1.1.1换热设备的应用换热设备是化工、炼油工业中普遍应用的典型工艺设备,用来实现热量的传递,使热量由高温流体传送给低温流体。在化工厂,用于换热设备的费用约占总费用的10%~20%,在炼油厂约占总费用的35%~40%。其他在动力、原子能、冶金、食品、交通、家电等工业部门也有着广泛的应用。在化工生产中,为了工艺流程的需要,往往进行着各种不同的换热过程:如加热、冷却、蒸发和冷凝等。换热器就是用来进行这些热传递过程的设备,通过这种设备,能使热量从温度较高的流体传递给温度较低的流体,以满足工艺上的需要。换热器作为一个单独的化工设备,有时则把它作为某一工艺设备中的组成部分,如氨合成塔中的下部热交换器、精馏塔底部的再沸器和顶部的回流冷凝器或分凝器等。其他如回收排放的高温气体中的废热所用的废热锅炉,有时在生产中也是不可缺少的。总之,换热器在化工生产中应用十分广泛,提高热能利用率,降低燃料消耗和电耗,提高工业生产经济效益,任何化工生产工艺几乎都离不开它。

 

　　1.1.2换热设备应满足的基本条件根据工艺过程或热量回收用途的不同,换热设备可以是加热器、冷却器、蒸发器、再沸器、冷凝器、余热锅炉等,因而换热设备的种类、型式很多。完善的换热设备在设计或选型时应满足以下各项基本要求。

 

　　1.合理地实现所规定的工艺条件传热量、流体的热力学参数(温度、压力、流量、相态等)与物理化学性质(密度、黏度、腐蚀性等)是工艺过程所规定的条件。设计者应根据这些条件进行热力学和流体力学的计算,经过反复比较,使所设计的换热设备具有尽可能小的传热面积,在单位时间内传递尽可能多的热量。为此,具体的做法可以是:(1)增大传热系数在综合考虑了流体阻力与不发生流体诱发振动的前提下,尽量选择高的流速。(2)增大平均温度差对于无相变的流体,尽量采用接近逆流的传热方式。因为这样不仅可以增大平均温度差,还有助于减少结构中的温差应力。在条件允许时,可提高热流体的进口温度或降低冷流体的进口温度。(3)妥善布置传热面积例如在管壳式换热器中,采用合适的管间距或排列方式,不仅可以加大单位空间内安置的传热面积,还可以改善流动特性。错列管束的传热效果比并列管束的好。如果换热设备中的一侧流体有相变,另一侧流体为气相,可以在气相一侧的传热面上加翅片以增大传热面积,则有利于热量的传递。

 

　　2.安全可靠换热设备也是压力容器,在进行强度、刚度、温差应力及疲劳寿命计算时,应该遵照我国《压力容器》与《热交换器》等有关规定与标准。这对保证设备的安全可靠起着很大的作用。《美国机械工程师学会(ASME)锅炉与压力容器规范》,美国的《管式换热器制造商协会(TEMA)标准》以及《膨胀节制造商协会(EJMA)标准》等也都有很好的参考价值。材料的选择是一个重要的环节,不仅要了解材料的机械性能、物理性能、屈服极限、最小强度极限、弹性模量、延伸率、线膨胀系数,导热系数等,还应了解其在特殊环境中的耐电化学腐蚀、应力腐蚀、点腐蚀的性能。例如低温退火的奥氏体不锈钢具有很好的机械性能,在许多腐蚀性介质中具有很好的抗腐蚀能力,但在有卤化物的环境中,几天之内便遭受腐蚀。受压的与非受压的部分,焊接的与非焊接的部分,设备的支承部分,在材料选择上应予以不同对待。

 

　　3.有利于安装、操作与维修直立设备的安装费往往低于水平的或倾斜的设备。设备与部件应便于运输与装拆,在厂房中移动时不会受到楼梯、梁、柱等的妨碍。根据需要可添置气、液排放口、检查孔与敷设保温层。对于一台高效的换热设备,如果操作上出现一些波动,很可能难以控制操作,以致引起快速的结垢或部件的失效。故在设计时便应提出相应的对策,决不能让换热设备在操作时出现的问题转嫁到下一工序。对易结垢的换热设备,如在流体中加入净化剂,便可不必停工清洗,否则就应采取快速清洗的办法以缩短停工的时间。有时也可以将换热设备分作两个部分,当一部分在清洗时,另一部分仍维持正常的运行。操作场地应留有足够的空间以便换热设备在报废之前可以将其内件抽出在现场进行焊接、堵漏与修理。4.经济合理评定换热设备最终的指标是:在一定时间内(通常为一年)固定费用(设备的购买费、安装费等)与操作费(动力费、清洗费、维修费等)的总和为最小(图11)。当设计或选型时,如果有几种换热器都能完成生产任务的需要,这一指标尤为重要。

 

　　动力消耗费与流速的平方成正比,而流速的提高又有利于传热,因此存在一最适宜的流速。传热面上垢层的产生与增厚,使传热系数不断降低,传热量随之减少,故有必要停止操作进行清洗。在清洗时不仅无法传递热量,还要支付清洗费,这部分费用必须从清洗后传热条件的改善得到补偿。因此还存在一最适宜的运行周期。

 

　　换热设备的分类及其特点

 

　　按照传热方式的不同,换热设备可分为三类。

 

　　1)混合式换热器。利用冷、热流体直接接触与混合的作用进行热量交换。这类换热器的结构简单、价格便宜,常做成塔状。

 

　　2)蓄热式换热器。在这类换热器中,热量传递是通过格子砖或填料等蓄热体来完成的。首先让热流体通过,把热量积蓄在蓄热体中,然后再让冷流体通过,把热量带走。由于两种流体交替转换输入,因此不可避免地存在着一小部分流体相互掺和的现象,造成流体的“污染”。

 

　　3）间壁式换热器。这是工业中最为广泛应用的一类换热器。冷、热流体被一固体壁面隔开,通过壁面进行传热。按照传热面的形状与结构特点它又可分为:

 

　　①管式换热器,如蛇管式、套管式、管壳式、缠绕管式等;②板面式换热器,如板式、板翅式、螺旋板式、板壳式、伞板式等;③其他型式换热器,如石墨换热器、聚四氟乙烯换热器、热管换热器等