第章换热器

第章换热器换热器：实现热量交换的设备。换热器是工艺过程必不可少的单元设备，广泛用于石油、化工、轻工、制药、食品、机械、冶金、动力等工程领域中。6.1换热器的分类与结构形式6.1.1换热器的分类6.1.1.1按作用原理分1.直接接触式换热器(混和式换热器)冷、热流体直接接触，相互混和传递热量。特点是结构简单，传热效率高。适于冷、热流体允许混和的场合。如凉水塔、洗涤塔、文氏管及喷射冷凝器等。热流体冷流体2.蓄热式换热器(回流式换热器、蓄热器)借助于热容量较大的固体蓄热体，将热量由热流体传给冷流体。当蓄热体与热流体接触时，从热流体处接受热量，蓄热体温度升高，然后与冷流体接触，将热量传递给冷流体，蓄热体温度下降，从而达到换热的目的。特点是结构简单，可耐高温，体积庞大，不能完全避免两种流体的混和。适于高温气体热量的回收或冷却。如回转式空气预热器。3.间壁式换热器(表面式换热器、间接式换热器)冷、热流体被固体壁面隔开，互不接触，热量由热流体通过壁面传递给冷流体。形式多样，应用广泛。本章介绍此类换热器。适于冷、热流体不允许混和的场合。如各种管壳式、板式结构的换热器。6.1.1.2按用途分1.加热器：用于把流体加热到所需温度，被加热流体在加热过程中不发生相变。2.预热器：用于流体的预热，以提高整套工艺装置的效率。3.过热器：用于加热饱和蒸汽，使其达到过热状态。4.蒸发器：用于加热液体，使其蒸发汽化。5.再沸器：用于加热已被冷凝的液体，使其再受热汽化。为蒸馏过程专用设备。6.冷却器：用于冷却流体，使其达到所需温度。7.冷凝器：用于冷却凝结性饱和蒸汽，使其放出潜热而凝结液化。6.1.1.3按传热面形状和结构分1.管式换热器通过管子壁面进行传热的换热器。按传热管的结构形式可分为管壳式换热器、蛇管式换热器、套管式换热器、翅片式换热器等。应用最广。2.板式换热器通过板面进行传热的换热器。按传热板的结构形式可分为平板式、螺旋板式、板翅式、热板式换热器等。3.特殊形式换热器根据工艺特殊要求而设计的具有特殊结构的换热器。如回转式、热管、同流式换热器等。6.1.1.4按所用材料分1.金属材料换热器由金属材料加工制成的换热器。常用的材料有碳钢、合金钢、铜及铜合金、铝及铝合金、钛及钛合金等。因金属材料导热系数大，故此类换热器的传热效率高。2.非金属材料换热器有非金属材料制成的换热器。常用的材料有石墨、玻璃、塑料、陶瓷等。因非金属材料导热系数较小，故此类换热器的传热效率较低。常用于具有腐蚀性的物系。6.1.1.4按所用材料分1.金属材料换热器由金属材料加工制成的换热器。常用的材料有碳钢、合金钢、铜及铜合金、铝及铝合金、钛及钛合金等。因金属材料导热系数大，故此类换热器的传热效率高。2.非金属材料换热器有非金属材料制成的换热器。常用的材料有石墨、玻璃、塑料、陶瓷等。因非金属材料导热系数较小，故此类换热器的传热效率较低。常用于具有腐蚀性的物系。6.1.2换热器的结构形式6.1.2.1管式换热器的结构形式6.1.2.1.1列管式换热器(管壳式换热器)它结构紧凑，单位体积所具有的传热面积较大(40～150m2/m3)，传热效果好，适应性强，操作弹性大，尤其适用于高温、高压和大型装置中，是管式换热器中应用最普遍的换热器。在列管式换热器中，由于管内外流体温度不同，使管束和壳体的受热程度不同，导致它们的热膨胀程度出现差别。若两流体温差较大，就可能由于热应力而引起设备的变形，管子弯曲甚至破裂，严重时从管板上脱落。因此当两流体的温度差超过50℃时，就应从结构上考虑热膨胀的影响，采取相应的热补偿措施。根据热补偿方法的不同，列管式换热器分为三种形式：它是将两端管板和壳体连接在一起，因而具有结构简单，造价低廉的优点，但由于壳程清洗和检修困难，管外物料应清洁、不易结垢。对温差稍大时可在壳体的适当部位焊上补偿圈(或称膨胀节)，通过补偿圈发生弹性变形(拉伸或压缩)来适应外壳和管束不同的膨胀程度，如图示。