降低，操作阻力增大，易出現堵管導致整機報廢。組合式石墨換熱器彌補了粘結型換熱器的不足，而價格僅是國外進口產品價的1/10左右，具有廣泛的市場前景和推廣價值。

玻璃鋼又稱玻璃纖維增強塑膠，特點是機械強度相對較高，纖維纏繞式玻璃鋼的拉伸強度超過普通鋼材的極限強度，且質量輕，化學性能穩定，玻璃鋼設備的價格高於碳鋼而低於不鏽鋼和其它有色金屬。河北工業大學發明了一種石墨與玻璃鋼組合式換熱器，其中換熱管採用石墨換熱管，封頭、管板等採用玻璃鋼製造，這種換熱器不但具有很強的耐腐蝕、耐氧化性能，而且換熱效率高、承壓能力強。換熱器管子與管板的連線處，常常是最容易泄漏的部位。管子與管板連線接頭設計得合理與否及製造質量的好壞，都會影響到換熱器的使用壽命與性能，有時甚至影響到整個裝置的運行。玻璃鋼管板與石墨管之間的連線屬於異型非金屬連線，常規的脹接、焊接等方法很難套用；而傳統的密封膠連線因管板、換熱管和密封膠這三種材料熱膨脹係數不同，一旦溫度過高，三種材料之間由於膨脹的差別會產生相應的溫差應力，致使粘結處開裂，腐蝕介質泄漏。因此針對石墨與玻璃鋼組合式換熱器研製的一種新型異種材料密封連線技術有著十分重要的意義。在玻璃鋼管板與石墨管之間的連線結構中，鎖緊螺母和管板採用螺紋連線，兩個鎖緊螺母之間放填料。在兩個鎖緊螺母的擠壓下填料發生變形和換熱管嚴密緊貼，從而保證了換熱器殼程內的介質不往外泄漏。該結構有很好的耐壓性能，並且實現了異型非金屬之間的活性連線且便於換熱管安裝拆卸與維修。

新型板殼式

聚四氟乙烯(PTFE)是一種特殊的工程塑膠，具有獨特的物理、化學及機械性能而被稱“塑膠王”。上世紀60年代美國杜邦公司率先將PTFE熱交換器套用於工業生產，以解決腐蝕性介質傳熱過程而成為理想的設備。國內生產的PTFE熱交換器均有報導，主要用PTFE撓性薄軟管組成管束構成管殼式換熱器。其優點主要表現在：

(1)有較強的抗酸，抗氧化能力，適用於多種溶劑。

(2)允許管內有較高的流速。

(3)運行費用為傳統的金屬(高合金不鏽鋼、銅合金或鈦合金)管殼式換熱器的33—66%。

(4)具有平滑的表面、熱膨脹量大和較大撓性的特點，使其抗污塞性好。

(5)重量是金屬的¼，有利於運輸、製造，減少安裝費用。

(6)在蒸汽凝結過程中，塑膠的潤濕角小，容易實現珠狀凝結。因此在蒸汽側的熱傳遞係數比金屬換熱器高。但PTFE換熱器的使用也有一些缺陷，主要有：

(1)氟塑膠熱導率是金屬的1/100—1/300。1X10一4m厚的塑膠管與1X1一2m厚的不鏽鋼管的熱阻相當。

(2)氟塑膠管束製造工藝操作尚未機械化，不僅費工費時而且勞動效率低。

用石墨材料填充PTFE，提高其熱導率的同時，可以改變純PTFE的力學性能。石墨粒子可通過彌散強化而提高材料的強度，其增強原理在於分散的粒子阻止基體晶格的位錯和滑移擴散。一般認為，粒子越細，表面積越大，與聚合物粘結力越大，增強效果越顯著。

