工业炉是我国能源的一大用户，它所消耗的能源，约占全国总能耗的1/5。在轧钢厂中，加热炉（均热炉）的能耗要占全厂总能耗的80%左右。机械工厂工业炉的能耗占全厂总能耗的1/2左右，重型机器制造厂则占70%～80%。在这些炉子中，排出烟气带走了供入炉内热量的大部分，因而在炉子上设置热交换器，利用烟气余热来预热空气（或煤气），从而回收这部分热量，降低炉子的燃料消耗，是工业炉最主要的行之有效的节能手段。工业炉用热交换器工作压力并不高，但一般都在高温下工作，因而选择材料时要考虑高温要求，而在强度方面并不像高温高压热交换器那样苛求。在密封要求上，除了预热煤气时有一定要求外，也不像高温高压热交换器那样的严格。
利用工业炉烟气来预热空气或煤气的热交换器，从材质上可分为金属和陶质两大类；从工作原理上可分为换热式和蓄热式两大类；从传热方式上可分为对流式和辐射式两大类。
金属热交换器的优点是：壁面的导热系数高，传热系数大，因而比较紧凑；它的气密性好，尤其是构件焊接的热交换器。它的缺点是耐热性不够，故寿命远短于陶质热交换器，而且空气预热的限度也低得多。
陶质热交换器只要用普通耐火材料制造，不需耗用稀缺材料；它能耐高温，且能经受炉温的大幅度波动，这些是它的优点。缺点在于砖壁的导热性能差；砖缝多，气密性低，只能用于压力低的空气的预热；器体笨重，地下工程量大；当进口的废气温度在1300℃以上，并且含尘量大时，陶质构件会发生结渣，使热交换器工作恶化。下面分别叙述金属的与陶质的换热式热交换器，对于金属的或陶质的蓄热式热交换器则在后面的专门章节予以介绍。
1）金属热交换器
金属热交换器包括：平滑钢管、针形管和整体式对流热交换器，缝式和管式的辐射式热交换器，辐射-对流组合式热交换器和其他一些特种型式的金属热交换器。
（1）平滑钢管对流热交换器
平滑钢管对流热交换器与一般的管壳式热交换器差别不大，例如针对不同使用场合有圆壳直管式热交换器、U形钢管热交换器、双程套管式（插管式）热交换器、多节U形管热交换器等。
普通平滑直管热交换器的缺点在于：烟气流路上的头一列管子受到器前烟气的直接辐射，比别的管列过热得厉害些，而其空气侧被取走的热量反而少一些。加上各列管子膨胀不一，在热负荷多变的情况下，使设备的气密性受到破坏，这些都决定了这种热交换器的高温耐久性较差。为了提高它的寿命，除正确选用耐热钢材外，应特别注意管子和管板的连接方式和焊缝质量。大型钢管热交换器须从结构上采取各种措施，以补偿管子的热膨胀：有的是将管子吊起来，下面脱空；有的是在上面设杠杆平衡重，使之能往上膨胀。近年来，还采用另外两种补偿办法，第一种方法是使烟气进口头1～2排管子的直径大于其余管子，这样可使这1～2排管子处通过的空气多些，因而使管壁受到更多的冷却；第二种方法是采用S形弯管，它在某种程度上能分别地补偿各根管子的热膨胀。
（2）针形管热交换器
这种热交换器的基本元件是带针片（肋）的铸铁针片管（如图2.56所示）。通常空气在管内流动，而烟气在管外流动。铸铁针片管在结构上分成单侧针片管和双侧针片管两大类。单侧针片管仅在管子内侧（空气侧）有针，外侧（废气侧）是平滑的。由于单侧针片管的废气侧没有针，因而它的耐热性要比双侧针片管高，而且不易堵塞。双侧针片管的热效率远高于单侧针片管，但耐热性较差，而且较易堵塞。
图2.56 铸铁针片管
（3）整体式对流热交换器
整体式对流热交换器的结构如图2.57所示，其制造方法为：用4～6mm厚的钢板焊制成构架壁，形成矩形箱，箱壁上开小孔，焊上空气所流通的钢管，在钢管之间的垂直方向布置烟气流通的管子。然后在矩形箱端壁上所焊纵横管子之间的空间浇入铸铁，这样就得到一个整体，其中两块端部钢板同时充当法兰盘，法兰盘和集气箱相连。
图2.57 整体式热交换器的结构
由于整体式热交换器采取整体铸造结构，最热区段的热可传给较冷区段，因而能延长使用寿命。它的结构简单，由于铸铁内的钢管本身构成了骨架，故当铸铁器内出现裂纹时，其整体性和气密性不会受到破坏。但它有一个很大的缺点，即笨重，每单位传热量的金属重量比双面针片热交换器要多3～4倍，约为平滑钢管的2倍。此外，铸铁同钢管壁之间的良好接触也难以保证，它还比较容易被烟灰堵塞。
（4）辐射式热交换器
当炉子的废气温度较高（1000～1300℃）时，在多数情况下以采用辐射式热交换器为宜。这是因为，辐射传热是温度四次方的函数，温度升高时传热迅速增加；而且，这种热交换器内废气流通截面很大，即辐射层厚度大。对热交换器的传热不仅是废气的辐射，而且还有热交换器相邻烟道的砖衬内表面的辐射。
按其结构，辐射式热交换器可分缝式和管式两种。而缝式又有环缝式和直缝式之分。图2.58示出的是环缝式辐射热交换器，它由两个同心钢制圆筒构成。内筒通烟气，环缝里流通空气或煤气，在内筒的外表面焊上竖向肋片，以加强内筒的散热，并使环缝在整个圆周和高度上保持相同的宽度。热交换器加热时，内筒温度比外筒高得多，热膨胀量也大些，为保证其自由膨胀，在外筒上设膨胀圈。根据需要，可以将烟气和空气的流向组织成顺流、逆流或顺流逆流的复合流动，如图2.59。
