換熱器的設(shè)計(jì)選型與使用

發(fā)布時(shí)間：2009-6-18 瀏覽：3005

      能源是當(dāng)前人類面臨的重要問題之一,能源開發(fā)及轉(zhuǎn)換利用已成為各國(guó)的重要課題,而換熱器是能源利用過程中必不可少的設(shè)備,幾乎一切工業(yè)領(lǐng)域都要使用,化工、冶金、動(dòng)力、交通、航空與航天等部門應(yīng)用尤為廣泛。近幾年由于新技術(shù)發(fā)展和新能源開發(fā)利用,各種類型的換熱器越來(lái)越受到工業(yè)界的重視,而換熱器又是節(jié)能措施中較為關(guān)鍵的設(shè)備,因此,無(wú)論是從工業(yè)的發(fā)展,還是從能源的有效利用,換熱器的合理設(shè)計(jì)、制造、選型和運(yùn)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(jìn)行換熱的操作過程的換熱器,此類換熱器常用于工業(yè)生產(chǎn)中。

　　1. 2、間壁傳熱式換熱器。冷、熱流體通過管子、板等壁面進(jìn)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(diǎn)進(jìn)行討論的換熱器類型。

　　1. 3、蓄熱式換熱器。系間歇傳熱,在廢熱再生器中是切實(shí)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(shí)作為調(diào)節(jié)手段。

2、幾種換熱器的特點(diǎn)及使用

　　在實(shí)際設(shè)計(jì)選型中,往往是已知高溫流體與低溫流體的兩側(cè)進(jìn)出口溫度,在做工藝設(shè)計(jì)選型時(shí),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(shè)備造價(jià)及施工費(fèi)。另外,在操作運(yùn)行及維護(hù)清洗較方便的前提下考慮換熱器的設(shè)計(jì)選型。

傳熱基本方程式:
Q = UAΔt 　　　　　Kcal/ h ;
式中:U 為傳熱系數(shù),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(shù)h ,Kcal/ m2 . h. ℃和流速u ,m/s 有如下關(guān)系:
管程給熱系數(shù)ht :
層流區(qū)　(Re ≤2100) 　　　　　ht∝ u0. 33t
過渡流區(qū)(2100 ≤Re ≤10000) ht∝ u0. 33～0. 8t
紊流區(qū)　(Re ≥10000) ht∝ u0. 8t
殼程給熱系數(shù)hg :
殼程流體因垂直流過管束,所以流型較亂,層流、
紊流區(qū)沒有明顯的區(qū)別:ht∝ u0. 55g
對(duì)應(yīng)的壓力降ΔP、kg/ cm2 ,管程和殼程大體相同:
層流、過渡流區(qū)　　　　　　　　ΔP ∝ u1. 0t
紊流區(qū)ΔP ∝ u1. 8t

　　從上式可以看出,在一定的流速下,雷諾數(shù)越大,傳熱系數(shù)越大,同時(shí),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(jié)構(gòu),它包括:固定管板式換熱器、U 型管殼式換熱器、帶膨脹節(jié)式換熱器、浮頭式換熱器、分段式換熱器、套管式換熱器等。

　　固定管板式換熱器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn);缺點(diǎn)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(diǎn)將管子作成“U”型,一端固定另一端活動(dòng),使得換熱器不受膨脹的影響,結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單,重量輕,其缺點(diǎn)是不能機(jī)械清洗、管子不便拆換、單位容量及單位質(zhì)量的傳熱量低,適用于溫差大、管內(nèi)流體介質(zhì)比較干凈的場(chǎng)合。

　　帶膨脹節(jié)式換熱器可解決膨脹問題,用膨脹接頭的結(jié)構(gòu),故適用溫差大的流體和高壓流體,因?yàn)榭蓪⒔宇^拆下來(lái)進(jìn)行清洗,所以可處理易結(jié)垢流體,而對(duì)低壓氣體則不適宜,但其缺點(diǎn)就是制造復(fù)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(shí)可將管芯抽出即可。

　　對(duì)于固定管板、列管、套管式換熱器每一外殼容積為1 m3 時(shí),其傳熱面積約為30～40 m3 。對(duì)U 型管殼式換熱器、浮頭式換熱器每一外殼容積為1 m3 時(shí),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(shù)條件下既可出現(xiàn)紊流狀態(tài),故換熱系數(shù)較高,一般可達(dá)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(shù)的3～5 倍,雖然,這時(shí)板式換熱器的阻力會(huì)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(shù)比管殼式的高一倍左右。

　　由于板式換熱器的結(jié)構(gòu)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(jié)省占地面積與施工費(fèi)用,每一外殼容積為1 m3時(shí),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(duì)于管殼式換熱器在需要增加液體的處理量時(shí),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(jì),也不需保溫措施。

　　板式換熱器在運(yùn)行維護(hù)方面的特點(diǎn)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(duì)于換熱介質(zhì)容易產(chǎn)生沉積的物料就顯得尤為重要。