换热器的蒸汽消耗量

本教程解释和比较了不同类型的换热器，以及蒸汽消耗量计算和其他问题，如启动负荷的相关性。

换热器这一术语严格来说适用于所有促进热量从一种介质传递到另一种介质的设备。家用散热器（热水向环境空气释放热量）可以被描述为换热器。同样，蒸汽锅炉（燃烧气体向水释放热量以实现蒸发）可以被描述为受火式换热器。

然而，该术语通常更具体地应用于壳管式换热器或板式换热器，其中一次流体（如蒸汽）用于加热工艺流体。用于为供暖空间加热水的壳管式换热器（使用蒸汽或水）通常称为非储存式换热器。（储存式换热器，如图2.13.1所示，构造不同，通常由带内部一次加热盘管的热水储存容器组成）。

制造商通常以kW提供其换热器的热额定值，由此可以确定蒸汽消耗量，与空气加热器组件相同。然而，换热器（特别是壳管式）对其所服务的系统来说经常偏大。

非储存式换热器（如图2.13.2所示）通常从标准尺寸系列中选择，容量可能远大于设计值。对于建筑物的热水供暖，热负荷计算中也可能包含某些安全系数。 如果单位是钎焊或焊接的，板式换热器也可以从标准尺寸系列中选择。然而，垫片式板式换热器在选型方面有更大的灵活性，通常可以添加或移除板片以达到所需的传热面积。在许多情况下，板式换热器选型过大仅仅是为了降低二次流体的压降。 在现有设备上，如果知道供水和回水温度以及泵送速率，可以获得实际负荷的指示。但需要注意的是，泵制造商铭牌上给出的流量可能与压头相关，这在实践中可能存在也可能不存在。

换热器蒸汽消耗量计算

壳管式换热器和板式换热器是流动类型应用的典型示例。因此，在确定这些应用的蒸汽消耗量时，应使用公式2.6.5。

如果启动负荷很少发生或达到满负荷输出所需的时间不太重要，则可以忽略启动负荷。换热器更常按满负荷运行加通常的安全系数选型。

对于这些流动类型应用，热损失很少被考虑，因为它们远小于满负荷运行值。壳管式换热器通常进行保温以防止热损失并防止可能对人员造成的伤害。板式换热器往往更紧凑，与单位尺寸相比暴露在环境空气中的表面积要小得多。

例2.13.1

确定以下非储存式加热换热器的热负荷和蒸汽负荷 加热换热器设计在满负荷下运行，一次蒸汽空间中蒸汽压力为2.8 bar g。 二次水供水和回水温度分别为82 °C和71 °C，泵送水速率为7.2 kg/s。 cp（水）= 4.19 kJ/kg °C

表2.13.1 蒸汽表摘录

第1部分 确定热负荷 满负荷可以使用公式2.6.5计算：

第2部分 确定蒸汽负荷 满负荷凝结速率可以使用热平衡方程2.6.6的左侧确定：

板式换热器

板式换热器由一系列薄波纹金属板组成，板之间形成多个通道，一次和二次流体在交替的通道中流动。热量从一次流体蒸汽通过板传递到相邻通道中的二次工艺流体。图2.13.3显示了板式换热器的示意图。

波纹状脊纹图案增加了板的刚度，并对差压提供更大的支撑。这种图案还在通道中产生湍流，提高传热效率，使得板式换热器通常比传统壳管式换热器更紧凑。湍流的促进也消除了滞留区的存在，从而减少了结垢。板片通常在一次侧涂覆，以促进蒸汽的珠状凝结。

