第二节 换 热 器
换热设备是化工生产中应用最普遍的单元设备之一。它在生产中用来实现热量的传递，使热量由高温流体传给低温流体。在化工厂中，用于换热设备的费用大约占总投资费用的10%～20%，在化工厂设备总重量中约占40%以上。近年来，随着化工装置的大型化，换热设备朝着换热量大、结构高效紧凑、阻力减小、防结垢、防止流体诱导振动等方面发展，并随着炼油、化学工业等的迅速发展，新技术、新工艺、新材料的采用，换热设备的种类也逐渐增多，新结构换热设备不断出现。
一、换热器分类
换热器作为传热设备随处可见，在工业中应用非常普遍，特别是耗能用量十分大的领域，随着节能技术的飞速发展，换热器的种类开发越来越多。适用于不同介质、不同工况、不同温度、不同压力的换热器，结构和形式也不同，换热器种类随新型、高效换热器的开发不断更新，具体分类如下。
1.按传热原理分类
（1）直接接触式换热器 这类换热器的主要工作原理是两种介质经接触而相互传递热量，实现传热，接触面积直接影响到传热量。这类换热器的介质通常是一种是气体，另一种为液体，主要是以塔设备为主体的传热设备，但通常又涉及传质，故很难区分与塔器的关系，通常归为塔式设备，电厂用凉水塔为最典型的直接接触式换热器。
（2）蓄能式换热器（简称蓄能器） 这类换热器用量极少，原理是通过一种固体物质，热介质先通过加热固体物质达到一定温度后，冷介质再通过固体物质被加热，使之达到传递热量的目的。
（3）板、管式换热器 这类换热器用量非常大，占总量的99%以上，原理是热介质通过金属或非金属将热量传递给冷介质。这类换热器通常称为管壳式、板式、板翅式或板壳式换热器。
2.按传热种类分类
（1）无相变传热 一般分为加热器和冷却器。
（2）有相变传热 一般分为冷凝器和重沸器。重沸器又分为釜式重沸器、虹吸式重沸器、再沸器、蒸发器、蒸汽发生器、废热锅炉。
3.按结构分类
换热器按结构分为浮头式换热器、固定管板式换热器、填料函式换热器、U形管式换热器、蛇管式换热器、双壳程换热器、单套管换热器、多套管换热器、外导流筒换热器、折流杆式换热器、热管式换热器、插管式换热器、滑动管板式换热器。
4.按折流板分布分类
换热器按折流板分布分为单弓形换热器、双弓形换热器、三弓形换热器、螺旋弓形换热器。
5.按板状分类
换热器按板状分为螺旋板换热器、板式换热器、板翅式换热器、板壳式换热器、板式蒸发器、板式冷凝器、印刷电路板换热器、穿孔板换热器。
6.按密封形式分类
按密封形式分类的换热器多用于高温、高压装置中，具体分为：螺旋锁紧环换热器、Ω环换热器、薄膜密封换热器、钢垫圈换热器、密封盖板式换热器。
7.按非金属材料分类
换热器按非金属材料分为石墨换热器、氟塑料换热器、陶瓷纤维复合材料换热器、玻璃钢换热器。
8.空冷式换热器分类
空冷式换热器分为干式空冷器、湿式空冷器、干湿联合空冷器、电站空冷器、表面蒸发式空冷器、板式空冷器、能量回收空冷器、自然对流空冷器、高压空冷器。
9.按材料分类
换热器按材料主要为金属和非金属两大类。金属类又可分为低合金钢类、高合金钢类、低温钢类、稀有金属类等。
10.按强化传热元件分类
换热器按强化传热元件分为螺纹管换热器、波纹管换热器、异型管换热器、表面多孔管换热器、螺旋扁管换热器、螺旋槽管换热器、环槽管换热器、纵槽管换热器、翅管换热器、螺旋绕管式换热器、T形翅片管换热器、新结构高效换热器、内插物换热器、锯齿管换热器。
换热器的种类繁多，还有按管箱分类等，各种换热器各自适用于某一种工况。为此，应根据介质、温度、压力的不同选择不同种类的换热器，扬长避短，使之带来更大的经济效益。
二、管壳式换热器
