1.1.1換熱設備的應用換熱設備是化工、煉油工業中普遍應用的典型工藝設備,用來實現熱量的傳遞,使熱量由高溫流體傳送給低溫流體。在化工廠,用于換熱設備的費用約占總費用的10%~20%,在煉油廠約占總費用的35%~40%。其他在動力、原子能、冶金、食品、交通、家電等工業部門也有著廣泛的應用。在化工生產中,為了工藝流程的需要,往往進行著各種不同的換熱過程:如加熱、冷卻、蒸發和冷凝等。換熱器就是用來進行這些熱傳遞過程的設備,通過這種設備,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。換熱器作為一個單獨的化工設備,有時則把它作為某一工藝設備中的組成部分,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,有時在生產中也是不可缺少的?？傊?換熱器在化工生產中應用十分廣泛,提高熱能利用率,降低燃料消耗和電耗,提高工業生產經濟效益,任何化工生產工藝幾乎都離不開它。

 

　　1.1.2換熱設備應滿足的基本條件根據工藝過程或熱量回收用途的不同,換熱設備可以是加熱器、冷卻器、蒸發器、再沸器、冷凝器、余熱鍋爐等,因而換熱設備的種類、型式很多。完善的換熱設備在設計或選型時應滿足以下各項基本要求。

 

　　1.合理地實現所規定的工藝條件傳熱量、流體的熱力學參數(溫度、壓力、流量、相態等)與物理化學性質(密度、黏度、腐蝕性等)是工藝過程所規定的條件。設計者應根據這些條件進行熱力學和流體力學的計算,經過反復比較,使所設計的換熱設備具有盡可能小的傳熱面積,在單位時間內傳遞盡可能多的熱量。為此,具體的做法可以是:(1)增大傳熱系數在綜合考慮了流體阻力與不發生流體誘發振動的前提下,盡量選擇高的流速。(2)增大平均溫度差對于無相變的流體,盡量采用接近逆流的傳熱方式。因為這樣不僅可以增大平均溫度差,還有助于減少結構中的溫差應力。在條件允許時,可提高熱流體的進口溫度或降低冷流體的進口溫度。(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安置的傳熱面積,還可以改善流動特性。錯列管束的傳熱效果比并列管束的好。如果換熱設備中的一側流體有相變,另一側流體為氣相,可以在氣相一側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.安全可靠換熱設備也是壓力容器,在進行強度、剛度、溫差應力及疲勞壽命計算時,應該遵照我國《壓力容器》與《熱交換器》等有關規定與標準。這對保證設備的安全可靠起著很大的作用?！睹绹鴻C械工程師學會(ASME)鍋爐與壓力容器規范》,美國的《管式換熱器制造商協會(TEMA)標準》以及《膨脹節制造商協會(EJMA)標準》等也都有很好的參考價值。材料的選擇是一個重要的環節,不僅要了解材料的機械性能、物理性能、屈服極限、最小強度極限、彈性模量、延伸率、線膨脹系數,導熱系數等,還應了解其在特殊環境中的耐電化學腐蝕、應力腐蝕、點腐蝕的性能。例如低溫退火的奧氏體不銹鋼具有很好的機械性能,在許多腐蝕性介質中具有很好的抗腐蝕能力,但在有鹵化物的環境中,幾天之內便遭受腐蝕。受壓的與非受壓的部分,焊接的與非焊接的部分,設備的支承部分,在材料選擇上應予以不同對待。

 

　　3.有利于安裝、操作與維修直立設備的安裝費往往低于水平的或傾斜的設備。設備與部件應便于運輸與裝拆,在廠房中移動時不會受到樓梯、梁、柱等的妨礙。根據需要可添置氣、液排放口、檢查孔與敷設保溫層。對于一臺高效的換熱設備,如果操作上出現一些波動,很可能難以控制操作,以致引起快速的結垢或部件的失效。故在設計時便應提出相應的對策,決不能讓換熱設備在操作時出現的問題轉嫁到下一工序。對易結垢的換熱設備,如在流體中加入凈化劑,便可不必停工清洗,否則就應采取快速清洗的辦法以縮短停工的時間。有時也可以將換熱設備分作兩個部分,當一部分在清洗時,另一部分仍維持正常的運行。操作場地應留有足夠的空間以便換熱設備在報廢之前可以將其內件抽出在現場進行焊接、堵漏與修理。4.經濟合理評定換熱設備最終的指標是:在一定時間內(通常為一年)固定費用(設備的購買費、安裝費等)與操作費(動力費、清洗費、維修費等)的總和為最小(圖11)。當設計或選型時,如果有幾種換熱器都能完成生產任務的需要,這一指標尤為重要。

 

　　動力消耗費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。傳熱面上垢層的產生與增厚,使傳熱系數不斷降低,傳熱量隨之減少,故有必要停止操作進行清洗。在清洗時不僅無法傳遞熱量,還要支付清洗費,這部分費用必須從清洗后傳熱條件的改善得到補償。因此還存在一最適宜的運行周期。

 

　　換熱設備的分類及其特點

 

　　按照傳熱方式的不同,換熱設備可分為三類。

 

　　1)混合式換熱器。利用冷、熱流體直接接觸與混合的作用進行熱量交換。這類換熱器的結構簡單、價格便宜,常做成塔狀。

 

　　2)蓄熱式換熱器。在這類換熱器中,熱量傳遞是通過格子磚或填料等蓄熱體來完成的。首先讓熱流體通過,把熱量積蓄在蓄熱體中,然后再讓冷流體通過,把熱量帶走。由于兩種流體交替轉換輸入,因此不可避免地存在著一小部分流體相互摻和的現象,造成流體的“污染”。

 

　　3）間壁式換熱器。這是工業中最為廣泛應用的一類換熱器。冷、熱流體被一固體壁面隔開,通過壁面進行傳熱。按照傳熱面的形狀與結構特點它又可分為:

 

　?、俟苁綋Q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