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换热器的类型及应用

2016-6-3 10:46| 发布者: 于旭| 评论: 0

摘要:   化工707新闻网讯:  换热器是化工,石油,动力,食品及其它许多工业部门的通用设备,在生产中占有重要地位。  在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,应用更加广泛。  换热器 ...
  化工707新闻网讯:


  换热器是化工,石油,动力,食品及其它许多工业部门的通用设备,在生产中占有重要地位。

  在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,应用更加广泛。

  换热器种类很多,但根据冷、热流体热量交换的原理和方式基本上可分三大类即:间壁式、混合式和蓄热式。在三类换热器中,间壁式换热器应用最多。

  1.间壁式换热器的类型

  (1)夹套式

  换热器

  这种换热器是在容器外壁安装夹套制成,结构简单;但其加热面受容器壁面限制,传热系数也不高。

  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。当夹套中通入冷却水或无相变的加热剂时,亦可在夹套中设置螺旋隔板或其它增加湍动的措施,以提高夹套一侧的给热系数。

  为补充传热面的不足,也可在釜内部安装蛇管。夹套式换热器广泛用于反应过程的加热和冷却。

  (2)沉浸式蛇管换热器

  这种换热器是将金属管弯绕成各种与容器相适应的形状,并沉浸在容器内的液体中。

  蛇管换热器的优点是结构简单,能承受高压,可用耐腐蚀材料制造;其缺点是容器内液体湍动程度低,管外给热系数小。

  为提高传热系数,容器内可安装搅拌器。

  (3)喷淋式换热器

  这种换热器是将换热管成排地固定在钢架上,热流体在管内流动,冷却水从上方喷淋装置均匀淋下,故也称喷淋式冷却器。

  喷淋式换热器的管外是一层湍动程度较高的液膜,管外给热系数较沉浸式增大很多.另外,这种换热器大多放置在空气流通之处,冷却水的蒸发亦带走一部分热量,可起到降低冷却水温度,增大传热推动力的作用。

  因此,和沉浸式相比,喷淋式换热器的传热效果大有改善。

  (4)套管式换热器

  套管式换热器是由直径不同的直管制成的同心套管,并由U形弯头连接而成.在这种换热器中,一种流体走管内,另一种流体走环隙,两者皆可得到较高的流速,故传热系数较大。

  另外,在套管换热器中,两种流体可为纯逆流,对数平均推动力较大。套管换热器结构简单,能承受高压,应用亦方便(可根据需要增减管段数目)。

  特别是由于套管换热器同时具备传热系数大,传热推动力大及能够承受高压强的优点,在超高压生产过程(例如操作压力为3000大气压的高压聚乙烯生产过程)中所用的换热器几乎全部是套管式。

