2 |管壳式换热器第三部分分析|图形|百度文库

第2章壳管式热交换器壳管式冷凝器和蒸发器？在上一部分中，我们了解了在室温和压力下具有单一逆流热量的管壳式换热器的设计. 在下一部分中，我们将研究在存在相变热，高温，高压或低温传热的情况下管壳式换热器设计的差异，或应特别注意的问题. 对于相变热，主要研究了不同传热机制带来的设计变化. 对于高温，高压或低温传热，主要研究了热交换器的结构和材料的变化以承受高温，高压和低温. 2.7壳管式冷凝器和蒸发器的工作特性2.7.1壳管式冷凝器的工作特性工作流体从蒸汽变为液体的过程称为冷凝. 当蒸汽与低于其饱和温度的流体结合时当壁接触时，发生冷凝并释放潜热. 蒸汽在冷壁上冷凝并释放潜热，而冷却液则在壁的另一侧吸收热量. 这就是冷凝器的工作原理. 根据冷凝方法，冷凝热传递分为珠状冷凝和膜状冷凝. 通常，膜冷凝是常见的，并且冷凝器是根据膜冷凝来设计的. ？根据冷凝物，冷凝过程可分为可冷凝蒸汽的冷凝和不可冷凝蒸汽的冷凝. ？可冷凝蒸汽可以是单一组分的纯蒸汽或多种组分的混合蒸汽. 因此，我们将在三种情况下讨论冷凝器的设计: 1）纯蒸汽的冷凝2）包含不可冷凝气体的蒸汽的冷凝3）混合蒸汽的冷凝？ 1）在冷凝器中冷凝纯净的饱和蒸汽. 设计此冷凝器时，应注意以下问题: （1）一般来说，冷凝热交换是一种有效的热交换过程，而液膜是主要的热阻，因此冷凝热交换通常不会成为冷凝器的主要热阻. 整个传热过程.

但是，在许多设备中，冷凝热交换是传热过程的主要热阻. 在这种情况下，还必须充分注意冷凝热传递过程的增强. 例如，当各种石油馏分和有机蒸气的冷凝器使用水作为吸热工作流体时，冷凝侧的传热系数将低于水侧的传热系数. 例如，氟利昂的冷凝传热系数（800-1000）小于冷却水侧的冷凝传热系数. （2）对于饱和蒸汽的冷凝，通常采用卧式冷凝器. 根据冷凝过程的机理，当冷凝膜处于层流状态时，与水平管和垂直管外部的冷凝相比，当两者之间的温差与冷凝介质的物理性质相同时，使用水平管时的传热系数始终高于立管的传热系数. 此时，如果饱和蒸汽在管外冷凝，则不仅传热系数高，而且压降也小，因此易于结垢的水可以在管内流动，从而可以保持高流量，对于传热和防止结垢非常有效. 非常有利. 如果有很多排管，请倾斜放置以减小后管的液膜厚度. ？对于水平聚光镜，当布置成等边三角形时，板的轴线和水平轴线之间的偏转角更合适，如图2.10所示，可以通过以下公式计算: θ= 30o-arcsin（do / 2s ）做: 管子外径； s: 管间距. 目的: 减小换热管上液膜的包角和厚度. 但是，在某些情况下，使用立式冷凝器还具有某些优势: ①当冷凝水需要过冷时，如果使用卧式冷凝器，则只有当一部分传热表面浸入冷凝水时才可以过冷. 通过自然对流换热来实现.

使用垂直冷凝时，冷凝液会以降膜形式向下沉. 此时，传热系数较高，这减小了冷凝物过冷所需的传热表面. ②在压降的允许范围内，当蒸汽在立管中冷凝时，流速可以更高，从而使液膜变薄，不凝性气体不易在设备中积聚，蒸汽流速分布均匀. （3）在水平管中冷凝蒸汽的方法必须非常谨慎. 在这种情况下，冷凝器通常使用多个管道. 第一个通道中的冷凝液体和未冷凝的蒸汽进入下一个通道. 因此，在相同的管束中，管的下半部倾向于积聚更多的冷凝物，并且管的上半部倾向于积聚更多的蒸汽，使得管束中的气液分布难以均匀，在相同条件下，冷凝物的积聚起阻碍传热的作用，使其传热系数高于管子的传热系数. 低外部凝结. 2）冷凝器中过热蒸汽的冷却和冷凝. 冷凝器中过热蒸汽的冷却和冷凝分为三个阶段. 第一级是单个冷却过程，第二级的壁表面被冷凝. 主流动区尚未达到饱和温度以继续冷却，第三阶段是饱和冷凝过程. 第一阶段的特征是将蒸汽的过热部分冷却至饱和状态，并且热交换是单相气体冷却，并且热传递是显热传递，并且热传递系数比热传递系数小得多. 凝结传热系数. 但是，过热蒸汽的比热很小，并且显热传递的热量也不大. 如果过热程度显着，则完成此热交换阶段所需的热交换面积也将很大. 冷凝出现在第二和第三阶段，主要的传热方法是冷凝热，主要是潜热，传热系数较大.