管壳式换热器是目前应用最广的换热设备，它具有结构坚固、可靠性高、适用性强、选材广泛等优点，在石化领域的换热设备中占主导地位。随着工艺过程的深化和发展，换热设备正朝着高温、高压、大型化的方向发展，而管壳式换热器的结构能够很好地完成这一工艺过程。管壳式换热器按其壳体和管束的安装方式分为：固定管板式、浮头式、U形管式、填料函式和釜式重沸器等。
（一）固定管板式换热器
固定管板式换热器是由管箱、壳体、管板、管子等零部件组成。其结构较紧凑，排管较多，在相同直径情况下面积较大，制造较简单，但最后一道壳体与管板的焊缝无法进行无损检测，如图2-6所示。
图2-6 固定管板式换热器
1—封头；2—法兰；3—排气口；4—壳体；5—换热管；6—波形膨胀节；7—折流板（或支持板）；8—防冲板；9—壳程接管；10—管板；11—管程接管；12—隔板；13—封头；14—管箱；15—排液口；16—定距管；17—拉杆；18—支座；19—垫片；20—螺栓；21—螺母
1.固定管板式换热器的优点
（1）传热面积比浮头式换热器大20%～30%；
（2）旁路漏流较小；
（3）锻件使用较少，成本比一般低20%以上；
（4）没有内漏。
2.固定管板式换热器的不足
（1）壳体和管子壁温差一般小于等于50℃，大于50℃时应在壳体上设置膨胀节；
（2）管板与管头之间易产生温差应力而损坏；
（3）壳程无法进行机械清洗；
（4）管子腐蚀后造成连同壳体报废，壳体部件寿命取决于管子寿命，故设备寿命相对较低；
（5）不适用于壳程易结垢场合。
（二）浮头式换热器
浮头式换热器是由管箱、壳体、管束、浮头盖、外头盖等零部件组成，最大的特点是管束可以抽出来，管束在使用过程中由于温差膨胀而不受壳体约束，不会产生温差应力，如图2-7所示。
图2-7 浮头式换热器
1—平盖；2—平盖管箱（部件）；3—接管法兰；4—管箱法兰；5—固定管板；6—壳体法兰；7—防冲板；8—仪表接口；9—补强圈；10—壳体（部件）；11—折流板；12—旁路挡板；13—拉杆；14—定距管；15—支持板；16—双头螺柱或螺栓；17—螺母；18—外头盖垫片；19—外头盖侧法兰；20—外头盖法兰；21—吊耳；22—放气口；23—凸形封头：24—浮头法兰；25—浮头垫片；26—球冠形封头；27—浮动管板；28—浮头盖（部件）；29—外头盖（部件）；30—排液口；31—钩圈；32—接管；33—活动鞍座（部件）；34—换热管；35—挡管；36—管束（部件）；37—固定鞍座（部件）；38—滑道；39—管箱垫片；40—管箱圆筒（短节）；41—封头管箱（部件）；42—分程隔板
（三）U形管式换热器
U形管式换热器是由管箱、壳体、管束等零部件组成，只需一块管板，重量较轻，同样直径情况下，换热面积最大，结构较简单、紧凑，在高温、高压下金属耗量最小，如图2-8所示。
图2-8 U形管换热器
1—中间挡板；2—U形换热管；3—内导流筒
（四）双壳程换热器
双壳程换热器的结构与浮头式换热器、U形管式换热器、固定管板式换热器相同，所不同的是在管束中心放置一块纵向隔板，折流板被上下隔开，用密封片将壳程一分为二，改变了壳程介质的流动方式，增加了流体的湍流程度，管壳程介质呈纯逆流流动，无温度交叉。其结构如图2-9所示。
图2-9 双壳程换热器壳程隔板
（五）外导流筒换热器
外导流筒换热器的结构与浮头式换热器基本相同，所不同的是壳程进出口接管与导流筒不同，在进出口处增大壳体直径，使流体流动改变，并使传热管可排满整个壳体，从而使旁路泄漏和进出口死区减少，效率增加，压降减小。其结构如图2-10所示。
图2-10 外导流筒换热器
（六）新结构高效换热器
新结构高效换热器的结构与浮头式换热器和固定管板式换热器基本相同，所不同之处是管束壳程在折流杆基础上进行了改进，用数块喷射板与折流环组成，其特点是流体在低雷诺数区流体流过喷射板时形成环向喷射流而使流体达到湍流状态，实现强化传热，流体流动为沿管子方向顺流，压降较小，流动死区小。其结构如图2-11所示。
