第六章传热设备

1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2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。3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。一.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)：1)不清洁的物料走管内（对于直管管束而言）；2)α小的流体走管内；3)腐蚀性物料走管内；4)高压流体走管内；5)经保温（冷）的流体走管内；6)蒸汽一般走壳程；7)粘度大的流体走壳程(装有挡板时)。二.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5～30m/s壳程3～15m/s三.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、24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×NP2udlP2iλ△为直管阻力损失2u3P2r△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2ud)1N(Dp20lBss)td1(BDVSVuudRR72.10S0S00ee19.0es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/(K△tm)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、α0、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图6-7壳程流体流径长度示意图5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：212212S1S11dd1ddRR11K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。