换热设备设计中应注意的问题

原创 胡伟明  2020-08-01 20:56:00  阅读 116 次 评论 0 条
摘要:

无论是换热设备的设计计算或是校核计算,一般均应考虑下列问题。①首先必须满足工艺要求。②换热设备中换热介质参数(流速、允许压降、温度等)的合理选取。在换热设备中,介质流速高,传热系数大,在热负荷一定情况下,可使传热面积减小,设备结构紧凑,不仅节省投资,而且有利于减缓或抑制污垢的形成,但同时,介质流速高,压降增大,而且介质对传热面的冲蚀加剧,并容易产生流体诱导振动破坏等。计算表明,随着介质流速的增大,压降的增大速率远大于传热系数的增大速率。因此,介质速度的选取应考虑压降的合理性,尽可能在允许压降范围

无论是换热设备的设计计算或是校核计算,一般均应考虑下列问题。

①首先必须满足工艺要求。

②换热设备中换热介质参数(流速、允许压降、温度等)的合理选取。

在换热设备中,介质流速高,传热系数大,在热负荷一定情况下,可使传热面积减小,设备结构紧凑,不仅节省投资,而且有利于减缓或抑制污垢的形成,但同时,介质流速高,压降增大,而且介质对传热面的冲蚀加剧,并容易产生流体诱导振动破坏等。计算表明,随着介质流速的增大,压降的增大速率远大于传热系数的增大速率。因此,介质速度的选取应考虑压降的合理性,尽可能在允许压降范围内,提高流速,以加大传热系数。

介质温度和工作压力一样,通常由工艺过程的实际情况或由设计者根据需要来决定,但介质温度过高或过低都可能出现结垢、结晶等现象,反而导致传热恶化,同时介质的温度或温度差会对换热设备材质选用及热补偿要求等产生影响;换热终温对换热设备效率和传热强度有很大影响,当热,冷介质进行逆流换热时,如冷流体出口终温接近热流体的进口温度,则热利用率最大,但传热强度最小,需要的传热面积最大。

③合理安排流程,以便获得较大的传热系数,并使热、冷流体的流向尽可能接近逆流。

④换热设备结构参数的合理选择主要包括结构型式、尺寸和材质等方面。

如对于管壳式换热器,须合理确定管程数和壳程形式,管程数有1~12程多种,常用有1,2,4管程,管程数增加,管内流速增加,传热系数也增加,但管内流速要受到管程压降等限制。壳程也有多种形式,如单壳程、双壳程等,管束支撑形式也可采用多种结构,如常用的圆缺形折流板、环盘形折流板、螺旋形折流板,折流杆式支撑等。换热管管径愈小换热器愈紧凑,愈便宜,但是管径愈小换热器的压降将增加,换热管在管板上布置主要有正方形和三角形两种形式,三角形布置有利于壳程流体的湍流,正方形布置有利于壳程清洗。

⑤设计计算时,应注意定性尺寸的计算。在努塞尔特数、雷诺数等的定义式中均有定性尺寸,通常是选取对流体运动或传热发生主导影响的尺寸作为定性尺寸。例如,在圆管内的换热过程取管子内径,而对非圆形管道则取其当量直径。

⑥粘度修正。在某些准则方程式中,为了考虑非定温流动和热流方向对换热的影响,常乘有因子的修正项。此修正项的计算,往往由于壁温未知而采用试差法;但也可取近似值:液体被加热时,取1.05,液体被冷却则取0.95,对气体,则不论加热或冷却,均可取1.0。

⑦在达到所需工艺要求的前提下,应使设备费、操作费和维护费之和为最低。

⑧考虑采用各种强化传热措施。

如对于管壳式换热器,由传热基本方程可见,增大总传热系数、传热面积和有效平均温差均可提高传热效率,强化传热。

增大传热面积,不是单纯增大换热设备的尺寸,而要增大单位体积内的换热面积,使设备紧凑、结构合理,如采用小直径管子、翅片管等:

物料的进出口温度主要取决于工艺条件,虽可采用选择介质及其流量不同而加大有效平均温差(如提高加热蒸气压力以提高加热温度、加大冷却水流量以降低冷却水出口温度),但须考虑其技术可行性与经济合理性。

提高总传热系数是强化传热的重要途径,由传热系数方程式可见,提高总传热系数K必须从提高换热设备间壁两侧的给热系数以及降低污垢热阻等入手。污垢热阻随操作时间增长逐渐加大,可能成为影响传热的主要因素,应通过各种方法减缓污垢的形成与发展。强化传热的重点是提高间壁两侧表面的给热系数,提高换热设备间壁两侧给热系数中较小侧的给热系数可使总传热系数显著增大;提高间壁两侧给热系数的方法可分为无源强化技术和有源强化技术两类,日前无源强化技术主要有处理表面、粗糙表面、扩展表面、扰流元件、螺旋管、添加物等方法;有源强化技术主要有机械搅拌、表面振动,流体振动、电磁场等方法,此外也可采用两种或两种以上强化措施同时采用的复合强化技术。各种强化传热技术都有一定的适用范围,在换热设备设计计算时,须视具体情况而定。


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