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換熱器的設計選型與使用
2021-09-15
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能源是當前人類面臨的重要問題之一,能源開發及轉換利用已成為各國的重要課題,而換熱器是能源利用過程中必不可少的設備,幾乎一切工業領域都要使用,化工、冶金、動力、交通、航空與航天等部門應用尤為廣泛。近幾年由于新技術發展和新能源開發利用,各種類型的換熱器越來越受到工業界的重視,而換熱器又是節能措施中較為關鍵的設備,因此,無論是從工業的發展,還是從能源的有效利用,換熱器的合理設計、制造、選型和運行都具有非常重要的意義。
1、換熱器的分類
1. 1、直接傳熱式換熱器。一種不需傳熱壁面,由冷流體與熱流體直接接觸進行換熱的操作過程的換熱器,此類換熱器常用于工業生產中?！ ?/span>
1. 2、間壁傳熱式換熱器。冷、熱流體通過管子、板等壁面進行熱量交換的傳熱操作過程的換熱器,是最普通的也最常用的換熱器,冷、熱流體都是流體,可以是空氣、煙氣、蒸汽、水。這是本文重點進行討論的換熱器類型?！ ?/span>
1. 3、蓄熱式換熱器。系間歇傳熱,在廢熱再生器中是切實可行有效的回收廢熱的方式,常被用于回收燃燒氣體的廢熱以及蒸汽等用量不均時作為調節手段。
2、幾種換熱器的特點及使用
在實際設計選型中,往往是已知高溫流體與低溫流體的兩側進出口溫度,在做工藝設計選型時,需要考慮的是有盡可能小的換熱面積下,有盡可能大的換熱速率,以及較低的設備造價及施工費。另外,在操作運行及維護清洗較方便的前提下考慮換熱器的設計選型。傳熱基本方程式:
Q = UAΔt Kcal/ h ;
式中:U 為傳熱系數,Kcal/ m2 . h. ℃;A 為傳熱面積,m2 ;Δt 為通過兩種流體邊界層的平均溫度。
換熱器的給熱系數h ,Kcal/ m2 . h. ℃和流速u ,m/s 有如下關系:
管程給熱系數ht :
層流區 (Re ≤2100) ht∝ u0. 33t
過渡流區(2100 ≤Re ≤10000) ht∝ u0. 33～0. 8t
紊流區 (Re ≥10000) ht∝ u0. 8t
殼程給熱系數hg :
殼程流體因垂直流過管束,所以流型較亂,層流、
紊流區沒有明顯的區別:ht∝ u0. 55g
對應的壓力降ΔP、kg/ cm2 ,管程和殼程大體相同:
層流、過渡流區 ΔP ∝ u1. 0t
紊流區ΔP ∝ u1. 8t 從上式可以看出,在一定的流速下,雷諾數越大,傳熱系數越大,同時,壓力降也越大。
2. 1、管殼式換熱器。管殼式換熱器是最常用的普通結構,它包括:固定管板式換熱器、U 型管殼式換熱器、帶膨脹節式換熱器、浮頭式換熱器、分段式換熱器、套管式換熱器等?！ ?/span>
固定管板式換熱器具有結構簡單、重量輕、造價低等優點;缺點就是由于熱膨脹而引起管子拉彎。U型管殼式換熱器就是克服此缺點將管子作成“U”型,一端固定另一端活動,使得換熱器不受膨脹的影響,結構較簡單,重量輕,其缺點是不能機械清洗、管子不便拆換、單位容量及單位質量的傳熱量低,適用于溫差大、管內流體介質比較干凈的場合?！ ?/span>
帶膨脹節式換熱器可解決膨脹問題,用膨脹接頭的結構,故適用溫差大的流體和高壓流體,因為可將接頭拆下來進行清洗,所以可處理易結垢流體,而對低壓氣體則不適宜,但其缺點就是制造復雜。
浮頭式管殼換熱器,其浮頭不與外殼相連,可自由伸縮,這樣既解決了熱膨脹的問題,也方便清洗,檢修時可將管芯抽出即可?！ ?/span>
對于固定管板、列管、套管式換熱器每一外殼容積為1 m3 時,其傳熱面積約為30～40 m3 。對U 型管殼式換熱器、浮頭式換熱器每一外殼容積為1 m3 時,其傳熱面積為70m2 左右。
2. 2、板式換熱器。由于板式換熱器的傳熱面上可以壓出凹凸形排液槽,在較低的雷諾數條件下既可出現紊流狀態,故換熱系數較高,一般可達3 000～5 000Kcal/m2 . h. ℃,與同樣流速下的管殼式換熱器相比,此值約為管殼式換熱器的傳熱系數的3～5 倍,雖然,這時板式換熱器的阻力會大一些,如在同樣耗功的條件下相比,則板式換熱器的放熱系數比管殼式的高一倍左右。
由于板式換熱器的結構緊湊、空隙小、因而單位體積的傳熱面積增大,其安裝面積約為管殼式的1/ 2～1/ 3 ,可節省占地面積與施工費用,每一外殼容積為1 m3時,其傳熱面積為80 m2 左右,另外,板式換熱器容易增減換熱面積,對于管殼式換熱器在需要增加液體的處理量時,原有熱交換器的傳熱面積幾乎不可能增加,但板式換熱器的傳熱面積卻很容易增加,從而增加處理能力,另外,板式換熱器只有傳熱板的外殼板暴露在大氣中,因此,散熱損失可忽略不計,也不需保溫措施。
板式換熱器在運行維護方面的特點之一就是裝拆比較方便,甚至可以不必完全拆開,僅把壓緊螺栓松開就可抽出板片清洗、更換墊圈,以至更換板片。這對于換熱介質容易產生沉積的物料就顯得尤為重要。
