換熱器又稱(chēng)熱交換器，是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設(shè)備。換熱器在化工、能源、、動(dòng)力、食品等工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用。本課件主要介紹聚光太陽(yáng)能熱發(fā)電中常用的換熱器，如預(yù)熱器 、蒸發(fā)器、過(guò)熱器、再熱器等。

本課件僅介紹管殼式換熱器，主要由外殼與管束組成。外殼與管束可以用同一金屬材質(zhì)，也可用不同材質(zhì)。本課件為了顯示清晰，采用不同材質(zhì)，外殼是不銹鋼色，管束是銅合金色。

固定管板式換熱器主要由由殼體、換熱管、固定管板、折流板（擋板）、管箱等部件組成，見(jiàn)圖1

固定管板式主要裝配順序?yàn)椋簩?strong>換熱管插入折流板，組成管束；將管束插入前固定管板，將換熱管前端頭與前固定管板密封焊接（或?qū)茴^進(jìn)行脹接）；將管束插入殼體；插入后固定管板；將殼體與兩端的固定管板進(jìn)行密封焊接；將換熱管后端頭與后固定管板密封焊接（或?qū)茴^進(jìn)行脹接）；將前管箱與后管箱與殼體兩端的管板用螺栓緊固。圖2是完整的固定管板式換熱器剖視圖。

下面有一段視頻，簡(jiǎn)單介紹了固定管板式換熱器的主要裝配順序

多數(shù)換熱器的管束有很多根換熱管，見(jiàn)圖3,（圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò)）

圖4是固定管板式換熱器的流體熱交換流向圖，流體1（藍(lán)色箭頭）從前管箱接管進(jìn)入前管箱，從前管箱穿過(guò)換熱管到后管箱，從后管箱接管流出。流體2（橙紅色箭頭）從殼體下后方接管進(jìn)入，通過(guò)殼體內(nèi)空間（換熱管外部）從殼體前上方接管流出。兩流體被換熱管管壁分開(kāi)。

流體1走換熱管稱(chēng)為走管側(cè)，是管程流體，流體2走管道外的殼體內(nèi)，稱(chēng)為走殼側(cè)，是殼程流體。兩側(cè)流體通過(guò)換熱管的管壁交換熱量。為了加長(zhǎng)殼程流體的行程，使殼程流體充分接觸換熱管管壁，在殼體內(nèi)安裝多塊折流板，使殼程流體上下曲折流動(dòng)。折流板有多種排列方式，可使殼程流體左右流動(dòng)，或者螺旋式流動(dòng)。

流體1（管程流體）是被加熱流體，流體2（殼程流體）是熱源流體。同樣，被加熱流體也可以走殼程，熱源流體走管程。

下面有一段視頻，是固定管板式換熱器的流體熱交換流向動(dòng)畫(huà)

固定管板式換熱器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造較容易。打開(kāi)前管箱與后管箱，就可對(duì)換熱管進(jìn)行機(jī)械清洗。
缺點(diǎn)是管殼無(wú)法打開(kāi)，殼內(nèi)無(wú)法機(jī)械清洗，殼程流體要求流動(dòng)性好，不結(jié)垢。由于外殼與換熱管是固定焊死的，當(dāng)殼程流體與管程流體溫度差大時(shí)，殼與管膨脹量不同，易造成損壞。故一般要求殼程流體與管程流體溫度差不超過(guò)50度。

如果在殼上增加補(bǔ)償圈，可解決殼程流體與管程流體溫度差大變形的問(wèn)題，見(jiàn)圖5。但有補(bǔ)償圈的外殼制造麻煩，而且殼程流體壓力大時(shí)會(huì)增加殼的長(zhǎng)度方向變形力。

Ｕ型管式換熱器的特點(diǎn)是換熱管為U型，前管箱中部有管層隔板，管程流體（藍(lán)色箭頭）從前管箱接管1進(jìn)入前管箱上部，進(jìn)入換熱管；從換熱管另一端流出回到前管箱下部，從前管箱接管2流出。本模型的殼程流體（紅色箭頭）也走U形，在殼中部有殼層隔板，殼程流體從殼體下部殼體接管2進(jìn)入，流到后管箱轉(zhuǎn)回，從殼前部上部殼體接管1流出。見(jiàn)圖5，見(jiàn)圖6。

下面有一段視頻，是Ｕ型管式換熱器的流體熱交換流向動(dòng)畫(huà)

Ｕ型管式換熱器主要由殼體、U型換熱管束、管板、上層折流板、下層折流板、和管箱等部件組成。見(jiàn)圖7。

主要裝配順序?yàn)椋簩?strong>U型換熱管插入折流板，組成U型管束；把殼程隔板與管板連接（連接方式依材料定），將U型管束插入管板，與管板密封焊接（或脹接）。將U型管束插入殼體，將前管箱與后管箱與殼體兩端的法蘭用螺栓緊固。圖8是完整的Ｕ型管式換熱器剖視圖。

