换热器的设计.docx
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换热器的设计.docx
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换热器的设计
一、设计概述
1、热量传递的概念和意义
⑴传热的概念
传热是指由于温度差引起的能量转移,又称热传递。
根据热力学第二定理可知,凡是存在温度的差异,就必然导致热量自发地从高温处向低温处传递。
⑵传热的意义
在化工生产中,众多物料的加热与冷却、高温或低温操作设备的保温、以及废热的回收等都是传热过程,许多单元操作如蒸发、精馏、干燥、吸收等无不直接或间接与传热有关。
所以传热是最常见的重要单元操作之一。
归纳起来化工生产中对传热过程的要求经常有以下两种情况:
强化传热过程,如各种换热设备中的传热。
削弱传热过程,如设备和管道的保温,以减少热损失。
⑶传热的方式
根据传热机理的不同,热传递有三种基本方式:
传导、对流和热辐射。
1热传导(又称导热)
若物体各部分之间不发生相对位移,仅借分子、原子和自由电子等微观粒子的热运动而引起的热量传递称为热传导﹙又称导热﹚。
热传导的条件是系统两部分之间存在温度差,此时热量将从高温部分传向低温部分,或从高温物体传向它接触的低温物体,直至整个物体的各部分温度相等为止。
热传导在固体,液体和气体中均可进行。
2热对流
流体各部分之间发生相对位移所引起的热传递过程称为热对流。
热对流仅发生在流体中。
在流体中产生对流的原因有二:
一是因流体中各处的温度不同而引起密度的差别,使轻者上浮,重者下沉,流体质点产生相对位移,这种对流称为自然对流;二是因泵(风机)或搅拌等外力所致的质点强制运动,这种对流称为强制对流。
在化工传热过程中,常遇到的并非单纯对流方式,而是流体流过固体表面时发生的对流和热传导联合作用的传热过程,即是热由流体传到固体表面(或反之)的过程,通常将它称为对流传热(又称给热)。
对流传热的特点是靠近壁面附近的流体层中依靠热传导方式传热,而在流体主体中则主要依靠对流方式传热。
3热辐射
因热的原因而产生的电磁波在空间的传递,称为热辐射。
所有物体都(包括固体、液体和气体)都能将热能以电磁波形式发射出去,而不需要任何介质,也就是说它可以在真空中传播。
物体之间相互辐射和吸收能量的总结果称为辐射传热。
由于高温物体发射的能量比吸收的多,而低温物体则相反,从而使净热量从高温物体传向低温物体。
辐射传热的特点是:
不仅有能量的传递,而且还有能量形式的转移,即在放热处,热能转变为辐射能,以电磁波的形式向空间传递;当遇到另一个能吸收辐射能的物体时,即被部分地或全部地吸收而转变为热能。
实际上,上述三种基本传热方式,在传热过程中常常不是单独存在的,而是两种或三种传热方式的组合,称为复杂传热。
2、换热器的概念和意义
⑴换热器的概念
换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备,又称热交换器。
⑵换热器的意义
换热器是化学、石油化学及石油炼制工业中以及其他一些行业中广泛使用的热量交换设备,它不仅可以单独作为加热器、冷却器使用,而且是一些华工单元操作的重要附属设备,因此在化工生产中占有重要的地位。
通常在化工厂的建设中换热器投资比例为11%在炼油厂中高达40%,随着化学工业的迅速发展及能源价格的提高,换热器的投资比例将进一步加大,因此,对换热器的研究一直十分活跃,一些新型高效换热器相继问世,换热器是实现传热过程的基本设备。
