热交换器的类型和结构简介

热交换器主要指的是用于对流体食品或流体加工介质进行加热或冷却处理的设备。按传热方式，热交换器可分为两大类型：间壁式热交换器、混合式热交换器。

一、间壁式热交换器

间壁式热交换器的特点是换热介质和换热物料被金属材料隔开，两者不相混合，通过间壁进行热量的交换，这种加热方式符合食品卫生要求，在食品工业中应用最为广泛。间壁式热交换器按其传热面的形状和结构可分为管壁传热和板壁传热两种形式。

（一）管式热交换器

管式热交换器的结构特征是其传热面由金属管构成。这类热交换器的主要形式有盘管式、套管式、列管式和翅片管式等。

1.盘管式热交换器

盘管式热交换器也称蛇管式热交换器。盘管热交换器在食品冷加工方面有较广泛应用，例如，冷库中的冷排管和盘管式冷凝器；某些大型搅拌反应罐内的盘管式热交换器；用于奶油、炼乳等高黏度乳制品的加热或冷却；用作流体食品等超高温灭菌机的加热器。

根据管外换热液体与盘管的接触形式，盘管式热交换器可以分为沉浸式和喷淋式两种型式。

（1）沉浸式盘管热交换器 这种热交换器盘管浸没在装有流体的容器中，管内和容器内的两种流体通过盘管进行热交换。盘管可以做成各种形状。如图7-1（1）所示，可将若干段直管上下并列安排构成所谓的排管，也有将长管弯曲成如图7-1（2）所示的螺旋形（称为盘香管）。此外，也可根据容器特点做成其他形状的盘管。如图7-2所示的盘管式热交换器是一种超高温灭菌机中的加热器，管外通以蒸汽，可以保证杀菌介质温度的恒定。

图7-1 沉浸式蛇管热交换器

图7-2 超高温灭菌用的盘管式加热器

这种热交换器管外空间较大，因而管外流体流速较小，表面传热系数不高，热交换器传热效率低，是较古老的一种设备。其优点是结构简单，制造维修方便，造价低，能承受较高压强。由于管外为大量流体，所以对操作条件的改变并不敏感。

（2）喷淋式盘管热交换器 这种热交换器结构如图7-3所示，管外的流体通过喷淋散成液滴通过盘管外表面与管内流体进行换热。有的制冷系统采用这种形式的换热器作制冷剂冷凝器（参见第十三章内容）。

图7-3 喷淋式盘管热交换器

与沉浸式相比，喷淋式盘管换热器的管外表面传热系数有所提高，因此所需传热面积、材料消耗和制造成本都较低。此外，作为卫生式设备，清洗消毒也较方便。同时，冷却水消耗量只有沉浸式的一半。但这种设备占地面积大，操作时管外有水汽发生，对环境不利，所以常安装在室外；另外，管子氧化快、寿命短，喷淋的液体量有变化时，温度响应极为敏感。

2.套管式热交换器

套管式热交换器有普通套管式和新型套管式两种型式。换热原理上两者无本质区别，但材料和结构方式，后者作了较大改进，因而目前广泛用于不同黏稠度流体的加热。

（1）普通套管式热交换器

这种热交换器结构如图7-4所示，由两根口径不同的管子相套成同心套管，再将多段套管的内管用U形弯头连接起来、外管则用支管相连接。每一段套管称为一程。这种热交换器的程数较多，一般都是上下排列，固定于支架上。若所需传热面积较大，则可将套管热交换器组成平行的几排，各排都与总管相通。

图7-4 普通套管式热交换器

操作时，一种流体在内管流动，另一流体在套管环隙内流动。利用蒸汽加热内管中的液体时，液体从下方进入套管的内管，顺序流过各程内管由上方流出。蒸汽则由上方套管进入环隙中，冷凝水由最下面的套管排出。

套管式热交换器每程的有效长度不能太长，否则管子易向下弯曲从而引起环隙中的流体分布不均。通常采用的长度为4～6m。

这种热交换器的特点是结构简单，能耐高压，可保证逆流操作，排数和程数可任意添加或拆除，伸缩性很大。它特别适用于载热体用量小或物料有腐蚀性时的换热。但其缺点是管子接头多，易泄漏，单位体积所具有的换热面积小，且单位传热面的金属材料消耗量是各种热交换器中最大的，可达150kg/m²，而列管式热交换器只有30kg/m²。因此，传统套管式热交换器仅适合于需要传热面不大的情况。