图2-11 新结构高效换热器
（七）高效重沸器
高效重沸器的结构与釜式重沸器相同，其差别是：换热管采用T形翅片管（T形翅片管如图2-12所示），结构上机械加工形成汽化核心的汽室，从而强化了沸腾传热，这种管子被第六届世界传热学会誉为四种最佳强化传热元件之一，具有抗垢性能好，低温差推动力大的特点。其结构如图2-13所示。
图2-12 T形翅片管
图2-13 高效重沸器
1—偏心锥壳；2—堰极；3—液面计接口
（八）螺纹管换热器
螺纹管换热器作为一种强化传热高效换热器，其结构与浮头式换热器、固定管板式换热器和U形管式换热器基本相同，所不同的是管束中的光管用扩展表面强化传热的螺纹管所替代，可与折流杆、外导流筒、新结构高效换热器组合。是目前强化传热管用量最大、推广较好、使用场合多的强化传热元件，属成熟技术。其结构如图2-14所示。
图2-14 螺纹管截面
（九）填料函式换热器
填料函式换热器是由管箱、壳体、管束、浮头盖、压盖、密封圈等零部件组成，管束可抽出，壳体与管束间可自由滑动，从而吸收了壳体与管束壁温而引起的热膨胀。其结构如图2-15所示。
图2-15 填料函式换热器
1—纵向隔板；2—填料；3—填料函；4—填料压盖；5—浮动管板裙；6—剖分剪切环；7—活套法兰
（十）管壳式换热器的分程及流体流程
管壳式换热器工作时，一种流体走管内，称为管程；另一种流体走管外（壳体内），称为壳程。管内流体从换热管一端流向另一端一次称为一程；对U形管式换热器，管内流体从换热管一端经过U形弯曲段流向另一端一次称为两程。两管程以上（包括两管程）就需要在管板上设置分程隔板来实现分程，较常用的是单管程、两管程和四管程，分程布置如表2-1所示。壳程有单壳程和双壳程两种，常用单壳程，壳程分程可通过在壳体中设置纵向挡板来实现。
表2-1 管壳式换热器分程
冷热流体哪一个走管程，哪一个走壳程，需要考虑的因素很多，难以有统一的定则，但总的要求是首先要有利于传热和防腐，其次是要减少流体流动阻力和结垢，便于清洗等。一般可参考如下原则并结合具体工艺要求确定。
（1）腐蚀性介质走管程，以免使管程和壳程材质都遭到腐蚀。
（2）有毒介质走管程，这样泄漏的机会少一些。
（3）流量小的流体走管程，以便选择理想的流速，流量大的流体宜走壳程。
（4）高温、高压流体走管程，因管子直径较小可承受较高的压力。
（5）容易结垢的流体在固定管板式换热器和浮头式换热器中走管程，在U形管式换热器中走壳程，这样便于清洗和除垢；若是在冷却器中，一般是冷却水走管程，被冷却流体走壳程。
（6）黏度大的流体走壳程，因为壳程流通截面和流向在不断变化，在低雷诺数下利于传热。
（7）流体的流向对传热也有较大的影响，为充分利用同一介质冷热对流的原理，以提高传热效率和减少动力消耗，无论是管程还是壳程，当流体被加热或蒸发时，流向应由下向上；当流体被冷却或冷凝时流向应由上向下。
（十一）管壳式换热器的主要零部件
1.管壳式换热器零部件名称
管壳式换热器的零部件名称如表2-2所示。
表2-2 管壳式换热器的零部件名称
2.管壳式换热器分类及代号
在GB 151—2014《热交换器》中，将管壳式换热器的主要组合部件分为管箱、壳体和后端结构（包括管束）三部分，详细分类及代号如表2-3所示，图中序号名称如表2-2所示。
表2-3 管壳式换热器主要部件分类及代号
3.换热管及在管板上的排列形式
