DOC《第六章 传热设备》

第六章 传热设备 6-1传热设备类型 一.

按用途分: 1)热量输入设备: 加热器 蒸发器 再沸器 2) 热量输出设备: 冷凝器 冷却器 二. 按接触状态分: 1)间接接触式,应用最广泛 2)直接接触式 3)蓄热式 参见图6-1 图6-1 蓄热式换热器 图6-2 夹套式换热器 三. 按传热特征分: 1. 间壁式 传热的冷热流体用金属、石墨等壁面隔开,通过壁面导热和流体对流进行热量传递,用得最多.按结构的不同,间壁式换热器又可分为 1)夹套式 其结构如图6-2所示.广泛应用于反应器的加热或冷却.其优点是:结构简单,特别适合于釜式反应器的热交换.其缺点是传热面积小,不耐高压,作冷却器用时通冷却水,对流传热系数较小. 2)蛇管式换热器 a 沉浸式 沉浸式换热器沉浸于热交换的流体中,如图6-3所示.某些电加热器即做成蛇管沉浸式换热器. 优点:可做成任意形状,结构简单,耐高压,便于防腐. 缺点:传热面积小,控制热阻为管外流体的对流传热系数,较小.通过管外搅拌可提高传热系数. b 喷淋式 喷淋式换热器如图6-3所示.常用于冷却或冷凝管内流体,管外用自来水喷淋,化肥厂 图6-3 沉浸式换热器 图6-4 沉浸式换热器 中可见使用. 优点:结构简单,造价低,耐高压,装在室外便于检修和清洗. 缺点:喷淋不均匀造成传热不均匀. 3.套管式换热器 各程可串联成一组使用,如图6-5所示.还可将若干组并联使用. 优点:传热系数K较大,且为严格逆流,tm较大. 缺点:接头多,易泄漏,占地较大,材料消耗量大. 适合流量不大,所需传热面积不大的场合.图6-5 套管式换热器 4.列管式换热器 由壳体、管束、管板(又称花板,固定管子用)、顶盖(又称封头)等组成,如图6-6所示. 图6-6 列管式换热器 列管式换热器是目前应用最广泛得一种换热器. 由于走管程和走壳程的两种流体温度不同,管子受热膨胀和壳体受热膨胀的程度不同,当两流体的温度差大于50℃时,如果将管束和壳体焊成一体,则因两者受热膨胀程度差别较大,可能将管子扭曲(当管内流体温度高于管外流体时)或将管子从管板上拉松(当管内流体温度低于管外流体时),此时,就要考虑采取热补偿措施. 列管式换热器的种类较多,按照有无热补偿或补偿方式的差别,主要有下列几种. (1) 固定管板式换热器 管束和壳焊成一体,适应于两流体的温差较小,管外流体较清洁,不易结垢的场合. 若在壳体上作一个可伸缩的补偿圈,则固定管板列管式换热器也可用于两流体,温差较大的场合. 补偿圈结构见图6-6. (2) 浮头式换热器 其结构见教材270图6-11.管板的一端固定在壳体的花板上,另一端则不被花板固定,可以自由伸缩,这样既解决了热补偿问题,且管束可以从壳体中拆卸出来,便于清洁,因而应用较广泛,使用于高温高压. 浮头式换热器的缺点是结构复杂,造价高. (3) U形管式换热器 其结构见教材270图6-12.管子做成U形,弯曲端悬空,以此解决热补偿问题,结构较浮头式简单,同样适合于高温高压,缺点是管内的清洁较困难. 6-2 列管式换热器的选用和设计 目前,列管式换热器已经标准化、系列化,供人们选用.选用时,须依据工艺条件(冷热流体性质、流量、进出口温度等,即前述设计型问题)进行设计计算,依计算结果进行选用. 流程的选择 冷热流体何者走管程,何者走壳程,可据下列一般原则确定(逐一解释理由): 不清洁的物料走管内(对于直管管束而言);