（2）新型套管式热交换器 随着材料科学、金属加工技术的发展，以及对已有种类热交换器分析研究，套管式的热交换器的性能得到了很大的改善，出现了新型套管式热交换器。

新型套管式热交换器的特点是：所用材料为薄壁无缝不锈钢管，弯管的弯曲半径较小，并可在一个外管内套装多个内管；直管部分的内外管均为波纹状管子，大大提高了传热膜系数；大多采用螺旋式快装接头；单位体积换热面积较传统套管式热交换器有很大的提高。

图7-5 双管同心套管式换热器结构

现代新型套管式热交换器有双管同心套管式、多管列管式和多管同心套管式三种形式。

①双管同心套管式：这种热交换器的结构如图7-5所示。由一根被夹套包围的内管构成，为完全焊接结构，无需密封件，耐高压，操作温度范围广，入口与产品管道一致，产品易于流动，适于处理含有大颗粒的液态产品。

②多管列管式：其结构如图7-6所示。外壳管内部设有由数根加热管构成的管束，每一管组的加热管数量及直径可以变化。为避免热应力，管组在外壳管内浮动安装，通过双密封结构消除了污染的危险，并便于拆卸维修。这种结构的热交换器有较大的单位体积换热面积。

③多管同心套管式：图7-7所示为这种换热器结构。它由数根直径不等的圆管同心配置组成，形成相应数量环形管状通道，产品及介质被包围在具有高热效的紧凑空间内，两者均呈薄层流动，传热系数大。整体有直管和螺旋盘管两种结构。由于采用无缝不锈钢管制造，因而可以承受较高的压力。

图7-6 多管列管式结构示意

图7-7 多管同心套管式结构示意

以上三种结构形式的热交换器单元均可以根据需要组合成如图7-8所示的热交换器组合体。

3.列管式热交换器

列管式热交换器也称壳管式热交换器，基本结构如图7-9所示，主要由管束、管板、外壳、封头、折流板、分配隔板等组成。管束两端为固定管板上，管子可以胀接或焊接在管板上。管束置于管壳之内，两端加封头并用法兰固定。这样，一种流体（管程流体）从管内流过，另一种流体（壳程流体）从管外流过。两封头和管板之间的空间即作为分配或汇集管内流体之用。两种流体互不混合，只通过管壁相互换热。

图7-8 新型套管式热交换器组合体

图7-9 列管式热交换器的结构

列管式热交换器换热流体因在管内、外流动而分别称为管程和壳程流体。管程有单程式和多程式之分。如果流体自一端进入后，一次通过全部管子而到达另一端排出，则称为单程式列管热交换器。为了提高流体在管内流速，从而提高管内传热膜系数，可将管束分为若干组，并在封头内加装隔板，使之成为多程式换热器。图7-9所示热交换器为两程式。通过对多程式分析可知，偶数多程的管内流体进出接管头设在一侧封头，而奇数多程的换热器由两侧封头分别设置进料和出料的管内流体接管头。

对于管外壳间的流体，为了提高管外传热膜系数，则在管外装设折流板（或称挡板）。折流板形式常用的有弓形和盘环形两种，如图7-10所示。折流板同时起中间支架的作用。

图7-10 挡板的形式

热交换器内管内外流体温度差异会使管壁和壳壁具有不同温度，从而致使管束与壳体的热膨胀程度不同。这种热胀冷缩差异所产生的应力往往使管子发生弯曲，或从管板上脱落，甚至还会使热交换器毁坏。所以当管壁和壳壁的温度差大于50℃时，应考虑补偿措施以消除这种应力。常用的热补偿方法有浮头补偿、补偿圈补偿和U形管补偿。

列管式热交换器是目前使用最广的热交换器。其优点是易于制造，生产成本低，适应性强，可以选用的材料较广，维修、清洗都较方便，特别是对高压流体更为适用。食品工业应用列管式换热器场合有：液体物料预热、冷却、蒸发加热器、二次蒸汽间接式冷却器等。在冷冻系统中可以用作冷凝器和蒸发器。用蒸汽加热时，蒸汽一般在管外流动。在考虑食品的卫生要求时，与食品物料直接接触的部分应采用不锈钢作材料。其缺点是结合面较多，易造成泄漏。

