关于工业换热器设计的研究

刘智彬(天津市创举科技有限公司 300122)

前言

换热器是工业生产中重要的设备之一，而且种类繁多，特点不一，因此，选择合适的换热器是换热器设计中相当重要的一大步骤。本次设计中，我们需要对换热器进行选择基础上,通过查图表的方式得到相关技术参数从而完成设计。在本文中，本文就换热器设计从工业换热器的介绍、以环缝式换热器为例的工业换热器设计等方面进行一番剖析，对换热器设计的步骤以及参数选择提供可参考的建议。

一、工业换热器介绍

换热器是一种在不同温度的两种或两种以上流体间实现物料之间热量传递的节能设备，是使热量由较高的流体传递给温度较低的流体，使流体温度达到流程规定的指标，以满足过程工艺条件的需要，同时也提高能源利用率的主要设备之一。在化工、石油、动力、食品及其它许多工业部门的通用设备，在生产中占有重要地位。根据冷、热流体热量交换的原理和方式基本上可分三大类即：间壁式、混合式和蓄热式。间壁式换热器是指冷热流体分别分布在壁面的两侧，混合式换热器是指冷热流体一起混在一起进行热量交换，而蓄热式换热器则是指冷热流体交换式的流过壁面。除此之外，以换热器按传热原理分类可分为：表面式换热器、蓄热式换热器、流体连接间接式换热器以及直接接触式换热器。

二、工业换热器设计——以环缝式换热器为例

工业换热器的设计涉及的技术参数有许多，以环缝式换热器为例：在设计过程中，在确定进入换热器的烟气标况流量、换热器烟气进口温度、进入换热器的空气标况流量、换热器冷空气进口温度、换热器热空气出口温度以及入换热器烟气成分等设计条件的基础上，我们首先需要根据设计手册选择合适的烟气流速，然后根据基本的公式确定换热器的筒径和环缝宽度，然后，我们要进行的是热计算：有效传热热流量、烟气出口温度的计算、传热表面积、内筒高度和核算管段入口系数。在这些热力计算中，我们需要借助相关的图表，选择合适的出入口烟气温度，烟气的黑度，烟气的平均比热容以及进、出口集箱辐射的影响取辐射增量等技术参数，从而保证热计算前后的合理性以及换热器设计的正确性。以核算管段入口系数设计计算为例，如果我们选择螺旋节距为h，则螺旋直径为外筒内径减去壁厚，同时根据内筒高度H，则螺旋圈的圈数则为内筒直径与节距的比，螺旋长度(指空气流程长度)可根据相应的公式计算出来，在进行环缝通道内空气传热系数计算时，需要先对环缝的当量直径进行确定，然后计算空气对流传热系数，对比前面的假设是否正确的，若正确，不需再算，否则需重新假设计算。当完成换热器外形的计算设计和换热器热计算之后，还需进行换热器热力参数的校核，从空气温度、烟气温度、水当量之比、换热器空气侧的热传递单元和换热器空气侧的热传有效度等的计算，根据进、出口空气温度和进、出口烟气温度计算和假设值对其进行误差分析，如果相对误差在可接受的范围之内，则表明这些技术参数是合理有效，否则需重新假设计算和校核。然后是需要根据壁温的大小来选择换热器的材质，在壁温的计算校核中主要涉及的有平均壁温、烟气入口处壁温和烟气出口处壁温，最后根据最高壁温选择相应符合条件的换热器材料。除此之外，换热器压力的校核计算也是十分的重要的。首先是空气侧压损：我们可以根据摩擦压损由热计算知空气在环缝通道内的雷诺数的大小，判断流动状态，从而可推得摩擦阻力系数的大小，然后按公式计算摩擦阻力损失。其次是形阻（局部）压损，我们可以根据设计需求，取进、出口环形集管阻力系数的大小，确定温度补正系数求得形阻损失，最终获得空气侧压总损看是否符合设计要求。第二是烟气侧压损：烟气侧压力损失包括烟气进、出口的形阻损失和内筒内的摩擦阻力损失，由于换热器为立式安装，烟气的浮力忽略不计。根据烟气在内筒内标况流速的大小确定烟气雷诺数 ，然后由摩擦系数确定 摩擦阻力损失，同样的还需要求得形阻损失最后求和得到烟气侧总阻力与设计要求相对应比较。

结语

通过上文换热器类型和换热器技术参数计算的探究，我们不难发现换热器计算设计是一项十分复杂的工作。在整个换热器计算中最后需要得到的主要计算参数有：传热面积、流动方式、空气进入口温度、标况流量、烟气进出口温度、标况流速、总传热系数、直径、材质和烟气侧压降等二十多个参数，每个参数的计算校核都需要严格按照工业要求和技术要求来进行，只有这样才能保证换热器设计的合理有效性，才能在工业生产中发挥其价值。

[1]T.Kuppan换热器设计手册，北京：中国石化出版社，1996.

[2]机械工程设计手册[第二版]，北京：机械工业出版社，1998.

[3]有色冶金炉设计手册，上海：冶金工业出版社，2000.

[4]杨世铭，陶文铨，传热学[第四版],北京：高等教育出版社，2008.

[5]王补宣，工程传热传质学[上、下]，北京：科学出版社，2000.