1、换热设备,二零一三年四月二十七日,一、换热设备在炼油生产中的应用在炼油、化工生产中，绝大多数的工艺过程都有加热、冷却和冷凝的过程，这些过程总称为传热过程。传热过程的进行需要通过一定的设备来完成，这些使传热过程得以实现的设备称之为换热设备。据统计，在炼油厂中换热设备的投资占全部工艺设备总投资的3540%。,第一节 换热器概述,绝大部分的化学反应或传质传热过程都与热量的变化密切相关，如反应过程中，有的要放热，有的要吸热，要维持反应的连续进行，就必须排除多余的热量或补充反应所需的热量；工艺过程中某些废热和余热也需要加以回收利用，以降低成本。另外，生产所得的油品或化工产品，需要将其冷却或冷凝，以便储存
2、和运输。以上这些与热量有关的过程都需要使用换热设备。,使用换热设备是为了达到加热或冷却的目的，如果将那些需要加热的液体与需要冷却的液体，经过换热设备相互换热，既可回收热量，又可降低冷却水的消耗，一举两得。综上所述，换热设备是炼油、化工生产中不可缺少的重要设备。换热设备在动力、原子能、冶金及仪器等其他工业部门也有着广泛的应用。,定义,换热器是用来完成各种不同传热过程的设备。,1、简单的如：开水锅炉、水杯、冰箱、空调等。,2、是许多工业部门广泛应用的通用工艺设备。通常，在化工厂的建设中，换热器约占总投资的30 40 。,那么衡量一台换热器好坏的标准是什么呢？,效率要高。效率高就是要求其传热系数大，
3、传热系数是指在单位时间内、单位传热面积上温度每变化一度所传递热量的多少。 结构要紧凑。要使换热设备的结构紧凑就要求其比表面积要大，比表面积是指单位体积的设备所具有的传热面积，即传热面积与设备体积之比。 节省材料。要做节省材料就要求其比重量要小，所谓比重是指单位传热面积所耗用的金属量，即换热设备总金属用量与传热面积之比。,二、衡量标准,压力降要小。液体在设备中流动阻力小、压力损失就小，节省动力、操作成本低 。 要求结构可靠、制造成本低，便于安装、检修、使用周期长。,3.可靠性,满足操作条件 ,强度足够,保证使用寿命,二、衡量标准（总结）,2.合理性,1.先进性,可制造加工，成本可接受,传热效率高
4、，流体阻力小，材料省,化工生产对换热设备提出的要求是：传热效率高，流体阻力小；强度、刚度、稳定性足够；结构合理，节省材料，成本较低；制造、装拆、检修方便等。,三、换热设备的分类 （一）按用途分类1、换热器 两种温度不同的流体进行热量交换，使一种流 体降温另一种流体升温，以满足各自的需要， 这种换热设备称为换热器。,2、冷凝器 两种温度不同的流体在进行热量交换过程中，有一种流体是从气态被冷凝成为液态，但其温度变化并不大，这种换热设备称为冷凝器。如塔顶油气经过冷凝器而变为流体油品，此时冷凝温度并不高，一般多用水作为吸收热量的流体，这部分热量没有被利用而是散放于环境中。,3、重沸器 重沸器也叫再沸器
5、，其工作过程与冷凝器相反，即有一种流体被加热而蒸发成为气体。4、冷却器 凡是热量不回收利用，而单纯只是为了使一种流体被冷却的设备称为冷却器。根据其所用冷流体的不同，有水冷却器和空气冷却器，一般都是接在换热器的后面作为最后将油品降温到可以进入油罐的一种手段。,5、加热器 凡是利用废热单纯只是为了一种流体被加热而升温的设备称为加热器。如管式加热炉用的空气预热器，就是利用出炉的高温烟气的废热来加热进入炉子燃烧室的空气，这样也回收了废热是经济的。,冷却器（cooler）,冷凝器（condenser）,蒸发器（发生相变）（evaporator）,加热器（一般不发生相变）（heater）,再沸器（rebo
6、iler）,废热锅炉（waste heat boiler）,换热器（heat exchanger ）,按用途分类,（二）按材料 金属、陶瓷、塑料、玻璃等 （三）按冷热流体相对流动方向及换热面的组合方式，可分为 1、顺流 冷、热流体平行流动而且同向 2、逆流 冷、热流体平行流动但方向相反 3、交叉流 两种流体的流动方向互相垂直交叉 4、混流 两种流体在流动过程中既有顺流部分又有逆流部分。,分为间壁式、混合式及蓄热式（或称回热式）三大类。(1)间壁式换热器冷热流体由壁面间隔开来而分别位于壁面的两侧。 （2）混合式换热器冷热两种流体通过直接接触、互相混合来实现换热。（3）蓄热式换热器冷热两中流体依次
7、交替地流过同一换热表面而实现热量的交换。,（四）按传热方式或工作原理分类,（四）按传热方式或工作原理分类,1、混合式换热器 （直接接触式）通过冷热流体直接混合进行热量交换的设备称为混合式换热器，或直接式换热器，如冷却塔、气压冷凝器、在传质的同时进行传热的塔设备等。,结构简单，传热效果好，但不能用于发生反应或有影响的流体之间局限：只适用于允许两流体混合的场合。,直接接触式换热器,实例：冷却塔、气压冷凝器,2、蓄热式,温度较高的场合，但有交叉污染，温度波动大,蓄热式换热器,蓄热式换热器利用冷热两种流体交替通过换热器内的同一通道而进行热量传递。,局限：不能用于两流体不允许混合的场合。,优点：结构简单
