化工原理4-6.ppt

第四章热量传递及设备 4 6换热器 化工原理 第六节换热器 4 6 1常用换热器4 6 2强化传热技术及新型的传热设备4 6 3列管式换热器的设计与选择 按用途 加热器 冷却器 冷凝器 再沸器 蒸发器等 按传热特征直接接触式 冷 热直接混合 蓄热式 4 6 1常用换热器 间壁式 冷 热两流体由金属壁隔开 不直接接触 一间壁式换热器的类型 1夹套换热器 结构 夹套式换热器主要用于反应过程的加热或冷却 是在容器外壁安装夹套制成 优点 结构简单 缺点 传热面受容器壁面限制 传热系数小 为提高传热系数且使釜内液体受热均匀 可在釜内安装搅拌器 也可在釜内安装蛇管 2蛇管式换热器 1 沉浸式蛇管换热器 结构 这种换热器多以金属管子绕成 或制成各种与容器相适应的情况 并沉浸在容器内的液体中 优点 结构简单 便于防腐 能承受高压 缺点 由于容器体积比管子的体积大得多 因此管外流体的表面传热系数较小 为提高传热系数 容器内可安装搅拌器 2 喷淋式换热器 结构 多用于冷却管内的热流体 将蛇管成排地固定于钢架上 被冷却的流体在管内流动 冷却水由管上方的喷淋装置中均匀淋下 故又称喷淋式冷却器 优点 传热推动力大 传热效果好 便于检修和清洗 缺点 喷淋不易均匀 喷淋式换热器动画 3套管式换热器 结构 将两种直径大小不同的直管装成同心套管 并可用U形肘管把管段串联起来 每一段直管称作一程 优点 进行热交换时使一种流体在内管流过 另一种则在套管间的环隙中通过 流速高 表面传热系数大 逆流流动 平均温差最大 结构简单 能承受高压 应用方便 套管式换热器动画 4列管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 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 结构 壳体 管束 管板 折流挡板和封头 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 重点介绍 固定管板式浮头式U型管式 列管式换热器的结构 结构 壳体 管束 管板 折流挡板和封头 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 管束结构 结构示意 单程 流体在管内每通过管束一次 一管程 流体在管外每通过壳体一次 一壳程 多程 多管程 封头内设置分程隔板单管程 多管程 多壳程 相当于单壳程串联 传热面积 流通截面积 传热面积 说明 管程数 流通截面积 管内流速 hi 强化传热 单管程换热器管 壳程流体流动 双管程换热器内的流体流动 安装 上下安装 常用 左右安装 排液不畅时采用 常用形式 弓形 圆盘形 折流挡板 作用 提高壳程流体湍动程度 Re 1800湍流 h0 强化传热 冲刷沉积物 减小污垢热阻 对壳体起支撑作用 代价 壳体阻力 系统动力消耗 弓形 圆盘形 管板 折流板 单壳程水平圆缺形折流板管壳式换热器结构示意图 分类及特点 原因 管 壳温度不同 产生热应力 结果 t 50 时 管弯曲 断裂或管板变形 固定管板式 安装膨胀节 浮头式 本身具有补偿能力 U形管式 本身具有补偿能力 分类 根据所采取的温差补偿措施 列管式换热器可分为 为此 采用各种补偿办法 消除或减小热应力 1 固定管板式换热器 特点 结构简单 成本低 可能产生较大的热应力 壳程不易机械清洗 适用 壳程流体不易结垢或容易化学清洗 壳体与传热管壁温度之差小于50 C 否则加膨胀节 特点 消除了温差应力 便于清洗和检修 结构复杂 成本高 适用 应用广泛 2 浮头式换热器 3 U形管式换热器 特点 具有温度补偿作用 管程不易清清洗 适用 可用于高温高压 适用于管程为洁净而不易结垢的流体 结构 等待出厂的列管换热器产品 列管式换热器实物图 工人正在用高压热水 清洗管束外壁的污垢 可以清楚看到折流板 一个蒸馏工段 就有整齐排列的几十个列管换热器 5其他类型的换热器 优点 总传热系数高不易结垢和堵塞能充分利用低温热源结构紧凑缺点 操作压强和温度不宜太高不宜检修 1 螺旋板式换热器 螺旋板式换热器实物图 这就是等待出厂的螺旋板式换热器产品 这是烧碱厂的螺旋板式换热器 2 板式换热器 优点 传热系数大 结构紧凑 操作灵活性大 金属材料消耗量低 加工容易 检修清洗方便 缺点 允许操作压力比较低 操作温度不能太高 处理量不大 板式换热器流向示意图 板式换热器实物图 板式换热器尽管单位质量具有的传热面积较高 因为价格贵 清洗也不方便 应用受到限制 3 板翅式换热器 优点 对流表面传热系数高 传热效果好结构紧凑 轻巧牢固适应性强 操作范围广缺点 设备流道小 易堵塞 且清洗检修困难因隔板和翅片均由铝制成 要求介质对铝不腐蚀 4 6 2强化传热技术及新型传热设备 根据传热速率方程可以知道 要提高传热速率 可以提高总传热系数 传热面积或提高传热温度差 主动式 消耗外部能量为代价 如采取电场 磁场 声场 搅拌等手段提高传热系数或温差 被动式 采用加热表面处理 人工粗糙表面 伸展表面 置入式强化装置以及各种添加剂等 1 流径的选择 脏流体 腐蚀性流体 高压流体 有毒流体走管内 饱和蒸汽 被冷却的流体 传热系数较大的流体走管间 2 流速的选择提高流速可加大对流传热系数 降低污垢 但对于一定的传热面 要加大管长或增加管程数 单程变成多程平均温差会下降 4 6 3列管式换热器的设计与选择 三 流体进出口温度的确定 对于用冷却水冷却流体 两端温差一般可取5 10 C 缺水地区可取大些 四 管程数 流量较小或传热面大而管数多时 会使管 内流速较低 使传热系数小 为了提高流 速可增加管程数 增加太多会增加流体阻 8 主要附件封头 方形 圆形缓冲挡板导流筒放气孔 排液孔接管流速的经验值液体u 1 5 2m s蒸汽u 20 50m s气体u 0 15 0 2 p 9 材料选用金属材料 碳钢 不锈钢 低合金钢 铜 铝非金属材料 石墨 聚四氟乙烯 玻璃 管程阻力管程阻力可按一般摩擦阻力计算式求得 10 流体流动阻力的计算 壳程阻力对于壳程阻力的计算 由于流动状态比较复杂 计算公式多 计算结果相差较大 埃索法 管壳式换热器的设计和选用的计算步骤 初选换热器的规格尺寸 初步选定换热器的流动方式 保证温差修正系数大于0 8 否则应改变流动方式 重新计算 计算热流量 及平均传热温差 tm 根据经验估计总传热系数K估 初估传热面积A估 选取管程适宜流速 估算管程数