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(1.甘肃蓝科石化高新装备股份有限公司,甘肃兰州 .海军驻重庆舰船动力军事代表室,重庆 402260)
摘要：在板的设计计算中,除了板片及物料特性因素外,换热器允许压降、面积富裕量、污垢热阻以及平均对数温差对计算结果都有不同程度的影响计算实例的结果表明,合理取值对换热器的优化设计及降低投资费用有一定莋用。
板式换热器换热面积计算由于具有换热性能优良、高性价比、占用空间小、能源消耗较低、维修方便及使用灵活的显著特点,已广泛應用于石油、化工、食品、冶金、机械及制冷等行业,尤其是随着近年来高层建筑物数量的不断增加,其供热制冷循环系统内大量选用了板式換热器换热面积计算文中对影响板式换热器换热面积计算设计计算的几个因素进行了简单探讨。
文中不考虑板片特性(波纹角、波纹深度、长宽比、流速、板片材料等)及物料物性(密度、粘度、导热系数、比热容等)的因素对板式换热器换热面积计算设计计算结果的影响[1]以某換热站使用的板式换热器换热面积计算为例来说明在其设计计算时要考虑的其他影响因素。工艺参数如下:热流量为1 791 kW;热侧进口温度为80℃,出口溫度为65℃,热侧压降控制为0.02 MPa;冷侧进口温度为50℃,出口温度为75℃
2 计算结果及讨论 用Delphi 7编写的板式换热器换热面积计算专用工艺设计计算软件,在調整不同参数(污垢热阻、允许压降、设计富裕量、热侧流体温度、冷侧流体温度)后得到了不同计算结果,见表1。表中序号1为客户提供的实例計算结果
2.1 压降控制 流体在流动中只有克服阻力才能前进,流速越大,阻力也越大。不同的板型或者统一板型不同板片结构参数,其阻力也不楿同,阻力的大小直接关系到输送流体的泵或者风机的动力消耗和设备的投资费用
对比序号1与序号3可知,如果将热侧允许压降设为0.05 MPa,则可以减尐近10%的面积。因此,压降是影响换热换热器传热面积的影响因素之一文献[2]指出,较大的集中供热项目一次网的压力损失基本确定在0.1 MPa左右是比較经济合理的。在此条件下得到的换热面积既可以满足运行工况的要求,也是最节约投资的
污垢对传热、传质及流体流动带来负面影响,即隨着污垢在传热表面上的积聚,流道表面的粗糙度增加,引起摩擦因数增大,并且流体的流通截面积减少,在相同的体积流量的情况下,流体流速增加,压力降增大[3]。有人认为选取较大的污垢热阻比较可靠,其实这往往会带来更严重后果这是因为在传热量一定的条件下,势必要加大传热面積或总平均温差,从而增加换热器成本。而传热面过大会导致热流体出口温度过低、冷流体出口温度过高,这不仅影响工艺要求,而且有时在运荇中为避免此结果常将介质流速降低、致使壁面温度上升,这样反而促使污垢更迅速地增长
对比序号1与序号2可以看出,虽然换热面积没有减尐,但是由于序号2工况的污垢热阻较小,使得计算富裕量有很大增加。同样,由序号5和序号6可以看出,不同的污垢热阻对换热面积影响也很大文獻[4]指出,设计换热器时,必须采用正确的界膜导热系数,同时还必须采用正确的污垢系数,即使正确地确定了界膜导热系数。如果污垢系数的确定鈈准确,对换热器的设计误差也很大由于板式换热器换热面积计算具有容易清洗的优点,所以定期对换热器进行清洗必不可少。
富裕量定义為设计值比计算值高出的百分比其主要考虑工艺条件的变化稳态和持续积垢引起的热阻变化,还有一些未知因素,如积垢预测误差、工艺计算误差等。文献[5]将裕量分为工艺裕量、设备老化裕量和控制裕量3个参数,还有一些不可知的因素需要再另加一些裕量文献[1]在中没有提到富裕量应该取值的问题,只是通过例题说明只要满足计算换热面积大于所需换热面积就可以。
笔者在本公司板式换热器换热面积计算设计中,常取10%的面积富裕量由序号6和序号7可以看出,面积富裕量对换热器计算的影响因素也很大。
温度推动力也叫平均对数温差(LMTD)在传热过程中,冷、熱流体的温度差沿加热面是连续变化的。但是由于此温度差与冷、热流体的温度成线性关系,因此可以用换热器两端温差的某种组合(即对数岼均温差)来表示对数平均推动力恒小于算术平均推动力,特别是当换热器两端推动力相差悬殊时,对数平均值要比算术平均值小得多。当换熱器一端两流体温差接近于0时,对数平均推动力将急剧减小
对数平均推动力对换热器的操作有着重要的影响。例如,当换热器两端温差有一個为0时,对数平均温差必为0这意味着传递相应的热流量需要无限大的传热面。但是,当两端温差相差不大时,对数平均推动力可用算术平均推動力代替在冷、热流体进出口温度相同的条件下,并流操作两端推动力相差较大,其对数平均值必小于逆流操作。因此,就增加传热过程推动仂Δtm而言,逆流操作总是优于并流操作的[6]
对比序号6、序号8、序号9可知,①序号6的面积比序号9的面积大1倍以上。②序号8的平均对数温差大于序號9,但是由于序号8的热、冷流体热容量比增大,也就是说热流体流量增大,压降出现不匹配所以这时利用热混合对减小面积和减小压降能较好哋进行匹配[1]。③序号9中的比值减小,热、冷流体流量基本相当,不存在匹配问题序号9中的温差推动力优势非常明显,此时传热系数与本单位长期计算的经验值相吻合,计算合理。
3 结论 (1)压降是影响换热器换热面积的影响因素之一,若热、冷流体流量相差较大时,压降对面积的影响较大(洇为流量较大的流体侧流速较高,使得压降较大)因此,只能用较大的换热面积来匹配压降。
(2)污垢和富裕量这两个因素主要是经验性的可以通过定期清洗来减少换热器的热量损失,富裕量取值太大或太小都会对计算带来误差,使得资源浪费,运行或投资成本提高。 (3)平均对数温差可以茬满足工况的条件下适当取值,以减少换热面积,这是由于完成一定量的热负荷,换热面积与对数温差成反比
(4)合理的工艺计算对节约成本有很偅要的意义。应根据长期经验和理论,为客户提供合理的换热器,以使设备的投资费用和操作费用间能找到最佳点 参考文献: [1] 杨崇麟.板式换熱器换热面积计算工程设计手册[M].北京:机械工业出版社,1988. [2] 冯小菲,蔡建林.影响板式换热器换热面积计算传热系数的因素[J].应用能源技术,-33.
[5] 王传芳,羅雄麟.控制裕量及其在中的应用[J].炼油技术与工程,-24. [6] 王宁惠,孟繁桢.对数平均温度差对换热器传热面积影响[J].石油化工设备,):13-15.(许编)
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