8、，传热效率高。,又称表面式换热器利用间壁（固体壁面）进行热交换。 冷热两种流体隔开，互不接触，热量 由热流体通过间壁传递给冷流体。,应用最为广泛，形式多种多样， 如管壳式换热器、板式换热器等,四、换热设备的工作过程（一）热量传递方式换热设备工作过程的核心就是热量的传递过程。热量传递的基本方式有三种，即传导传热、对流传热和辐射传热。,我们知道，在自然界和日常生活中，到处都存在着温度差。如太阳和地球之间，室内和室外之间，人体和环境之间。而只要有温度差，就有热量的传递，而且，热量总是自发地从高温传向低温。 由于存在温度差而引起的热量传递，称为传热。传热学就是研究热量传递规律的科学。因为温度差是普遍存
9、在的，所以热量传递就成为一种很普遍的自然现象，在日常生活和工农业生产中都有广泛的应用。,1、热传导（导热） 物体各部分之间不发生相对位移时（相对静止、或不发生宏观相对运动），依靠微观粒子的热运动而产生的热量传递现象。,2、热对流 流体各部分之间存在宏观相对运动时，由于流体发生迁移而引起的热量传递现象。 热对流与导热不同，它缘于流体的流动，根据流体流动的原因，可分为：强制对流流体的流动是由于外力推动而形成的，如用泵输水、输油、吹电风扇、扇扇子。 自然对流由于流体冷、热各部分的温度不同，密度的不同，在重力作用下，密度小向上流动，密度大向下流动，而形成的热量交换，称为自然对流。,3、热辐射 导热和对
10、流这两种热量传递方式必须依靠中间介质,只有物质存在的条件下才能实现。当两个物体真空隔开时,导热和对流都不会发生。如太阳与地球之间,太阳表面温度6000K,太阳地球距离15000万公里,有一段真空层,导热和对流都不会发生,太阳与地球却进行着热量交换(万物生长靠太阳)。这种不借助中间介质的热量传递,称为热辐射。 不同的物体,辐射能力也不同。物体发出的热辐射能力的大小与温度有关,温度越高,辐射能力越大。温度相同,但物体的性质(材料)和表面情况不同,辐射能力也不同。,Eb或E表示我们所研究的物体自身向周围发射辐射的能力大小。同时它也在不断吸收外界周围其他物体发射出去并落到它身上的辐射能。既发射,又吸收
11、,那么此物体净失去或净得到多少热量呢?相减,为辐射换热。,4、复合换热 在工业生产实际中，三种基本传热方式一般都不是单独存在的，往往是相互伴随、同时出现，只不过是有些情况下某一种或两种传热方式占主要地位，而在另一些情况下则是另外一种或两种传热方式占主要地位。在温度较低时以辐射方式传递的热量很少，只有在高温时才较为明显。,5、传热过程 在实际的换热设备中，最常见的是（热）流体与（冷）流体之间的换热。如家庭淋浴用的热水器，就是将高温火焰的热量传给低温水，而进行热量交换的冷热流体常常分别处于固体壁面的两侧，这种高温流体通过固体壁面把热量传给另一侧低温流体的过程，称为传热过程。进行传热过程的热力设备，
12、称为换热器。,（二）间壁式换热设备的换热过程在间壁式换热设备中，主要是传导和对流两种传热方式。 1、传热量计算 例如冷热流体通过一块无限大平板（平壁）的稳态传热过程。已知壁厚，导热系数，左侧与温度为tf1的流体接触，流体与壁面的换热系数为a1，右侧为a2，无辐射换热或忽略，来计算传热量。,W,W/m2,2、传热系数,第二节 传热过程和传热系数,传热速率与传热面积、冷热流体的温度差、传热系数均成正比。因此增大传热面积，提高传热系数，增大冷热流体的温度差都可提高传热速率，但在实际应用中温度差是不能随意改变的，增大传热面积又会使设备的结构庞大，制造成本加大，而传热系数又与诸多因素不关。,所以在工程实
13、际中应全面考虑各种因素，综合分析，设计出既能满足工艺要求，结构又紧凑，且成本低廉，效率高的换热设备。一般应从如下几方面考虑：,（1）增加流体的流速，以增加流体的湍流程度来提高流体的传热系数，但增大流速会增加流体流过换热元件时的压力降，使泵的负荷加大，故应将传热系数和压力降综合考虑，采取适宜的流速。就流体本身言，粘度越小则传热系数越大，液体的传热系数远大于气体的。,（2）尽量采用导热性能好的材料作为换热元件。还要考虑在满足强度要求下尽量使壁厚薄一些。另外在使用过程中，固体壁面上往往会沉淀结垢，这些污垢的导热系数很低，会大大降低设备的传热，所以换热设备要定期进行清扫除垢。,（3）流体的温度是由工艺
14、条件确定的，所以两种流体的温度差是不可随意增大的，但若使两种流体在设备中按逆（冷热流体流向相反）方式流动，可使其平均温差大于顺流时的平均温差，有利于热量的传递。,（4）可通过在管式换热器中采用翅片管、波纹管和小直径的换热管等方式来增大传热面积，在板片式换热器中由于传热表面是薄板，更易压制成各种形状，以增大传热面积和增加流体的湍流状态，提高传热效率。,（五）换热设备的选型各种类型的换热设备有其自身的特点，选型时需要考虑的因素也很多。如材料、温度、压力，流体的性质、压力降，设备的用途、制造、安装、检修及经济性等。一般遵循以下原则：,（1）当高温、高压操作，处理量较大时，强度和结构的可靠性很重要，就选管壳换热。 （2）对有强腐蚀的液体，就选耐腐蚀材料换热器。 （3）若操作温度和压力都不高，处理量也不太大，但流体具有腐蚀性要求采用贵重金属材料时，可选板面式换热器中的新型换热设备，如板片式、板翅式等，因为这些换热器具有传热效率高、结构紧凑、金属耗量少等突出的优点。,
