换热器大全

有害气体的冷凝回收法

第二节 表面冷凝装置

一、列管式冷凝器

列管式冷凝器是目前应用最广泛的一种,其结构简单、坚固,制造容易,材料范围广泛,处理能力可以很大,适应性强。但在传热效率、设备的紧凑性、单位传热面积的金属消耗量方面,还稍次于各种板式冷凝器。这种冷凝器通常包括固定管板式、U形管式和浮头式三种。 列管冷凝器主要由外壳、管板(又称花板)、管束、顶盖(又称封头)等部件构成。如图13—4所示。在圆形外壳内装入平行管束,管式两端固定在管板上。管子在管板上的固定方法一般采用焊接法或胀管法。装有进口或出口管的顶盖用螺钉与外壳两端法兰相连,顶盖与管板之间构成流体的分配室。

图13—4 列管式冷凝器

进行热交换时,冷却水由顶盖的连接管进入,在管内流动,这条路径称为管程;有害蒸气在管束与壳体之间的空隙内流动,这条路径称为壳程;管束的表面积就是传热面积。在冷凝回收不论是对饱和蒸气的冷凝还是对含不凝气的冷凝过程中,一般情况下,最好在卧式冷凝器的壳程冷凝,因为无论从传热、压力降及清扫方面都比较合理。具体如下。

(1)卧式壳程冷凝膜传热系数要比立式管内或管外的膜传热系数高数倍,同时不凝物不会在死角积累起来不易排出。

(2)冷却水走管内便于清扫水垢。水走管内容易保证有较高的流速,这对降低水垢生成的速度与提高水膜的传热系数都有好处。

(3)卧式列管冷凝器还可如图13—5所示,使低层管子处于冷却水进口处,而使冷凝液积于底层,以便降低冷凝液的温度。在表面冷凝系统中,对冷凝液进一步冷却很重要,如果冷凝系统中的温度较高,一接触空气有机气体就会有大量挥发,一般冷凝液的出口温度要求在60℃或更低。当然也可以增加一个单独的冷却器,不过这样要增加费用。

图13-5 具有过冷的列管式冷凝冷却器

1.浮头式冷凝器

如图13—6所示。这种冷凝器中两端的管板,有一块不与壳体相连,可以沿管长方向自由浮动的浮头。当壳体和管束因温差较大而热膨胀不同时,管束连同浮头就可以在壳体内自由伸缩,从而解决热补偿问题。而另外一端的管板又是以法兰与壳体相连接的,因为整个管束可以由壳体中拆卸出来,便于清洗和检修,所以浮头式冷凝器是应用较多的一种,但由于结构比较复杂,金属耗量多,造价也高。

图13-6 浮头式换热器

2.固定板式冷凝器

如图13—7所示,它依靠补偿圈的弹性变形,以适应外壳与管子之间的不同热膨胀。但这种装置只能用在壳壁与管壁温度差低于60~70℃和壳程流体压强不高的情况下。一般壳程压强超过607950Pa(6atm)时,由于补偿圈过厚,难以伸缩,失去温度差补偿的作用,就应考虑其他结构。

图13-7 有补偿圈补偿的冷凝器

1-补偿圈;2-壳体

3.U形管式冷凝器

如图13—8所示,管子弯成U形,两端均固定在一块管板上,因此每根管子皆可以自由伸缩。这种结构比较简单,质量轻,但弯管工作量大,为了满足管子有一定的弯曲半径,管板利用率就差。管内很难机械清洗,因此,管内流体必须洁净。管束虽然可以拉出,但中心处的管子仍不便调换。

图13-8 U形管式冷凝器

二、蛇管式冷凝器

这种冷凝器分为沉浸式和喷淋式两类。如图13—9及图13—10所示。

图13-9 沉浸式冷凝器

图13—10 喷淋式蛇管冷凝器

1—冷却水泵;2—淋水管;3—支架;4—蛇管;5—淋水管板;6—淋水板

对于沉浸式蛇管冷凝器,当管内通入有害蒸气时,为避免产生水击和阻塞蒸气,蒸气应从蛇管顶端进入,冷凝液则从下端冷凝水排除器排出。其优点是结构简单,价格便宜,管理方便,缺点是传热效果较差,设备笨重。

