能源是當前人類面臨的重要問題之一,能源開發及轉換利用已成為各國的重要課題,而換熱器是能源利用過程中必不可少的設備,幾乎一切工業領域都要使用,化工、冶金、動力、交通、航空與航天等部門應用尤為廣泛。近幾年由于新技術發展和新能源開發利用,各種類型的換熱器越來越受到工業界的重視,而換熱器又是節能措施中較為關鍵的設備,因此,無論是從工業的發展,還是從能源的有效利用,換熱器的合理設計、制造、選型和運行都具有非常重要的意義。
1．換熱器的分類
1.1直接傳熱式換熱器
一種不需傳熱壁面,由冷流體與熱流體直接接觸進行換熱的操作過程的換熱器,此類換熱器常用于工業生產中。
1.2間壁傳熱式換熱器
冷、熱流體通過管子、板等壁面進行熱量交換的傳熱操作過程的換熱器,是最普通的也最常用的換熱器,冷、熱流體都是流體,可以是空氣、煙氣、蒸汽、水。這是本文重點進行討論的換熱器類型。
1.3蓄熱式換熱器。
系間歇傳熱,在廢熱再生器中是切實可行有效的回收廢熱的方式,常被用于回收燃燒氣體的廢熱以及蒸汽等用量不均時作為調節手段。
2、幾種換熱器的特點及使用
在實際設計選型中,往往是已知高溫流體與低溫流體的兩側進出口溫度,在做工藝設計選型時,需要考慮的是有盡可能小的換熱面積下,有盡可能大的換熱速率,以及較低的設備造價及施工費。另外,在操作運行及維護清洗較方便的前提下考慮換熱器的設計選型。傳熱基本方程式:
Q=UAΔt Kcal/h;
式中:U為傳熱系數,Kcal/m2.h.℃;A為傳熱面積,m2;Δt為通過兩種流體邊界層的平均溫度。換熱器的給熱系數h,Kcal/m2.h.℃和流速u,m/s有如下關系:
管程給熱系數ht:
層流區(Re≤2100) ht∝u0.33t
過渡流區(2100≤Re≤10000)ht∝u0.33～0.8t
紊流區(Re≥10000)ht∝u0.8t
殼程給熱系數hg:
殼程流體因垂直流過管束,所以流型較亂,層流、紊流區沒有明顯的區別:ht∝u0.55g對應的壓力降ΔP、kg/cm2,管程和殼程大體相同:層流、過渡流區ΔP∝u1.0t紊流區ΔP∝u1.8t從上式可以看出,在一定的流速下,雷諾數越大,傳熱系數越大,同時,壓力降也越大。
2.1管殼式換熱器。
管殼式換熱器是最常用的普通結構,它包括:固定管板式換熱器、U型管殼式換熱器、帶膨脹節式換熱器、浮頭式換熱器、分段式換熱器、套管式換熱器等。固定管板式換熱器具有結構簡單、重量輕、造價低等優點;缺點就是由于熱膨脹而引起管子拉彎。
U型管殼式換熱器就是克服此缺點將管子作成“U”型,一端固定另一端活動,使得換熱器不受膨脹的影響,結構較簡單,重量輕,其缺點是不能機械清洗、管子不便拆換、單位容量及單位質量的傳熱量低,適用于溫差大、管內流體介質比較干凈的場合。帶膨脹節式換熱器可解決膨脹問題,用膨脹接頭的結構,故適用溫差大的流體和高壓流體,因為可將接頭拆下來進行清洗,所以可處理易結垢流體,而對低壓氣體則不適宜,但其缺點就是制造復雜。浮頭式管殼換熱器,其浮頭不與外殼相連,可自由伸縮,這樣既解決了熱膨脹的問題,也方便清洗,檢修時可將管芯抽出即可。對于固定管板、列管、套管式換熱器每一外殼容積為1m3時,其傳熱面積約為30～40m3。對U型管殼式換熱器、浮頭式換熱器每一外殼容積為1m3時,其傳熱面積為70m2左右。
2.2板式換熱器。
由于板式換熱器的傳熱面上可以壓出凹凸形排液槽,在較低的雷諾數條件下既可出現紊流狀態,故換熱系數較高,一般可達3000～5000Kcal/m2.h.℃,與同樣流速下的管殼式換熱器相比,此值約為管殼式換熱器的傳熱系數的3～5倍,雖然,這時板式換熱器的阻力會大一些,如在同樣耗功的條件下相比,則板式換熱器的放熱系數比管殼式的高一倍左右。