4.翅片管式热交换器

在生产上常常遇到一种情况，热交换器间壁两侧流体的表面传热系数相差颇为悬殊。例如，食品工业常见的干燥和采暖装置中用水蒸气加热空气时，管内的表面传热系数要比管外的大几百倍，成为传热过程的主要阻力。这时宜采用翅片管式热交换器。一般来说，当两种流体表面传热系数相差3倍以上时，宜采用翅片管式热交换器。

翅片管式热交换器既可用来加热空气，也可利用空气来冷却管内流体，此时这种换热器称为空气冷却器。采用空气冷却比用水冷却经济，而且还可避免污水处理和水源不足等问题，所以翅片式空气冷却器的应用广泛。

翅片的形式很多，常见的有纵向翅片、横向翅片和螺旋翅片三种，如图7-11所示。

图7-11 翅片管的形式

翅片管式热交换器的安装，务必使空气能从两翅片之间的深处穿过，否则翅片间的气体会形成死角区，使传热效果恶化。

（二）板式热交换器

板式热交换器的特征是采用板壁作为换热壁，常见的有板式、螺旋板式、旋转刮板式以及夹套式热交换器等。

1.板式热交换器(www.xing528.com)

（1）结构 板式热交换器的结构如图7-12所示，主要构件有：许多平行排列带密封圈的传热板、分界板、前后支架、上下导杆、压紧板、螺杆和接管等。悬挂于导杆上的传热板，夹在前支架板与压紧板之间，由螺杆压紧。分界板供热交换器分段用。进出热交换器的接管可同时设在前支架板或设在压紧板上，或分别设在此二板上，但分段板侧面一定设有供流体进料的接管。

（2）传热板 传热板如图7-13所示，是由壁厚0.5～2mm的不锈钢薄板冲压而成[长宽比在（3～4）∶1]的矩形板。每片板四角开4个流体通道圆孔。每块板一侧沿四周及圆孔嵌有耐高温密封圈。如图所示，流体通过一端的分布汇集区进入传热区，再经另一端分布汇集区流出进入流体通道。每块板一侧通过密封圈结构安排成同时只有上下两孔与传热区相通。板的上下两端中部开有相同的导轨槽口，因此根据需要可将传热板颠倒安排。两板相叠构成的板间距取决于密封圈的厚度、传热区波纹形式和加工精度，一般在3～8mm。

换热区的板纹有多种形式，常见的有平行波纹板、交叉波纹板和半球板（或称网流板）等。每种又可分成不同纹路密度形式。金属板的波纹使得流体在板间的流动方向和流速多次变动，形成强烈湍流，从而提高了表面传热膜系数。其传热系数可比管式设备大4倍。流体在传热板间的平均流速与传热板间距、传热板波纹形式有关，其范围在0.25～0.8m/s。

图7-12 板式热交换器结构

图7-13 传热板结构

（3）板式热交换器的分段 利用分界板可以将一台板式热交换器分成若干段。这种分段可使流体食品的预热杀菌和冷却在一台板式热交换器上完成，并可利用冷热流体之间的温差进行余热回收。如图7-14所示的热交换器为三段结构，有两块分界板。原料产品首先由左边的分界板进入，经与杀菌保温的热流体进行逆流换热得到预热，然后进入逆流热水加热杀菌段。经过杀菌段并保温的流体由右边分界板引入，受到原料产品的预冷却，然后再由冷却段进一步冷却到预定的出料温度。可见中间段是一个余热回收段，既节约了预热所需的加热能量，又节省了冷却所需的冷却水量。

图7-14 带余热回收的板式热交换器巴氏杀菌系统

（4）流体在传热板段内的流程 两种换热流体在板式换热器的段内，根据需要可构成如图7-15所示的串联、并联和混联等流程。不同流程可使两种流体在段内获得不同的流速和滞留（换热）时间，段内的换热板传热系数也会因流程不同而异。因而可以方便地对冷热流体的换热条件进行优化。