在工业生产中有时把换热器作为一个单独的化工设备,有时把它作为某一公共设备中的组成部分,合成塔中的下部热交换器,精馏塔底部的再沸器和顶部的汇流冷凝器或分凝器,其他如回收放出去的高温气体的废液所用的废热锅炉。
有时再生产中也是不可缺少的。
总之,换热器在化工生产的应用是十分广泛的,任何化工生产工艺都几乎离不开它。
在化工生产中为了工艺流程的需要往往进行着各种不同的换热过程如:
加热,冷却,蒸发,和冷凝等。
换热器就是用来进行这些传递过程的设备。
通过这种设备,以便使热量从温度较高的流体传递给另一温度较低的流体,以满足工艺上的要求。
⒊换热器的类型
3、换热器的分类及其特点:
换热器按其传热特征,可分为下列三类:
a.间壁式
这一类换热器的特点是冷热两流体间被固体壁面(传热面)所隔开,不相混合,通过间壁进行热量的交换。
这一类换热器中以列管式换热器最为常用,将于下面重点介绍。
其他常用的间壁式换热器介绍如下:
(1)板式换热器
1)夹套式换热器
夹套式换热器主要应用于反应过程的加热或冷却。
在用蒸汽进行加热时,蒸汽由上部接管进入夹套,冷凝水则有下部接管流出。
作为冷却气时,冷却介质由夹套下部的接管进入,而由上部接管流出。
这种换热器的传热系数较低,传热面又受容器的限制,因此适用于传热量不太大的场合。
为了提高其传热性能,可在容器内安装搅拌器,使其内液体做强制对流;为了弥补传热面的不足,还可在其内安装蛇管等。
2)板式换热器
板式换热器的优点是:
结构紧凑,单位体积设备所提供的传热面积大;总传热系数高,如对低粘度液体的传热,K值可高达7000W/(
·oC);可根据需要增减板数以调节传热面积,检修和清洗都比较方便。
其缺点是:
处理量不太大;操作压强较低,一般低于1500kPa,最高也不超过2000kPa;因受垫片耐热性能的限制,操作温度不能过高,一般对合成橡胶垫圈不超过130oC,压缩石棉垫圈低于250oC。
3)螺旋板式换热器
螺旋板式换热器的优点是:
总传热系数高;不易堵塞和结垢;能利用低温热源和精密控制温度;结构紧凑。
其缺点是:
操作压强和温度不宜太高,目前最高操作压强为2000kPa,,温度约在400oC以下;不易检修,因整个换热器为卷制而成,一旦发生泄露,修理内部很困难。
(2)翅片式换热器
1)翅片管换热器
翅片式换热器的结构特点是在管子表面上装有径向或轴向翅片。
翅片的种类很多,按翅片的高度不同,可分为高翅片和低翅片两种,地翅片一般为螺纹管。
高翅片适用于管内、外对流传热系数相差较大的场合,现已广泛的应用于空气冷却器长,地翅片适用于两流体的对流传热系数不太大的场合,如对粘度较大液体的加热或冷却等。
2)板翅式换热器
板翅式换热器的主要优点是:
总传热系数高,传热效果好;结构紧凑;轻巧牢固;适应性强,操作范围广。
主要缺点是:
由于设备流到很小,故易堵塞,而且增大了压强降;换热器一旦结垢,清洗和检修很困难,所以处理的物料应较洁净或预先进行精制;由于隔板和翅片都有薄铝片制成,故要求介质对铝不发生腐蚀。
(3)热管换热器
以热管为基本传热单元的热管传热器是一种新型的高效换热器,它是由热管束、壳体和隔板构成,冷热流体被隔板隔开。
当热源对热管一端供热时,工作液自热源吸收热量而蒸发汽化,蒸汽在压差作用下高速流动至热管的另一端,并向冷源放出潜热后凝结,冷凝液回至热端,并被再次沸腾汽化。
过程如此反复循环,热量不断的从热端传至冷端。
热管传热的特点是通过沸腾和气化、蒸汽流动和蒸汽冷凝三步进行。
由于沸腾及冷凝的对流传热系数很大,而蒸汽的流动阻力有较小,因此热管两端的温度差很小,它特别适用于低温差的传热。