α小的流体走管内;

腐蚀性物料走管内;

高压流体走管内;

经保温(冷)的流体走管内;

蒸汽一般走壳程;

粘度大的流体走壳程(装有挡板时). 流速的选择 液体流速的选择主要依据粘度大小而定,一般液体的流速选择范围为: 管程 0.5~3m/s 壳程 0.2~1.5m/s 粘度大的液体流速取小值,粘度小的液体流速取大值. 气体的流速选择范围为: 管程 5~30 m/s 壳程 3~15m/s 换热管规格及其在管板上排列方法. 换热器采用φ19*2 和φ25*2.5(不锈钢用φ2.5*2)两种规格,长度有1.5米、2米、3米、6米等几种,3米和6米最常用. 排列方式有正三角形排列、正方形排列和正方形错列3种. 四.阻力损失计算 1.管程阻力损失 Pt=( Pi+Pr)*Ns*NP 为直管阻力损失 为局部阻力损失,包括进出口、回弯 式中:Ns 为壳程数;

NP 为每一壳程内的管程数 2.壳程阻力损失:经验式 式中(NB+1)为流体在壳体内挡板间折转的次数,D(NB+1)相当于Le(流体在壳程内所流过的当量长度),参见图6-7所示. 六.选用和设计计算步骤 1. 计算Q和tm,由流体的性质估计一个K值,由A=Q/(Ktm)估算传热面积;

2. 确定流体流程,即两流体何种走管程,何种壳程.初选流速,初求管数n,管程数N,折流挡板间距B,从标准系列中初选合适型号的换热器;

3. 核算总传热系数K 求算 αi、α

0、内外RS→求算K并与初估值比较,若差别较大(一般如此),则由求出的K值重复上述计算,直到K的初值与新算值相近为止;

4. 由最终得到的K值求传热面积A,选用的换热器面积应比计算值大10~15%;

5. 计算管、壳程阻力损失. 具体见教材P273计算实例. 6-3 换热器的强化途径 由传热方程Q=K.A.tm出发,从三方面采取强化措施 1. 提高传热面积A 这里指的是提高单位体积传热设备内的传热面积,因为如果靠增大设备体积的办法来增加传热面积是没有意义的. 增大单位体积设备内的传热面积可从改进传热面积结构入手,如采用各种螺纹管、波纹管代替光滑管,在管道上安装翅片(如翅片管换热器,板翅式换热器)以增加传热面积等等.总的原则是:从结构上加以改进,创造一些单位体积设备内有较大的传热面积、高效紧凑的换热器. 2.提高tm 这里提高tm不是靠扩大冷热流体的温度差的办法,因为从节能的观点出发,应尽可能在低温差条件下进行传热(这样可减少热损失).提高tm指的是在冷热流体进出口温度规定的情况下,尽可能从结构上采取逆流或接近于逆流的流向以得到较大的tm值. 3.提高传热系数 管壁热阻一般较小,故K由下式求得: K1的大小,由分母各项热阻大小所决定,但各项所占比重不同,K1的数值与各热阻项中最大的项接近,称为控制热阻,故主要应考虑减小控制热阻,即提高α或减小RS. 提高α的原则是增大流体湍动程度,如搅拌、加挡板、翅片等.上述的螺纹管和波纹管也能增大湍动程度,提高α,但要注意,增大流体湍动程度的措施一般会使流体流动阻力增大,故要全面权衡. 减小RS的办法有提高流速,延缓垢层形成速度及定期清洁垢层. 6-4其他类型换热器 有板式换热器、螺旋板式换热器、板翅式换热器、翅片管换热器、空气冷却器等,这些换热器是设计较成熟的新型换热器,它们或者强化了传热效果,或者适用于一些比较特殊的场合(如压力、温度较低,流量小,或强腐蚀场合). 详细内容参见教材P270~280.