换热管是管壳式换热器的传热元件，它直接与两种介质接触，所以换热管的形状和尺寸对传热有很大的影响。小管径利于承受压力，因而管壁较薄且在相同壳径内可排列较多的管子，使换热器单位体积的传热面积增大、结构紧凑，单位传热面积的金属耗量少，传热效率也稍高一些；但制造较麻烦，且小直径管子易结垢，不易清洗。所以一般对清洁流体用小直径的管子，黏性较大或污浊的流体采用大直径的管子。我国管壳式换热器常用换热管为：碳钢钢管、低合金钢管（规格有ϕ19mm×2mm、ϕ25mm×2.5mm、ϕ38mm×3mm、ϕ57mm×3.5mm）；不锈钢管（规格有ϕ25mm×2mm、ϕ38mm×2.5mm）。
在相同传热面积的情况下，换热管越长则壳体、封头的直径和壁厚就越小，经济性越好；但换热管过长，经济效果不再显著，且清洗、运输、安装都不太方便。换热管的长度规格有1.5m、2.0m、3.0m、4.5m、6.0m、7.5m、9.0m、12.0m，在化工厂所用的换热器中最常用的是6m的换热管。换热管一般都用光管，为了强化传热，也可用螺纹管、带钉管及翅片管。
换热管在管板上的排列形式有正三角形、转角正三角形、正方形和转角正方形等，如图2-16所示。三角形排列布管多，结构紧凑，但管外清洗不便；正方形排列便于管外清洗，但布管较少、结构不够紧凑。一般固定管板式换热器多用三角形排列，浮头式换热器多用正方形排列。
图2-16 换热管的排列形式
4.管板及与换热管的连接
管板一般采用圆形平板，在板上开孔并装设换热管，在多管程换热器中管板上还设置分程隔板。管板还起分隔管程和壳程空间，避免冷热流体混合的作用。管板与换热管间可采用胀接、焊接或二者并用的连接方式。
5.折流板
折流板是设置在壳体内与管束垂直的弓形或圆盘-圈环形平板，如图2-17、图2-18所示。安装折流板迫使壳程流体按规定的路径多次横向穿过管束，既提高了流速又增加了湍流程度，改善了传热效果。在卧式换热器中折流板还可起到支持管束的作用。但在冷凝器中，由于冷凝传热系数与蒸汽在设备中的流动状态无关，因此不需要设置折流板。
图2-17 弓形折流板介质流动图
图2-18 圆盘-圆环形折流板介质流动图
三、非列管式换热器
（一）水浸式、喷淋式冷却器
1.水浸式冷却器
水浸式冷却器也称箱式冷却器，其结构如图2-19所示，在长方形水箱中放入一组或几组由回弯头和直管连接而成的蛇形盘管，管径一般为75～150mm，材料多为铸铁或普通碳钢。蛇管全部浸没在冷却水面以下，管内走高温油蒸气，冷却水由箱底进入，从上方溢出。这种冷却器由于储水量大，当临时停水时水箱内仍有一定量的冷却水，不致使管内高温引起火灾，使用较为安全。这种冷却器结构简单，便于清洗和维护；采用铸铁管时有较强的耐腐蚀性，但基本属于自然对流传热，且管外易积垢，故传热效率不高。水浸式冷却器水箱体积庞大、占地面积多、紧凑性差，所以近年来炼油生产中很少采用，在冷冻和制氧业中用得较多。
图2-19 水浸式冷却器
1—进口；2，4—集合管；3—蛇管；5—气体出口
2.喷淋式冷却器
喷淋式冷却器是将蛇管成排固定在钢架上，如图2-20所示。被冷却的流体在管内流动，冷却水由管排上方喷淋装置均匀淋下，水在管壁上形成薄膜易蒸发且水的汽化替热较大，冷却效果好。这种冷却器一般都安装在露天的地方，除了水的冷却作用外，还有空气对流传热，所以与水浸式冷却器相比传热效率高，水的用量也少，检修和清洗也较方便，但体积较大，紧凑性差，而且管壁长期受风吹水淋，易于腐蚀。
图2-20 喷淋式冷却器
1—直管；2—U形肘管；3—水槽；4—齿形檐板
（二）空气冷却器
空气冷却器简称空冷器，出现于20世纪20年代末，20世纪中叶得以广泛应用，是炼油生产中水冷设备的替代产品，具有传热效率高、建造及操作费用低、能节约工业用水等优点，在缺水地区其优越性更为明显。
1.空冷器的结构
