换热器的选择使用及强化传热

来源：发布时间：2014-07-09 11:31:25点击率：

摘要：换热器作为一种交换热量的设备，具有强化传热措施传热阻力小、传热能力大的特点，也使换热器的应用更加广泛。要选择适合于生产系统的换热器，就需要了解各种换热器的性能和特点，笔者从换热器的特点和换热器强化传热的方式分析，以此提高换热器的节能效果。
    关键词：换热器选择使用强化传热
    中图分类号：TQ02文献标识码：A文章标号：1674-8492（2011）06-090-03
    换热器在化工厂中大量使用，根据行业中换热器的特点及实际使用情况正确选用换热器，通过不断研究和摸索，较大地挖掘换热器在节能减排方面的潜能。
    1·几种换热器的特点
    1.1管壳式换热器
    管壳式换热器是典型的间壁式换热器，在所有换热器中占据主导地位。管壳式换热器主要有壳体、管束、管板和封头等部分组成。主要类型有Ｕ型管壳式换热器（见图1）、固定管板式换热器（见图2）、填料函式换热器（见图3）、浮头式换热器等（见图4）。

    其中，可靠性高、易于制造、造价低、适应性广、结构坚固是固定管板式换热器较为突出的优点。缺点是因热膨胀使管子承受较大的应力，壳程难清洗，较适用于壳程介质清洁不易结垢并能进行化学清洗和管、壳程两侧温差不大，或温差较大但壳侧压力不高的场合，是目前使用为广泛的一种换热器。以神宁煤业集团25t/a甲醇装置为例，固定管板式换热器约占总数的89%。
    Ｕ型管壳式换热器主要特点是将成“Ｕ”型的管子固定在同一块管板上，即一端固定另一端活动，这种换热器重量轻、结构较简单，且不受膨胀的影响。其主要缺点是管子不便拆换、管板利用率低，适用于温差大、管内流体介质比较干净的场合。神宁煤业集团25t/a甲醇装置低温甲醇洗工段中的贫富甲醇换热器大多就是采用“Ｕ”型管式换热器，由于冷、热流体的终温差达到100℃左右，使用其它换热器无法克服由温差引起的热应力，由于换热效率不高以及单位体积的换热面积较低，采用了10台换热器串联的方式，且占地面积大，检修工作量大。
    浮头式换热器及填料函式换热器，这两种换热器两端的管板有一端可以沿轴向自由浮动，这种结构几乎不产生热应力，尽管结构较为复杂，但是在冷、热流体温差大的场合得到了广泛应用。
    1.2板面式换热器
    板面式换热器就是通过板面进行传热的换热器。由于结构上的特点，使流体能在较低的流速下就达到湍流状态，使换热系数较高，进而强化传热，在换热器处于正常状态时，换热系数一般能达到3000～5000Kcal/ｍ2h℃，较同等状态和流速下的管壳式换热器的阻力会大一些。如将板式换热器和管壳式换热器的耗功情况进行比较，前者的换热系数要比后者高出许多。板面式换热器的主要缺点是结构复杂、造价高，流道小、易堵塞、不易清洗、难以检修。
    在板面式换热器中有一种板翅式换热器（见图5），这种换热器的基本结构是在两块平行金属板之间放置一种波纹状的金属导热翅片，在其两侧边缘以封条密封，就组成了一个单元，把由这些单元组成的若干个板束组装在一起便构成了逆流、错流、错逆流板式换热器。不同几何形状的翅片使流体在流道中形成强烈的湍流，使热阻边界层不断破坏，从而有效地降低热阻，提高传热效率。其传热系数一般比管壳式换热器大3～10倍，单位体积内的传热面积一般能达到2500～4370m2/m3，是管壳式换热器的十几倍到几十倍，而相同条件下换热器的重量只有管壳式换热器的10%～65%。目前在较大的空气分离装置中应用广泛。

    2·换热器强化传热的方式
    通过改善传热性能，从而达到改善和提高热传递速率的目的。通过传热学理论我们得出，对于换热设备稳定传热时的换热量Q等于传热系数与换热面积及平均传热温差的乘积，即：

    2.1扩展传热面积F
    为了增加传热效果使用简单、多的一种方法是扩展传热面积，但不能增加设备的体积来增加传热面积，那样不但使设备庞大，而且增加了对设备的投资。目前，较好地方法是提高单位体积的传热面积，使用一些特殊构件，如翅片管、波纹管、板翅式换热器等。神宁煤业集团25万t/a甲醇装置精馏工号的加压塔冷凝冷却器在进行改造时使用了波纹管换热器，即用有2638根波纹管的换热器替换了有3773根普通列管的换热器，虽然少了1135根列管，但是换热面积却与原有换热器一致。
    2.2加大传热温差ΔT
    加强换热器换热效果常用的措施之一是加大换热器传热温差ΔT。比较常用的方法有两种：一是在热流体和冷流体的进出口温度一定的情况下，通过使冷、热流体相互逆流流动，即采用不同的换热面来实现改变平均传热温差的目的。二是扩大冷、热流体进出口温度的差别以大平均传热温差，这种方法受实际设备或工艺的条件是否允许影响，所以在使用过程中应尽可能的考虑到不能使其成为增强换热器传热效果的主要手段。如循环水冷却器冷却水的温度受当地的气温、湿度等因素影响，降温比较困难，另一方面也大大增加了能耗。所以，应综合考虑热力系统能量的实际情况，合理使用这种方法，而不能一味增加传热温差。
    2.3增强传热系数（K）
    当前，研究传热强化的重点和主要途径之一是从提高换热设备的传热系数以增加换热量着手。由方程式（1）可知，传热过程各串联环节的热阻叠加而成了总热阻1/K，进而得出为了提高传热系数可通过减小任何环节的热阻来实现，使传热过程的速率大大增加。但当各个环节的热阻1/α1、δ/λ、1/α2具有不同数量级时，总热阻的数值将由其中大热阻所决定。以套管换热器为例，器壁热阻δ/λ，可以忽略，当α1远大于α2时，必定K≈α2，而当α2远大于α1时，必定K≈α1。由此可见，在串联过程中可能存在某个制约环节，须减小该环节热阻，否则难以达到强化传热的目的。在对神宁煤业集团25万t/a甲醇装置氨冷冻工号的冷凝器进行改造时就很好的利用了这一点，由于介质的腐蚀，在改造时将列管更换为不锈钢材质（0Cr18Ni9），而此种材料的导热系数仅为碳钢的三分之一，但是改造后冷凝器的换热效果却大幅增强，冷却水上、回水阀的开度仅为原来的三分之一，很好的节约了冷却水的用量。主要原因就是使用了特殊的换热管———波纹管（见图6），使得管内的冷却水湍流加强而大幅提高了管程的给热系数。同时，由于波纹管的缩放作用，减少了污垢的生成使得冷凝器可以长期运行而不用清洗。相比之下金属材料的热阻远小于对流给热的热阻，在传热过程中不起主导作用。

    3·结束语
    随着我国煤化工工业的兴起，不少企业广泛使用一些高效节能的换热器，起到了节能减排的作用，但是传统的固定管板式换热器仍然是化工生产中广泛使用的换热器，因此还有很大的节能空间。
    参考文献
    ［1］陈敏恒，丛德滋，方图南，齐鸣斋.化工原理［M］.化学工业出版社，1999.
    作者简介：高丽（1982-），女，回族，助理工程师，2005年6月毕业于宁夏大学机械学院过程装备与控制工程专业，现任职于神华宁夏煤业集团煤炭化学工业分公司甲醇厂。

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