板式換熱器設(shè)計(jì)計(jì)算影響因素

                             板式換熱器設(shè)計(jì)計(jì)算影響因素
                               楊儒周1,宮　兵2,何　?1
    (1.甘肅藍(lán)科石化高新裝備股份有限公司,甘肅蘭州　730070;2.海軍駐重慶艦船動(dòng)力軍事代表室,重慶　402260)
    摘要:在板式換熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算中,除了板片及物料特性因素外,換熱器允許壓降、面積富裕量、污垢熱阻以及平均對數(shù)溫差對計(jì)算結(jié)果都有不同程度的影響。計(jì)算實(shí)例的結(jié)果表明,合理取值對換熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)及降低投資費(fèi)用有一定作用。
    關(guān)鍵詞:板式換熱器;壓降;富裕量;污垢熱阻;平均對數(shù)溫差
    中圖分類號(hào): TK 124; TE 965　　　　文獻(xiàn)標(biāo)志碼: B
    文章編號(hào): 1000-7466(2009)增刊-0012-03
    板式換熱器由于具有換熱性能優(yōu)良、高性價(jià)比、占用空間小、能源消耗較低、維修方便及使用靈活的顯著特點(diǎn),已廣泛應(yīng)用于石油、化工、食品、冶金、機(jī)械及制冷等行業(yè),尤其是隨著近年來高層建筑物數(shù)量的不斷增加,其供熱制冷循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)大量選用了板式換熱器。文中對影響板式換熱器設(shè)計(jì)計(jì)算的幾個(gè)因素進(jìn)行了簡單探討。
    1·計(jì)算實(shí)例的參數(shù)
    文中不考慮板片特性(波紋角、波紋深度、長寬比、流速、板片材料等)及物料物性(密度、粘度、導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容等)的因素對板式換熱器設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果的影響[1]。以某換熱站使用的板式換熱器為例來說明在其設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)要考慮的其他影響因素。工藝參數(shù)如下:熱流量為1 791 kW;熱側(cè)進(jìn)口溫度為80℃,出口溫度為65℃,熱側(cè)壓降控制為0.02 MPa;冷側(cè)進(jìn)口溫度為50℃,出口溫度為75℃。
    2·計(jì)算結(jié)果及討論
    用Delphi 7編寫的板式換熱器專用工藝設(shè)計(jì)計(jì)算軟件,在調(diào)整不同參數(shù)(污垢熱阻、允許壓降、設(shè)計(jì)富裕量、熱側(cè)流體溫度、冷側(cè)流體溫度)后得到了不同計(jì)算結(jié)果,見表1。表中序號(hào)1為客戶提供的實(shí)例計(jì)算結(jié)果。


    2.1　壓降控制
    流體在流動(dòng)中只有克服阻力才能前進(jìn),流速越大,阻力也越大。不同的板型或者統(tǒng)一板型不同板片結(jié)構(gòu)參數(shù),其阻力也不相同,阻力的大小直接關(guān)系到輸送流體的泵或者風(fēng)機(jī)的動(dòng)力消耗和設(shè)備的投資費(fèi)用。
    對比序號(hào)1與序號(hào)3可知,如果將熱側(cè)允許壓降設(shè)為0.05 MPa,則可以減少近10%的面積。因此,壓降是影響換熱換熱器傳熱面積的影響因素之一。文獻(xiàn)[2]指出,較大的集中供熱項(xiàng)目一次網(wǎng)的壓力損失基本確定在0.1 MPa左右是比較經(jīng)濟(jì)合理的。在此條件下得到的換熱面積既可以滿足運(yùn)行工況的要求,也是最節(jié)約投資的。
    由序號(hào)2與序號(hào)4計(jì)算結(jié)果可以看出,允許壓降適當(dāng)計(jì)算面積可以減少近30%。
    2.2　污垢熱阻
    污垢對傳熱、傳質(zhì)及流體流動(dòng)帶來負(fù)面影響,即隨著污垢在傳熱表面上的積聚,流道表面的粗糙度增加,引起摩擦因數(shù)增大,并且流體的流通截面積減少,在相同的體積流量的情況下,流體流速增加,壓力降增大[3]。有人認(rèn)為選取較大的污垢熱阻比較可靠,其實(shí)這往往會(huì)帶來更嚴(yán)重后果。這是因?yàn)樵趥鳠崃恳欢ǖ臈l件下,勢必要加大傳熱面積或總平均溫差,從而增加換熱器成本。而傳熱面過大會(huì)導(dǎo)致熱流體出口溫度過低、冷流體出口溫度過高,這不僅影響工藝要求,而且有時(shí)在運(yùn)行中為避免此結(jié)果常將介質(zhì)流速降低、致使壁面溫度上升,這樣反而促使污垢更迅速地增長。
