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气体接收讲稿

日期:2019-10-03 20:35 来源: 管式换热器

  气体吸收讲稿_化学_自然科学_专业资料。6.7 换热器 换热器是化工、石油、食品及其他许多工业部门的通用设备,在生产中占有重要地位。化工生产中, 换热器可作为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等,应用甚为广泛。由于生产规模、物料的性质、

  6.7 换热器 换热器是化工、石油、食品及其他许多工业部门的通用设备,在生产中占有重要地位。化工生产中, 换热器可作为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等,应用甚为广泛。由于生产规模、物料的性质、 传热的要求等各不相同,故换热器的类型也是多种多样。根据冷、热流体热量交换的原理和方式基本上可 分为三大类:混合式、蓄热式、间壁式。 6.7.1 直接接触式(混合式) 在这类换热器中,冷热两种流体通过直接混合进行热量交换。在工艺上允许两种流体相互混合的情况 下,这是比较方便和有效的,且其结构比较简单。直接接触式换热器常用于气体的冷却或水蒸汽的冷凝。 6.7.2 蓄热式 蓄热式换热器又称为蓄热器,它主要由热容量较大的蓄热室构成,室中可填耐火砖或金属带等作为填 料。当冷、热两种流体交替地通过同一蓄热室时,即可通过填料将得自热流体的热量,传递给冷流体,达 到换热的目的。这类换热器的结构简单,且可耐高温,常用于气体的余热及其冷量的利用。其缺点是设备 体积较大,而且两种流体交替时难免有一定程度的混合。 6.7.3 间壁式 这一类换热器的特点是在冷热两种流体之间用一金属壁(或石墨等导热性好的非金属)隔开,以使两 种流体在不相混合的情况下进行热量交换。由于在三类换热器中,间壁式换热器应用最多,因此下面重点 讨论间壁式换热器。 (1)夹套式换热器 结构:夹套装在容器外部,在夹套和容器壁之间形成密闭空间,成为一种流体的通道。 优点:结构简单,加工方便。 缺点:传热面积 A 小,传热效率低。 用途:广泛用于反应器的加热和冷却。 为了提高传热效果,可在釜内加搅拌器或蛇管和外循环。 (2)沉浸式蛇管换热器 结构:蛇管一般由金属管子弯绕而制成,适应容器所需要的形状,沉浸在容器内,冷热流体在管内外 进行换热。 优点:结构简单,便于防腐,能承受高压。 缺点:传热面积不大,蛇管外对流传热系数小, 为了强化传热,容器内加搅拌。 (3)喷淋式换热器 结构:冷却水从最上面的管子的喷淋装置中淋下来,沿管表面流下来,被冷却的流体从最上面的管子 流入,从最下面的管子流出,与外面的冷却水进行换热。在下流过程中,冷却水可收集再进行重新分配。 优点:结构简单、造价便宜,能耐高压,便于检修、清洗,传热效果好。 缺点:冷却水喷淋不易均匀而影响传热效果,只能安装在室外。 用途:用于冷却或冷凝管内液体。 (4)套管式换热器 结构:由不同直径组成的同心套管,可根据换热要求,将几段套管用 U 形管连接,目的增加传热面积; 冷热流体可以逆流或并流。 优点:结构简单,加工方便,能耐高压,传热系数较大,能保持完全逆流使平均对数温差最大,可增 减管段数量应用方便。 缺点:结构不紧凑,金属消耗量大,接头多而易漏,占地较大。 用途:广泛用于超高压生产过程,可用于流量不大,所需传热面积不多的场合。 (5)列管式换热器(管壳式换热器) 列管式换热器又称为管壳式换热器,是最典型的间壁式换热器,历史悠久,占据主导作用。主要由壳 体、管束、管板、折流挡板和封头等组成。一种流体在管内流动,其行程称为管程;另一种流体在管外 流动,其行程称为壳程。管束的壁面即为传热面。 优点:单位体积设备所能提供的传热面积大,传热效果好,结构坚固,可选用的结构材料范围宽广, 操作弹性大,大型装置中普遍采用。为提高壳程流体流速,往往在壳体内安装一定数目与管束相互垂直的 折流挡板。折流挡板不仅可防止流体短路、增加流体流速,还迫使流体按规定路径多次错流通过管束,使 湍动程度大为增加。 常用的折流挡板有圆缺形和圆盘形两种,前者更为常用。 壳体内装有管束,管束两端固定在管板上。由于冷热流体温度不同,壳体和管束受热不同,其膨胀程 度也不同,如两者温差较大,管子会扭弯,从管板上脱落,甚至毁坏换热器。