热管换热器具有结构简单、使用寿命长、工作可靠、应用范围广等特点,它可用于气-气、气-液和液-液间的换热过程。
(4)管式换热器
1)蛇管式换热器
可分为两类,沉浸式蛇管换热器和喷淋式换热器。
前者换热器的优点是结构简单,价格低廉,便于防腐蚀,能承受高压。
主要缺点是由于容器的体积较蛇管的体积大得多,故管外流体的
较小,因而总传热系数K值也较小。
而后者便于检修和清洗、传热效果也较好等优点,缺点是喷淋不易均匀。
图1为常见的几种蛇管的形状,图2为喷淋式换热器。
图1 蛇管的形状
图2 喷淋式换热器
2)套管式
套管换热器系用管件将两种尺寸不同的标准管连接成同心圆的套管然后用180度的回弯管将多段管套串联而成。
如图3所示。
每一段套管称为一程,程数可根据传热要求而增减。
每程的有效长度为4-6m,若管子太长,管中间会向下弯曲,是环形中的流体分布不均匀。
其优点是构造简单,能耐高温;传热面积可根据需要而增减;适当地选择管内外径,可使流体的流速较大;且双方的流体做严格的逆流,有利于传热。
缺点为管间接头较多,易发生泄露;单位长度传热面积较小。
图3 套管式换热器
3)管壳式换热器
管壳式换热器又称列管式换热器。
管壳式换热器主要优点是:
单位体积具有的传热面积较大以及传热效果较好;此外,结构简单,制造的材料范围较广,操作弹性也较大等。
因此在高温、高压和大型装置上多采用管壳式换热器。
管壳式换热器中,由于两流体的温度不同,管束和管壳的温度也不相同,因此它们的热膨胀也有差别。
若两流体的温度差较大时,就可能由于热应力而引起设备变形,甚至弯曲后破裂,因此必须考虑这种热膨胀的影响。
根据热补偿方法的不同,管式换热器有下面几种形式。
(a)固定管板式
如图4所示,单程管壳式换热器即为固定管板式换热器。
固定管板式即两端管板和壳体连接成一体,因此它具有结构简单和造价低廉的优点。
但是由于壳程不易检修和清洗,因此壳方流体应是较洁净且不易结垢的物料两流体的温度差较大时,应考虑热补偿。
图4-42为具有补偿圈(或称膨胀节)的固定板式换热器,即在外壳的适当部位焊上一个补偿圈,当外壳和管束热膨胀不同时,补偿圈发生弹性变形(拉伸或压缩),以适应外壳和管束不同的热膨胀程度。
这种热补偿方法简单,但不易用于两流体温度差太大(不大于70度)和壳方流体压强过高(一般不高于600kPa)的场合。
图4单程管壳式换热器
(b)U形管换热器
U形管换热器如图5所示。
管子弯成U形,管子的两端固定在同一管板上,因此每根管子可以自由伸缩,而与其他管子及壳体无关。
这种类型换热器的机构也比较简单,重量轻,使用于高温和高压的场合。
其主要缺点是:
管内清洗比较困难,因此管内流体必须洁净;切因管子需一定的弯曲半径,故管板的利用率较差。
图5 U形管换热器
(c)浮头式换热器
浮头式换热器如图6所示,两端管板之一不与外壳固定连接,该端称为浮头。
当管子受热或受冷是管束连同浮头可以自由伸缩,而与外壳的膨胀无关。
浮头式换热器不但可以补偿热膨胀,而且由于固定端的管板是以法兰与壳体相连接的,因此管束可以从壳体中抽出便于清洗和检修,故浮头式换热器应用较为普遍。
但该种换热器结构较复杂,金属耗量较多造价也较高。
图6浮头式换热器
b.直接接触式
所采用的设备称为混合式换热器。
和上一类相反,冷热两流体在这类换热器中是以直接混合的方式进行热量交换的。
这种换热方式的优点是传热效果好,设备简单,但其仅对于工艺上允许两流体相互混合的情况。
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