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換熱器有哪些用途
換熱器是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設(shè)備,又稱熱交換器。
換熱器的應(yīng)用廣泛,日常生活中取暖用的暖氣散熱片、汽輪機(jī)裝置中的凝汽器和航天火箭上的油冷卻器等,都是換熱器。它還廣泛應(yīng)用于化工、石油、動(dòng)力和原子能等工業(yè)部門(mén)。它的主要功能是保證工藝過(guò)程對(duì)介質(zhì)所要求的特定溫度,同時(shí)也是提高能源利用率的主要設(shè)備之一。
由于制造工藝和科學(xué)水平的限制,早期的換熱器只能采用簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu),而且傳熱面積小、體積大和笨重,如蛇管式換熱器等。隨著制造工藝的發(fā)展,逐步形成一種管殼式換熱器,它不僅單位體積具有較大的傳熱面積,而且傳熱效果也較好,長(zhǎng)期以來(lái)在工業(yè)生產(chǎn)中成為一種典型的換熱器。
二十世紀(jì)20年代出現(xiàn)板式換熱器,并應(yīng)用于食品工業(yè)。以板代管制成的換熱器,結(jié)構(gòu)緊湊,傳熱效果好,因此陸續(xù)發(fā)展為多種形式。30年代初,瑞典首次制成螺旋板換熱器。接著英國(guó)用釬焊法制造出一種由銅及其合金材料制成的板翅式換熱器,用于飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的散熱。30年代末,瑞典又制造出第一臺(tái)板殼式換熱器,用于紙漿工廠。在此期間,為了解決強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)的換熱問(wèn)題,人們對(duì)新型材料制成的換熱器開(kāi)始注意。
60年代左右,由于空間技術(shù)和尖端科學(xué)的迅速發(fā)展,迫切需要各種高效能緊湊型的換熱器,再加上沖壓、釬焊和密封等技術(shù)的發(fā)展,換熱器制造工藝得到進(jìn)一步完善,從而推動(dòng)了緊湊型板面式換熱器的蓬勃發(fā)展和廣泛應(yīng)用。此外,自60年代開(kāi)始,為了適應(yīng)高溫和高壓條件下的換熱和節(jié)能的需要,典型的管殼式換熱器也得到了進(jìn)一步的發(fā)展。70年代中期,為了強(qiáng)化傳熱,在研究和發(fā)展熱管的基礎(chǔ)上又創(chuàng)制出熱管式換熱器。
換熱器按傳熱方式的不同可分為混合式、蓄熱式和間壁式三類。
混合式換熱器是通過(guò)冷、熱流體的直接接觸、混合進(jìn)行熱量交換的換熱器,又稱接觸式換熱器。由于兩流體混合換熱后必須及時(shí)分離,這類換熱器適合于氣、液兩流體之間的換熱。例如,化工廠和發(fā)電廠所用的涼水塔中,熱水由上往下噴淋,而冷空氣自下而上吸入,在填充物的水膜表面或飛沫及水滴表面,熱水和冷空氣相互接觸進(jìn)行換熱,熱水被冷卻,冷空氣被加熱,然后依靠?jī)闪黧w本身的密度差得以及時(shí)分離。
蓄熱式換熱器是利用冷、熱流體交替流經(jīng)蓄熱室中的蓄熱體(填料)表面,從而進(jìn)行熱量交換的換熱器,如煉焦?fàn)t下方預(yù)熱空氣的蓄熱室。這類換熱器主要用于回收和利用高溫廢氣的熱量。以回收冷量為目的的同類設(shè)備稱蓄冷器,多用于空氣分離裝置中。
間壁式換熱器的冷、熱流體被固體間壁隔開(kāi),并通過(guò)間壁進(jìn)行熱量交換的換熱器,因此又稱表面式換熱器,這類換熱器應(yīng)用最廣。
間壁式換熱器根據(jù)傳熱面的結(jié)構(gòu)不同可分為管式、板面式和其他型式。管式換熱器以管子表面作為傳熱面,包括蛇管式換熱器、套管式換熱器和管殼式換熱器等;板面式換熱器以板面作為傳熱面,包括板式換熱器、螺旋板換熱器、板翅式換熱器、板殼式換熱器和傘板換熱器等;其他型式換熱器是為滿足某些特殊要求而設(shè)計(jì)的換熱器,如刮面式換熱器、轉(zhuǎn)盤(pán)式換熱器和空氣冷卻器等。
換熱器中流體的相對(duì)流向一般有順流和逆流兩種。順流時(shí),入口處兩流體的溫差最大,并沿傳熱表面逐漸減小,至出口處溫差為最小。逆流時(shí),沿傳熱表面兩流體的溫差分布較均勻。在冷、熱流體的進(jìn)出口溫度一定的條件下,當(dāng)兩種流體都無(wú)相變時(shí),以逆流的平均溫差最大順流最小。
在完成同樣傳熱量的條件下,采用逆流可使平均溫差增大,換熱器的傳熱面積減;若傳熱面積不變,采用逆流時(shí)可使加熱或冷卻流體的消耗量降低。前者可節(jié)省設(shè)備費(fèi),后者可節(jié)省操作費(fèi),故在設(shè)計(jì)或生產(chǎn)使用中應(yīng)盡量采用逆流換熱。
當(dāng)冷、熱流體兩者或其中一種有物相變化(沸騰或冷凝)時(shí),由于相變時(shí)只放出或吸收汽化潛熱,流體本身的溫度并無(wú)變化,因此流體的進(jìn)出口溫度相等,這時(shí)兩流體的溫差就與流體的流向選擇無(wú)關(guān)了。除順流和逆流這兩種流向外,還有錯(cuò)流和折流等流向。
在傳熱過(guò)程中,降低間壁式換熱器中的熱阻,以提高傳熱系數(shù)是一個(gè)重要的問(wèn)題。熱阻主要來(lái)源于間壁兩側(cè)粘滯于傳熱面上的流體薄層(稱為邊界層),和換熱器使用中在壁兩側(cè)形成的污垢層,金屬壁的熱阻相對(duì)較小。
增加流體的流速和擾動(dòng)性,可減薄邊界層,降低熱阻提高給熱系數(shù)。但增加流體流速會(huì)使能量消耗增加,故設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)在減小熱阻和降低能耗之間作合理的協(xié)調(diào)。為了降低污垢的熱阻,可設(shè)法延緩污垢的形成,并定期清洗傳熱面。
一般換熱器都用金屬材料制成,其中碳素鋼和低合金鋼大多用于制造中、低壓換熱器;不銹鋼除主要用于不同的耐腐蝕條件外,奧氏體不銹鋼還可作為耐高、低溫的材料;銅、鋁及其合金多用于制造低溫?fù)Q熱器;鎳合金則用于高溫條件下;非金屬材料除制作墊片零件外,有些已開(kāi)始用于制作非金屬材料的耐蝕換熱器,如石墨換熱器、氟塑料換熱器和玻璃換熱器等。