  (5)板式换热器

  最典型的间壁式换热器,它在工业上的应用有着悠久的历史,而且至今仍在所有换热器中占据主导地位。

  主体结构由换热板片以及板间的胶条组成。长期在市场占据主导地位,但是其体积大,换热效率低,更换胶条价格昂贵(胶条的更换费用大约占整个过程的1/3-1/2)。

  主要应用于液体-液体之间的换热,行业内常称为水水换热,其换热效率在5000w/m2.K。为提高管外流体给热系数,通常在壳体内安装一定数量的横向折流档板。

  折流档板不仅可防止流体短路,增加流体速度,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。

  常用的档板有圆缺形和圆盘形两种,前者应用更为广泛。目前,由于中国新版GMP的推出,板式换热将逐渐退出食品,饮料,制药等卫生级别高的行业。

  (6)管壳式换热器

  管壳式(又称列管式)换热器是管壳式换热器主要有壳体、管束、管板和封头等部分组成,壳体多呈圆形,内部装有平行管束或者螺旋管,,管束两端固定于管板上。

  在管壳换热器内进行换热的两种流体,一种在管内流动,其行程称为管程;一种在管外流动,其行程称为壳程。

  管束的壁面即为传热面。管子的型号不一,过程一般为直径16mm、19mm或者25mm三个型号,管壁厚度一般为1mm,1.5mm,2mm以及2.5mm。

  进口换热器,直径最低可以到8mm,壁厚仅为0.6mm。大大提高了换热效率,今年来也在国内市场逐渐推广开来。

  管壳式换热器,螺旋管束设计,可以最大限度的增加湍流效果,加大换热效率。内部壳层和管层的不对称设计,最大可以达到4.6倍。

  这种不对称设计,决定其在汽-水换热领域的广泛应用。最大换热效率可以达到14000w/m2.k,大大提高生产效率,节约成本。

  同时,由于管壳式换热器多为金属结构,随着中国新版GMP的推出,不锈钢316L为主体的换热器,将成为饮料,食品,以及制药行业的必选。

  (7)双管板换热器

  也称P型换热器,是在管壳式换热器的两头各加一个管板,可以有效防止泄漏造成的污染。

  现在国产品牌较少,价格昂贵,一般在10万元以上,进口可以到几十万。符合新版GMP规定,虽价格昂贵,但决定其市场广阔。

  2.混合式换热器

  混合式热交换器是依靠冷、热流体直接接触而进行传热的,这种传热方式避免了传热间壁及其两侧的污垢热阻,只要流体间的接触情况良好,就有较大的传热速率。

  故凡允许流体相互混合的场合,都可以采用混合式热交换器,例如气体的洗涤与冷却、循环水的冷却、汽-水之间的混合加热、蒸汽的冷凝等等。

  它的应用遍及化工和冶金企业、动力工程、空气调节工程以及其它许多生产部门中。

  按照用途的不同,可将混合式热交换器分成以下几种不同的类型:(1)冷却塔(或称冷水塔),(2)气体洗涤塔(或称洗涤塔),(3)喷射式热交换器,(4)混合式冷凝器。

  3.蓄热式换热器

  蓄热式换热器用于进行蓄热式换热的设备。内装固体填充物,用以贮蓄热量。一般用耐火砖等砌成火格子(有时用金属波形带等)。

  换热分两个阶段进行。第一阶段,热气体通过火格子,将热量传给火格子而贮蓄起来。第二阶段,冷气体通过火格子,接受火格子所储蓄的热量而被加热。

  这两个阶段交替进行。通常用两个蓄热器交替使用,即当热气体进入一器时,冷气体进入另一器。常用于冶金工业,如炼钢平炉的蓄热室。也用于化学工业,如煤气炉中的空气预热器或燃烧室,人造石油厂中的蓄热式裂化炉。

  蓄热式换热器一般用于对介质混合要求比较低的场合。

  4.新型换热器

  (1)气动喷涂翅片管换热器

  俄罗斯提出了一种先进方法,即气动喷涂法,来提高翅片化表面的性能。

  其实质是采用高速的冷的或稍微加温的含微粒的流体给翅片表面喷镀粉末粒子。用该方法不仅可喷涂金属还能喷涂合金和陶瓷(金属陶瓷混合物),从而得到各种不同性能的表面。

  通常在实践中翅片底面的接触阻力是限制管子加装翅片的因素之一。为了评估翅片管换热器元件进行了试验研究。试验是采用在翅片表面喷涂ac-铝,并添加了24a白色电炉氧化铝。