图7-15 板式热交换器段内流程组合

（5）板式热交换器的特点 板式热交换器的主要优点是：

①传热效率高。由于板间空隙小，冷、热流体均能获得较高的流速，且由于板上的凹凸沟纹，流体形成急剧湍流，故其传热系数较高。板间流动的临界雷诺数为180～200。一般使用的线速度为0.5m/s，及雷诺数约5000时，表面传热系数可达到5800W/（m²·K）左右，所以适于快速加热或冷却。

②结构紧凑。单位体积具有的换热面积大，其范围在250～1500m²/m³，这是板式热交换器的显著优点之一。其他换热器的这种指标均较低，例如，列管式只有40～150m²/m³。

③操作灵活。当生产上要求改变工艺条件或生产量时，可任意增加或减少板数目，以满足生产的要求。

④适用于热敏物料。热敏食品快速通过时，不致有过热的现象。

⑤卫生条件可靠。由于密封结构保证两流体不相混合，同时拆卸清洗均方便，可保证良好的食品卫生条件。

板式热交换器最主要的缺点是：密封周边长，需要较多的密封垫圈，且垫圈需要经常检修清洗，所以易于损坏。另外，板式热交换器不耐高压，且流体流动的阻力损失较大。由于板间空隙小，故不适用于含颗粒物料及高黏度物料的换热。

板式热交换器在食品工业应用极为广泛，特别适用于乳品和蛋白的高温短时杀菌和超高温杀菌。果汁加热、杀菌和冷却、麦芽汁和啤酒的冷却，以及啤酒杀菌也均可采用板式热交换器。

2.旋转刮板式热交换器

图7-16 旋转刮板式热交换器

这种热交换器靠近传热面处有刮板连续不断的刮扫运动，使料液成薄膜状流动，因此也称为刮板薄膜式热交换器，或称为刮面式热交换器。旋转刮板式热交换器的结构如图7-16所示，主要由夹套换热圆筒、刮板转子、密封机构和驱动装置等组成。

夹套换热圆筒内壁是换热介质与物料之间的传热面，也是刮板的刮扫面，因此有较高的同心度和表面处理要求。夹套内通换热介质，如蒸汽、热水、冷冻盐水等。为了防止换热剂在夹套内短路，一般可在其内设置导流螺旋，也有的将夹层分成若干段，分别引入和排出换热介质。换热介质进出的方向可以根据需要确定。

刮板转子由刮板、转筒和转轴等组合而成。刮板与转筒可以活动铰链也可以固定方式连接。刮板的材料可为金属，也可是无毒耐热的塑料。转筒与夹套换热圆筒内壁之间的环形空间即为被处理料液的通道。根据不同用途，转筒半径，也即它与夹套圆筒内壁之环形面积可有不同的规格。一般转子的转速范围为300～800r/min，刮板线速度范围在2.5～9.6m/s。密封采用机械密封或填料函密封。刮板的作用不仅在于提高热交换器的传热系数，而且还可以形成乳化、混合和增塑等作用。

驱动转子转动的电机，通常与变速机构、筒体和转子以轴联方式连接，也可以通过带轮驱动变速器和转子。

旋转刮板式热交换器可以竖立安装，也可水平安装，取何种安装方向，应视具体情况而定。

这种热交换器的优点是传热系数较高，适用于高黏度物料。缺点是安装精度要求高，功率消耗大，生产能力小。

旋转刮板式热交换器在食品工业中适用于黏稠、带颗粒、热敏性的物料加工，如人造奶油、冰淇淋等的生产，因为这些制品要求快速冷却的同时，又要求强烈的搅拌。另外这种热交换器也可以用作黏稠物料蒸发浓缩时的加热器，也可用作黏稠物料的超高温短时杀菌的加热器。

二、直接式热交换器

用于液体物料的直接式热交换器也称为混合式热交换器，其特点是冷、热流体直接混合进行换热，从而在热交换的同时，还发生物质交换。直接式与间接式相比，省去了传热间壁，因而结构简单、传热效率高、操作成本低。但采用这种设备只限于允许两种流体混合的场合。

