换热系统

一种热能回收利用系统

换热系统是一种热能回收利用系统，一般包括吸热器（换热器）、回热器和冷却器，其功能是实现不同温度流体之间的热量交换。换热系统设计的重点就在于能使工质具有比较理想的流动特性，这就要求设计的换热系统各部件在满足换热条件的情况下，尽可能减小工质循环阻力。广泛应用于石油、化工、动力、制冷等行业中，在工业生产中有着重要的地位。

系统简介

换热系统是化工过程中必不可少的子系统，属于工业辅助系统，工业中通常会采用换热系统来为核心工艺单元提供能量和将产品冷却到规定温度，降低化工过程的能耗、提高能效。换热系统通常由吸热器、回热器和冷却器组成，也可由多个换热器（每个换热器的传热方式与布置形式可各不相同）按照一定的方式组合而成用于流体之间热量的传递，例如在要求两种低流速的流体的温度变化较大时，可采用多台换热器的逆流组合的方案，这样一方面可使换热器系统整体的平均温压较大，另一方面由于使用了多个较小的换热器，对换热器的制造与布置也带来了方便。因此，作为与能源的合理利用密切相关的换热器系统的合理设计和性能改善也是工程上经常遇到的问题。换热系统回收的能量往往具有较高的能级，但利用环节自身已没有能阱可以消化，如分馏塔的过剩热等。

换热系统可以分为高温换热系统（用于工质降温）和余热利用换热系统。两者在工艺参数上存在着较大区别。高温换热系统由于用于工质或者产品降温，对于出口温度有一定的要求，而余热利用换热系统则没有限制。在结构材质方面，高温换热系统的换热器一般在超温受热面处使用耐热合金钢，在温度较低的部分使用普通碳钢，形成复合结构。而对于余热利用换热系统的换热器，一般工业炉排出的烟气温度较低，换热器普遍使用价格较低的碳钢。

组成部件

吸热器

吸热器与化工上用的换热器比较类似，一般采用管状或肋片状，主要解决吸热管组的通流容积、工质的流阻损失和吸热管传热能力之间的矛盾，同时吸热管的尺寸和位置分布形式对发动机的性能影响很大。对吸热热管的要求是，保证必要的传热能力的情况下，管的通流容积和工质的流阻损失应尽可能小，用以保证发动机具有较高的功率和效率。

吸热器的原理包括以下三个传热过程：

（1）外部热源与吸热管的外壁或翅片外表面之间的换热过程（包括辐射换热和对流换热）；

（2）吸热管外壁向管内表面导热或外部翅片向内部的导热（热传导）；

（3）吸热管内壁或翅片内壁与工质的换热（对流换热）。

吸热器热交换效果计算：

式中为热腔内工质温度，取900K；为壁面温度，取920K；为对吸热器供应的热量，J；为工质流经吸热器的时间比例（%），可用吸热器体积与整个循环体积比表示，设计中为管内腔容积与配气活塞上端体积之和；为吸热器内工质对流换热系数，；为吸热器有效换热面积，。

回热器

回热器在换热系统中串联在冷却器和吸热器之间，其功能就是当工质在热腔吸热后膨胀流经它时能吸收部分工质的能量，从而使工质能从循环的最高温度下降到循环的最低温度，工质在冷却器内压缩做功后循环流到吸热器的过程中流经回热器时被加热，使其循环温度由升高到。因此，可以由此看出，回热器不仅是充当热气机的一种节能装置，同时还因为回热器的存在而大大减少了吸热器和冷却器的工作容量，降低了整个换热系统的无益容积。由于回热器的功能类似于储热装置，对回热器设计和选材必须具备较高的热容量。

回热器的实际工作过程与理想情况有很大区别，主要存在两个方面：

（1）由于发动机运转速度较快，整个换热系统内的实际工质没有一个分子会完全从吸热器走到冷却器，其循环过程中往往还没有走到回热器的一半便折回，从而回热器靠近吸热器一端的温度高，而靠近冷却器一端的低；

（2）工质流经回热器时存在摩擦损失、流阻损失和回热损失。

冷却器

冷却器是换热系统的重要组件之一，其性能优劣对换热效果有很大影响，其功能就是将循环过程中的压缩热传到外界，使压缩过程能在理想的“等温”条件下进行，且传热过程是在循环的最低温度下进行的，通常所使用的冷却剂为水或水与甘醇的混合液，其结构形式一般采取管式换热器。对其设计的要求主要是冷却效果要好，但冷却器的冷却能力和通流容积、流阻损失之间是相互矛盾的，在实际设计中要均衡三者之间的关系，一般的做法是采用许多内径较小的毛细管组成，并形成一个圆形多层的冷却器管笼。同时还需做好管端头与配合面板之间的密封，使其耐受循环系统的最高压力。

冷却器设计的一般要求：

（1）结构紧凑、制造工艺性要好；

（2）运行可靠，安装维护方便；

（3）通流容积（死体积）要尽可能小，流阻损失同时也要尽可能小；

（4）工质密封性要好，连接方式应保证制造工艺性和密封效能。

冷却器的传热形式为对流传热，其基本方程式为：

式中，为管内工质传到管外冷却介质的总传热量；为冷却器的传热系数；为冷却器管内工质温度和管外冷却介质温度之温差，取平均值；为冷却器的换热面积，取圆管的外部面积。

三者对系统的影响

研究可知，热端与冷端温差越大，最后的热效率会越高，而通过加快冷却工质的流速会实现冷端温度更低，同时冷却管采用的紫铜，导热能力很强，完全能保证冷却器管壁温度达到室温。回热器毎次循环中都会给工质补一次热量，而且工质速度较快，则冷腔工质温度会比冷却器管壁高约10~50K左右。

系统体积

所谓“死体积”就是指循环过程中工质充盈的必须占用的整体体积，即在循环过程中必须要设置的部分，包括设备死体积、换热系统死体积（吸热器死体积、回热器死体积、冷却器死体积）和中间连接管体积等三部分。从理论上看，死体积不参与做功，其存在的作用主要是提供工质的流通，但不可取消，同时也不能一味减小，因为死体积太小会造成换热不充分和流阻增大，反倒产生负面影响。因此，死体积应在四个部分分别优化设计，在保证一定换热面积和低流阻的情况下尽可能小。

特殊工艺

换热系统的设计中运用了大量毛细管，如果采用一般的弧焊或缝焊必然导致热变形大，一方面容易造成泄漏，另一方面外观尺寸变形严重会使工质的实际工作环境与理论相去甚远，同时采激光焊接又不太现实，因此，在吸热器管与端板之间、冷却管端板之问均采用了真空钎焊来完成。

真空钎焊，是指工件加热在真空室内进行，主要用于要求质量高的产品和易氧化材料的焊接。真空钎焊炉包括具存圆简形侧壁和门的压力容器，门的尺寸和位置设计成可封闭圆简形侧壁的一端。工件处理系统安装在压力容器门上，用来支承金属工件进行热处理或钎焊。工件处理系统包括使工件在处理过程中转动的装置。真空系统可连接到工件，使工件内部的压力在钎焊过程中低于大气压。

真空钎焊技术从四十年代开始，已成为一种极有发展前途的焊接技术。最早出现在电子工业上钎焊铜和不锈钢的零件，后来又应用到航空工业、原子能工业，在1959年开始应用到制造不锈钢的板翅式换热器上。被广泛应用于空气分离设备、石油化工设备、工程机械、车、船和家电等工业部门的板翅式换热器和冷却器中。

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