换热器又称热交换器，是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备。换热器在化工、能源、、动力、食品等工业生产中广泛应用。本课件主要介绍聚光太阳能热发电中常用的换热器，如预热器 、蒸发器、过热器、再热器等。

本课件仅介绍管壳式换热器，主要由外壳与管束组成。外壳与管束可以用同一金属材质，也可用不同材质。本课件为了显示清晰，采用不同材质，外壳是不锈钢色，管束是铜合金色。

固定管板式换热器主要由由壳体、换热管、固定管板、折流板（挡板）、管箱等部件组成，见图1

固定管板式主要装配顺序为：将换热管插入折流板，组成管束；将管束插入前固定管板，将换热管前端头与前固定管板密封焊接（或对管头进行胀接）；将管束插入壳体；插入后固定管板；将壳体与两端的固定管板进行密封焊接；将换热管后端头与后固定管板密封焊接（或对管头进行胀接）；将前管箱与后管箱与壳体两端的管板用螺栓紧固。图2是完整的固定管板式换热器剖视图。

下面有一段视频，简单介绍了固定管板式换热器的主要装配顺序

多数换热器的管束有很多根换热管，见图3,（图片来自网络）

图4是固定管板式换热器的流体热交换流向图，流体1（蓝色箭头）从前管箱接管进入前管箱，从前管箱穿过换热管到后管箱，从后管箱接管流出。流体2（橙红色箭头）从壳体下后方接管进入，通过壳体内空间（换热管外部）从壳体前上方接管流出。两流体被换热管管壁分开。

流体1走换热管称为走管侧，是管程流体，流体2走管道外的壳体内，称为走壳侧，是壳程流体。两侧流体通过换热管的管壁交换热量。为了加长壳程流体的行程，使壳程流体充分接触换热管管壁，在壳体内安装多块折流板，使壳程流体上下曲折流动。折流板有多种排列方式，可使壳程流体左右流动，或者螺旋式流动。

流体1（管程流体）是被加热流体，流体2（壳程流体）是热源流体。同样，被加热流体也可以走壳程，热源流体走管程。

下面有一段视频，是固定管板式换热器的流体热交换流向动画

固定管板式换热器结构简单，制造较容易。打开前管箱与后管箱，就可对换热管进行机械清洗。
缺点是管壳无法打开，壳内无法机械清洗，壳程流体要求流动性好，不结垢。由于外壳与换热管是固定焊死的，当壳程流体与管程流体温度差大时，壳与管膨胀量不同，易造成损坏。故一般要求壳程流体与管程流体温度差不超过50度。

如果在壳上增加补偿圈，可解决壳程流体与管程流体温度差大变形的问题，见图5。但有补偿圈的外壳制造麻烦，而且壳程流体压力大时会增加壳的长度方向变形力。

Ｕ型管式换热器的特点是换热管为U型，前管箱中部有管层隔板，管程流体（蓝色箭头）从前管箱接管1进入前管箱上部，进入换热管；从换热管另一端流出回到前管箱下部，从前管箱接管2流出。本模型的壳程流体（红色箭头）也走U形，在壳中部有壳层隔板，壳程流体从壳体下部壳体接管2进入，流到后管箱转回，从壳前部上部壳体接管1流出。见图5，见图6。

下面有一段视频，是Ｕ型管式换热器的流体热交换流向动画

Ｕ型管式换热器主要由壳体、U型换热管束、管板、上层折流板、下层折流板、和管箱等部件组成。见图7。

主要装配顺序为：将U型换热管插入折流板，组成U型管束；把壳程隔板与管板连接（连接方式依材料定），将U型管束插入管板，与管板密封焊接（或胀接）。将U型管束插入壳体，将前管箱与后管箱与壳体两端的法兰用螺栓紧固。图8是完整的Ｕ型管式换热器剖视图。

Ｕ型管式换热器的优点是换热管伸缩不受壳体限制，可用在壳程流体与管程流体温度差较大的场合。打开前管箱与后管箱，抽出U形换热管束，就可清洗壳体。但Ｕ型换热管内很难机械完整清洗。

Ｕ型管式换热器壳程也可不设壳程隔板，像固定管板式换热器一样。

浮头式换热器的流体走向类似Ｕ型管式换热器，不同的是换热管是直管，管程流体进入上层换热管，在浮头盖内转向进入下层换热管，再从前管箱下层流出。浮头式换热器的结构剖视图见图8

浮头式换热器前部分结构与Ｕ型管式换热器相同，后部分的浮头部分较复杂。换热管与浮头管板是焊接密封的，浮头管板比壳体內经略小，保证换热管束插入壳体。为了使管程流体从上层换热管束转到下层换热管束，又要不外漏，与壳程流体隔离，用一个浮头盖把浮头管板盖上。

浮头盖与浮头管板的紧密配合是通过钩圈来连接的，浮头管板与钩圈都有斜槽，见图10左图，浮头管板的斜槽与钩圈的斜槽可相扣，然后用螺栓把钩圈与浮头盖紧固即可。见图9右图。钩圈有上下2个，合拢才能抱住浮头管板。

