1.1.1換熱設(shè)備的應(yīng)用換熱設(shè)備是化工、煉油工業(yè)中普遍應(yīng)用的典型工藝設(shè)備,用來(lái)實(shí)現(xiàn)熱量的傳遞,使熱量由高溫流體傳送給低溫流體。在化工廠,用于換熱設(shè)備的費(fèi)用約占總費(fèi)用的10%~20%,在煉油廠約占總費(fèi)用的35%~40%。其他在動(dòng)力、原子能、冶金、食品、交通、家電等工業(yè)部門(mén)也有著廣泛的應(yīng)用。在化工生產(chǎn)中,為了工藝流程的需要,往往進(jìn)行著各種不同的換熱過(guò)程:如加熱、冷卻、蒸發(fā)和冷凝等。換熱器就是用來(lái)進(jìn)行這些熱傳遞過(guò)程的設(shè)備,通過(guò)這種設(shè)備,能使熱量從溫度較高的流體傳遞給溫度較低的流體,以滿足工藝上的需要。換熱器作為一個(gè)單獨(dú)的化工設(shè)備,有時(shí)則把它作為某一工藝設(shè)備中的組成部分,如氨合成塔中的下部熱交換器、精餾塔底部的再沸器和頂部的回流冷凝器或分凝器等。其他如回收排放的高溫氣體中的廢熱所用的廢熱鍋爐,有時(shí)在生產(chǎn)中也是不可缺少的。總之,換熱器在化工生產(chǎn)中應(yīng)用十分廣泛,提高熱能利用率,降低燃料消耗和電耗,提高工業(yè)生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益,任何化工生產(chǎn)工藝幾乎都離不開(kāi)它。
1.1.2換熱設(shè)備應(yīng)滿足的基本條件根據(jù)工藝過(guò)程或熱量回收用途的不同,換熱設(shè)備可以是加熱器、冷卻器、蒸發(fā)器、再沸器、冷凝器、余熱鍋爐等,因而換熱設(shè)備的種類、型式很多。完善的換熱設(shè)備在設(shè)計(jì)或選型時(shí)應(yīng)滿足以下各項(xiàng)基本要求。
1.合理地實(shí)現(xiàn)所規(guī)定的工藝條件傳熱量、流體的熱力學(xué)參數(shù)(溫度、壓力、流量、相態(tài)等)與物理化學(xué)性質(zhì)(密度、黏度、腐蝕性等)是工藝過(guò)程所規(guī)定的條件。設(shè)計(jì)者應(yīng)根據(jù)這些條件進(jìn)行熱力學(xué)和流體力學(xué)的計(jì)算,經(jīng)過(guò)反復(fù)比較,使所設(shè)計(jì)的換熱設(shè)備具有盡可能小的傳熱面積,在單位時(shí)間內(nèi)傳遞盡可能多的熱量。為此,具體的做法可以是:(1)增大傳熱系數(shù)在綜合考慮了流體阻力與不發(fā)生流體誘發(fā)振動(dòng)的前提下,盡量選擇高的流速。(2)增大平均溫度差對(duì)于無(wú)相變的流體,盡量采用接近逆流的傳熱方式。因?yàn)檫@樣不僅可以增大平均溫度差,還有助于減少結(jié)構(gòu)中的溫差應(yīng)力。在條件允許時(shí),可提高熱流體的進(jìn)口溫度或降低冷流體的進(jìn)口溫度。(3)妥善布置傳熱面積例如在管殼式換熱器中,采用合適的管間距或排列方式,不僅可以加大單位空間內(nèi)安置的傳熱面積,還可以改善流動(dòng)特性。錯(cuò)列管束的傳熱效果比并列管束的好。如果換熱設(shè)備中的一側(cè)流體有相變,另一側(cè)流體為氣相,可以在氣相一側(cè)的傳熱面上加翅片以增大傳熱面積,則有利于熱量的傳遞。
2.安全可靠換熱設(shè)備也是壓力容器,在進(jìn)行強(qiáng)度、剛度、溫差應(yīng)力及疲勞壽命計(jì)算時(shí),應(yīng)該遵照我國(guó)《壓力容器》與《熱交換器》等有關(guān)規(guī)定與標(biāo)準(zhǔn)。這對(duì)保證設(shè)備的安全可靠起著很大的作用。《美國(guó)機(jī)械工程師學(xué)會(huì)(ASME)鍋爐與壓力容器規(guī)范》,美國(guó)的《管式換熱器制造商協(xié)會(huì)(TEMA)標(biāo)準(zhǔn)》以及《膨脹節(jié)制造商協(xié)會(huì)(EJMA)標(biāo)準(zhǔn)》等也都有很好的參考價(jià)值。材料的選擇是一個(gè)重要的環(huán)節(jié),不僅要了解材料的機(jī)械性能、物理性能、屈服極限、最小強(qiáng)度極限、彈性模量、延伸率、線膨脹系數(shù),導(dǎo)熱系數(shù)等,還應(yīng)了解其在特殊環(huán)境中的耐電化學(xué)腐蝕、應(yīng)力腐蝕、點(diǎn)腐蝕的性能。例如低溫退火的奧氏體不銹鋼具有很好的機(jī)械性能,在許多腐蝕性介質(zhì)中具有很好的抗腐蝕能力,但在有鹵化物的環(huán)境中,幾天之內(nèi)便遭受腐蝕。受壓的與非受壓的部分,焊接的與非焊接的部分,設(shè)備的支承部分,在材料選擇上應(yīng)予以不同對(duì)待。