蒸汽换热器市场过去由壳管式换热器主导，而板式换热器在食品加工行业和生活热水加热中常受青睐。然而，最近的设计进步意味着板式换热器现在同样适用于蒸汽加热应用。 板式换热器可以在单个设备中实现冷凝水的凝结和过冷。如果冷凝水排放到常压接收器，通过降低冷凝水温度，通过接收器排气口损失到大气中的闪蒸量也减少了。这可以消除对单独过冷器或闪蒸回收系统的需要。 虽然名义传热面积理论上可以使用公式2.5.3计算，但板式换热器是专有设计，通常需要与制造商协商确定。 垫片式板式换热器（板框式换热器） 在垫片式板式换热器中，板片被夹紧在框架中，薄垫片（通常是合成聚合物）在板片边缘密封。板片之间安装的拧紧螺栓用于在框架板和压力板之间压缩板组。这种设计便于拆卸设备进行清洗，并允许通过简单添加或移除板片来修改设备的容量。 垫片的使用为板组提供了一定程度的灵活性，对热疲劳和突然的压力变化提供一定的抵抗力。这使得某些类型的垫片式板式换热器成为瞬时热水供应的蒸汽加热器的理想选择，板片将承受一定量的热循环。 垫片式板式换热器使用的限制在于垫片的工作温度范围，这对这些设备上可使用的蒸汽压力施加了限制。 钎焊板式换热器 在钎焊板式换热器中，所有板片在真空炉中钎焊在一起（通常使用铜或镍）。它是垫片式板式换热器的发展，旨在以相对较低的成本提供更高的压力和温度抵抗力。 然而，与垫片式设备不同，钎焊板式换热器不能拆卸。如果需要清洗，必须进行反冲洗或化学清洗。这也意味着这些设备来自标准尺寸系列，因此过度选型很常见。 虽然钎焊换热器比垫片式设计更坚固，但由于其更刚性的构造，也更容易受到热疲劳的影响。因此应避免任何突然或频繁的温度和负荷变化，并应更加注意蒸汽侧的控制以避免热应力。 钎焊换热器更适用于（并且主要用于）温度变化缓慢的应用，如空间供暖。它们也可以成功地用于逐渐膨胀的二次流体，如导热油。 焊接板式换热器 在焊接板式换热器中，板组通过板片之间的焊接缝固定在一起。激光焊接技术的使用使板组比钎焊板组更灵活，使焊接设备更能抵抗压力脉动和热循环。焊接设备的高温和高压工作极限意味着这些换热器通常具有更高的规格，更适合重载工业过程应用。它们通常用于需要高压或高温性能的地方，或在加热油和其他碳氢化合物等粘性介质时使用。 壳管式换热器 壳管式换热器可能是工业过程应用中提供间接换热的最常用方法。壳管式换热器由封闭在圆柱形壳体中的管束组成。管子的两端安装在管板上，管板将一次流体和二次流体分开。 当使用凝结蒸汽作为加热介质时，换热器通常是水平的，凝结发生在管内。过冷也可用作从换热器中的冷凝水中回收额外热量的手段。然而，如果所需的过冷程度相对较大，通常更方便使用单独的冷凝水冷却器。

蒸汽加热非储存式换热器

蒸汽到水非储存式换热器的常见设计如图2.13.4所示。这被称为”一壳程两管程”型壳管式换热器，由安装在固定管板上的U形管束组成。

之所以称为”一壳程”，是因为二次流体的入口和出口连接在换热器的不同端，因此壳侧流体仅通过设备长度一次。之所以称为两管程，是因为蒸汽的入口和出口连接在换热器的同一端，因此管侧流体通过设备长度两次。

隔板（也称为分隔板或分配板）将换热器头部分开，使管侧流体被导向通过U形管束，而不是直接穿过头部。 这是一种相对简单且成本较低的设计，因为只需要一块管板，但它仅限于相对清洁的流体，因为管子更难清洗。注意：这类换热器更换管子更困难。 通常在壳体中设置折流板，以引导壳侧流体流过管子，提高传热速率，并支撑管子。 从冷态启动 如模块2.7所述，如果启动负荷很少发生或达到满负荷输出所需的时间不太重要，则通常可以忽略启动负荷。因此，控制阀和换热器通常按满负荷加通常的安全系数选型。 对于夜间和周末停机的系统，在寒冷冬季早晨启动时二次水温可能较低，加热换热器中的凝结速率将高于满负荷条件。因此，在二次入口温度上升到其设计值之前，蒸汽空间中的压力可能远低于换热器正常运行的压力。 从热学角度来看，这可能不会造成问题——系统只是需要更长的时间来加热。然而，如果设计者没有考虑这种情况，不充分的蒸汽疏水和冷凝水排除系统可能导致冷凝水在蒸汽空间中积聚。 这可能导致：

• 内部腐蚀。
• 变形引起的机械应力。
• 水锤引起的噪声。 这些将对没有设计来承受此类条件的换热器造成问题。 估算热负荷 建筑物——估算热负荷的一种实用主观方法是查看建筑物本身。计算可能很复杂，涉及换气次数和通过空心墙、窗户和屋顶的传热速率等因素。然而，通常可以通过取建筑物总体积并简单地允许3 000 m³以下30 - 40 W/m³，3 000 m³以上15 - 30 W/m³来获得合理的估算。这将在室外温度约为设计条件-1°C时给出合理的热负荷估算。 确定现有装置蒸汽消耗量的实用方法是使用精确可靠的蒸汽流量计。