但試驗表明僅靠石墨顆粒填充PTFE還是難以有效提高複合材料的導熱性和力學性能，再加上碳纖維增強後就形成一種具有優良的力學性能、耐腐蝕性和材料穩定性以及良好的抗腐蝕性和耐老化性能的導熱複合材料。鄭州大學經過多年的努力，研製出用石墨材料填充用碳纖維增強的導熱複合材料，並開發出新一代的高效非金屬換熱設備緊湊型板殼式換熱器，這種換熱設備熱效率很高，同樣的處理量可顯著減少設備台套數，1台緊湊型板殼式換熱器可與5台相同換熱面積的石墨列管式換熱器相當。換熱器核心元件芯體的壓降不到進口壓力的5%；其板翅式結構不僅在1MPa的工作載荷下強度可靠且變形量很小，從而保證了傳熱係數的相對穩定。有關部門通過對緊湊型板殼式換熱器的性能評價和經濟性評價，說明選用這類換熱器能夠滿足未來化學工業的發展。緊湊型板殼式換熱器不僅因採用導熱複合材料，克服了普通金屬熱交換器不耐腐蝕，高合金材料換熱器價格昂貴等缺點，在結構形式上也不再沿用金屬板式換熱器的結構。換熱器採用鋼製外殼和緊湊型芯體、芯體與封板膠結、封板與殼體法蘭聯結的結構。要求達到：

(1)耐有機、無機化合物腐蝕介質；

(2)耐溫-100℃—+250℃；

(3)耐壓最大達1MPa；

(4)使用壽命要達6年以上；

(5)製造成本與石墨換熱器相當。

緊湊型板殼式換熱器的核心部件芯體由隔板、翅片和封條等組成，翅片由聚四氟乙烯複合材料和鋁製(或不鏽鋼)翅片由隔板分開相間布置。隔板與翅片、封條之間採用粘結結合。這樣，完全由聚四氟乙烯複合材料組成的防腐蝕通道，其間走腐蝕性、易結垢的介質(比如硫酸溶液)，相間排列的通道內走較潔淨的介質(比如水蒸氣)。兩種介質可以形成完全的逆流換熱。改變了常規氟塑膠管殼式換熱器的管束結構，也不同於常規的板殼式換熱器的板間點焊結構，形成緊密排列的緊湊式換熱通道，再加之翅片的強化傳熱，保證了換熱的高效性，同時結構強度大，承載能力較高。芯體結構自成一體，可以與GB151—99設計的結構、零部件尺寸相配合。對於相同規格的外殼直徑和法蘭的管殼式換熱器以及石墨列管式換熱器，可以本設計的芯體替換使用，尤其是使用在有殼側有相變、管程有腐蝕和結垢的換熱情況，但由於流道狹窄，要求介質無顆粒懸浮物等。為了儘可能降低設備製造成本，所用板材厚度和寬度選標準規格，並考慮材料的導熱性及可加工性，選用標準平直翅片(聚四氟乙烯複合材料翅片)和平直多孔翅片(金屬鋁或不鏽鋼翅片)。

綜上所述，緊湊型板殼式換熱器的主要技術效果歸納為：

(1)緊湊型板殼式換熱器換熱效率高，處理量大；

(2)板翅式換熱器特別適用於一側有相變的介質環境。在此時，換熱器的給熱係數較高，且壓降較小。換熱器芯體的壓降不足進口壓力的50Pa，芯體長度大幅減小，換熱效率高的優點得到進一步體現；

(3)比傳統的板式、板翅式換熱器承受壓力和溫度能力強，密封性好，安全可靠。同時比傳統的管殼式換熱器緊湊，重量輕，比常規的板殼式換熱器加工工藝簡單，容易保證密封和強度要求；

(4)板翅式結構不僅在1MPa的工作載荷下強度可靠，而且變形量很小，保證兩側換熱面積的穩定，從而保證傳熱係數的相對穩定。

例如化工廠某工段使用13台(其中12台工作，1台輪流除垢)石墨列管式換熱器，每台處理量4-5t/h，總處理量50噸左右；而緊湊型板殼式換熱器一台的處理量就可達40-50t/h。設備體積等同於一台石墨列管式，占地面積大幅度減小，投資費用大幅度降低。同樣處理量，設備占地面積約為石墨列管式換熱器的1/5。