由于板式換熱器的結構緊湊、空隙小、因而單位體積的傳熱面積增大,其安裝面積約為管殼式的1/2～1/3,可節省占地面積與施工費用,每一外殼容積為1m3時,其傳熱面積為80m2左右,另外,板式換熱器容易增減換熱面積,對于管殼式換熱器在需要增加液體的處理量時,原有熱交換器的傳熱面積幾乎不可能增加,但板式換熱器的傳熱面積卻很容易增加,從而增加處理能力,另外,板式換熱器只有傳熱板的外殼板暴露在大氣中,因此,散熱損失可忽略不計,也不需保溫措施。板式換熱器在運行維護方面的特點之一就是裝拆比較方便,甚至可以不必完全拆開,僅把壓緊螺栓松開就可抽出板片清洗、更換墊圈,以至更換板片。這對于換熱介質容易產生沉積的物料就顯得尤為重要。允許用的溫度和壓力方面:用于板式換熱器靠每兩板片之間的墊圈,來防止物料泄漏,因而它的密封周邊的總長非常長,防止墊圈泄漏是板式換熱器的一個重要環節,墊圈能承受的溫度、壓力和化學穩定性也常常成為板式換熱器使用的溫度和壓力極限以及允許用的物料范圍。另外,由于傳熱面之間的間隙小,傳熱面上有凹凸,因此比傳統的光滑的壓力損失大,另外,板式換熱器所承受的工作壓力較低。
2.3板翅式換熱器。
由于翅片的特殊結構,使流體在通道中形成強烈的紊動,就使熱阻邊界層不斷破壞,從而有效地降低了熱阻,提高了傳熱效率。一般沸水的給熱系數是1500～30000Kcal/m2.h.℃。另外板翅式換熱器的結構比較緊湊,單位體積的傳熱面積,一般要比列管式換熱器熱效率大5倍以上,每一外殼容積為1m3時,其傳熱面積為160m2左右。板翅式換熱器較輕巧而牢固,由于翅片很薄,一般為0.2～0.3mm,而由于結構緊湊、體積小,一般有用鋁制造,因而重量很輕,同時,翅片既是主要的傳熱表面,又是兩隔板的支撐,故強度高。板翅式換熱器適應性強,在同一設備內可允許有2～9種介質換熱,且可用于氣體—氣體、氣體—液體、液體—液體之間的熱交換。主要缺點:因流道狹小,容易引起堵塞而增大阻力降,當換熱器結垢以后,清洗十分困難,而且由于換熱器的隔板和翅片都是很薄的鋁板(箔)作成,故要求介質對鋁不產生腐蝕,若一旦腐蝕而造成內部串漏,則很難修補。
3。熱管式換熱器
熱管是利用封裝在密閉容器內液體的蒸發與凝結過程,有效地輸送熱量的一種傳熱裝置。用若干熱管作為換熱元件而組裝的換熱器稱為熱管式換熱器。熱管式換熱器多用于氣—氣熱交換,這時,熱管兩端的受熱段和放熱段裝有翅片,以提高傳熱效果。熱管式換熱器優點在于傳熱面基本上是等溫的,每單位體積的傳熱面積較大,選擇不同的工作工質,可使熱管在不同的溫度條件下使用,結構比較簡單,由熱膨脹等引起的問題較小。但是,熱管式換熱器的首要問題,是作為傳熱元件的熱管內的工質對于所使用的工作環境是有一定臨界熱輸送量和工作溫度的極限的,如果超越這一極限溫度繼續工作,則蒸發段就會“燒干”而停止工作。4結束語
在伴有加熱或冷卻的操作中,總是存在著各種各樣的傳熱過程,狹義的換熱器僅注意回收熱量的意義,只是看到傳熱裝置,回收熱量的不同和回收的有效程度等的重要性。但通過換熱器對廢熱的回收,使冷流體熱焓值得到提高,從而進一步有效地利用了這些廢熱,這就使換熱器有了新的價值,同時對其他也有了新的認識。一般對換熱器總是希望冷流體出口溫度高些才有利,但是,也不能要求有無限大的傳熱面積。同時,又因為冷流體兩種流體流量比、流體狀態、有無傳熱壁面、設備結構、操作方法等因素,不僅影響傳熱設備,同時也影響傳熱過程,所以,對這些因素不僅明確地加以區別是比較困難的,而且也受到換熱器選型范圍的約束。
