能源是當(dāng)前人類面臨的重要問題之一,能源開發(fā)及轉(zhuǎn)換利用已成為各國的重要課題,而換熱器是能源利用過程中必不可少的設(shè)備,幾乎一切工業(yè)領(lǐng)域都要使用,化工、冶金、動力、交通、航空與航天等部門應(yīng)用尤為廣泛。近幾年由于新技術(shù)發(fā)展和新能源開發(fā)利用,各種類型的換熱器越來越受到工業(yè)界的重視,而換熱器又是節(jié)能措施中較為關(guān)鍵的設(shè)備,因此,無論是從工業(yè)的發(fā)展,還是從能源的有效利用,換熱器的合理設(shè)計、制造、選型和運行都具有非常重要的意義。

換熱器的分類

直接傳熱式換熱器。一種不需傳熱壁面,由冷流體與熱流體直接接觸進(jìn)行換熱的操作過程的換熱器,此類換熱器常用于工業(yè)生產(chǎn)中。

間壁傳熱式換熱器。冷、熱流體通過管子、板等壁面進(jìn)行熱量交換的傳熱操作過程的換熱器,是最普通的也最常用的換熱器,冷、熱流體都是流體,可以是空氣、煙氣、蒸汽、水。這是本文重點進(jìn)行討論的換熱器類型。

蓄熱式換熱器。系間歇傳熱,在廢熱再生器中是切實可行有效的回收廢熱的方式,常被用于回收燃燒氣體的廢熱以及蒸汽等用量不均時作為調(diào)節(jié)手段。

幾種換熱器的特點及使用

在實際設(shè)計選型中,往往是已知高溫流體與低溫流體的兩側(cè)進(jìn)出口溫度,在做工藝設(shè)計選型時,需要考慮的是有盡可能小的換熱面積下,有盡可能大的換熱速率,以及較低的設(shè)備造價及施工費。另外,在操作運行及維護(hù)清洗較方便的前提下考慮換熱器的設(shè)計選型。

傳熱基本方程式: 

Q = UAΔt 　　　　　Kcal/ h ; 

式中:U 為傳熱系數(shù),Kcal/ m2 . h. ℃;A 為傳熱面積,m2 ;Δt 為通過兩種流體邊界層的平均溫度。 

換熱器的給熱系數(shù)h ,Kcal/ m2 . h. ℃和流速u ,m/s 有如下關(guān)系: 

管程給熱系數(shù)ht : 

層流區(qū)　(Re ≤2100) 　　　　　ht∝ u0. 33t 

過渡流區(qū)(2100 ≤Re ≤10000) ht∝ u0. 33～0. 8t 

紊流區(qū)　(Re ≥10000) ht∝ u0. 8t 。

管殼式換熱器。管殼式換熱器是最常用的普通結(jié)構(gòu),它包括:固定管板式換熱器、U 型管殼式換熱器、帶膨脹節(jié)式換熱器、浮頭式換熱器、分段式換熱器、套管式換熱器等。

固定管板式換熱器具有結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、造價低等優(yōu)點;缺點就是由于熱膨脹而引起管子拉彎。U型管殼式換熱器就是克服此缺點將管子作成“U”型,一端固定另一端活動,使得換熱器不受膨脹的影響,結(jié)構(gòu)較簡單,重量輕,其缺點是不能機械清洗、管子不便拆換、單位容量及單位質(zhì)量的傳熱量低,適用于溫差大、管內(nèi)流體介質(zhì)比較干凈的場合。

帶膨脹節(jié)式換熱器可解決膨脹問題,用膨脹接頭的結(jié)構(gòu),故適用溫差大的流體和高壓流體,因為可將接頭拆下來進(jìn)行清洗,所以可處理易結(jié)垢流體,而對低壓氣體則不適宜,但其缺點就是制造復(fù)雜。

浮頭式管殼換熱器,其浮頭不與外殼相連,可自由伸縮,這樣既解決了熱膨脹的問題,也方便清洗,檢修時可將管芯抽出即可。

對于固定管板、列管、套管式換熱器每一外殼容積為1 m3 時,其傳熱面積約為30～40 m3 。對U 型管殼式換熱器、浮頭式換熱器每一外殼容積為1 m3 時,其傳熱面積為70m2 左右。

板式換熱器。由于板式換熱器的傳熱面上可以壓出凹凸形排液槽,在較低的雷諾數(shù)條件下既可出現(xiàn)紊流狀態(tài),故換熱系數(shù)較高,一般可達(dá)3 000～5 000Kcal/m2 . h. ℃,與同樣流速下的管殼式換熱器相比,此值約為管殼式換熱器的傳熱系數(shù)的3～5 倍,雖然,這時板式換熱器的阻力會大一些,如在同樣耗功的條件下相比,則板式換熱器的放熱系數(shù)比管殼式的高一倍左右。

由于板式換熱器的結(jié)構(gòu)緊湊、空隙小、因而單位體積的傳熱面積增大,其安裝面積約為管殼式的1/ 2～1/ 3 ,可節(jié)省占地面積與施工費用,每一外殼容積為1 m3時,其傳熱面積為80 m2 左右,另外,板式換熱器容易增減換熱面積,對于管殼式換熱器在需要增加液體的處理量時,原有熱交換器的傳熱面積幾乎不可能增加,但板式換熱器的傳熱面積卻很容易增加,從而增加處理能力,另外,板式換熱器只有傳熱板的外殼板暴露在大氣中,因此,散熱損失可忽略不計,也不需保溫措施。

可拆式板式換熱器在運行維護(hù)方面的特點之一就是裝拆比較方便,甚至可以不必完全拆開,僅把壓緊螺栓松開就可抽出板片清洗、更換墊圈,以至更換板片。這對于換熱介質(zhì)容易產(chǎn)生沉積的物料就顯得尤為重要。