所以,列管式换热器必须从 结构上考虑热膨胀的影响,采取各种补偿的办法,消除或减小热应力。 根据所采取的温差补偿措施,列管式换热器可分为以下几个型式。 (1)固定管板式 壳体与传热管壁温度之差大于 50?C,加补偿圈,也称膨胀节,当壳体和管束之间有温差时,依靠补偿 圈的弹性变形来适应它们之间的不同的热膨胀。 特点:结构简单,成本低,壳程检修和清洗困难,壳程必须是清洁、不易产生垢层和腐蚀的介质。 (2)浮头式 两端的管板,一端不与壳体相连,可自由沿管长方向浮动。当壳体与管束因温度不同而引起热膨胀时, 管束连同浮头可在壳体内沿轴向自由伸缩,可完全消除热应力。 特点:结构较为复杂,成本高,消除了温差应力,是应用较多的一种结构形式。 (3)U 型管式 把每根管子都弯成 U 形,两端固定在同一管板上,每根管子可自由伸缩,来解决热补偿问题。 特点:结构较简单,管程不易清洗,常为洁净流体,适用于高压气体的换热。 6.7.4 管壳式换热器的设计和选用 (1)设计和选用时应考虑的问题 除了前面讲过流体的流向,流速和流体出口温度的选择外,还应考虑: ① 冷热流体流动通道的选择 a、不洁净或易结垢的液体宜在管程,因管内清洗方便,但 U 形管式的不宜走管程; b、腐蚀性流体宜在管程,以免管束和壳体同时受到腐蚀; c、压力高的流体宜在管内,以免壳体承受压力; d、饱和蒸汽宜走壳程,饱和蒸汽比较清洁,而且冷凝液容易排出; e、被冷却的流体宜走壳程,便于散热; f、若两流体温差大,对于刚性结构的换热器,宜将给热系数大的流体通入壳程,以减小热应力; g、流量小而粘度大的流体一般以壳程为宜,因在壳程 Re ? 100 即可达到湍流。但这不是绝对的,如 果流动阻力损失允许,将这种流体通入管内并采用多管程结构,反而会得到更高的给热系数。 以上各点常常不可能同时满足,而且有时还会相互矛盾,故应根据具体情况,抓住主要方面,作出适 宜的决定。 ② 流动方式的选择 除逆流和并流之外,在列管式换热器中冷、热流体还可以作各种多管程多壳程的复杂流动。当流量一 定时,管程或壳程越多,对流传热系数越大,对传热过程越有利。但是,采用多管程或多壳程必导致流体 阻力损失,即输送流体的动力费用增加。因此,在决定换热器的程数时,需权衡传热和流体输送两方面的 损失。当采用多管程或多壳程时,列管式换热器内的流动形式复杂,对数平均值的温差要加以修正。 ③ 换热管规格和排列选择 换热管直径越小,换热器单位容积的传热面积越大。因此对于洁净的流体管径可取得小些。但对于不 洁净或易结垢的流体,管径应取的大些,以免堵塞。为了制造和维修的方便,我国目前试行的系列标准规 定采用?19×2mm 和?25×2.5mm 两种规格,管长有 1.5、2.0、3.0、6.0m,排列方式:正三角形、正方形 直列和错列排列。 各种排列方式的优点: ?正方形排列:易清洗, 但给热效果较差 ??正方形错列:可提高给 热系数 ??等边三角形:排列紧凑 ,管外流体湍流程度高 ,给热系数大 ④ 折流挡板 安装折流挡板的目的是为提高壳程对流传热系数,为取得良好的效果,挡板的形状和间距必须适当。 对圆缺形挡板而言,弓形缺口的大小对壳程流体的流动情况有重要影响。由图可以看出,弓形缺口太 大或太小都会产生死区,既不利于传热,又往往增加流体阻力。挡板的间距对壳体的流动亦有重要的影 响。间距太大,不能保证流体垂直流过管束,使管外表面传热系数下降;间距太小,不便于制造和检修, 阻力损失亦大。一般取挡板间距为壳体内径的 0.2~1.0 倍。 a.切除过少 b.切除适当 c.切除过多 挡板切除对流动的影响 (2)管壳式换热器的给热系数 给热系数包括管内流动的给热系数和壳程给热系数,管内流体的给热系数前面已经学过,而壳程的给 热系数与折流挡板的形状、板间距,管子的排列方式、管径及管中心距等因素有关。 壳程中由于设有折流挡板,流体在壳程中横向穿过管束,流向不断变化,湍动增强,当 Re ? 100 即可 达到湍流状态。 (3)流体通过换热器的阻力损失 ① 管程阻力损失 包括各程直管阻力损失 h f 1 、回弯阻力损失 h f 2 及换热器进出口阻力损失 h f 3 构成,其中 h f 3 可忽略不 计。 