喷淋式蛇管冷凝器具备沉浸式蛇管冷凝器的优点外,比沉浸式易于清扫和检修。

三、翅片管式冷凝器

翅片管式冷凝器的结构如图13—11所示,其特点是换热管外或内有许多金属翅片,这些翅片既扩大了传热面积,又增强了气体流动时的湍流程度,使气体的膜系数得以提高。

图13—11 翅片管式冷凝器

四、螺旋板式冷凝器

螺旋板式冷凝器的结构如图13—12所示,蒸气从顶部进入,在散开的通道中轴向流动,冷凝液由底部排出,冷凝剂从外围向中心做螺旋流动。

图13—12 螺旋板冷凝器

螺旋板式冷凝器的主要优点就是结构紧凑,单位体积提供的传热面积很大,传热效率高,流体在器内的流速大,污染物不易滞留,其缺点是对焊接质量要求很高,检修也较困难,目前只用于低压场合,但在蒸气冷凝应用时,一般对压力要求不高,根据这些特点,在冷凝净化中采用螺旋板冷凝器是经济合理的。

五、表面冷凝器的热计算。

1.冷凝过程分析

饱和蒸气与温度较低的壁面接触时,蒸气就在壁面上冷凝。若壁面能被冷凝液润湿,则有一薄层凝液遍覆其上,这种冷凝称为膜状冷凝。随着冷凝过程的进行,凝液层逐渐增厚,若壁面不是倾斜或者是垂直放置,则凝液将沿壁面流下,但壁面上总留着一薄凝液。在膜状冷凝时,蒸气冷凝所放出的热量必须通过液膜才能达到壁面。由于蒸气冷凝时气相内温度是均匀一致的,所以没有热阻。蒸气放出冷凝热要靠传导的方式通过液膜,由于液体的热导率不大,所以液膜具有较大的热阻。壁面上冷凝液膜越厚,其热阻越大,冷凝时的膜系数就越小。膜状冷凝时的膜系数取决于凝液的性质和液膜的厚度。

若凝液不能全部润湿壁面,则因表面张力的作用,将使凝液形成液滴,这种冷凝称为滴状冷凝。随着冷凝过程的进行,液滴逐渐增大,将在倾斜的或垂直的壁面上流下,并在流动时带走下方的其他液滴,使壁问重新露出,可提供再次生成新液滴之用。由于滴状冷凝时蒸气不必通过液膜传热而直接在传热面上冷凝,故其膜系数远比膜状冷凝时为大,相差可达几倍,甚至几十倍。

在大多数有害蒸气冷凝净化情况下,都为膜状冷凝,而且混合气体流速很大时(大于10m/s时),膜状冷凝起决定性的作用。因此,表面冷凝器的设计计算,一般是以膜状冷凝为依据。

2.膜状冷凝给热系数α的影响因素

(1)冷凝液的湍动状态的影响 湍流程度愈强,对给热愈有利。冷凝液膜受重力作用下落,同时会因液体的黏度而受到减速,所以它又与重度和黏度有关,而后者又同温度有关。因此,温度差、冷凝潜热和冷凝液的黏度、重度都直接影响到冷凝液的流量和流速,也都影响到给热系数α。

(2)蒸气流动速度和流动方向的影响 如果蒸气流动是顺着冷凝液膜的流动方向,那么蒸气流速较大时,蒸气与液膜之间的摩擦作用将使膜层流速增大,厚度减少,给热系数随之增大;倘若蒸气流动和液膜流动方向相反时,凝液膜的流动就要受到阻碍,使膜层厚度增加,给热系数的数值便减小,但是,当摩擦力超过其重力时,由于形成液膜的小波浪,结果随着蒸气速度的增加,液层受到向上的冲刷而破裂,脱离管壁面,此时,给热系数反而增大。 实践证明,当压力低于101325Pa(绝对压)时,只有蒸气速度大于10m/s时,才对冷凝给热有显著的影响,但在蒸气压力高时,蒸气流速小也会影响给热系数。

(3)蒸气中含不凝气的影响 当蒸气中混杂空气或其他不凝气体时,则冷凝时的给热就会显著地被削弱,随着冷凝的进行,靠近管壁的空气愈积愈多,形成一层空气膜,而使得蒸气流向壁面遇到很大阻碍,空气的热导率又很小,因此,其热阻便大大增加。实验结果如图13—13所示,横坐标表示蒸气中空气的含量x(%),纵坐标表示混有空气时的给热系数αg和纯蒸气冷凝时的给热系数α之比,αg/α从图中可以查出,蒸气中即使含有1%的空气,给热系数就约降低60%,而在冷凝回收净化时,混合气体中往往有较多的不凝气体,因此设计冷凝器时,必须安装放气阀或采取其他措施,用以排出不凝性气体,消除它的影响。