食品加工中常见的直接式热交换器有直接式蒸汽加热器和混合式蒸汽冷凝器。

（一）直接式蒸汽加热器

直接式蒸汽加热器是蒸汽直接与液体产品混合的热交换器。它有两种形式：蒸汽喷射式和蒸汽注入式。这两种加热器目前仅限用于质地均匀和黏度较低的产品。

蒸汽喷射加热器是通过喷射室将蒸汽喷射入产品的加热器，如图7-17所示。蒸汽可以通过两种形式喷射入流体管道中，或者通过许多小孔，或者通过环状的蒸汽帘。

图7-17 蒸汽喷射式加热器

蒸汽注入式加热器是在充满蒸汽的室内注入产品的加热器，如料液以液滴或液膜的方式进入充满高压蒸汽的容器中，加热后的液体从底部排出。

如图7-18所示，料液以液滴或液膜的方式进入充满高压蒸汽的容器中，加热后的液体从底部排出。

图7-18 蒸汽注入式加热器

直接加热的优点是加热非常迅速，产品感官质量的变化很小，而且大大地降低了（间接加热通常遇到的）结垢和产品灼伤问题。其缺点是：产品因蒸汽冷凝水的加入而体积增大，从而在保温管中的流速会受影响。因此，这种流速的改变在制订杀菌工艺规程时必须加以考虑。

根据生产要求，有时由蒸汽带入的水需要除去，以保持产品浓度不变。这通常在负压罐器内通过闪蒸实现。通过控制罐内真空度可控制产品最终水分含量。

就蒸汽质量而言，直接加热所用的水蒸气必须是纯净、卫生、高质量的，而且必须不含不凝结气体，因此必须严格控制锅炉用水添加剂的使用。

（二）混合式蒸汽冷凝器

混合式冷凝器一般用于真空浓缩系统中产生的二次蒸汽冷凝。它们都是在负压状态下利用冷却水直接与二次蒸汽混合，使二次蒸汽冷凝成水。由于是负压状态，因此混合式冷凝器必须自身能产生真空，否则需要与真空系统相连接。

常见的混合式蒸汽冷凝器有喷射式、填料式和孔板式三种。喷射式冷凝器即所谓的水力喷射泵（参见第二章相关内容），它既有冷凝二次蒸汽的作用，也有抽吸不凝气体的能力，即产生真空的能力。图7-19所示的填料式和孔板式冷凝器只对二次蒸汽进行冷凝，因此需要与真空系统相配合。

填料式冷凝器如图7-19（1）所示，冷却水从上部喷淋而下与上升的蒸汽在填料层内接触。填料层由许多空心圆环形的填料环或其他填料充填而成，组成两种流体的接触面。混合冷凝后的冷却冷凝水由底部引出，不凝性气体则由顶部排出。

图7-19 混合式冷凝器

孔板式冷凝器如图7-19（2）所示，它装有若干块多孔淋水板。淋水板的形式有交替安置的弓形式和圆盘—圆环式两种。冷却水自上而下顺次通过小孔流经各层淋水板，部分水也经淋水板边缘泛流而下。蒸汽则自下方引入，以逆流方式与冷水接触而被冷凝。少量不凝结气体和水汽混合物自上方排出，换热后的冷却冷凝水从下方尾管排出。

上面已经提到，不论是孔板式或填料式直接冷凝器，当被冷凝的水蒸气来自真空系统时，冷凝器必须处于负压状态。因此，除需要为冷凝器提供真空以外，也需要用适当措施将冷凝器中的冷却冷凝水排出。根据冷却冷凝水排除方式，直接式冷凝器如图7-20所示，又可分为低位式和高位式两种安装形式。

图7-20 低位和高位冷凝器

低位式冷凝器直接用泵将冷却冷凝水从冷凝器内抽出，可以简单地安装在地面上，因而称为低位式冷凝器。

高位式冷凝器不用抽水泵，而是将冷凝器置于10m以上高度的位置，利用其下部长尾气压管（俗称大气腿）中液体静压头作用，在平衡冷凝器真空度的同时排出冷却冷凝水。为了保证外部空气不致进入真空设备，气压管出口应淹没于地面的溢流槽中。

不论是低位式还是高位式冷凝器，大部分二次蒸汽已在主冷凝器凝成冷凝水，从下方排除，部分仍未冷凝的二次蒸汽由后面的辅冷凝器进一步冷凝。不凝性气体从辅冷凝器顶部引出，由干式或湿式真空泵抽走，从而确保系统的真空度要求。