图2.58 环缝式辐射热交换器
图2.59 环缝式辐射热交换器的结构
管式辐射热交换器与缝式辐射热交换器相比，只是结构不同，图2.60所示为目前较为流行的圆栅式辐射热交换器。它的传热面是由排成圆圈的多根小管构成，小管两端焊在引入和引出空气（或煤气）的环套上。烟气在中间流通，直接给管栅辐射热量，小管外围的耐火砖壁面也对之间接辐射。管式辐射热交换器烟气侧的对流热交换，通常略去不计，主要是由于它的烟气流速常比缝式辐射热交换器小，且系纵向绕流管壁，对流换热系数较小。辐射热交换器同对流热交换器相比，最主要的优点是能高温预热空气（或煤气），单位传热面的热负荷大，故所耗的耐热钢材少。其空气流路的形状简单，预热的空气（或煤气）采取较高的流速（20～40m/s以上），强化了由器壁带走的热量。因而，在同样的预热温度时，单位传热表面的高热负荷并不会引起过高的器壁温度（和对流热交换器相比）。而且由于传热面各部分之间的互相辐射，使壁温趋于均匀。同时，辐射式热交换器传热面的积垢比对流热交换器小得多，且清扫简便。它的缺点是，在同样传热能力的情况下，器体较为高大。此外，对负荷变化较为敏感。(www.xing528.com)
综合上述，辐射式热交换器特别适用于高温预热和烟气里含有大量灰分、炭黑、氧化铁、渣的情况。但是，它通常只能将烟气冷却到750～850℃，因而对烟气的余热利用不够充分，低于此温度时，辐射传热量所占的比率大为减小，需要大幅度增大传热面以保证所需的空气预热温度，结果就变得不经济了。
图2.60 圆栅管式辐射热交换器
图2.61 管式辐射热交换器和对流热交换器的组合装置
1-管式辐射热交换器；2-对流热交换器
（5）组合式热交换器
为使一套热交换系统兼有各种热交换器的优点，常常组合装设两种不同类型的热交换器。当器前温度高于900～1000℃时，一般先使烟气流经辐射式热交换器，然后流经对流式热交换器。被预热的空气则相反，先通过对流热交换器，然后通过辐射式热交换器。当器前温度低于900～1000℃时，组合式热交换器采用各种不同对流热交换器或其元件的组合。图2.61即为一套管式辐射热交换器和对流热交换器的组合装置的示意图。
从以上对各种金属热交换器的介绍中，可以看出它们的应用场合及其优劣。为了保证金属热交换器的有效操作，在设计中尚需考虑一些共同的问题：
（1）热交换器内的气体流速并不像计算结果那样处处相同，往往相差甚大。不均匀性越大，传热系数就越小。更重要的是，它使热交换器的最高器壁温度提高到计算值以上，从而使元件烧坏。
气体流速以及引入、引出通道的形状（集气箱、连接管等）对速度分布特性影响很大，因而热交换器的安装位置应当尽量远离各种局部阻力元件（如肘管、弯头、截面急剧变化处），特别是要远离开闭器、调节阀、闸板等。
（2）不同材料的热交换器，其使用温度有一定范围。当烟气温度超过材质的允许温度时，可以在炉子至热交换器的烟道上掺入冷空气。但由于冷、热空气的黏度差别大，两者很难混合好。为此需专门采取一些结构措施，例如尽量在烟道的整个截面上引入冷空气，同时在烟气进入热交换器之前，留有足够的混合长度。在烟道周边设环形风套，在整个环形风套上均布喷嘴，垂直地往烟气流道喷入冷空气，效果较好。
掺冷风降低烟温的另一缺点是使烟气量大为增加，增大了烟气带走的热损失，降低了热交换器的热效率。因而有时也可以用烟气泵抽取从热交换器出来的冷烟气，将其掺入器前的热烟气里。这样，热交换器后烟气减少的量等于热交换器前增加的烟气量，这部分烟气量抽回来又混入烟气里，它所含的热量并未损失掉，而且无需白费热量，将冷空气加热至热交换器出口烟气所具有的温度。
图2.62 卧缝耐火黏土四孔砖热交换器
1-热空气；2-烟气；3-冷空气
2）陶质热交换器
陶质热交换器的优点已如前述。自从20世纪70年代后期以来，由于能源紧张，要求高温预热，以提高炉子的热效率；又由于设置高烟囱排放烟气，以符合环境保护的要求，因而陶质热交换器的应用得到重视。
陶质热交换器可以将空气预热到金属热交换器所无法胜任的高温。最早的陶质热交换器，是用标准尺寸的直型耐火黏土砖砌成。由于每块砖受热膨胀挤向相邻的砖，结果会形成很大的缝隙。后来开始采用立缝异型耐火砖热交换器，但它的立缝开裂后，气密性大减。较为完善的是，借自重压密的卧缝耐火黏土砖热交换器，例如图2.62所示的卧缝耐火黏土四孔砖热交换器。
一切耐火黏土砖热交换器多半仅有两面受到烟气的绕流，传热面利用不够，传热系数亦低。因而后来设计并推广了陶质管式热交换器（图2.63），其陶质管周围均受到待热空气的绕流。为了提高传热系数，寻求采用导热性更好的耐火材料来制造热交换器的管件。如图2.64所示的碳化硅管热交换器。
图2.63 碳化硅黏土八方管砖热交换器
1-热空气；2-烟气；3-冷空气
图2.64 碳化硅管热交换器
1-热空气；2-烟气；3-冷空气
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