关于换热器的设计选型与使用

能源是当前人类面临的重要问题之一,能源开发及转换利用已成为各国的重要课题,而换热器是能源利用过程中必不可少的设备,几乎一切工业领域都要使用,化工、冶金、动力、交通、航空与航天等部门应用尤为广泛。近几年由于新技术发展和新能源开发利用,各种类型的换热器越来越受到工业界的重视,而换热器又是节能措施中较为关键的设备,因此,无论是从工业的发展,还是从能源的有效利用,换热器的合理设计、制造、选型和运行都具有非常重要的意义。

换热器的分类

直接传热式换热器。一种不需传热壁面,由冷流体与热流体直接接触进行换热的操作过程的换热器,此类换热器常用于工业生产中。

间壁传热式换热器。冷、热流体通过管子、板等壁面进行热量交换的传热操作过程的换热器,是最普通的也最常用的换热器,冷、热流体都是流体,可以是空气、烟气、蒸汽、水。这是本文重点进行讨论的换热器类型。

蓄热式换热器。系间歇传热,在废热再生器中是切实可行有效的回收废热的方式,常被用于回收燃烧气体的废热以及蒸汽等用量不均时作为调节手段。

几种换热器的特点及使用

在实际设计选型中,往往是已知高温流体与低温流体的两侧进出口温度,在做工艺设计选型时,需要考虑的是有尽可能小的换热面积下,有尽可能大的换热速率,以及较低的设备造价及施工费。另外,在操作运行及维护清洗较方便的前提下考虑换热器的设计选型。

传热基本方程式: 

Q = UAΔt 　　　　　Kcal/ h ; 

式中:U 为传热系数,Kcal/ m2 . h. ℃;A 为传热面积,m2 ;Δt 为通过两种流体边界层的平均温度。 

换热器的给热系数h ,Kcal/ m2 . h. ℃和流速u ,m/s 有如下关系: 

管程给热系数ht : 

层流区　(Re ≤2100) 　　　　　ht∝ u0. 33t 

过渡流区(2100 ≤Re ≤10000) ht∝ u0. 33～0. 8t 

紊流区　(Re ≥10000) ht∝ u0. 8t 。

管壳式换热器。管壳式换热器是最常用的普通结构,它包括:固定管板式换热器、U 型管壳式换热器、带膨胀节式换热器、浮头式换热器、分段式换热器、套管式换热器等。

固定管板式换热器具有结构简单、重量轻、造价低等优点;缺点就是由于热膨胀而引起管子拉弯。U型管壳式换热器就是克服此缺点将管子作成“U”型,一端固定另一端活动,使得换热器不受膨胀的影响,结构较简单,重量轻,其缺点是不能机械清洗、管子不便拆换、单位容量及单位质量的传热量低,适用于温差大、管内流体介质比较干净的场合。

带膨胀节式换热器可解决膨胀问题,用膨胀接头的结构,故适用温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,但其缺点就是制造复杂。

浮头式管壳换热器,其浮头不与外壳相连,可自由伸缩,这样既解决了热膨胀的问题,也方便清洗,检修时可将管芯抽出即可。

对于固定管板、列管、套管式换热器每一外壳容积为1 m3 时,其传热面积约为30～40 m3 。对U 型管壳式换热器、浮头式换热器每一外壳容积为1 m3 时,其传热面积为70m2 左右。

板式换热器。由于板式换热器的传热面上可以压出凹凸形排液槽,在较低的雷诺数条件下既可出现紊流状态,故换热系数较高,一般可达3 000～5 000Kcal/m2 . h. ℃,与同样流速下的管壳式换热器相比,此值约为管壳式换热器的传热系数的3～5 倍,虽然,这时板式换热器的阻力会大一些,如在同样耗功的条件下相比,则板式换热器的放热系数比管壳式的高一倍左右。

由于板式换热器的结构紧凑、空隙小、因而单位体积的传热面积增大,其安装面积约为管壳式的1/ 2～1/ 3 ,可节省占地面积与施工费用,每一外壳容积为1 m3时,其传热面积为80 m2 左右,另外,板式换热器容易增减换热面积,对于管壳式换热器在需要增加液体的处理量时,原有热交换器的传热面积几乎不可能增加,但板式换热器的传热面积却很容易增加,从而增加处理能力,另外,板式换热器只有传热板的外壳板暴露在大气中,因此,散热损失可忽略不计,也不需保温措施。

可拆式板式换热器在运行维护方面的特点之一就是装拆比较方便,甚至可以不必完全拆开,仅把压紧螺栓松开就可抽出板片清洗、更换垫圈,以至更换板片。这对于换热介质容易产生沉积的物料就显得尤为重要。