二氧化碳预热器是用于加热二氧化碳气体（CO₂）的换热设备，广泛应用于化工、食品、医药、环保、能源等领域，例如二氧化碳驱油、碳酸饮料生产、超临界 CO₂萃取、化工合成反应（如制备甲酸、甲醇）、焊接保护气预热等场景。

一、工作原理

1. 热流体侧：高温介质（如 150℃的蒸汽、200℃的导热油或电加热产生的热源）流经换热设备的一侧，释放热量。

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5. CO₂气体侧：低温 CO₂（如常温 25℃或液态 CO₂汽化后的低温气体）流经另一侧，吸收热量后温度升高（如升至 80℃、150℃或更高）。

6. 传热机制：

• 热传导：热量通过金属管壁或换热面传递。

• 对流传热：热流体与换热面、CO₂与换热面之间的对流换热，其中 CO₂气体的传热系数较低，需通过结构设计强化传热（如增加流速、增大换热面积）。

二、常见结构类型

1. 管壳式二氧 化碳预热器

• 结构：

• 由壳体、管束（光管或翅片管）、管板、折流板等组成。

• 热流体：通常走壳程（如蒸汽、导热油），横向冲刷管束，通过折流板提高流速和湍流程度。

• CO₂：走管程，可设计为单管程或多管程（提高流速，增强换热）。

• 特点：

• 若 CO₂含水分或腐蚀性杂质（如工业尾气中的 SO₂），需选用耐腐蚀材料（如 316L 不锈钢、镍基合金）。

• 翅片管可强化壳程热流体（尤其是气体）的传热效率（如热流体为烟气时）。

• 适用场景：高压 CO₂（如驱油工程中 10MPa 以上的高压气体）或大流量工况。

• 优势：结构坚固、耐高压、易于清洗和维护。

• 设计要点：

2. 板式二氧 化碳预热器

• 结构：

• 由波纹金属板片叠加而成，板片间形成流体通道，CO₂与热流体交替流经两侧。

• 特点：

• 传热效率高：波纹板片增大接触面积，流体湍流程度高，传热系数比管壳式高 2-3 倍。

• 体积小、重量轻：节省安装空间，适合现场改造。

• 适用场景：低压 CO₂（如食品行业碳酸饮料制备，压力通常 < 1MPa）或中小流量工况。

• 优势：

• 局限性：密封垫片易受高温影响，适合热流体温度≤200℃的场景（如热水或低压蒸汽加热）。

3. 翅片管式 二氧化 碳预热器

• 结构：

• 在光管外侧加装翅片（如螺旋翅片、针状翅片），增大热流体侧的传热面积。

• 热流体：多为气体（如高温烟气、热空气），走壳程，翅片弥补气体侧传热系数低的缺陷。

• CO₂：走管程，管内流速需保证≥5m/s 以避免积灰（若气体含杂质）。

• 特点：

• 适用场景：利用工业废热（如锅炉烟气余热）加热 CO₂，实现节能。

• 典型应用：环保领域的 CO₂再利用项目，或化工装置中的废气热量回收。

4. 电加热式二氧 化碳预热器

• 结构：

• 内置电加热元件（如电阻丝、陶瓷加热棒），直接对 CO₂气体加热，无需中间热流体。

• 特点：

• 升温快、温度控制灵敏（配合温控仪可实现 ±1℃精度）。

• 结构紧凑，无需外接热源，适合无蒸汽或导热油系统的场合。

• 适用场景：小流量、高精度控温场景（如实验室超临界 CO₂萃取，温度需精准控制在 30-100℃）。

• 优势：

• 局限性：能耗较高，不适合大流量工业应用。

5. 套管式二氧化碳预热器

• 结构：

• 由两根同心套管组成，内管走 CO₂，环隙走热流体（或反之），可串联多段延长换热路径。

• 特点：

• 适用场景：高压、小流量 CO₂加热（如焊接保护气预热，压力通常 1-5MPa）。

• 优势：结构简单、制造方便，便于现场组装和维修。

• 局限性：换热面积有限，大流量时需多组并联，成本较高。