能源利用不可少-换热器设计选型与使用

      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。
   1 换热器的分类
   1.1 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。
   1.2 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。
   1.3 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。
    2 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:从上式可以看出,在一定的流速下,雷诺数越大,传热系数越大,同时,压力降也越大。
   2.1 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1m3时,其传热面积约为30～40m3。对U型管壳式换热器、浮头式换热器每一外壳容积为1m3时,其传热面积为70m2左右。
    2.2 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3000～5000Kcal/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1m3时,其传热面积为80m2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。
    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。允许用的温度和压力方面:用于板式换热器靠每两板片之间的垫圈,来防止物料泄漏,因而它的密封周边的总长非常长,防止垫圈泄漏是板式换热器的一个重要环节,垫圈能承受的温度、压力和化学稳定性也常常成为板式换热器使用的温度和压力极限以及允许用的物料范围。另外,由于传热面之间的间隙小,传热面上有凹凸,因此比传统的光滑的压力损失大,另外,板式换热器所承受的工作压力较低。
    2.3 板翅式换热器。由于翅片的特殊结构,使流体在通道中形成强烈的紊动,就使热阻边界层不断破坏,从而有效地降低了热阻,提高了传热效率。一般沸水的给热系数是1500～30000Kcal/m2.h.℃。另外板翅式换热器的结构比较紧凑,单位体积的传热面积,一般要比列管式换热器热效率大5倍以上,每一外壳容积为1m3时,其传热面积为160m2左右。板翅式换热器较轻巧而牢固,由于翅片很薄,一般为0.2～0.3mm,而由于结构紧凑、体积小,一般有用铝制造,因而重量很轻,同时,翅片既是主要的传热表面,又是两隔板的支撑,故强度高。板翅式换热器适应性强,在同一设备内可允许有2～9种介质换热,且可用于气体—气体、气体—液体、液体—液体之间的热交换。主要缺点:因流道狭小,容易引起堵塞而增大阻力降,当换热器结垢以后,清洗十分困难,而且由于换热器的隔板和翅片都是很薄的铝板(箔)作成,故要求介质对铝不产生腐蚀,若一旦腐蚀而造成内部串漏,则很难修补。
    3、热管式换热器热管是利用封装在密闭容器内液体的蒸发与凝结过程,有效地输送热量的一种传热装置。用若干热管作为换热元件而组装的换热器称为热管式换热器。热管式换热器多用于气—气热交换,这时,热管两端的受热段和放热段装有翅片,以提高传热效果。热管式换热器优点在于传热面基本上是等温的,每单位体积的传热面积较大,选择不同的工作工质,可使热管在不同的温度条件下使用,结构比较简单,由热膨胀等引起的问题较小。但是,热管式换热器的首要问题,是作为传热元件的热管内的工质对于所使用的工作环境是有一定临界热输送量和工作温度的极限的,如果超越这一极限温度继续工作,则蒸发段就会“烧干”而停止工作。
  

    在伴有加热或冷却的操作中,总是存在着各种各样的传热过程,狭义的换热器仅注意回收热量的意义,只是看到传热装置,回收热量的不同和回收的有效程度等的重要性。但通过换热器对废热的回收,使冷流体热焓值得到提高,从而进一步有效地利用了这些废热,这就使换热器有了新的价值,同时对其他也有了新的认识。一般对换热器总是希望冷流体出口温度高些才有利,但是,也不能要求有无限大的传热面积。同时,又因为冷流体两种流体流量比、流体状态、有无传热壁面、设备结构、操作方法等因素,不仅影响传热设备,同时也影响传热过程,所以,对这些因素不仅明确地加以区别是比较困难的,而且也受到换热器选型范围的约束。