图13—13 蒸气中空气含量对冷凝给热的影响

(4)冷凝表面情况的影响 实践证明,蒸气冷凝给热在下列情况下受到冷凝表面条件的影响往往不可忽视。如表面粗糙不平或有氧化层时,一方面由于表面附加给冷凝液膜流动的阻力,使膜的厚度增加,给热系数相应地要减少;另一方面,表面上的氧化层上热阻也同样会对给热发生影响。

下面所述的计算方法都是按光滑、清洁表面考虑的,因此冷凝给热系数α的计算结果应乘以表13—2中的校正系数(污垢热阻除外)。但是上面已经提到过的如果由于冷凝液不能润湿壁面,产生滴状冷凝,给热系数α反而会增大。

综上所述,影响蒸气冷凝给热系统的主要因素可以表示为下面的函数关系:

α=f(l,λ,γ,g,Cp,r,△t,μ) (13—3)

式中 α——蒸气冷凝时的给热系数,kcal/(m2·h·℃);

l——管壁的几何尺寸,m。对于垂直放置的管子取管长l;对于水平放置的管子,取

nd0管外径d0;若为一束水平管时,取m,n为已知管子总数,m为垂直排的数目;

λ——冷凝液的热导率,kcal/(m·h.℃);

γ——冷凝液的重度,kg/m3;

g——重力加速度;

Cp——冷凝液的定压比热容,kcal/(kg·℃);

r——蒸气在冷凝温度下的潜热,kcal/kg;

△t——蒸气冷凝温度和壁面温度之差,℃;

μ——冷凝液的黏度,kg·s/m2。

注:1cal=4.1840J。

蒸气冷凝的膜系数。的计算式也常整理成准数关系式的形式,所得结果可用准数之间的函数关系式表示如下:

Na=f(Ga,Pr,KD) (13-4)

Ga13

g

Cp22式中 Pr,称伽利略数,它表示重力作用流体流动情况对给热的影响; ,称普兰德数,它表示流体物性对给热的 影响;

KD

Cpt,称冷凝数,表示相变化时,对给热的影响。

3.表面冷凝器的热计算

冷凝器的热计算是为了确定换热面积,或者已知面积计算所能传递的热量,作为校核计算。

蒸气在膜状冷凝时,放出的潜热必须穿过液体膜层才能传到冷却壁上。如果液膜的流动状态属于层流,那么通过液膜的热量的传递就只能依靠导热。由于液膜的厚度从上至下愈积愈厚,所以局部给热系数。从起始凝结的地点开始,愈往下愈小,在热计算中,求取整个壁面的平均给热系数口。

(1)列管式冷凝的热计算 将式(13—4)中各数展开整理并由实验得出常数后,可得下列实验公式。

蒸气在单根水平管上冷凝:

__

0.725(gr

d外t321)4 (13—5)

式中 d外——管外径。

蒸气在垂直管板上冷凝时:

__

1.15(gr

ht321)4

(13—6)

式中 h——垂直管或板的高度。

nd外 当蒸气在水平管束上冷凝时,式(13—5)中的d外须用上下排列的诸管外径之和,即m

代替之,其中n为管的总数,m为管的垂直列数。

(2)翅管空冷冷凝器的热计算这种冷凝器在外壁加翅片,传热系数可按翅壁计算。如图13—14所示。设整个翅壁由两种不同材料制成,厚度为δ的平直部分的热阻为λδ,而在翅片的热阻可以忽略(即导热很好),这样就可以近似地运用外环热阻叠加原理计算传热系数。

图13—14 翅壁传热

K1

1(外内)12外(F翅/F光)内 (13—7)

式中,翅面面积与光面面积的比值F翅/F光,称翅化系数。

[例3] 外壁有翅的空气冷凝器,翅化系数13,壁厚δ=10mm,材料的热导率λ为40kcal

__

/(m2·h·℃),管内光表面冷凝高湿有机蒸气的平均给热系数内=1000kcal/(m2·h·℃),管外翅片表面的给热系数外=10kcal/(m2·h·℃),求传热系数K。

解 将已知数据代入公式(13—7):

K1

1

10000.01

40

1

1

10000.01

401

1011013kcal/(mhC)111.8kcal/(mhC)22 22 不加翅片情况下: Kkcal/(mhC)9.9kcal/(mhC)

注:1cal=4.1840J。

由此可见,两种情况相差较大,加翅片可以使传热系数增加许多。


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