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工业用换热器选型知识
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作者:
说大嘎达
时间:
2016-5-4 10:10
标题:
工业用换热器选型知识
本帖最后由 说大嘎达 于 2016-5-4 10:11 编辑
工业用换热器选型
工业用换热器选型
单丽娟
山东豪迈化工技术
引言
换热器作为工艺过程中必不可少的设备之一,在工业生产过程中,被应用于加热或冷却流体,经过换热器的能量转换,实现能量的有效利用。换热器作为节能措施中的关键设备,无论从工业的发展,还是从能源的有效利用,换热器的合理设计、选型和操作都具有十分重要的意义。
1
换热器的分类
换 热器根据热量传递方式可以分为三类:
(一)间壁式换热器,冷、热流体被固体壁面隔开,互不接触,热量由热流体通过壁面传递给冷流体,是最常用的换热器类 型,也是本文重点讨论的换热器类型,如管壳式、板式、管式、液膜式等,冷热流体可以是工艺物料、烟气、蒸汽、空气、水等。
(二)直接接触式换热器,冷、热 流体直接接触,相互混合传递热量,传热效率高。只适用于冷、热流体允许混合的场所。如凉水塔、洗涤塔、文氏管及喷射冷凝器等工业生产中。
(三)蓄热式换热 器,借助于热容量较大的固体蓄热体,将热量由热流体传给冷流体。适用于高温气体热量的回收与冷却,常被用于回收燃烧气体的废热,在废热再生器中是切实可行 有效地回收废热的方式。
换 热器根据传热面形状和结构可以分为:
(一)管式换热器,即通过管子壁面进行传热的换热器。根据传热管的结构形式可分为管壳式换热器、蛇管式换热器、套管式换热器、翅片式换热器等。该类换热器 应用最广。
(二)板式换热器,即通过板面进行传热的换热器。根据传热板的结构形式可分为平板式、螺旋板式、板翅式、热板式换热器等。(三)特殊形式换热 器,根据特殊工艺要求而设计的具有特殊结构的换热器,如回转式、热管、同流式换热器等。
2
管式换热器的结构形式
管式换热器大致可以分为四类,重点讨论管壳式换热器。
2.1
管壳式换热器
管壳式换热器是石油、化工等行业中应用最广泛的间壁式传热型换热器,它既可以是一种单元设备,如加热器、凝汽器等;又可以是某一工艺设备的组成部分,如塔顶、塔底的换热器,管壳式换热器作为化工生产中重要的单元设备,占市场
65%
以上的份额,因此,对于工程设计人员来说,管壳式换热器的设计计算是十分重要的。应用比较多的是使用
HTRI
进行计算选型。
管 壳式换热器结构紧凑,单元体积所具有的传热面积大,传热效果佳,操作弹性大,高温、高压和大型装置中应用比较普遍。它由壳体、传热管束、管板、折流板和管 箱等部件组成,由于管内外流体的温度不同,进而使管壳程受热程度不同,导致他们的热膨胀程度出现差别。当两侧流体的温差超过50℃时,需要从结构上考虑热 膨胀的影响,采取相应的热补偿措施。根据热补偿方式的不同,可以分为以下三类。
2.1.1
固定管板式换热器
1-
挡板 2-补偿圈 3-放气嘴
这 种补偿方式比较简单,适用于两流体的温差小于70℃,壳程压力比较小的场合。该结构的特点是两端管板和壳体连接在一起,结构简单,造价低廉。存在壳程清 洗、检修困难的问题,温差稍大时,可以在壳体的适当位置焊接补偿圈,通过补偿圈得到弹性变形来补偿掉外壳和管束的不同程度的变形。
2.1.2
浮头式换热器
这种补偿方式结构复杂,可以完全消除热应力,造价高,应用普遍。该结构的特点是一端管板与壳体相连,另一端不与壳体固定连接,可以沿轴向自由浮动。清洗和检修时可以整个管束从壳体中抽出。
1-
U
形管 2-壳程隔板 3-管程隔板
这种补偿方式结构简单,适用于高温高压,存在一个缺陷就是管程不易清洗,每根管子弯成U型,两端固定在同一管板的两侧,管板用隔板分成两室。管子需要一定的曲率半径,管板利用率不高。
3
管式换热器的结构形式的确定原则
根据工艺条件和介质的性质换热器的结构形式可按下列确定原则[1]:
Ⅰ.
