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换热设备
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换热设备设计中应该考虑的问题有哪些?

2021-03-29 17:06:27

不管是换热设备的设计计算还是校验计算,一般都要考虑以下问题。

01、必须满足工艺要求。

02、换热设备中热交换介质参数(流速、允许压降、温度等)的合理选择。

在换热设备中,介质流速高,传热系数大。在一定的热负荷下,可以减少传热面积,设备结构紧凑,不仅节约投资,还有利于减缓或抑制污垢的形成。但同时,介质流速高,压降大,介质对传热面的侵蚀加剧,容易产生流体诱导振动破坏。计算表明,随着介质流速的增加,压降的增加率远远大于传热系数的增加率。因此,介质速度的选择应考虑压降的合理性,尽可能在允许压降的范围内提高流速,以增加传热系数。

换热设备


介质温度与工作压力相同,通常由工艺过程的实际情况或设计师根据需要决定。然而,如果介质温度过高或过低,可能会结垢、结晶,导致传热恶化。同时,介质的温度或温差会影响热交换设备的材料选择和热补偿要求。热交换终温对热交换设备的效率和传热强度有很大影响。当热交换和冷交换介质逆流时,如果冷流体出口的温度接近热流体的进口温度,热利用率较高,但传热强度较小,所需的传热面积较大。

03、合理安排流程,获得较大的传热系数,使热冷流体尽可能接近逆流。

04、换热设备结构参数的合理选择主要包括结构类型、尺寸和材料。

如果是管壳式热交换器,则必须合理确定管程数和壳程形式,管程数有1~12程多种,常用的有1,2,4管程,管程数增加,管内流速增加,传热系数也增加,但管内流速受管程压降等限制。外壳程度也有多种形式,如单壳程度、双壳程度等,管束支撑形式也可以采用多种结构,如常用的圆缺形折流板、环盘折流板、螺旋折流板、折流杆支撑等。热交换器管径越小,热交换器越紧凑,越便宜,但管径越小,热交换器的压降就越大,热交换器在管板上的布置主要有方形和三角形两种形式,三角形布置有利于壳程流体的湍流,方形布置有利于壳程清洗。

05、在设计和计算时,应注意定性尺寸的计算。定性尺寸在努塞尔特数、雷诺数等的定义式中都有,通常选择对流体运动或传热有主导影响的尺寸作为定性尺寸。举例来说,在圆管内的换热过程中,取管内径,而非圆管则取管内径。

06、粘度修正。在一些标准方程式中,为了考虑非定温流和热流方向对热交换的影响,经常乘坐有因子的修正项目。这个修正项目的计算往往是由于未知的壁温而采用试验差法;但也可以取近似值:当液体被加热时,取1.05,当液体被冷却时,取0.95。对于气体,无论是加热还是冷却,都可以取1.0。

07、在满足所需工艺要求的前提下,设备成本、操作成本和维护成本之和应较低。

08、考虑采取各种强化传热措施。

例如对管壳式换热器,通过基本的传热方程可以看到,增加总传热系数、传热面积和有效的平均温差可以提高传热效率,加强传热。

增加传热面积不仅仅是增加换热设备的尺寸,而是增加单位体积内的换热面积,使设备紧凑合理,如小直径管、翅片管等。

物料的进出口温度主要取决于工艺条件。虽然可以选择不同的介质和流量来增加有效的平均温差(如增加加热蒸汽压力来增加加热温度,增加冷却水流量来降低冷却水的出口温度),但必须考虑其技术可行性和经济合理性。

提高总传热系数是加强传热的重要途径。从传热系数方程可以看出,提高总传热系数K必须从提高换热设备间壁两侧的供热系数和降低污垢热阻入手。随着运行时间的增加,污垢热阻逐渐增加,可能成为影响传热的主要因素,应通过各种方法减缓污垢的形成和发展。加强传热的重点是提高间壁两侧的供热系数备间壁两侧的供热系数中,较小的供热系数可以显著增加总传热系数;提高间壁两侧供热系数的方法可分为无源强化技术和有源强化技术。无源强化技术主要包括处理表面、粗糙表面、扩展表面、扰流元件、螺旋管、添加剂等。有源强化技术主要包括机械搅拌、表面振动、流体振动、电磁场等。此外,还可以采用两种或两种以上的强化措施同时采用的复合强化技术。各种强化传热技术都有一定的适用范围。


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