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換熱設備
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換熱設備設計中應該考慮的問題有哪些?

2021-03-29 17:06:27

不管是換熱設備的設計計算還是校驗計算,一般都要考慮以下問題。

01、必須滿足工藝要求。

02、換熱設備中熱交換介質參數(流速、允許壓降、溫度等)的合理選擇。

在換熱設備中,介質流速高,傳熱系數大。在一定的熱負荷下,可以減少傳熱面積,設備結構緊湊,不僅節約投資,還有利于減緩或抑制污垢的形成。但同時,介質流速高,壓降大,介質對傳熱面的侵蝕加劇,容易產生流體誘導振動破壞。計算表明,隨著介質流速的增加,壓降的增加率遠遠大于傳熱系數的增加率。因此,介質速度的選擇應考慮壓降的合理性,盡可能在允許壓降的范圍內提高流速,以增加傳熱系數。

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介質溫度與工作壓力相同,通常由工藝過程的實際情況或設計師根據需要決定。然而,如果介質溫度過高或過低,可能會結垢、結晶,導致傳熱惡化。同時,介質的溫度或溫差會影響熱交換設備的材料選擇和熱補償要求。熱交換終溫對熱交換設備的效率和傳熱強度有很大影響。當熱交換和冷交換介質逆流時,如果冷流體出口的溫度接近熱流體的進口溫度,熱利用率較高,但傳熱強度較小,所需的傳熱面積較大。

03、合理安排流程,獲得較大的傳熱系數,使熱冷流體盡可能接近逆流。

04、換熱設備結構參數的合理選擇主要包括結構類型、尺寸和材料。

如果是管殼式熱交換器,則必須合理確定管程數和殼程形式,管程數有1~12程多種,常用的有1,2,4管程,管程數增加,管內流速增加,傳熱系數也增加,但管內流速受管程壓降等限制。外殼程度也有多種形式,如單殼程度、雙殼程度等,管束支撐形式也可以采用多種結構,如常用的圓缺形折流板、環盤折流板、螺旋折流板、折流桿支撐等。熱交換器管徑越小,熱交換器越緊湊,越便宜,但管徑越小,熱交換器的壓降就越大,熱交換器在管板上的布置主要有方形和三角形兩種形式,三角形布置有利于殼程流體的湍流,方形布置有利于殼程清洗。

05、在設計和計算時,應注意定性尺寸的計算。定性尺寸在努塞爾特數、雷諾數等的定義式中都有,通常選擇對流體運動或傳熱有主導影響的尺寸作為定性尺寸。舉例來說,在圓管內的換熱過程中,取管內徑,而非圓管則取管內徑。

06、粘度修正。在一些標準方程式中,為了考慮非定溫流和熱流方向對熱交換的影響,經常乘坐有因子的修正項目。這個修正項目的計算往往是由于未知的壁溫而采用試驗差法;但也可以取近似值:當液體被加熱時,取1.05,當液體被冷卻時,取0.95。對于氣體,無論是加熱還是冷卻,都可以取1.0。

07、在滿足所需工藝要求的前提下,設備成本、操作成本和維護成本之和應較低。

08、考慮采取各種強化傳熱措施。

例如對管殼式換熱器,通過基本的傳熱方程可以看到,增加總傳熱系數、傳熱面積和有效的平均溫差可以提高傳熱效率,加強傳熱。

增加傳熱面積不僅僅是增加換熱設備的尺寸,而是增加單位體積內的換熱面積,使設備緊湊合理,如小直徑管、翅片管等。

物料的進出口溫度主要取決于工藝條件。雖然可以選擇不同的介質和流量來增加有效的平均溫差(如增加加熱蒸汽壓力來增加加熱溫度,增加冷卻水流量來降低冷卻水的出口溫度),但必須考慮其技術可行性和經濟合理性。

提高總傳熱系數是加強傳熱的重要途徑。從傳熱系數方程可以看出,提高總傳熱系數K必須從提高換熱設備間壁兩側的供熱系數和降低污垢熱阻入手。隨著運行時間的增加,污垢熱阻逐漸增加,可能成為影響傳熱的主要因素,應通過各種方法減緩污垢的形成和發展。加強傳熱的重點是提高間壁兩側的供熱系數備間壁兩側的供熱系數中,較小的供熱系數可以顯著增加總傳熱系數;提高間壁兩側供熱系數的方法可分為無源強化技術和有源強化技術。無源強化技術主要包括處理表面、粗糙表面、擴展表面、擾流元件、螺旋管、添加劑等。有源強化技術主要包括機械攪拌、表面振動、流體振動、電磁場等。此外,還可以采用兩種或兩種以上的強化措施同時采用的復合強化技術。各種強化傳熱技術都有一定的適用范圍。


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