例2.13.2

从实际测量条件确定加热换热器的设计额定值 加热换热器的设计额定值未知，但在室外温度7 °C、室内温度19 °C（温差12 °C）时测得蒸汽负荷为227 kg/h。 该换热器还设计为在室外温度-1 °C时提供19 °C的室内温度，温差20 °C。 设计条件下的蒸汽负荷可以简单地通过温差之比来估算：

热水储存式换热器

热水储存式换热器设计为在规定时间内将全部内容物从冷态加热到储存温度。 加热或恢复期间蒸汽凝结的平均速率可以使用公式2.13.1计算

例2.13.2 计算储存式换热器的平均蒸汽负荷 储存式换热器的容量为2 272升（2 272 kg），设计为使用2 bar g的蒸汽在半小时内将该水从10°C加热到60°C。 cp（水）= 4.19 kJ/kg °C

此平均值可用于控制阀选型。然而，当水温可能处于最低值（例如10 °C）时，蒸汽的高凝结速率可能超过全开控制阀的通过能力，盘管将缺乏蒸汽供应。盘管中的压力将显著下降，净效果是降低蒸汽疏水装置的容量。如果疏水装置选型或选择不当，冷凝水可能回流到盘管中，降低其传热能力和达到所需加热时间的能力。可能产生水锤，造成严重的噪声和盘管的机械应力。然而，如果不允许冷凝水回流到盘管中，系统仍应维持正确的加热时间。

解决方案是确保正确的冷凝水排放。这可以通过蒸汽疏水阀或自动泵式疏水阀来实现，具体取决于系统需求。（参见模块13.1 - 换热器和停滞）。

其他壳管式蒸汽加热器

在使用蒸汽的其他换热器中，可以使用内部浮头，这通常比U形管换热器的固定头更通用。它们更适用于蒸汽与二次流体之间温差较大的应用。由于管束可以取出，它们更容易清洗。管侧流体通常被引导通过多个程以增加流道长度。 换热器通常建造为一到十六个管程，选择管程数以达到设计的管侧速度。管子通过使用多个隔板将头部分开来排列成所需的管程数。两个壳程偶尔通过在换热器中心安装纵向壳侧折流板来创建，其中温差不适合单程。在设计中压降而非传热速率是控制因素时，也使用分流和分程布置来降低壳侧压降。 蒸汽也可用于蒸发（或汽化）液体，这种壳管式换热器称为再沸器。它们用于石油工业以蒸馏柱底部产品中汽化馏分。这些通常是水平的，在壳侧蒸发，在管内凝结（见图2.13.5）。

在强制循环再沸器中，二次流体通过泵输送通过换热器，而在热虹吸再沸器中，通过密度差维持自然循环。在釜式再沸器中，二次流体不循环，管子浸没在液体池中。

表2.13.3 某些壳管式换热器的典型传热系数

虽然在所有这些应用中都希望实现珠状凝结，但它往往难以维持且不可预测。为保持实用性，设计计算通常基于膜状凝结的假设。

壳管式换热器的传热面积可以使用公式2.5.3估算。虽然这些设备通常也需要与制造商协商确定，但表2.13.3提供了一些典型总传热系数（其中蒸汽用作加热介质，且包含污垢预留），作为参考。

波纹管换热器

传统壳管式换热器设计的一个演进是近期开发的波纹管换热器。这是一种单通道固定板式换热器，带有焊接壳体和适合低粘度流体的直线波纹管。与板式换热器类似，波纹管促进湍流工作条件，最大化传热并减少结垢。像传统壳管式换热器一样，这些设备通常水平安装。然而，在波纹管换热器中，蒸汽应始终在壳侧。

螺旋板式换热器

螺旋板式换热器与壳管式和板式换热器具有许多相似的特征，并用于许多相同的应用。它们由金属板组成，经冷加工和焊接形成一对同心螺旋通道，通过螺栓连接到外壳的垫片端板封闭。 通道中的湍流通常很高，两种流体获得相同的流动特性。它们也相对容易清洁，可用于严重结垢的流体和浆料。两种流体仅使用单通道，加上设备的紧凑性，意味着连接处的压降通常相当低。