    對比序號(hào)1與序號(hào)2可以看出,雖然換熱面積沒有減少,但是由于序號(hào)2工況的污垢熱阻較小,使得計(jì)算富裕量有很大增加。同樣,由序號(hào)5和序號(hào)6可以看出,不同的污垢熱阻對換熱面積影響也很大。文獻(xiàn)[4]指出,設(shè)計(jì)換熱器時(shí),必須采用正確的界膜導(dǎo)熱系數(shù),同時(shí)還必須采用正確的污垢系數(shù),即使正確地確定了界膜導(dǎo)熱系數(shù)。如果污垢系數(shù)的確定不準(zhǔn)確,對換熱器的設(shè)計(jì)誤差也很大。由于板式換熱器具有容易清洗的優(yōu)點(diǎn),所以定期對換熱器進(jìn)行清洗必不可少。
    2.3　面積富裕量
    換熱器換熱面積富裕量定義為設(shè)計(jì)值比計(jì)算值高出的百分比。其主要考慮工藝條件的變化穩(wěn)態(tài)和持續(xù)積垢引起的熱阻變化,還有一些未知因素,如積垢預(yù)測誤差、工藝計(jì)算誤差等。文獻(xiàn)[5]將裕量分為工藝裕量、設(shè)備老化裕量和控制裕量3個(gè)參數(shù),還有一些不可知的因素需要再另加一些裕量。文獻(xiàn)[1]在換熱器計(jì)算中沒有提到富裕量應(yīng)該取值的問題,只是通過例題說明只要滿足計(jì)算換熱面積大于所需換熱面積就可以。
    筆者在本公司板式換熱器設(shè)計(jì)中,常取10%的面積富裕量。由序號(hào)6和序號(hào)7可以看出,面積富裕量對換熱器計(jì)算的影響因素也很大。
    2.4　溫差推動(dòng)力
    溫度推動(dòng)力也叫平均對數(shù)溫差(LMTD)。在傳熱過程中,冷、熱流體的溫度差沿加熱面是連續(xù)變化的。但是由于此溫度差與冷、熱流體的溫度成線性關(guān)系,因此可以用換熱器兩端溫差的某種組合(即對數(shù)平均溫差)來表示。對數(shù)平均推動(dòng)力恒小于算術(shù)平均推動(dòng)力,特別是當(dāng)換熱器兩端推動(dòng)力相差懸殊時(shí),對數(shù)平均值要比算術(shù)平均值小得多。當(dāng)換熱器一端兩流體溫差接近于0時(shí),對數(shù)平均推動(dòng)力將急劇減小。
    對數(shù)平均推動(dòng)力對換熱器的操作有著重要的影響。例如,當(dāng)換熱器兩端溫差有一個(gè)為0時(shí),對數(shù)平均溫差必為0。這意味著傳遞相應(yīng)的熱流量需要無限大的傳熱面。但是,當(dāng)兩端溫差相差不大時(shí),對數(shù)平均推動(dòng)力可用算術(shù)平均推動(dòng)力代替。在冷、熱流體進(jìn)出口溫度相同的條件下,并流操作兩端推動(dòng)力相差較大,其對數(shù)平均值必小于逆流操作。因此,就增加傳熱過程推動(dòng)力Δtm而言,逆流操作總是優(yōu)于并流操作的[6]。
    對比序號(hào)6、序號(hào)8、序號(hào)9可知,①序號(hào)6的面積比序號(hào)9的面積大1倍以上。②序號(hào)8的平均對數(shù)溫差大于序號(hào)9,但是由于序號(hào)8的熱、冷流體熱容量比增大,也就是說熱流體流量增大,壓降出現(xiàn)不匹配。所以這時(shí)利用熱混合對減小面積和減小壓降能較好地進(jìn)行匹配[1]。③序號(hào)9中的比值減小,熱、冷流體流量基本相當(dāng),不存在匹配問題。序號(hào)9中的溫差推動(dòng)力優(yōu)勢非常明顯,此時(shí)傳熱系數(shù)與本單位長期計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)值相吻合,計(jì)算合理。
    3·結(jié)論
    (1)壓降是影響換熱器換熱面積的影響因素之一,若熱、冷流體流量相差較大時(shí),壓降對面積的影響較大(因?yàn)榱髁枯^大的流體側(cè)流速較高,使得壓降較大)。因此,只能用較大的換熱面積來匹配壓降。
    (2)污垢和富裕量這兩個(gè)因素主要是經(jīng)驗(yàn)性的?？梢酝ㄟ^定期清洗來減少換熱器的熱量損失,富裕量取值太大或太小都會(huì)對計(jì)算帶來誤差,使得資源浪費(fèi),運(yùn)行或投資成本提高。
    (3)平均對數(shù)溫差可以在滿足工況的條件下適當(dāng)取值,以減少換熱面積,這是由于完成一定量的熱負(fù)荷,換熱面積與對數(shù)溫差成反比。
    (4)合理的工藝計(jì)算對節(jié)約成本有很重要的意義。應(yīng)根據(jù)長期經(jīng)驗(yàn)和理論,為客戶提供合理的換熱器,以使設(shè)備的投資費(fèi)用和操作費(fèi)用間能找到最佳點(diǎn)。
參考文獻(xiàn):
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[4]　尾花英朗.熱交換器設(shè)計(jì)手冊[M] .北京:烴加工出版社,1966.
[5]　王傳芳,羅雄麟.控制裕量及其在管殼式換熱器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].煉油技術(shù)與工程,2004,2:21-24.
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