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(zhì)參數(shù)(流速、允許壓降、溫度等)的合理選擇。
在換熱設備中,介質(zhì)流速高,傳熱系數(shù)大。在一定的熱負荷下,可以減少傳熱面積,設備結(jié)構(gòu)緊湊,不僅節(jié)約投資,還有利于減緩或抑制污垢的形成。但同時,介質(zhì)流速高,壓降大,介質(zhì)對傳熱面的侵蝕加劇,容易產(chǎn)生流體誘導振動破壞。計算表明,隨著介質(zhì)流速的增加,壓降的增加率遠遠大于傳熱系數(shù)的增加率。因此,介質(zhì)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(nèi)提高流速,以增加傳熱系數(shù)。
介質(zhì)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(jù)需要決定。然而,如果介質(zhì)溫度過高或過低,可能會結(jié)垢、結(jié)晶,導致傳熱惡化。同時,介質(zhì)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(zhì)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(shù),使熱冷流體盡可能接近逆流。
04、換熱設備結(jié)構(gòu)參數(shù)的合理選擇主要包括結(jié)構(gòu)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(shù)和殼程形式,管程數(shù)有1~12程多種,常用的有1,2,4管程,管程數(shù)增加,管內(nèi)流速增加,傳熱系數(shù)也增加,但管內(nèi)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(jié)構(gòu),如常用的圓缺形折流板、環(huán)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(shù)、雷諾數(shù)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(nèi)的換熱過程中,取管內(nèi)徑,而非圓管則取管內(nèi)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?qū)峤粨Q的影響,經(jīng)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(shù)、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(nèi)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(zhì)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(shù)可行性和經(jīng)濟合理性。
提高總傳熱系數(shù)是加強傳熱的重要途徑。從傳熱系數(shù)方程可以看出,提高總傳熱系數(shù)K必須從提高換熱設備間壁兩側(cè)的供熱系數(shù)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(fā)展。加強傳熱的重點是提高間壁兩側(cè)的供熱系數(shù)備間壁兩側(cè)的供熱系數(shù)中,較小的供熱系數(shù)可以顯著增加總傳熱系數(shù);提高間壁兩側(cè)供熱系數(shù)的方法可分為無源強化技術(shù)和有源強化技術(shù)。無源強化技術(shù)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(shù)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(shù)。各種強化傳熱技術(shù)都有一定的適用范圍。
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