浮头式换热器
管壳式换热器
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换热器的结构型式和传热过程的强化点击：1930 日期：[ 2014-04-26 22:06:11 ] |
| 换热器的结构型式和传热过程的强化 金万元 (兰州石化公司助剂厂 甘肃兰州730060) 摘要：摘要内容:通过对换热器各种类结构、性能的比较、分析,从而提出应如何强化传热过程。 关键词：换热器结构型式;传热速率;传热过程 中图分类号：TF066. 21 1 概述 在伴有加热和冷却的操作中,总是存在着各种各样的传热过程。狭义的换热器仅注意回收热量的意义,只是看到传热装置、回收热量的不同和回收的有效程度等的重要性。但通过换热器对废热的回收,是冷流体热焓得到了提高,从而更进一步有效的利用了这些废热,这就是换热器有了新的价值。一般对换热器总是希望冷流体出口温度高些才有利,但是,也不能要求有无限大的传热面积。同时,又因为冷热两种流体的流量比、流体状态、有无传热壁面、设备结构、操作方法等因素,不仅影响传热设备,同时也影响传热过程,所以对这些因素不仅把它明确地加以区别是困难的,而且也受到换热器选择范围的约束。因此,对各种换热器的结构、性能及传热过程进行分析、比较,找出有效传热过程的强化方法是有意义的。 2 热操作的种类 1)直接传热:不需要传热壁面,是由冷流体与热流体直接接触进行换热操作。此类换热器属于特例。实际上也有固体作为载热体的情况,但多数是液体。 2)壁间传热:冷热流体是通过管子、板等壁面进行热量交换的传热操作,是最普通的换热器。冷、热间壁都是流体,所以通常仅限于考虑纯流体的情况。 3)蓄热式:系间歇式传热,在废热再生器中是切实可行有效的回收废热的方法。常被用于回收燃烧气体的废热。在空气分离装置中用于空气预冷。 3 换热器的型式和传热速率 应该考虑回收或传递的物料流量和热价值、流体的流量比和流动特性、传热壁面材料的种类、操作压力和温度、操作的连续性,在流体的性质中特别是流体的结垢程度或是否有悬浮液,在这些因素中各因素的重要程度不尽相同,但是在确定换热器的型式时,这些因素的重要性没有差别。若按照惯例,可以根据型式的种类,在传热系数的实用范围内确定传热系数值。 换热器中的传热过程不单是传热现象,而更重要的是流体流动状态,它对传热过程具有控制性的作用,传热壁面两侧的传热边界层,构成传热的主要热阻。当流体湍动程度增加时,此边界层变薄,热阻变小对传热有利,反之,湍动程度减小时,则对传热不利。另外对壁的厚度也应加以限制。对给予的回收热量价值,传热面积,由于流体摩擦阻力成反比的关系,因而也左右了动力所需的费用。因此,实际的第一步应给出大概的传热系数和型式,求出粗略的传热面积,而同时需要研究最适宜的温度差。传热系数的合理值,传热面积的型式和尺寸决定后即可开始计算。 传热壁的厚度和管径对型式也有影响。选用管子时,对一定的操作压力而言,管径小在经济上是有利的。管外的传热边界层也有同样的倾向,从管内流动状态来看,较为复杂。在能获得湍流的情况下,直径在某种程度大些为宜。 4 管式换热器 1)套管式换热器:常用于传热量或流体流量不大的情况。因为可用膨胀接头结构,故适用于温度之差大的流体和高压流体,因为可将接头拆下来进行清洗,所以可处理易结垢流体。而对低压气体则不适宜,但可用做盐水冷却器、氨等气体的冷却器。因其结构简单,管的材质可以用非金属材料。 2)逆流多管式换热器:当程数增加,则产生并流流动,传热的有效温度差将减小,温度差的修正系数亦减小。流量大时可将有效管长加长(有时可将几个换热器串联使用)从而可增加传热面积。 3)列管式换热器、列管式蒸发器及列管式冷却器。列管式蒸发器与列管式换热器相比,其结构大致相同。如将管子制成180°回弯(U型),既可省去一段管板,同时亦不存在热膨胀问题。