空冷器由带有铝制翅片的管束、风机、构架等组成，如图2-21、图2-22所示。依靠风机连续向管束通风，使管束内流体得以冷却，由于空气传热系数低，故采用翅片管增加管子外壁的传热面积，提高传热效率。管子材料大都用低碳钢，对抗腐蚀性要求较高时用耐酸不锈钢及铝管；管子规格有ϕ24mm和ϕ25mm两种。翅片为0.2～4.0mm厚的铝带，翅片高为16mm，翅片有缠绕式和镶嵌式两种，如图2-23所示，当温度小于250℃时采用缠绕式，温度为250～350℃时用镶嵌式。
图2-21 卧式空冷器
1—构架；2—风机；3—管束；4—百叶窗
图2-22 斜顶式空冷器
1—构架；2—管束；3—介质入口；4—介质出口；5—风机
图2-23 翅片管
2.湿式空冷器
空冷器虽有很多优点，但其冷却能力受大气温度影响较大，被冷却介质的出口温度一般高于大气温度15～20℃，出口温度在70℃以下的场合，仍需进一步采用水来冷却。若将空冷器构造稍加改进，在翅片表面喷洒少量的水，水蒸发可起到强化传热的作用，从而提高传热效率，这种空冷器称为湿式空冷器。它具有传热系数大、冷却能力强、冷后温度低等优点，普遍用于70～80℃油品的冷却，冷却后温度基本上接近环境温度，大大扩大了空冷器的使用范围。
湿式空冷器按其工作情况可分为增湿型、喷淋型及联合型三种，如图2-24～图2-26所示。这三种类型的湿式空冷器各有其优点：喷淋型的作用原理是喷水蒸发冷却，将雾状水直接喷到翅片表面，水在翅片表面蒸发；增湿型是在空气入口处喷水（水不喷在翅片上），使水在增湿室中蒸发；联合型是二者兼而有之。喷淋型集中了蒸发冷却和空气冷却的优点，不论从强化传热或对环境温度的适应性上都较增湿型优越，但水在翅片上蒸发有可能引起结垢，所以通常将管内介质温度限制在80℃以内。
图2-24 增湿型湿式空冷器
1—风机；2—管束；3—增湿室；4—水分离挡板；5—水喷嘴；6—补水管；7—排水管；8—水泵
图2-25 喷淋型湿式空冷器
1—风机；2—管束；3—水喷嘴；4—排水管；5—水泵
图2-26 联合型湿式空冷器
1—管束；2—风机；3—水喷嘴；4—排水管
（三）板面式换热器
板面式换热器热量的传递是通过不同形状的板面来实现的，其传热性能比管式换热器优越，由于结构上的特点，使流体在较低的流速下能达到湍流状态，从而强化了传热作用。该类换热器由于采用板材制作，故在大批量生产时可降低设备成本，但其耐压能力比管式换热器差。
1.螺旋板式换热器
螺旋板式换热器是由两张平行的钢板卷制成具有两个螺旋通道的螺旋体，然后在其端部安装圆形盖板并配制流体进、出口接管而组成。螺旋通道的间距靠焊在钢板上的定距撑来保证。两种流体分别在两个螺旋通道内逆向流动，一种由中心螺旋流动到周边，另一种由外周边螺旋流动到中心。这种换热器在结构上对热膨胀可不考虑，通道中流体流动均匀、压降小、两流体可完全呈逆流状态，允许较高的流速，流体中悬浮物不易沉淀、不易出现堵塞现象，传热效率比管壳式换热器高40%左右。这种换热器结构紧凑、制造简单、材料利用率高、造价低，定距撑对螺旋板起到增加刚度的作用，但耐压能力差且不易清洗和修理。这种换热器适用于处理温度在450℃以下，压力不超过2.5MPa，含固体颗粒或纤维的悬浮液以及其他高黏性流体。
2.板片式换热器
板片式换热器是以波纹板作为换热元件，其传热系数比管壳式换热器高2～4倍，结构紧凑、体积小、重量轻、节省材料、操作灵活性大、适用范围广，一般使用压力在1.6MPa以下，使用温度不超过150℃，可用于加热、冷却、冷凝、蒸发等过程，但密封周边较长、泄漏的可能性大，不宜处理易堵塞的物料。