h ft ? (h f 1 ? h f 2 ) ft N p 式中 f t —— 管程结垢校正系数,对三角形排列取 1.5,正方形排列取 1.4; N p ——管程数; 式中 l ——换热管长度,m; hf1 ?? l di u 2 i 2 hf 2 ? 3 u 2 i 2 ( h f 2 包括回弯和进出口局部阻力及封头内流体转向的局部阻力之和,取阻力系数为 3) 管程阻力损失也可写成 ?pt ? ???? ? l di ? 3??? ft N p ? ?u 2 i 2 由于 ui ? N p ,所以 ?pt ? N 3 P 。 对同一换热器,若单程改为双程,阻力损失剧增为原来的 8 倍,而给热系数只增为原来的 1.74 倍, 因此在选择换热器管程数时,应该兼顾传热与流体压降两方面的得失。 ② 壳程阻力损失 壳程由于流动状态比较复杂,结构参数较多,提出的公式较多,但可归结为 h fs ?? uo2 2 不同的计算公式,决定? 和 uo 的方法不同,计算结果往往不一致。 (4)对数平均温差的修正 前面学过的对数平均温差 ?tm 仅适用于纯并流或纯逆流的情况,当采用多管程或多壳程时,由于其内 流动形式复杂,平均推动力 ?tm 的计算式相当复杂。为了方便,可将这些复杂流型的平均推动力的计算结 果与进出口温度相同的纯逆流相比较,求出修正系数? ,即 其中? 的求法为: ?tm ? ??tm逆 ? ? f (P, R) P ? t2 ? t1 T1 ? t1 ? 冷流体温升 两流体最初温差 R=T1 ? T2 t2 ? t1 ? 热流体温降 冷流体温升 根据 P , R 值由图查出各种情况的? 值。 在设计时注意应使? 0.8,为什么? 因为①经济上不合理;②操作温度略有变动,则? 下降很快,使操作不稳定。 (5)管壳式换热器的设计和选用步骤 ① 由已知条件计算传热量及逆流平均温差 ?tm逆 Q ? KA?tm ? KA??tm逆 由上式可知,要求 A,必须知道 K ,? ;而 K 和? 则是由传热面积 A的大小和换热器结构决定的。 因此,在冷、热流体的流量及进出口温度已知的条件下,选用或设计换热器必须通过试差计算。 ② 初选换热器的尺寸规格 a、初步选定流体流动方式,由冷热流体的进出口温度计算温差修正系数? ,应使? 0.8,否则应改 变流动方式,重新计算; b、依据经验估计总传热系数 K估 ,估算传热面积 A估 ; c、根据 A估 ,根据系列标准选定换热管的直径、长度及排列;如果是选用,可根据 A估 在系列标准中 选用适当的换热器型号; ③ 计算管程的压降和给热系数; a、根据经验选定流速,确定管程数目,并计算管程压降 ?pt ,若 ?pt ?pt允 ,必须调整管程数目重新 计算。 b、计算管内给热系数? 2 ,若? 2 K估 ,则应改变管程数重新计算;若改变管程数使 ?pt ?pt允 ,则 应重新估计 K估 ,另选一换热器型号进行试算。 ④ 计算壳程压降和给热系数; a、根据流速范围确定挡板间距,并计算壳程压降 ?ps ,若 ?ps ?ps允 ,可增大挡板间距。 b、计算壳程给热系数?1 ,若?1 太小可减小挡板间距。 ⑤ 计算传热系数,校核传热面积。 根据流体性质选择适当的垢层热阻 R,由 R、?1 、? 2 计算 K计 ,再由传热基本方程计算 A计 。当 A计 小 于初选换热器实际所具有的传热面积 A,则计算可行。考虑到所用换热器计算式的准确度及其他未可预料 的因素,应使选用换热器面积有 15%~25%的裕度,即 A / A计 =1.15~1.25,否则应重新估计一个 K估 ,重复 以上计算。 6.7.5 传热过程的强化措施 由 Q ? KA?tm ,要增大热流量 Q 可通过提高 K ,增大 A ,增大 ?tm 来达到。 (1)增大传热平均温度差 ?tm ① 两侧变温情况下,尽量采用逆流流动; ② 提高加热剂 T1 的温度(如用蒸汽加热,可提高蒸汽的压力来达到提高其饱和温度的目的);降低冷 却剂 t1 的温度。 利用 ?tm ?来强化传热是有限的。 (2)增大总传热系数 K 1 K ?( 1 ?1 ? Rs1 ) ? b ? d1 dm ?( 1 ?2 ? Rs2 ) d1 d2 ① 尽可能利用有相变的热载体(? 大); ② 用?大的热载体,如液体金属 Na 等; ③ 减小金属壁、污垢及两侧流体热阻中较大者的热阻; ④ 提高? 较小一侧有效。 