換熱器作為工藝過程必不可少的操作設備，在國民經濟各個領域都有重要的套用。據統計，在現代石油化工企業中，換熱器投資約占40%左右。正確合理地設計和製造換熱器有極其重要的意義。隨著傳熱技術的發展，換熱器日益向體積小、重量輕的方向發展，同時在提高熱效率的前提下，要求運行費用最低。這些要求之間有的是相互矛盾和相互制約的，且有些方面是定量的，有些方面是定性的。因此，很難找到一個或幾個參數可以全部或大部分包括所有的因素來評價一台換熱器。單從傳熱係數的大小、製造費用的多少、清洗的難易程度等進行比較是不全面的。應從一年的總經費的高低進行經濟核算。對於腐蝕性、易結垢介質中服役的換熱設備來說，應從設備的初投資以及日常維修費用兩方面考慮，清洗除垢以及維修費用也是值得重視的一項內容。在滿足工藝要求的前提下應選用一定時間內傳熱量相同，固定費用和可變費用之和為最小的設備。由上述化工廠實例1台導熱複合材料緊湊型板殼式換熱器的傳熱量相當於在役石墨列管式換熱器12台的處理量(1台除垢備用)，前者購入費用估算方法為：由同尺寸的石墨列管式換熱器價格+碳纖維增強PTFE市面加工價格×PTFE複合材料重量+4×鋁材料價格×鋁重量，考慮到不停產維修的需要，導熱複合材料換熱器按兩台購入，選用導熱複合材料緊湊型板殼式換熱器顯然是非常有利的。至少有強度足夠、結構可靠、便於製造安裝維修和經濟效益較為顯著幾方面的優點，可以滿足化工生產過程中絕大部分耐對腐蝕的要求。

傳熱設備維護

工業運轉不可缺失換熱設備，這類設備常態的運行很易凝結污垢，若沒能及時予以消除將會累積更多。運轉狀態下的換熱設備被損耗，從長期來看減低了本該有的設備性能,縮減可運轉的年限。換熱設備緩慢形態下的結垢將會干擾後續的持久運轉，也會損耗額外的修復資金。為此，有必要解析運行設備的常態維護；結合設備現狀，採納最合適的檢修手段以此來維持換熱設備的順暢運轉。

在石化行業內,換熱設備已被推廣採納，換熱裝置應能確保平日的順利運轉,提升綜合範圍內的行業產值。在節能指標下,換熱設備應能吻合預設的指標及規格，設備擁有的現存性能密切關乎降耗及節能。運行時的換熱裝置若缺失了維護將會緩慢被損耗，直至不能再運轉。為了減低能耗、延長運行年限，就應從根本人手強化檢修及日常維護，確保順利狀態下的換熱運行。

運行中結垢

在換熱器表層，日常運轉時的設備經由很多的流體因而匯聚了固態性的污垢物質。固體及匯人進來的流體是彼此接觸的，結垢帶來了後續較大的運轉干擾。換熱設備凝集起來的表層污垢縮小了應有的換熱實效，熱阻由此也會提高。同時，若表層累積著偏多污垢，那么通道經由的流體也將變得更少並且增添了阻力。泵體功率被減低，耗費了較多的修護資金。

最近幾年，化工生產日漸拓展了原先的總規模,企業也增設了更多現有的換熱器。結垢後的換熱設備減低了傳熱總體的係數，若這種係數持續縮減那么再也沒能符合常態的產出需要。結垢現象增添了投人進來的額外資金，也耗費著後續修復的偏多經費。避免這種弊病，應能隨時清洗換熱性的裝置以便於除掉附著的內側污垢。

結垢的根源

從沉積機理看,換熱設備沉澱的內側結垢可分成如下:反應帶來的污垢、結晶及腐蝕性的結垢、生物性的結垢、凝固性的污垢。例如:流體懸浮起來的微粒累積於設備表層,這類微粒多被歸人固態性的。受到沉澱重力的影響,微粒顯露為膠體形態而後積澱於表層裝置。此外,流體可溶解換熱帶來的無機鹽,累積的沉積物含有表層狀態下的換熱結晶。從常規來看,冷卻及過飽和的換熱裝置很易積澱這種污垢。冷卻水側凝聚的污垢含有硫酸鈣及二氧化矽,也含有較少碳酸鈣等。