这种补偿方法简单但有限，只适用于两流体温差小于70℃，壳程流体压强小于0.6MPa的场合。1.固定管板式换热器1.挡板2.补偿圈3.放气嘴2.浮头式换热器1.管程隔板2.壳程隔板3.浮头它是将一端管板与壳体相连，而另一端管板不与壳体固定连接，可以沿轴向自由浮动，如图示。这种结构不但可完全消除热应力，而且在清洗和检修时整个管束可以从壳体中抽出。因而尽管其结构复杂，造价高，但应用较为普遍。3.U型管式换热器它是将每根管子都弯成U型状，两端固定在同一管板的两侧，管板用隔板分成两室，如图示。这种结构使得每根管子可以自由伸缩，与其它管子和壳体无关，从而解决了热补偿问题。这种换热器结构简单，可用于高温高压，但管程不易清洗，而且因管子需要一定的弯曲半径，故管板的利用率低。1.U形管2.壳程隔板3.管程隔板6.1.2.1.2蛇管式换热器1.沉浸式蛇管换热器蛇管多以金属管弯绕而成，或制成适应各种容器需要的形状，沉浸在容器中。两种流体分别在管内外流动通过蛇管表面进行换热，如图所示。其优点是结构简单，制造方便，能承受高压，可用耐腐蚀材料制造。缺点是容器内液体湍动程度低，管外对流传热系数小，传热效果可通过增设搅拌提高，此外传热面积有限，主要用于传热量不大的容器中。2.喷淋式蛇管换热器如图示，将蛇管成排地固定在支架上，冷却水由最上层管的喷淋装置中均匀淋下，沿管表面流过，与管内热流体换热。其优点是传热效果较沉浸式好，传热面积大而且可以改变，检修和清洗方便。缺点是喷淋不易均匀。主要用于管内流体的冷却，常设置在室外空气流通处，6.1.2.1.3套管式换热器将两种直径不同的直管制成同心套管，根据换热要求将若干段套管连接组合而成，如图示。每段套管称为一程，长约4～6m，每程的内管依次与下一程的内管用U型弯头连接，外管之间也由管子连通，可同时几排并列，每排与总管相连。换热时一种流体走管内，另一种流体走环隙，而且两种流体可始终保持逆流换热，Δtm大。适当选择两管的直径，两流体可得到较高的流速，故一般具有较高的传热系数。其优点是结构简单，能耐高压，传热面积易于增减；缺点是设备结构不紧凑，金属耗用量大，一般用于换热量不大的场合。6.1.2.1.4翅片管式换热器它是在管的表面上加装一定形式的翅片，有横向和纵向两类。常见的几种型式见P398图10。翅片管换热器主要用于两种流体的对流传热系数相差较大时，在h小的一侧加装翅片，从而增大传热面积，提高流体的湍动程度，以提高对流传热系数。6.1.2.2板式换热器的结构形式为了使换热器结构更为紧凑，提高单位体积的传热面积，增加传热效果，以及适应某些工艺过程的需要等，开发了以板状作为传热面积的换热器，称为板式换热器。1.平板式换热器由一组长方形的金属薄板平行排列在一起，采用夹紧装置组装于支架上而构成，见图。而相邻板间的边缘衬有垫片(橡胶或压缩石棉等)，压紧后板内形成密封的液体通道。每块板的4个角上有圆孔，其中一对圆孔和板间相通，而另外一对圆孔通过加装垫片和板内相隔，在相邻板上错开以分别形成两流体通道，从而使两流体交错地流过板片两侧通过板片进行换热。板厚通常为0.5～3mm，板面压制成波纹状，两板间距4～6mm，材质一般为不锈钢。板式换热器的主要特点是：(1)总传热系数高。因板面压制成波纹状，流动湍动程度大，污垢热阻小，在低雷诺数(Re=200左右)下即达到湍流，而且板薄，因而K值可达到1200～1500W/m2·K。(2)结构紧凑。由于板薄而且两板间距小，因而单位体积提供的传热面积大，可达到250～1000m2/m3，金属耗用量少。(3)操作灵活性大。因具有可拆结构，根据生产需要通过调节板数增减传热面积，检修和清洗方便。(4)两流体严格成逆流，Δtm大，传热推动力大。主要缺点是允许的操作压强和温度低。因板薄压强高容易变形，垫片压强高时容易渗漏，所以操作压强不超过2MPa，因受垫片材料的耐热性限制，操作温度对橡胶垫不超过130℃，石棉垫不超过250℃。此外流通截面积小，故处理量小。自20世纪50年代以来，主要应用于轻工、食品等行业。