由于不同的热交换方法，应按部分计算过热蒸汽的冷却过程和冷凝过程. 第一阶段是一个阶段，第二和第三阶段是另一个阶段. 方法: 设计一个热交换器，该热交换器的面积应为两部分的加法. 一部分是完成第一阶段并计算单相流传热所需的传热面积，另一部分是完成第二和第三阶段传热所需的传热面积. 这两个部分中使用的传热和电阻计算完全不同. 但是，当过热度不是很大时，仍然可以使用纯饱和蒸汽冷凝散热公式来计算平均传热系数，但是公式中的汽化潜热应该用r'代替，如下式: r'= cg（tg -ts）+ r其中cg是过热蒸汽的比热； r是蒸汽汽化的潜热. 至于在α或Q的计算中使用的冷凝温度差Δt，仍基于饱和温度ts而不是过热温度t来计算. 该处理仍然足够准确. 3）包含不凝性气体的蒸汽的冷凝蒸汽中包含的不凝性气体可能有两种不同的来源，一种是由于外部泄漏引起的，另一种是固有的或由可凝性物质夹带的. 当蒸汽包含不可冷凝气体时，传热过程实际上是由蒸汽冷凝和不可冷凝气体冷却组成的. 该过程称为冷凝冷却过程. ？在冷凝器中，即使其中包含的极少的不可冷凝气体也是如此. 随着冷凝过程的进行，冷凝的蒸汽继续冷凝，并且不可冷凝气体的相对量增加，这将导致传热系数显着下降. 实验表明，即使蒸汽中只有1％的空气，也会使传热系数降低60％.

因此，工业上使用的冷凝器通常应配备排气装置. 例如，对于在正压下工作的冷凝器，请将排气阀安装在适当的位置. 在负压下工作的蒸汽轮机冷凝器配有蒸汽喷射提取器. 总压力不变. 在壁上的液体膜的外部，由于蒸气冷凝，不可冷凝的分子积聚形成气模层，其中不可冷凝气体的分压增加，而蒸汽的分压减小. 液膜外的该层气膜使蒸气通过扩散而通过气膜而到达液膜凝结. 这层气膜构成了冷凝过程的主要热阻，大大降低了热交换系数. 此外. 由于该气膜中的蒸气分压Pvi低，冷凝温度也将从气液膜界面上的对应于Pv的饱和温度tv降至对应于Pvi的ti. 结果，冷凝温度差减小. 凝结强度. 包含不凝性气体的蒸汽的热传递被认为是由两部分组成的: 一部分是由于蒸汽凝结而产生的潜热. 另一部分是不可冷凝气体和蒸汽的总量（主流）与液膜传递之间的显热. ？蒸汽冷凝部分中的热量取决于蒸汽分子通过气膜的扩散. 它的驱动力是蒸汽的分压差（Pv-Pvi）. 根据质量交换过程和热交换过程之间的相似关系，压力差越大，蒸汽的扩散速度就越大，并且传质（冷凝）也就越大. 则潜热在单位传热面上的传热可表示为: 不可冷凝气体与蒸汽的整体（主流）与液膜之间的显热传递，功率为气体的温差膜，然后是单位传热表面上部显热传递的热量可以用牛顿公式表示为: 随着冷凝过程的进行，气膜中的蒸汽分压，液膜温度和传热系数为所有这些都发生了显着变化，并且每个部分的总传热都不同.

因此，需要将其分为很多部分，以完成带有不可冷凝蒸汽的冷凝器的设计. 此外，还应注意以下几点: ①冷凝包含不凝性气体的蒸汽时，蒸汽速度对凝结放热有很大影响. 在蒸汽放热方面. 传质系数起着很大的作用. 不可凝气体越多，传质系数的影响越大. 当蒸汽流量增加时，传质系数迅速增加管壳式冷却器，从而增强了热传递. 可以看出，当其他条件保持不变时，蒸汽-气体混合物中的不可凝气体越多，增强热传递以增加流量的手段就越有效. ②当不可冷凝气体的相对含量高时，不可冷凝气体的含量对传热有重大影响. 当蒸汽-气体混合物在管束中冷凝时管壳式冷却器，由于蒸汽的连续冷凝，体积流量不断减小，并且流横截面变化很小. 因此，冷凝器后半部分的流速急剧下降，并且不可冷凝气体的相对含量达到相对较高的程度. 这导致传质系数迅速下降，显着降低了传热强度. 4）混合蒸汽的冷凝工业中也遇到了混合两种或多种可冷凝蒸汽而形成的混合蒸汽的冷凝. 在冷凝过程中，在一定温度下，各种组分以不同的比例冷凝. 在另一个温度下，另一部分冷凝，即它们的冷凝量随温度而变化，这是一个重要特征. 混合蒸气的冷凝也与它的成分在液体状态下是否互溶有关. ？混合蒸汽冷凝过程可归因于以下特征吗？ ①混合蒸汽凝结后，凝结温度连续下降，因此是非等温凝结过程.