從傳熱表層來看，化學反應也可增添粘附於此的污垢。傳熱面並不參與潛在的化學反應，然而催化作用也是隱含性的。加工石油時，裂解碳氫化合物就被歸人這類的鏈反應。若沒能除掉原料內含的細微雜質，也將帶來表層緩慢的沉積。換熱器污垢有著腐蝕性，流體攜帶了這種污垢也可腐蝕原先的裝置表層。在各個階段內，污垢帶來的腐蝕關乎流經的溫度、流體攜帶的多樣成分、酸鹼值等要素。

除了海水冷卻，各類生物都附帶了本身較多的污垢。污垢積澱很易增添裝置底側的淤泥，促進潛在性的繁衍微生物。如果溫度適宜，污垢累積增添了更厚的層次。換熱面若有著偏冷的溫度乃至低於冰點，則會凝固而變為冰污垢。由此可見，溫度是否適宜密切關係到潛在的換熱故障。

檢修及維護

及時維修設備

設計換熱裝置時，換熱面積常被設定為較大的且留有冗餘。後續在運轉中，就要隨時查驗並調控各時點的溫度及流速。可增設配備的旁路系統，維持初期設定好的溫度條件及流速狀態。及時修護設備，在更大範圍內推遲了結垢且延長可運轉的總時間。運送至進口的物料總量也並非固定，是不斷變更的。在各個階段內都應測定聚集於換熱器的污垢總量，測定酸鹼值及微粒體積。針對各類狀態下的結垢，都要配備不同添加劑。

新式修護技術

在流體中沉澱了較多污垢，這些污垢強化了經由流體時的沉澱。採納新式技術，過濾並且去除聚集於裝置內的污垢。有些物質很易結疤，對此可選化學處理及離子交換。紫外線可快速予以滅菌,超聲也可抑制聚集的污垢。此外，還可優選機械清洗及化學性的清洗，即便設備處在日常運轉中也可予以清洗。先要取出管束，把它浸沒至預備好的液態物質內。這樣一來，污垢將會慢慢變軟而後滑落,藉助機械手段除掉污垢。

其他維護方式

增添固態磨粒至現有的流體中,這樣即可清洗表層附帶的更多污垢。然而，選取這種手段還要慎重規避緩慢累積的表層腐蝕。連續除垢可選海綿膠球，電站配備的冷卻水側及凝汽器都可藉助這種除垢途徑。換熱器設有內在的管路，相比來看膠球有著更大的自身直徑。膠球可輕輕擠壓管壁,運動形態下的膠球就擦掉了沉澱物。現今的進展中還創設了刷洗污垢的自動裝置，刷洗換熱管可配備尼龍刷及外罩。

從現狀看，換熱設備平常的維修正日漸被注重，多數企業也接納了配套的檢修技術。在換熱器內部，複雜反應狀態下將會聚集偏多的污垢，緩慢腐蝕也增添了這種污垢。唯有定時查驗，妥善去除聚集著的污垢才可恢復常態的運轉。未來的實踐中，還應顧及設備運轉所處的場地真實狀態，從細微人手慎重把控檢修換熱器及維護設備的細節，防控並杜絕潛在的運行隱患。

結束語

在化工生產中，換熱設備良好的換熱性能與足夠的耐腐蝕性能在多數情況下是有矛盾的。普通金屬換熱器有易腐蝕、能耗較高和傳熱係數變化大等缺點；鈦、鉭、鋯等稀有金屬製成的換熱器價格過於昂貴，一般化工廠家難以承受；不鏽鋼則難耐許多腐蝕性介質，並產生晶間腐蝕。傳統的石墨換熱器有著導熱性高，耐化學腐蝕、穩定性強和熱穩定性好的優點，但不適用氧化性介質、強鹼、某些強溶劑介質，且有體積大、易碎、更換管子困難等缺點。因此開發先進的，換熱效果好、耐腐蝕性強、結構緊湊、占地面積小和易於安裝維修的石墨換熱器一直是業內研究單位和生產企業的奮鬥目標。先進的石墨換熱裝備技術取決於兩個方面的進展，其一是新材料的研發，其二是新結構的套用。