在料液蒸发的一侧,因需要留有适当的蒸发空间,即蒸发室,所以不能在全容积内将料液装满加料管,在处理不清洁料液时,考虑留有沉降区。 列管式冷却器为了排除管内外生成的冷凝液,应使水平管稍微倾斜一些。管子的排列如采用正三角形错列,管外的冷凝液将下面的管子润湿的机会就变少,这样可保持较高的传热系数值。 4)浮头型、U型管型及其它弯管型以解决热膨胀的不同。这些型式是一般解决管子和壳体的热膨胀差别的方法,对多程的情况,由于各通路间热膨胀不同,有时采用曲率半径大的弯管。 对两端固定的列管式换热器,也有在壳体上设计有膨胀节,亦可达到缓和热膨胀的目的。但对流体间温度差大的情况,也有用加大直径缩短长度的几台换热器串联的方法解决热膨胀问题,但要对所需台数进行方案比较。 在每1m2的管板上,当管间距为25~32mm时,大约可排管数为1850~1130根。每1m3设备容积内,对蒸汽冷凝的情况,如用管径为Ф16~20的管子,取管间距为25~32mm,其传热面积可达70m2左右。 5)传热管的截面形状。在主要为减少外部流体阻力的情况,增加管内流体流速时,管内的给热系数亦增加,这仅适合于管外是低压气体,管内为气体和液体的场合。 一般传热管直径的选取,对清洁流体通常用外径20mm左右,管壁厚度只要腐蚀的影响不明显时,通常为2mm左右。这种规格的管子用于压力不高的场合已足够。 6)壳体的截面形状和长度。从经济上考虑,传热管长、管径小有利。可是,在一个或两个管板的情况,管子应具有适当的长度。但壳体有两个封头时,与管子同样,亦应具有适当的长度。换热器作为一个整体,对具有一定传热面积的换热器而言,应存在以最适宜尺寸。对用一般封头的压力容器来讲,当腐蚀余度对壁厚没有影响的大型高压设备,取壳体长度为直径的6倍是最经济的尺寸。当壳体壁厚为10mm,腐蚀余度为1mm时,取壳体长度为直径的3倍较为适宜。 5 板式换热器 这种换热器应用较多的是冲压型。每单位传热面积价格比列管式高,但是因为流体速度大,可是传热系数提高,从而抵消其缺点。对液体是有效的,而对气体由于不能用很高的流速,所以其效果不明显。操作时传热壁面两侧的压力平衡的情况居多,所以传热板可薄些,从而可自由选用高级材料。因为这种换热器拆卸很方便,故适合处理有附着物的流体。 6 提高传热速率的方法 只有提高间壁单位传热面积上的传热速率,才能使换热器的重量、价格及传热的操作费用降低。增加传热速率与增大有效传热面积、降低传热热阻具有同样效果,但具体在如何选用间壁材质及设法采用提高传热系数的结构和操作,是很有必要的。 6.1 在传热壁面上装翅片 通常在换热器的传热管的外表面装上各种形状的金属片,已达到增加传热面积的目的,而在平壁上施工较简单。气体及粘性液体一般是给热系数小的流体,故可直接用翅片。注意应使流体的流动方向与翅片平行。如装置的各种空冷管束,就属这种型式。 翅片的表面温度应比裸露的传热管表面温度更低,翅片材料(密度/导热系数)的值小有利。 6.2 传热壁面材质的影响 传热壁面两侧的流体,若其给热系数大(蒸发、冷凝等),则传热速率受壁面材质的导热系数的控制。反之,当处理气体时,则不受材质的影响。对伴有辐射的场合,表面材料较黑、粗的远比白色光滑的表面优越。 6.3 提高传热系数的途径 因给热系数是与流体速度的0. 25次方(液体为层流时)—0·8次方(气体及液体为湍流时)成比例增加,故在传热壁上制成折叠、突起、在流道内放入搅扰物,在动力损失增加的前提下可使给热系数值增大。 增加搅拌动力,改变流体流动方向,是破坏流体边界层的一种方法。改变流体的压力,则可以利用蒸发、冷凝等状态变化的条件,这可根据实际情况具体处理。 |
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