Ｕ型管式換熱器的優(yōu)點(diǎn)是換熱管伸縮不受殼體限制，可用在殼程流體與管程流體溫度差較大的場(chǎng)合。打開(kāi)前管箱與后管箱，抽出U形換熱管束，就可清洗殼體。但Ｕ型換熱管內(nèi)很難機(jī)械完整清洗。

Ｕ型管式換熱器殼程也可不設(shè)殼程隔板，像固定管板式換熱器一樣。

浮頭式換熱器的流體走向類(lèi)似Ｕ型管式換熱器，不同的是換熱管是直管，管程流體進(jìn)入上層換熱管，在浮頭蓋內(nèi)轉(zhuǎn)向進(jìn)入下層換熱管，再?gòu)?strong>前管箱下層流出。浮頭式換熱器的結(jié)構(gòu)剖視圖見(jiàn)圖8

浮頭式換熱器前部分結(jié)構(gòu)與Ｕ型管式換熱器相同，后部分的浮頭部分較復(fù)雜。換熱管與浮頭管板是焊接密封的，浮頭管板比殼體內(nèi)經(jīng)略小，保證換熱管束插入殼體。為了使管程流體從上層換熱管束轉(zhuǎn)到下層換熱管束，又要不外漏，與殼程流體隔離，用一個(gè)浮頭蓋把浮頭管板蓋上。

浮頭蓋與浮頭管板的緊密配合是通過(guò)鉤圈來(lái)連接的，浮頭管板與鉤圈都有斜槽，見(jiàn)圖10左圖，浮頭管板的斜槽與鉤圈的斜槽可相扣，然后用螺栓把鉤圈與浮頭蓋緊固即可。見(jiàn)圖9右圖。鉤圈有上下2個(gè)，合攏才能抱住浮頭管板。

圖11左圖是浮頭蓋裝配固定的狀態(tài)，右圖是旋開(kāi)后管箱螺栓，打開(kāi)后管箱；旋開(kāi)浮頭蓋螺栓，打開(kāi)浮頭蓋；分開(kāi)上鉤圈與下鉤圈，換熱管束即可從殼體中抽出。

浮頭式換熱器解決了兩流體溫差大引起的膨脹問(wèn)題，同時(shí)解決了殼體內(nèi)的機(jī)械清掃與換熱管內(nèi)的機(jī)械清掃。

缺點(diǎn)是制造復(fù)雜，成本較高。

如果把管板式換熱器做得很長(zhǎng)（無(wú)需折流板），可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)流程的逆流換熱（殼程流體與管程流體反向流動(dòng)），這種純逆流傳熱效果好。但設(shè)備體積過(guò)長(zhǎng)不但占地方，還影響結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。如果把設(shè)備折彎成U形發(fā)夾的形狀，可解決這個(gè)問(wèn)題，這就是發(fā)夾式換熱器。

發(fā)夾式換熱器主要由殼體、U型換熱管束、前管箱、后管箱、殼法蘭、殼卡簧、殼密封圈等組成，見(jiàn)圖12

將U型管束端口插入上管板與下管板，焊接或脹接密封形成U形管束。管板直徑略小于外殼內(nèi)徑，保證管束可插入或拉出殼體。將U型管束插入殼體，在管板上套進(jìn)殼卡簧，使卡簧卡在管板的卡簧槽中。在管板上套進(jìn)密封圈，套上殼蓋法蘭，蓋上前管箱，用螺栓把前管箱與殼體緊固。將后管箱與殼體緊固。見(jiàn)圖13

發(fā)夾式換熱器站地面積小，管流程長(zhǎng)，熱交換充分，流體進(jìn)入交換器可達(dá)到大的溫度變化。發(fā)夾式換熱器可承受兩流體較高的溫度差別，不會(huì)因熱膨脹引起故障。

圖14是發(fā)夾式換熱器的照片（照片來(lái)自網(wǎng)絡(luò)），照片上有2個(gè)待發(fā)貨的發(fā)夾式換熱器。

繞管式換熱器或稱(chēng)螺旋管式換熱器，繞管式換熱器與固定管板式換熱器的結(jié)構(gòu)相似，工作方法相同。不同的是換熱管采用螺旋狀纏繞管。在模型中有內(nèi)外兩層纏繞管，每層有4根管，兩層傳熱管的螺旋方向相反，見(jiàn)圖15。一般繞管式換熱器有多條換熱管，有多層，相隔兩層的換熱管螺旋方向相反，見(jiàn)圖17。