板片式换热器主要由波纹板片、密封垫片及压紧装置等组成。其一般结构如图2-27所示。波纹板片可用各种材料冲压而成，常用的有不锈钢，碳钢，铜、钛、铝及其合金。由于使用要求不同，波纹板片的形式已有很多种，最常用的是水平直波纹板片和人字形板片。很多板片按一定间隔通过压紧装置叠在一起。板片之间装有垫片，一方面起密封作用，防止介质漏出；另一方面在板片之间造成一定间隙，形成流道。根据操作温度和介质性质不同，垫片可用天然橡胶、丁腈橡胶、聚四氟乙烯、压制石棉纤维等材料制作。压紧装置的作用是压紧密封垫片，以保证板片之间的密封，一般是用螺栓来压紧，当操作压力在0.4MPa以下时，压紧板上下设两个大螺栓，当操作压力在0.4～1.0MPa时，用14～16个螺栓拉紧。在紧固螺栓时必须对称均匀地进行，才能保证有效的密封。板片式换热器的工作原理如图2-28所示。
图2-27 板片式换热器的一般结构
1—压紧螺杆；2，4—固定端板垫片（对称）；3—固定端板；5—六角螺母；6—小垫圈；7—传热板片；8—定位螺杆；9—中间垫片；10—活动端板垫片；11—定位螺母；12—换向垫片；13—活动端板
图2-28 板片式换热器工作原理示意图
3.板翅式换热器
板翅式换热器的基本结构是由翅片、隔板及封条三部分组成，如图2-29所示。在相邻两隔板之间放置翅片及封条组成一夹层，称为通道，也就是板翅式换热器的一个基本单元，将若干个基本单元按流体的不同流向（图2-30），叠置起来钎焊成整体，即构成板束。一般情况下，板束两侧还各有1～2层不走流体的强度层（或称为假通道），再在板束上配置流体进出口分配段和集流箱就组成了一台完整的板翅式换热器。
图2-29 板翅式换热器板束单元结构
1，3—封条；2，5—隔板；4—翅片
图2-30 板翅式换热器流体流向
板翅式换热器由于翅片对流体造成扰动，从而使热边界层不断破裂更新，所以传热系数较高，其与管壳式换热器传热系数比较如表2-4所示。这种换热器还具有结构紧凑、重量轻等优点，对铝制板翅式换热器，其单位体积的传热面积可达1500～2500m2/m3，相当于管壳式换热器的8～20倍，重量仅为具有相同换热面积的管壳式换热器的1/10，可广泛用于气-气、气-液、液-液之间各种不同流体的换热。这种换热器的缺点是制造工艺复杂，要求严格，容易堵塞，清洗和检修比较困难。
表2-4 板翅式换热器与管壳式换热器传热系数 单位：W/（m2·K）
（四）热管
1.热管的基本结构及工作原理
热管是一种新型高效的传热元件，其热导率是金属良导体（银、铜、铝等）的103～104倍，有超导热体或亚超导热体之称，适用温度范围为-200～2000℃。热管的基本结构如图2-31所示，在一根密闭的高度真空的金属管中，靠管内壁贴装以某种毛细结构，通常称其为吸液芯，再装入某种工作物质（简称为工质），即构成一完整的热管。工作时，管的一端从热源吸收热量，使工质蒸发、汽化，蒸气经过输送段沿温度降的方向流动，在冷凝段遇冷表面冷凝并放出潜热，凝液（工质）通过其在毛细结构中表面张力的作用，返回蒸发段，如此往复循环使热量连续不断地从热端被传送到冷端。由于热量是靠工质的饱和蒸气流来传输的，从热管一端到另一端蒸气压降很小，因此温差也很小，所以热管是近似于等温过程工作的，在极小的温差下具有极高的输热能力。
图2-31 热管构造及工作循环
1—热管壳体；2—吸液芯；3—蒸气流；4—绝热层；5—液流
热管除具有高的导热性和等温性外，还具有结构简单、工作可靠、无噪声、不需特别维护、效率高（可达90%以上）、寿命长、适用温度范围宽等优点。
从热管的结构和工作原理看，其核心是管壳、吸液芯及工质。这三者之间，必须化学相容，不允许有任何化学反应、彼此腐蚀或相互溶解的问题存在。管壳的材料应具有耐温、耐压，良好的导热性和化学稳定性等特点，一般都采用金属材料，特殊需要时可采用如玻璃、陶瓷等非金属材料。吸液芯的作用是作为毛细“泵”，将冷凝段液体泵送回蒸发段，要求其与液体间的毛细压力足以克服管内的全部黏滞压降和其他压降，而能维持工质的自动循环；要有一定的机械强度、化学稳定性好，便于加工装配等。吸液芯的基本结构是由金属丝网卷制成多层圆筒形，紧贴于管子内壁，形成多孔性毛细结构。