  将试验所得数据加以整理,便可评估翅片底面的接触阻力。将研究的翅片的效率与计算数据进行比较,得出的结论是:气动喷涂翅片的底面的接触阻力对效率无实质性影响。

  为了证实这一点,又对基部(管子)与表面(翅片)的过渡区进行了金相结构分析。对过渡区试片的分析表明,连接边界的整个长度上无不严密性的微裂纹。

  所以,气动喷涂法促进表面与基本相互作用的分支边界的形成,能促进粉末粒子向基体的渗透,这就说明了附着强度高,有物理接触和金属链形成。

  因而气动喷涂法不但可用于成型,还可用来将按普通方法制造的翅片固定在换热器管子的表面上,也可用来对普通翅片的底面进行补充加固。

  可以预计,气动喷涂法在紧凑高效换热器的生产中,将会得到广泛应用。

  (2)螺旋折流板换热器

  在管壳式换热器中,壳程通常是一个薄弱环节。通常普通的弓形折流板能造成曲折的流道系统(z字形流道),这样会导致较大的死角和相对高的返混。

  而这些死角又能造成壳程结垢加剧,对传热效率不利。返混也能使平均温差失真和缩小。其后果是,与活塞流相比,弓形折流板会降低净传热。

  优越弓形折流板管壳式换热器很难满足高热效率的要求,故常为其他型式的换热器所取代(如紧凑型板式换热器)。对普通折流板几何形状的改进,是发展壳程的。

  第一步,虽然引进了密封条和附加诸如偏转折流板及采取其他措施来改进换热器的性能,但普通折流板设计的主要缺点依然存在。

  为此,美国提出了一种新方案,即建议采用螺旋状折流板。这种设计的先进性已为流体动力学研究和传热试验结果所证实,此设计已获得专利权。此种结构克服了普通折流板的主要缺点。

  螺旋折流板的设计原理很简单:将圆截面的特制板安装在“拟螺旋折流系统”中,每块折流板占换热器壳程中横剖面的四分之一,其倾角朝向换热器的轴线,即与换热器轴线保持一倾斜度。相邻折流板的周边相接,与外圆处成连续螺旋状。

  折流板的轴向重叠,如欲缩小支持管子的跨度,也可得到双螺旋设计。螺旋折流板结构可满足相对宽的工艺条件。

  此种设计具有很大的灵活性,可针对不同操作条件,选取最佳的螺旋角;可分别情况选用重叠折流板或是双螺旋折流板结构。

  (3)新型麻花管换热器

  瑞典alares公司开发了一种扁管换热器,通常称为麻花管换热器。

  美国休斯顿的布朗公司做了改进。螺旋扁管的制造过程包括了“压扁”与“热扭”两个工序。

  改进后的麻花管换热器同传统的管壳式换热器一样简单,但有许多激动人心的进步,它获得了如下的技术经济效益:改进了传热,减少了结垢,真正的逆流,降低了成本,无振动,节省了空间,无折流元件。

  由于管子结构独特使管程与壳程同时处于螺旋运动,促进了湍流程度。该换热器总传热系数较常规换热器高40%,而压力降几乎相等。组装换热器时也可采用螺旋扁管与光管混合方式。

  该换热器严格按照asme标准制造。凡是用管壳式换热器和传统装置之处均可用此种换热器取代。它能获得普通管壳式换热器和板框式传热设备所获得的最佳值。估计在化工、石油化工行业中具有广阔的应用前景。

  (4)螺旋管式换热器

  在管子上缠绕金属丝作为筋条(翅片)的螺旋管式换热器(ta),一般都是采用焊接方法将金属丝固定在管子上。

  但这种方法对整个设备的质量有一系列的影响,因为钎焊法必将从换热中“扣除”很大一部分管子和金属丝的表面。更重要的是,由于焊料迅速老化和破碎会造成机器和设备堵塞,随之提前报损。

  (5)变声速增压热交换器

  变声速增压热交换器即两相流喷射式热交换器,广泛适用于汽—水换热的各个领域。

  由中国洛阳蓝海实业有限公司自主研发。它以蒸汽为动力,通过汽水压缩混合,使水温瞬时升高,利用压力激波技术达到无外力增压的效果,显着的节能和增压特点大大降低了用户使用成本,可取代传统的热交换器。

  变声速增压热交换器是一种混合型汽—水换热设备,蒸汽经过绝热膨胀技术处理以射流态引入混合腔与经过膜化处理的被加热水在蒸汽冲击力作用下均匀混合,形成具有一定计算容积比的汽水压缩混合物,当其瞬间压缩密度达到一定值时便形成了两相流体场现象。

  在场态的激化下,该混合物的声速值出现突破声障临界的过渡性转变,同时爆发大量压力激波,压力激波单向传导特性使瞬间达到设计温度的热水在不变截面管道中出现压力升高却不回流现象。

  变声速增压热交换技术是以两相流体场的有序激化强制完成“瞬时换热+无外力增压”双效应。

  
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