同时，由于每种组分的冷凝潜热不同，所以温度变化和释放的热量通常不成比例. 因此，当温度变化范围较大时，应按分段计算平均温度差； ②在冷凝过程中，气体和液体的组成不断变化，因此物理性质和传热系数也不断变化. 因此，当进出口温度在较大范围内变化时，还需要计算出各段流体的平均温度，并获得相应的物理性能和传热系数. ③由于混合蒸气的凝结类似于不可凝结的蒸气的凝结，所以后凝结的蒸气也会在壁附近积聚，形成蒸气膜. 在该蒸气膜中，由于蒸气分压的变化也存在误差. 因此，首先被气膜冷凝的液体的温度相对较高，并且必须进一步冷却以在随后的流动中释放显热. 2.7.2壳管式蒸发器的工作特性？蒸发器中的沸腾热交换与冷凝热交换相同，后者是增强的热交换. 当液体沸腾时，它可以吸收大量的汽化潜热，并且会形成蒸汽气泡. 当离开加热表面时，在边界层中会产生强烈的干扰，从而实现较高的传热系数. 与单相流体的对流传热系数相比，可以提高数倍甚至20至30倍. ？因此，它被广泛应用于工业，例如蒸汽锅炉，蒸发器，再沸器以及其他高参数，高热负荷设备，用于电力，化工等领域. ??但是在某些设备中，沸腾传热是传热过程的主要热阻. 如果低沸点液体沸腾，则沸腾侧的传热系数将低于加热液体侧的传热系数.

例如，氟利昂的沸腾传热系数比水侧的冷凝水低. 在这种情况下，有必要充分注意沸腾传热过程的增强. 例如: ？在各种工业企业的生产过程中，通常需要浓缩包含固体物质的水溶液. ？主要方法是使用蒸发器将稀溶液加热至沸腾，以使部分水蒸发以增加溶液的浓度. ？图2.52显示了中央循环管蒸发器，该蒸发器通常用于水溶液的蒸发. ？它由一个加热室和一个分离室组成，因为中央循环管的直径远大于加热管的直径. 中央循环管中溶液的密度大于在周围加热管中强烈沸腾的溶液的密度，从而产生自然循环. ？在蒸发器中加热的蒸汽称为一次蒸汽，通过溶液的加热蒸发产生的蒸汽称为二次蒸汽. ？为了减少在需要蒸发大量水的情况下的加热蒸汽消耗，可以使用多效蒸发（或多级蒸发）方法，其特征在于使用每次蒸发中产生的二次蒸汽. 效果蒸发器，因为较低的单效加热蒸汽将在下一个效果中产生新的二次蒸汽，这不仅增加了溶液的浓度，而且节省了加热蒸汽的量. 通常限制为2-3种效果，也有4-6种效果. ？工作压力和温度逐渐降低. 计算水溶液蒸发器时，应注意以下特征: ①在水溶液蒸发器中，由于包含非物质的水溶液被蒸发，因此溶液的沸点高于纯溶剂（水）的沸点；称为溶液的物理和化学温度降.

但是次级蒸汽的温度仅等于在相应压力下的饱和温度. 因此，当加热蒸汽温度恒定时，蒸发溶液时的传热温度差小于蒸发水的传热温度差. ②因为蒸发器中的液位很高，所以溶液的密度通常较高. 结果，上层溶液在下层溶液上产生一定的静压，使得下层溶液的沸点高于上层溶液的沸点，但所产生的二次蒸汽的温度仍对应于液体表面的压力下降，因此在蒸发器中，由于静压-静压温度下降的影响，还有第二种温度下降. ③在多效蒸发中，还应考虑二次蒸汽流向二次效应加热室时管道阻力引起的压降，从而降低二次加热蒸汽的饱和温度. 饱和温度的这种下降构成了蒸发器中的第三种温度下降，即流阻温度下降. 总体结果. 由于存在三种温度降，蒸发器中的有效温差减小了，这变为: ④一些材料发生冷凝或稀释热反应，例如水和物质的形成和分解. 浓度越高，越有意义. 如果蒸发器明显过热或过冷，则应考虑分段设计. 通常，这种情况很少见. 关于相变热，我们主要讨论由相变和单相流传热之间的差异引起的传热计算差异. 管壳式换热器在高温，高压和低温下的设计问题. 因为热交换是单相流，所以热交换定律不受温度和压力的很大影响. 重点放在热交换器上，以承受温度和压力下结构和材料变化引起的应力要求.

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