关于热管的工质根据研究和使用经验，当工作温度较高时用液态金属，工作温度为中低温时用水、酒精等。
按冷凝液的回流方式可将热管分为吸液芯式、重力式和离心式。图2-31所示就是吸液芯式热管，以上对热管的结构和工作原理的叙述也就是针对这种热管而言的。它是热管的基本形式，通常所说的热管也是指这类热管，由于冷凝液的回流是靠吸液芯的毛细作用而不依赖重力，故在失重情况下也能工作，这也是这类热管的一大特点。
重力式热管没有吸液芯，冷凝液靠重力回流到蒸发段，所以必须竖直安放且冷凝段处于蒸发段之上，如图2-32所示。离心式热管是利用离心力使冷凝液回流到蒸发段，也不需要吸液芯，如图2-33所示。蒸发段和冷凝段内径不同，直径较大部分为蒸发段，液体在此外受到的离心力最大，因而可使冷凝液沿管壁回流，完成工质的自动循环。这种热管往往是用一根空心轴或回转体的内腔作为其工作空间，将其抽真空加入工质密封即成，既方便又紧凑。
图2-32 重力式热管
图2-33 离心式热管
2.热管换热器
热管可作为换热元件单独使用，也可将很多根热管组装在一箱体中构成热管换热器，可用于液-液、液-气、气-气间换热，常用在工业生产上的废热回收、空气调节等方面。
四、换热器耐压试验和气密性试验
制造完工的换热器应对换热管与管板的连接接头、管程和壳程进行耐压试验或增加气密性试验，耐压试验包括水压试验和气压试验。换热器一般进行水压试验，但由于结构或支撑原因，不能充灌液体，或运行条件不允许残留试验液体时，可采用气压试验。如果介质毒性为极度、高度危害或管、壳程之间不允许有微量泄漏时，必须增加气密性试验。
换热器耐压试验和气密性试验的试验压力和要求、顺序分别按GB 150.1～150.4—2011和GB 151—2014中的规定。一般情况，水压试验压力取设计压力的1.25倍，稳压30min，降到设计压力进行检查。气密性试验压力为设计压力的1.1倍，稳压10min，降到设计压力，进行检查。
（一）固定管板式换热器压力试验试压顺序和目的
（1）壳程试压 检查换热管与管板连接接头，检查壳体强度。
（2）管程试压 检查管箱强度和管箱密封面。
（二）U形管式换热器、釜式重沸器（U形管束）及填料函式换热器压力试验试压顺序和目的
（1）加试验压环进行壳程试验，检查管板连接接头、壳体强度。
（2）管程试压 检查管箱强度和管箱密封面。
（三）浮头式换热器、釜式重沸器（浮头式管束）压力试验试压顺序和目的
（1）用试验压环和浮头专用试压工具进行管头试压，对釜式重沸器尚应配合管头试压专用壳体，检验管头和壳体强度。
（2）管程试压 检验管箱强度、管箱密封面和浮头密封面。
（3）壳程试压 检验凸形封头密封面。
（四）气密性试验
换热器需经液压试验合格后方可进行气密性试验，试验压力按图样的规定进行，一般为设计压力的1.1倍。试验时压力应缓慢上升，达到规定试验压力后保压10min，然后降至设计压力，对所有的焊接接头和连接部位进行泄漏检查。如有泄漏，修补后重新进行液压试验和气密性试验。
当换热器介质要求进行气密性试验时，仅在相关管程或壳程进行，不必每程都进行气密性试验。
气压试验介质一般用压缩空气或氮气，刷肥皂水检验。
五、换热器使用与检修