图11左图是浮头盖装配固定的状态，右图是旋开后管箱螺栓，打开后管箱；旋开浮头盖螺栓，打开浮头盖；分开上钩圈与下钩圈，换热管束即可从壳体中抽出。

浮头式换热器解决了两流体温差大引起的膨胀问题，同时解决了壳体内的机械清扫与换热管内的机械清扫。

缺点是制造复杂，成本较高。

如果把管板式换热器做得很长（无需折流板），可以实现长流程的逆流换热（壳程流体与管程流体反向流动），这种纯逆流传热效果好。但设备体积过长不但占地方，还影响结构强度。如果把设备折弯成U形发夹的形状，可解决这个问题，这就是发夹式换热器。

发夹式换热器主要由壳体、U型换热管束、前管箱、后管箱、壳法兰、壳卡簧、壳密封圈等组成，见图12

将U型管束端口插入上管板与下管板，焊接或胀接密封形成U形管束。管板直径略小于外壳内径，保证管束可插入或拉出壳体。将U型管束插入壳体，在管板上套进壳卡簧，使卡簧卡在管板的卡簧槽中。在管板上套进密封圈，套上壳盖法兰，盖上前管箱，用螺栓把前管箱与壳体紧固。将后管箱与壳体紧固。见图13

发夹式换热器站地面积小，管流程长，热交换充分，流体进入交换器可达到大的温度变化。发夹式换热器可承受两流体较高的温度差别，不会因热膨胀引起故障。

图14是发夹式换热器的照片（照片来自网络），照片上有2个待发货的发夹式换热器。

绕管式换热器或称螺旋管式换热器，绕管式换热器与固定管板式换热器的结构相似，工作方法相同。不同的是换热管采用螺旋状缠绕管。在模型中有内外两层缠绕管，每层有4根管，两层传热管的螺旋方向相反，见图15。一般绕管式换热器有多条换热管，有多层，相隔两层的换热管螺旋方向相反，见图17。

图16是绕管式换热器的剖视图。绕管式换热器多半是垂直安装，课件为了排版方便，采用水平显示。

绕管式换热器结构紧凑，单位体积换热面积大。如果把换热管分组单独引出壳体，可同时进行多股流体换热。绕管式换热器的缺点是流动阻力大；要求流体没有杂质，不会结垢；制作工艺复杂，成本高。

图17是来自网络的图片，左边2张图片是刨开外壳的图片，图a是小型高压绕管式换热器，图b是大型绕管式换热器，图c是内部缠绕的换热管状态。

釜式蒸发器与Ｕ型管式换热器的结构类似，工作方法相同。釜式蒸发器可将液体（例如水）加热沸腾产生蒸汽。

釜式蒸发器主要由壳体，U型换热管束，管箱组成。釜式蒸发器的热源流体走管程，被加热的水在釜式蒸发器的壳体内，壳体较大，是水和蒸汽分离的空间，壳体下方有水入口与溢出水出口，壳体上方有蒸汽出口。在壳体内有隔板（堰）。见图18

待汽化的水从底部水入口进入，淹没管束，当液位超过隔板（堰）时会溢出，保证壳体上部有合适的蒸汽分离空间，堰起到控制水位的作用。热源流体从管箱上部口进入换热管束，通过换热管束后从管箱下部口排出。高温热源流体加热壳中的水，水沸腾产生的蒸汽从壳体上部蒸汽出口排出。溢出水由水泵输入进水回路，再次进入蒸发器，见图19。

釜式蒸发器是自然循环蒸汽发生装置，在聚光太阳能热发电系统中，用于较低温度，较小流量场合。在采用导热油作为传热流体的槽式太阳能热发电系统中多采用釜式蒸发器。

在聚光太阳能热发电系统中多用到汽包式蒸发器，由蒸发器、汽包与连接管组成，图20是卧式汽包式蒸发器的结构图。

蒸发器与Ｕ型管式换热器结构相同，主要由外壳⑭与U型管⑬组成，但壳程没有壳层隔板与折流板。壳体下方有一排进水入口，壳体上方有一排汽水混合物出口。汽包主要由汽包壳体①与汽水分离器③组成，汽水分离器③在汽包壳体内，每个汽水分离器通到壳外。壳体下方是水出口，壳体上方是饱和蒸汽出口 ②，壳体下侧方是给水入口⑥。

蒸发器上面的汽水混合物出口通过上升管④连接到汽包的前排汽水分离器，上升管⑤连接到汽包的后排汽水分离器。汽包下面的水出口通过下降管连接到蒸发器下方的水入口。图21清楚显示了上升管与下降管的连接。

蒸发器壳程充满用于被加热蒸发的水，热熔盐液从入口⑧进入，经过U型管⑬释放热量加热水，然后从出口⑨流出。水在蒸发器被加热成汽水混合物，从上升管到汽包内的汽水分离器，汽水混合物被分离成水与蒸汽，蒸汽从上方蒸汽出口输出，水从下降管输送到蒸发器。在图21中有箭头表示汽或水的流动方向。

汽包式蒸发器的给水是从汽包的给水口输入，在聚光太阳能热发电系统中，蒸发器的给水来自预热器。

在自然循环的蒸汽发生系统中，汽包与蒸发器高度差要大，以保证水汽能靠密度不同形成自然循环。在强制循环的蒸汽发生系统中，汽包出水通过强制循环泵压入蒸发器，汽包与蒸发器的高度差可小很多。有关使用介绍见《塔式太阳能光热发电系统（提高篇）》。