關于工業換熱器設計的研究

劉智彬(天津市創舉科技有限公司 300122)

前言

換熱器是工業生產中重要的設備之一，而且種類繁多，特點不一，因此，選擇合適的換熱器是換熱器設計中相當重要的一大步驟。本次設計中，我們需要對換熱器進行選擇基礎上,通過查圖表的方式得到相關技術參數從而完成設計。在本文中，本文就換熱器設計從工業換熱器的介紹、以環縫式換熱器為例的工業換熱器設計等方面進行一番剖析，對換熱器設計的步驟以及參數選擇提供可參考的建議。

一、工業換熱器介紹

換熱器是一種在不同溫度的兩種或兩種以上流體間實現物料之間熱量傳遞的節能設備，是使熱量由較高的流體傳遞給溫度較低的流體，使流體溫度達到流程規定的指標，以滿足過程工藝條件的需要，同時也提高能源利用率的主要設備之一。在化工、石油、動力、食品及其它許多工業部門的通用設備，在生產中占有重要地位。根據冷、熱流體熱量交換的原理和方式基本上可分三大類即：間壁式、混合式和蓄熱式。間壁式換熱器是指冷熱流體分別分布在壁面的兩側，混合式換熱器是指冷熱流體一起混在一起進行熱量交換，而蓄熱式換熱器則是指冷熱流體交換式的流過壁面。除此之外，以換熱器按傳熱原理分類可分為：表面式換熱器、蓄熱式換熱器、流體連接間接式換熱器以及直接接觸式換熱器。

二、工業換熱器設計——以環縫式換熱器為例

工業換熱器的設計涉及的技術參數有許多，以環縫式換熱器為例：在設計過程中，在確定進入換熱器的煙氣標況流量、換熱器煙氣進口溫度、進入換熱器的空氣標況流量、換熱器冷空氣進口溫度、換熱器熱空氣出口溫度以及入換熱器煙氣成分等設計條件的基礎上，我們首先需要根據設計手冊選擇合適的煙氣流速，然后根據基本的公式確定換熱器的筒徑和環縫寬度，然后，我們要進行的是熱計算：有效傳熱熱流量、煙氣出口溫度的計算、傳熱表面積、內筒高度和核算管段入口系數。在這些熱力計算中，我們需要借助相關的圖表，選擇合適的出入口煙氣溫度，煙氣的黑度，煙氣的平均比熱容以及進、出口集箱輻射的影響取輻射增量等技術參數，從而保證熱計算前后的合理性以及換熱器設計的正確性。以核算管段入口系數設計計算為例，如果我們選擇螺旋節距為h，則螺旋直徑為外筒內徑減去壁厚，同時根據內筒高度H，則螺旋圈的圈數則為內筒直徑與節距的比，螺旋長度(指空氣流程長度)可根據相應的公式計算出來，在進行環縫通道內空氣傳熱系數計算時，需要先對環縫的當量直徑進行確定，然后計算空氣對流傳熱系數，對比前面的假設是否正確的，若正確，不需再算，否則需重新假設計算。當完成換熱器外形的計算設計和換熱器熱計算之后，還需進行換熱器熱力參數的校核，從空氣溫度、煙氣溫度、水當量之比、換熱器空氣側的熱傳遞單元和換熱器空氣側的熱傳有效度等的計算，根據進、出口空氣溫度和進、出口煙氣溫度計算和假設值對其進行誤差分析，如果相對誤差在可接受的范圍之內，則表明這些技術參數是合理有效，否則需重新假設計算和校核。然后是需要根據壁溫的大小來選擇換熱器的材質，在壁溫的計算校核中主要涉及的有平均壁溫、煙氣入口處壁溫和煙氣出口處壁溫，最后根據最高壁溫選擇相應符合條件的換熱器材料。除此之外，換熱器壓力的校核計算也是十分的重要的。首先是空氣側壓損：我們可以根據摩擦壓損由熱計算知空氣在環縫通道內的雷諾數的大小，判斷流動狀態，從而可推得摩擦阻力系數的大小，然后按公式計算摩擦阻力損失。其次是形阻（局部）壓損，我們可以根據設計需求，取進、出口環形集管阻力系數的大小，確定溫度補正系數求得形阻損失，最終獲得空氣側壓總損看是否符合設計要求。第二是煙氣側壓損：煙氣側壓力損失包括煙氣進、出口的形阻損失和內筒內的摩擦阻力損失，由于換熱器為立式安裝，煙氣的浮力忽略不計。根據煙氣在內筒內標況流速的大小確定煙氣雷諾數 ，然后由摩擦系數確定 摩擦阻力損失，同樣的還需要求得形阻損失最后求和得到煙氣側總阻力與設計要求相對應比較。

結語

通過上文換熱器類型和換熱器技術參數計算的探究，我們不難發現換熱器計算設計是一項十分復雜的工作。在整個換熱器計算中最后需要得到的主要計算參數有：傳熱面積、流動方式、空氣進入口溫度、標況流量、煙氣進出口溫度、標況流速、總傳熱系數、直徑、材質和煙氣側壓降等二十多個參數，每個參數的計算校核都需要嚴格按照工業要求和技術要求來進行，只有這樣才能保證換熱器設計的合理有效性，才能在工業生產中發揮其價值。

[1]T.Kuppan換熱器設計手冊，北京：中國石化出版社，1996.

[2]機械工程設計手冊[第二版]，北京：機械工業出版社，1998.

[3]有色冶金爐設計手冊，上海：冶金工業出版社，2000.

[4]楊世銘，陶文銓，傳熱學[第四版],北京：高等教育出版社，2008.

[5]王補宣，工程傳熱傳質學[上、下]，北京：科學出版社，2000.