3.有利于安裝、操作與維修直立設(shè)備的安裝費(fèi)往往低于水平的或傾斜的設(shè)備。設(shè)備與部件應(yīng)便于運(yùn)輸與裝拆,在廠房中移動(dòng)時(shí)不會(huì)受到樓梯、梁、柱等的妨礙。根據(jù)需要可添置氣、液排放口、檢查孔與敷設(shè)保溫層。對(duì)于一臺(tái)高效的換熱設(shè)備,如果操作上出現(xiàn)一些波動(dòng),很可能難以控制操作,以致引起快速的結(jié)垢或部件的失效。故在設(shè)計(jì)時(shí)便應(yīng)提出相應(yīng)的對(duì)策,決不能讓換熱設(shè)備在操作時(shí)出現(xiàn)的問(wèn)題轉(zhuǎn)嫁到下一工序。對(duì)易結(jié)垢的換熱設(shè)備,如在流體中加入凈化劑,便可不必停工清洗,否則就應(yīng)采取快速清洗的辦法以縮短停工的時(shí)間。有時(shí)也可以將換熱設(shè)備分作兩個(gè)部分,當(dāng)一部分在清洗時(shí),另一部分仍維持正常的運(yùn)行。操作場(chǎng)地應(yīng)留有足夠的空間以便換熱設(shè)備在報(bào)廢之前可以將其內(nèi)件抽出在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行焊接、堵漏與修理。4.經(jīng)濟(jì)合理評(píng)定換熱設(shè)備最終的指標(biāo)是:在一定時(shí)間內(nèi)(通常為一年)固定費(fèi)用(設(shè)備的購(gòu)買(mǎi)費(fèi)、安裝費(fèi)等)與操作費(fèi)(動(dòng)力費(fèi)、清洗費(fèi)、維修費(fèi)等)的總和為最小(圖11)。當(dāng)設(shè)計(jì)或選型時(shí),如果有幾種換熱器都能完成生產(chǎn)任務(wù)的需要,這一指標(biāo)尤為重要。
動(dòng)力消耗費(fèi)與流速的平方成正比,而流速的提高又有利于傳熱,因此存在一最適宜的流速。傳熱面上垢層的產(chǎn)生與增厚,使傳熱系數(shù)不斷降低,傳熱量隨之減少,故有必要停止操作進(jìn)行清洗。在清洗時(shí)不僅無(wú)法傳遞熱量,還要支付清洗費(fèi),這部分費(fèi)用必須從清洗后傳熱條件的改善得到補(bǔ)償。因此還存在一最適宜的運(yùn)行周期。
換熱設(shè)備的分類及其特點(diǎn)
按照傳熱方式的不同,換熱設(shè)備可分為三類。
1)混合式換熱器。利用冷、熱流體直接接觸與混合的作用進(jìn)行熱量交換。這類換熱器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜,常做成塔狀。
2)蓄熱式換熱器。在這類換熱器中,熱量傳遞是通過(guò)格子磚或填料等蓄熱體來(lái)完成的。首先讓熱流體通過(guò),把熱量積蓄在蓄熱體中,然后再讓冷流體通過(guò),把熱量帶走。由于兩種流體交替轉(zhuǎn)換輸入,因此不可避免地存在著一小部分流體相互摻和的現(xiàn)象,造成流體的“污染”。
3）間壁式換熱器。這是工業(yè)中最為廣泛應(yīng)用的一類換熱器。冷、熱流體被一固體壁面隔開(kāi),通過(guò)壁面進(jìn)行傳熱。按照傳熱面的形狀與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)它又可分為:
①管式換熱器,如蛇管式、套管式、管殼式、纏繞管式等;②板面式換熱器,如板式、板翅式、螺旋板式、板殼式、傘板式等;③其他型式換熱器,如石墨換熱器、聚四氟乙烯換熱器、熱管換熱器等