通常情况选择浮头式换热器;
Ⅱ
.
当操作介质压力较高,或管壳程介质相混合会导致产品变质,或影响安全操作时,通常选用U型管换热器;
Ⅲ
.
壳程为洁净流体,并且冷热流流体进出口介质温差小于
110
℃
,通常选用固定管板式换热器,然后通过实际的结构计算考虑补偿圈的设置。
Ⅳ
.
当介质的流速、传热面积较小,操作温度、压力较高或者介质含有固体颗粒时,通常选择套管式换热器。
Ⅴ.
当洁净介质的流速、操作压力、温度均较低时,通常选用板式换热器。
3.1
压力降
增加流速可以增加换热器的传热系数,但是压降与流速息息相关,只能在压降许可的情况下,尽量让流速高些。或者也可以通过在结构上做一些调整来降低压降,如通过调整管程数、管长、折流板间距等等。
表
3-1
允许的压力降范围
3.2
温度
通常,在设计几个换热器时,如果它的对数平均温差确定了,则其热性能也基本确定了。所以,对数平均温差是设计者考虑的重要因素。
Ⅰ.
初选的原则是冷热端介质温差均不宜小于20℃;
Ⅱ
.
在 冷却或者冷凝工艺物流时,冷却剂的入口温度应高于工艺物流中易结冻组分的冰点,一般高5℃。在对反应物进行冷却时,为了控制反应,应维持反应物流和冷却剂 之间的温差不低于10℃。当冷凝带有惰性气体的工艺物料时,冷却剂的出口温度应低于工艺物料的露点,一般低5℃。换热器的设计温度应高于最大使用温度,一 般高15℃。
3.3
流速
管程内液体流速一般取
1.0~2.5m/s
,最大不超过
3.0 m/s
。当换热器选型对流速要求不严格时,一般根据压降来确定流速。一般情况下,水冷设备为了避免结垢,对流速要求比较严格,不宜低于
0.8m/s
。
3.4
物流的安排
一般走管程的物流:
Ⅰ
.
考虑到管内清洗方便,不洁净和易结垢的物流宜走管程;
Ⅱ
.
考虑到泄漏的问题,有毒物流宜走管程;
Ⅲ
.
考虑到承压的问题,高压物流宜走管程;
Ⅳ.
考虑到腐蚀,为了防止壳管程同时受到腐蚀,腐蚀物流宜走管程,且维修、清洗方便;
Ⅴ.
考虑到保温的问题,高温物流宜走管程;
Ⅵ.
对压力降有特定要求的工艺物流宜走管程,因管程的传热系数和压降计算误差小。
一般走壳程的物流:
Ⅰ
.
考虑到冷却效果,被冷却的物流宜走壳程;
Ⅱ
.
流量较小的物流宜走壳程,易使物流形成湍流状态,从而增加传热系数;
Ⅲ
.
考虑到提高传热膜系数,传热膜系数较小的物流(如气体)宜走壳程;
Ⅳ.
粘度较大的物流宜走壳程,在壳程中可以得到较高的传热系数;
另外,污垢系数的选取也是换热器设计中非常重要的考虑因素,目前主要还是通过常用物流的经验数据来确定。
小结
总之,要根据生产的需要,选择合适的换热器,正确操作,以延长换热器的使用寿命提高生产效率,真正达到对经济效益的有效提高。
参考文献
[1]
中国石化集团北京设计院
.
炼油装置工艺设计规范
[S].
北京:国家石油和化工工业局,
2001.
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