提高? 的方法 无相变传热:1)增大流速;2)管内加扰流元件;3)改变传热面形状和增加粗糙度。 (3)增大单位体积的传热面积 A/V ① 直接接触传热:可增大 A 和湍动程度,使 Q?; ② 采用高效新型换热器。 在传统的间壁式换热器中,除夹套式外,其他都为管式换热器。管式的共同缺点是结构不紧凑,单位 换热面积所提供的传热面小,金属消耗量大。随工业的发展,陆续出现了不少的高效紧凑的换热器并逐渐 趋于完善。这些换热器基本可分为两类,一类是在管式换热器的基础上加以改进,另一类是采用各种板状 换热表面。 如图所示几种强化传热管和板翅式换热器的翅片。 (a)光直翅片 (b)锯齿翅片 (c)多孔翅片 6.7.6 换热器的强化和其他类型 由前面的我们已经知道, Q ? KA?tm ,要增大热流量 Q 可通过提高 K ,增大 A ,增大 ?tm ,那么对 换热器进行怎样的改造或设计能达到提高 K ,增大 A,增大 ?tm ,从而实现强化传热的目的呢? (1)板式换热器 ① 平板式换热器 板式换热器早在 20 世纪 20 年代开始用于食品工业,50 年代逐渐用于化工及其相近工业部门,现已发 展成为一种传热效果较好,结构紧凑的化工换热设备。主要由一组长方形的薄金属板平行排列构成,用框 架夹紧组装在支架上。两相邻流体板的边缘用垫片压紧,达到密封的作用,四角有圆孔形成流体通道,冷 热流体在板片的两侧流过,通过板片换热。板上可被压制成多种形状的波纹,可增加刚性;提高湍动程度; 增加传热面积;易于液体的均匀分布。 优点:传热效率高,总传热系数大,结构紧凑,操作灵活,安装检修方便。 缺点:耐温、耐压性较差,易渗漏,处理量小。 ② 螺旋板式换热器 螺旋板式换热器主要由两张平行的薄钢板卷制而成,构成一对互相隔开的螺旋形流道。冷热两流体以 螺旋板为传热面相间流动,两板之间焊有定距柱以维持流道间距,同时也可增加螺旋板的刚度。在换热器 中心设有中心隔板,使两个螺旋通道隔开。在顶、底部分分别焊有盖板或封头和两流体的出入接管。 优点:结构紧凑,传热效率高,不易堵塞,结构紧凑 A/V 大,成本较低。 缺点:操作压力、温度不能太高,螺旋板难以维修,流体阻力较大。 ③ 板翅式换热器 板翅式换热器是一种传热效果好,更为紧凑的板式换热器。过去由于焊接技术的限制,制造成本较高, 仅限用于宇航、电子、原子能等少数部门,作为散热冷却器。现已逐渐在石油化工、天然气液化、气体分 离等部门中应用获得良好效果。 板翅式换热器的基本结构,是由于平隔板和各种型式的翅片构成板束组装而成。如图所示,在两块平 行薄金属板(平隔板)间,夹入波纹状或其他形状的翅片,两边以侧条密封,即组成为一个单元体。各个 单元体又以不同的叠积适当排列,并用钎焊固定,成为常用的逆流或错流式板翅式换热器组装件,或称为 板束。再将带有集流进出口的集流箱焊接到板束上,就成为板翅式换热器。 (a)逆流 (b)错流 优点:结构高度紧凑,传热效率高,允许较高的操作压力。 缺点:制造工艺复杂,检修清洗困难。 ④ 板壳式换热器 将管壳式换热器中的管束用板束代替,即为板壳式换热器。其结构紧凑,传热系数高、坚固、能承受 很高的压强和温度,但制造工艺复杂,焊接要求高。 (2)强化管式换热器 在管式换热器的基础上,采取某些强化措施,提高传热效果。如管外加翅片,增大 A 、管外的? ;管 内安装内插物,增大 A、管内的? ,从而增大 K 。 (3)热管换热器 热管是一种新型传热元件,它是在一根装有毛细吸芯金属管内充以定量的某种工作液体,然后封闭并 抽除不凝性气体。当加热段受热时,工作液体遇热沸腾,产生的蒸汽流至加热段再次沸腾。如此过程反复 循环,热量则由加热段传至冷却段。 在热管内部,热量的传递是通过沸腾冷凝过程。由于沸腾和冷凝表面传热系数皆很大,蒸汽流动的阻 力损失很小,因此管壁温度相当均匀。这种新型的换热器具有传热能力大,应用范围广,结构简单等优点。 特点:有相变对流传热系数大,结构简单,壁温均匀。 (4)流化床换热器 通过在流体中加固体颗粒,当管程内的流体由下往上流动,使众多的固体颗粒保持稳定的流化状态,对换 热器管壁起到冲刷、洗垢作用。同时,使流体在较低流速下也能保持湍流,大大强化了穿热速率。

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