22.3.3 换热器选型原则
1.基本要求
选用的换热器首先要满足工艺及操作条件要求。工艺条件下长期运转,安全可靠,不泄漏,维修清洗方便,满足工艺要求的传热面积和工艺布置的安装尺寸,尽量有较高的传热效率和较小的流体阻力等。
2.介质流程
介质走管程还是壳程,应根据介质性质及工艺要求进行综合选择。以下是常用的介质流程安排:
①腐蚀性介质宜走管程,可以降低对外壳材料的要求;
②毒性介质走管程,泄漏的概率小;
③易结垢的介质走管程,便于清洗和打扫;
④压力较高的介质走管程,以减小对外壳机械强度的要求;
⑤温度高的介质走管程,可以通过改变外壳材料满足介质的要求。
此外,流体在壳程内容易达到湍流(Re＞100即可,而在管程内流动时,Re＞10 000才是湍流),因而主张黏度较大、流量较小的介质选走壳程,可提高传热系数。从压降考虑,也是雷诺数小的介质走壳程有利。
3.终端温差
换热器的终端温差通常由工艺要求而定,但当确定终端温差时,应考虑对换热器的经济性和传热效率的影响。在工艺设计中,应使换热器在较佳范围内操作,一般认为理想终端温差如下:
①热端温差应在20℃以上;
②当用水或其他冷却介质冷却时,冷端温差可以小一些,但不要低于5℃;
③当用冷却剂冷凝流体时,冷却剂的进口温度应当高于流体中最高凝点组分的凝点5℃以上;
④空冷器的最小温差应大于20℃;
⑤当冷凝含有惰性气体的流体时,冷却剂的出口温度至少比流体中冷凝组分的露点低5℃。
4.流速
流速提高,流体湍流程度增加,可以提高传热效率,有利于冲刷污垢和沉积。但流速过大,造成设备磨损严重,甚至造成设备振动,影响设备操作和使用寿命,能量消耗也将增加。因此,主张有一个恰当的流速。根据经验,常见流体流速如表22-3所示。
表22-3 常见流速表
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5.压降
一般考虑压降随操作压力的不同而有一个大致的范围。压降的影响因素较多,但希望换热器的压降在表22-4所示的参考范围内或附近。
表22-4 常见压降表
6.传热膜系数
当传热面两侧的传热膜系数α1、α2相差很大时,α值较小的一侧将成为控制传热效果的主要因素。设计换热器时应尽量增大α值较小一侧的α值,最好能使两侧的α值大体相等。当计算传热面积时,常以α值小的一侧为基准。
增大α值的方法如下:
①缩小通道截面积,增大流速;
②增设挡板或促进产生湍流的插入物;
③管壁上加翅片,提高湍流程度的同时增大传热面积;
④糙化传热表面,用沟槽或多孔表面,对于冷凝、沸腾等有相变的传热过程来说,可获得大的α值。
7.污垢系数
换热器使用中会在壁面产生污垢,这是常见的事,设计换热器时应予以认真考虑。目前对污垢造成的热阻尚无可靠的公式,不能进行定量计算,因此要慎重考虑流速和壁温的影响。选用过大的安全系数,有时会适得其反。若传热面积的安全系数过大,将导致流速下降,自然的“去垢”作用减弱,污垢反而增多。有时考虑到有污垢的最不利条件,但新开工时却无污垢,从而造成过热情况,所以不可不慎。在设计换热器时,应考虑从工艺上降低污垢系数,如改进水质、消除死区、增大流速、防止局部过热等。
采用Aspen Tech公司开发的换热器设计软件——Aspen Exchanger Design&Rating(EDR)进行换热器设计。根据上步物料衡算和能量衡算的模拟计算的结果数据,输入Aspen EDR进行结构、尺寸、费用等的设计与优化,如图22-6和图22-7所示,最后得到换热器结构设计的计算结果如图22-8所示。
图22-6 EDR换热器设计数据输入
图22-7 EDR换热器设计数据输出
图22-8 EDR换热器结构设计
以换热器结构设计的线下作业为例。通过EDR换热器结构设计的计算结果,利用AutoCAD绘制其装配图,如附录图2-4所示,真正实现了工程的拓展。