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冷却器设计的一般原则
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在设计、计算一台列管式冷却器 的时候,应分析其设计压力、涉及温度、介质特性、经济性等因素,并和其他冷却器设备进行一定程度上的比较(如:冷却器与管壳式冷却器的一般比较)。确定采用冷却器后,具体的设计计算的原则为下面几个方面:
(一)选择板片的波纹型式
板片的波纹型式只要有人字形波纹和水平平直波纹两种。人字形波纹板的承压能力可高于1.0MPa,水平平直波纹板片的承压能力一般都在1.0MPa左右;人字形波纹板片的传热系数和流体阻力都高于水平平直波纹板片。选择板片的波纹型式,主要考虑冷却器的工作压力、流体的压力降和传热系数。如果工作压力在1.6MPa以上,则别无选择的要采用人字形波纹板片;如果工作压力不高,又特别要求阻力降低,则选用水平平直波纹板片较好一些;如果由于安装位置所限,需要较高的换热效率以减少冷却器占地面积,而阻力降可以不受限制,则应选用人字形波纹板片。
(二)单板面积的选择
单板面积过小,则冷却器的板片数多,也使得占地面积增大,程数增多,导致阻力降增大;反之,虽然占地面积和阻力降减小了,却难以保证板间通道必要的流速。单板面积可按流体流过角孔的速度为6m/s左右考虑。
(三)流速的选取
流体在板间的流速,影响换热性能和流体的压力降,流速高虽然换热系数高,但是流体的阻力降也增大;反之的情况则相反。一般板间平均流速为0.2~0.8m/s(主流线上的流速要比平均值高4~5倍)。流速低于0.2m/s时流体就达不到湍流状态且会形成较大的死角区,流速过高则会导致阻力降剧增。具体设计时,可以先确定一个流速,计算其阻力降是否在给定的范围内;也可按给定的压力降求出流速的初选值。
(四)流程的选取
对于一般对称型流道的冷却器,两流体的体积流量大致相当时,应尽可能按等程布置;如果两侧流量相差悬殊时,则流量小的一侧可采取多流程布置。相变冷却器的相变一侧一般均为单程。多程冷却器,除非特殊的需要,一般对同一流体在各程中应采取相同的流道数。
在给定的总允许压降下,多程布置使每一程对应的允许压降变小,迫使流速降低,对换热不利。此外,不等程的多程布置是平均传热温差减小的重要原因之一,应尽可能避免。
(近年来国产的冷却器出现了非对称通道的冷却器,国外则采取“热混合”的板片组合方式,即允许热量—流量—压降三者之间的不匹配的问题,同时节省换热面积)
(五)流体的选取
单相换热时,逆流具有最大的平均传热温差。在一般冷却器的工程设计中都尽量把流体布置为逆流。对冷却器来说,要做到这一点,两侧必须为等程。若安排为不等程,则顺逆流需交替出现,此时的平均传热温差将明显小于纯逆流时。
在相变换热时顺流布置与逆流布置平均温差的区别比单相换热时小,但由于这时牙尖大小与流向有密切关系,所以相对流向的选择将主要考虑压降因素,其次才是平均温差。其中要特别注意的是,有相变的流体除不宜采用多程外,还要求要从板片的上部进,下部出,以便排除冷凝液体。
(六)并联流道数的选取
一程中并联流道数的数目视给定流量及选取的流速而定,流速的高低受制于允许压降,在可能的最大流速以内,并联流道数目取决于流量的大小。
(七)选择半片材料
根据介质的腐蚀性能来选择板片的材料。国外制造板片的材料品种繁多,有较大的选择余地。我国制造板片的材料主要有不锈钢和钛等,在选择的耐腐蚀材料基础上,在辅以增加板片厚度或防腐处理来延长板片的使用寿命。
(八)垫片材料的选择
所选择垫片的材料主要考虑耐温和耐腐蚀两个因素。
(九)其他
1:列管式冷却器一般不适用于气体的热交换。
2:进行易爆、易燃介质换热的冷却器的设计压力,至少要比介质的工作压力高出一个公称级别以上。而垫片的耐温、耐腐蚀性能必须可靠。
3:进行强腐蚀介质(如:硫酸)换热的冷却器,其板束周围宜设置一个防护罩。
4:对杂质较多的介质进行换热时,介质的进口管道上最好设置过滤器,单程排列。此外还应尽可能选用通道间隙较大的板片。
5:对工作压力和工作温度都较高的工况,可拆式冷却器无法适应时,应采用焊接式冷却器。
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