圖16是繞管式換熱器的剖視圖。繞管式換熱器多半是垂直安裝，課件為了排版方便，采用水平顯示。

繞管式換熱器結(jié)構(gòu)緊湊，單位體積換熱面積大。如果把換熱管分組單獨(dú)引出殼體，可同時(shí)進(jìn)行多股流體換熱。繞管式換熱器的缺點(diǎn)是流動(dòng)阻力大；要求流體沒(méi)有雜質(zhì)，不會(huì)結(jié)垢；制作工藝復(fù)雜，成本高。

圖17是來(lái)自網(wǎng)絡(luò)的圖片，左邊2張圖片是刨開(kāi)外殼的圖片，圖a是小型高壓繞管式換熱器，圖b是大型繞管式換熱器，圖c是內(nèi)部纏繞的換熱管狀態(tài)。

釜式蒸發(fā)器與Ｕ型管式換熱器的結(jié)構(gòu)類(lèi)似，工作方法相同。釜式蒸發(fā)器可將液體（例如水）加熱沸騰產(chǎn)生蒸汽。

釜式蒸發(fā)器主要由殼體，U型換熱管束，管箱組成。釜式蒸發(fā)器的熱源流體走管程，被加熱的水在釜式蒸發(fā)器的殼體內(nèi)，殼體較大，是水和蒸汽分離的空間，殼體下方有水入口與溢出水出口，殼體上方有蒸汽出口。在殼體內(nèi)有隔板（堰）。見(jiàn)圖18

待汽化的水從底部水入口進(jìn)入，淹沒(méi)管束，當(dāng)液位超過(guò)隔板（堰）時(shí)會(huì)溢出，保證殼體上部有合適的蒸汽分離空間，堰起到控制水位的作用。熱源流體從管箱上部口進(jìn)入換熱管束，通過(guò)換熱管束后從管箱下部口排出。高溫?zé)嵩戳黧w加熱殼中的水，水沸騰產(chǎn)生的蒸汽從殼體上部蒸汽出口排出。溢出水由水泵輸入進(jìn)水回路，再次進(jìn)入蒸發(fā)器，見(jiàn)圖19。

釜式蒸發(fā)器是自然循環(huán)蒸汽發(fā)生裝置，在聚光太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)中，用于較低溫度，較小流量場(chǎng)合。在采用導(dǎo)熱油作為傳熱流體的槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)中多采用釜式蒸發(fā)器。

在聚光太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)中多用到汽包式蒸發(fā)器，由蒸發(fā)器、汽包與連接管組成，圖20是臥式汽包式蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)圖。

蒸發(fā)器與Ｕ型管式換熱器結(jié)構(gòu)相同，主要由外殼⑭與U型管⑬組成，但殼程沒(méi)有殼層隔板與折流板。殼體下方有一排進(jìn)水入口，殼體上方有一排汽水混合物出口。汽包主要由汽包殼體①與汽水分離器③組成，汽水分離器③在汽包殼體內(nèi)，每個(gè)汽水分離器通到殼外。殼體下方是水出口，殼體上方是飽和蒸汽出口 ②，殼體下側(cè)方是給水入口⑥。

蒸發(fā)器上面的汽水混合物出口通過(guò)上升管④連接到汽包的前排汽水分離器，上升管⑤連接到汽包的后排汽水分離器。汽包下面的水出口通過(guò)下降管連接到蒸發(fā)器下方的水入口。圖21清楚顯示了上升管與下降管的連接。

蒸發(fā)器殼程充滿(mǎn)用于被加熱蒸發(fā)的水，熱熔鹽液從入口⑧進(jìn)入，經(jīng)過(guò)U型管⑬釋放熱量加熱水，然后從出口⑨流出。水在蒸發(fā)器被加熱成汽水混合物，從上升管到汽包內(nèi)的汽水分離器，汽水混合物被分離成水與蒸汽，蒸汽從上方蒸汽出口輸出，水從下降管輸送到蒸發(fā)器。在圖21中有箭頭表示汽或水的流動(dòng)方向。

汽包式蒸發(fā)器的給水是從汽包的給水口輸入，在聚光太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)中，蒸發(fā)器的給水來(lái)自預(yù)熱器。

在自然循環(huán)的蒸汽發(fā)生系統(tǒng)中，汽包與蒸發(fā)器高度差要大，以保證水汽能靠密度不同形成自然循環(huán)。在強(qiáng)制循環(huán)的蒸汽發(fā)生系統(tǒng)中，汽包出水通過(guò)強(qiáng)制循環(huán)泵壓入蒸發(fā)器，汽包與蒸發(fā)器的高度差可小很多。有關(guān)使用介紹見(jiàn)《塔式太陽(yáng)能光熱發(fā)電系統(tǒng)（提高篇）》。