2.螺旋板式换热器它是由两张互相平行的薄金属板，卷制成同心的螺旋形通道。在其中央设置隔板将两通道隔开，两板间焊有定距柱以维持通道间距，螺旋板两侧焊有盖板和接管。两流体分别在两通道内流动，通过螺旋板进行换热，见图。分为I型、II型、III型和G型等几种形式，见P400图6-13螺旋板换热器的特点是：(1)总传热系数高由于流体在螺旋形通道内受到惯性离心力的作用和定距柱的干扰，低雷诺数(Re=1400～1800)下即可达到湍流，允许流速大(液体为2m/s，气体为20m/s)，故传热系数大。如水对水换热过程K=2000～3000W/m2·K。(2)不易结垢和堵塞由于流速较高且在螺旋形通道中流过，有自行冲刷作用，故流体中的悬浮物不易沉积下来。(3)能利用低温热源由于流道长而且两流体可达到完全逆流，因而传热温差大，能充分利用温度较低的热源。(4)结构紧凑由于板薄2～4mm，单位体积的传热面积可达到150～500m2/m3。主要缺点是操作压强不能超过2MPa，操作温度在300～400℃以下，另外因整个换热器焊为一体，一旦损坏检修困难。螺旋板换热器直径在1.5m之内，板宽200～1200mm，板厚2～4mm，两板间距5～25mm，可用普通钢板和不锈钢制造，目前广泛用于化工、轻工、食品等行业。3.板翅式换热器板翅式换热器的结构型式很多，但是基本结构是由平行隔板和各种型式的翅片构成的板束组装而成，如图示。在两块平行薄金属之间，夹入波纹状或其它形状的翅片，两边以侧条密封，即组成为一个换热单元体。将各单元体进行不同的叠积和适当的排列，并用钎焊固定，成为并流、逆流、错流的板束(或称蕊部)。然后再将带有流体进出口接管的集流箱焊在板束上，即成为板翅式换热器。常用的翅片为光直型、锯齿型和多孔型三种型式。板翅式换热器一般用铝合金制造，结构紧凑、轻巧，单位体积传热面积可达到2500～4000m2/m3，传热系数高，空气的对流传热系数可达到350W/m2·K，承压可达5MPa。但容易堵塞，清洗困难，不易检修，适用于清洁和无腐蚀性流体的换热。现已在石油化工、气体分离等工业中得到应用。6.2换热器的传热计算化工原理中所涉及的传热计算分两类：ü设计计算：根据生产过程要求的传热量和其它工艺条件，确定换热器的传热面积，进而设计或选用合适的换热器；ü操作计算：对给定的换热器计算其在一定操作条件下的传热量、流体的流量、温度或某项参数变化时对其传热能力的影响等。两者计算的依据：热量衡算方程和传热速率方程。6.2.1总传热速率方程6.2.1.1总传热速率方程的微分形式通过换热器中任一微元面积dS的间壁两侧流体的传热速率方程，可仿照对流传热速率方程写出，即：dQ=K(T-t)dS=KΔtdS式中：K－局部总传热系数，W/(m2.℃)T－换热器任一截面上热流体的平均温度，℃t－换热器任一截面上冷流体的平均温度，℃上式为总传热速率微分方程式，也是总传热系数的定义式〖说明〗1.K的物理意义当Δt=1℃时，K=dQ/dS物理意义：冷热流体温度差为1℃时，单位面积单位时间内导入(或导出)的热量，J或：总传热系数在数值上等于单位温度差下的总传热通量。2.K的倒数的含义总传热系数倒数1/K代表间壁两侧流体传热的总热阻。3.K须和所选择的传热面积相对应所选传热面积不同，K的数值也不同：dQ=Ki(T-t)dSi=Ko(T-t)dSo=Km(T-t)dSm∵dQ、(T-t)与选择的基准面积无关6.2.1.2传热量的计算－热量衡算方程换热器的传热计算中，首先需计算换热器的传热量。传热量(热负荷)：单位时间内通过换热器任一截面的热量。通过热量衡算获得：假设换热器保温良好，热损失可以忽略，则在单位时间换热器中热流体放出的热量等于冷流体吸收的热量。对换热器微元面积dS：dQ=-WhdIh＝WcdIc对整个换热器：Q=Wh(Ih1-Ih2)=Wc(Ic2-Ic1)1.无相变时的热负荷计算若换热器中两流体无相变化，且流体的比热不随温度而变或去平均比热时