换热器不得在超过铭牌规定的条件下运行。应经常对管、壳程介质的温度及压降进行监督，分析换热器的泄漏和结垢情况。管壳式换热器就是利用管子使其内外的物料进行热交换、冷却、冷凝、加热及蒸发等过程。与其他设备相比较，管壳式换热器与腐蚀介质接触的表面积就显得非常大，发生腐蚀穿孔及接合处松弛泄漏的危险性很高，因此对换热器的防腐蚀和防漏的方法也比其他设备要多加考虑。当换热器用蒸汽来加热或用冷水来冷却时，水中的溶解物在加热后，大部分溶解度都会有所提高，而硫酸钙类的物质则几乎没有变化。冷却水经常循环使用，由于水的蒸发，使盐类浓缩，产生沉积或污垢，又因水中含有腐蚀性溶解气体及氯离子等引起设备腐蚀，腐蚀与结垢交替进行，激化了钢材的腐蚀。因此，必须通过清洗来改善换热器的性能。由于清洗的困难程度是随着垢层厚度或沉积物的增加而迅速增大的，所以清洗间隔时间不宜过长，应根据生产装置的特点、换热介质的性质、腐蚀速度及运行周期等情况定期进行检查、修理及清洗。
（一）换热器的清洗
换热器的清洗可用机械法或化学法，应根据清洗的场所、范围、除垢难易程度、污垢的性质来决定。凡不溶于酸碱和溶剂的污垢宜采用机械法。化学法适用于形状复杂的换热器的清洗，缺点是对金属多少有些腐蚀作用。
（二）换热器的维护和检修
为了保证换热器长久正常运行，提高其生产率，必须对设备进行维护与检修。应以预防性维修摆在首位，强调安全预防，以保证换热器连续稳定运转，减少任何可能发生的事故。检修时应注意合理施工，检修之前需进行检查和清洗管子，并应拆开管子与管箱的连接处，再将整个管箱全部拆开来进行清洗或检修。应把换热器内的介质，特别是带有腐蚀性或形成聚合物的液体排出。在直立的固定管板式换热器中，排液管接头应安装在管板底部，否则不能把壳程的流体全部排出。依据应排出流体的性质，流体可排向大气或低压系统。换热器的排水应单独接出而不应用支管排放。水平式换热器排污或放空应在折流板和管板底部开口，换热器上应安装阀门以提供反向冲洗。
检修换热器时常常需要把换热管从壳体中抽出。但由于腐蚀、结垢等原因，换热管抽出比较困难。这就要求管束抽出装置有足够的抽出力或推进力，能适应不同高度的位置变化，并能自动对中，能适应不同的换热器直径变化，有机体轻、灵活方便、操作安全等特点。其驱动方式有液压式和机械式。液压式机构体积小，拉力或推力大，适用于管束开始抽出或推进时的高负荷。而机械式驱动速度快，适用于在管束抽出或推进一段距离后的快速操作，所以以液压和机械联合驱动为好。换热器由于腐蚀、冲击、振动、应力等原因会造成损坏，主要发生在换热管上，基本上有以下两种情况：
（1）换热管由于外界因素而减薄或穿孔，当出现泄漏时就必须更换管子。
把损坏的换热管从管板上拆下来，一般可采用钻削或铣削的方法进行，注意不能损坏管板孔，否则，可能产生泄漏。因此，要采用比管孔直径略小的钻头。如用铣削的方法，则不能将管壁铣穿，留下很薄的一层管子外壁，不仅保护了管孔免受损伤，而且也便于将整根管子抽出。如果是胀接则应先钻孔，除掉胀管头，拔出坏管，然后插上新管再进行胀接。操作中要注意不能让异物嵌入管孔槽中，以免影响随后的胀接。在胀接管时，对周围不需更换的管子的胀管处会有影响，所以对周围的管子可轻胀一下。如果是焊接则需先用专用刀具将焊缝刮下，然后拔出坏管。
新管的两端应事先退火、打磨，管子两端连接部位的内外表面均应清洗干净，管板孔的表面上也应保持干净，换上新管后即可进行胀接或焊接。
更换管子的工作是较麻烦的，尤其是开槽的胀管在更换管子时更麻烦，因此当泄漏的管子不多，而且堵住这些管子对换热器的操作影响不大时，可以采用堵管的方法。最简单的堵管方法是将堵头焊接在泄漏的管子端部。堵管材料的硬度应低于或等于管子的硬度。堵管的锥度在3°～5°之间，堵死的管子数量不得超过换热器管程管数的10%。除此之外还有一些更有效的堵管方法。
（2）由于温度变化产生膨胀、收缩，换热管入口端介质的涡流磨损及由于管束振动等原因使管子与管板连接处松弛而泄漏。如果是胀接可用胀管器对管子进行补胀，由于胀管应力可能影响周围管子，故对其附近的管子也要轻胀一下。如果是焊接则需对泄漏处进行补焊。