板式換熱器設計計算影響因素
                               楊儒周1,宮　兵2,何　?1
    (1.甘肅藍科石化高新裝備股份有限公司,甘肅蘭州　730070;2.海軍駐重慶艦船動力軍事代表室,重慶　402260)
    摘要:在板式換熱器的設計計算中,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溫差對計算結果都有不同程度的影響。計算實例的結果表明,合理取值對換熱器的優化設計及降低投資費用有一定作用。
    關鍵詞:板式換熱器;壓降;富裕量;污垢熱阻;平均對數溫差
    中圖分類號: TK 124; TE 965　　　　文獻標志碼: B
    文章編號: 1000-7466(2009)增刊-0012-03
    板式換熱器由于具有換熱性能優良、高性價比、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,已廣泛應用于石油、化工、食品、冶金、機械及制冷等行業,尤其是隨著近年來高層建筑物數量的不斷增加,其供熱制冷循環系統內大量選用了板式換熱器。文中對影響板式換熱器設計計算的幾個因素進行了簡單探討。
    1·計算實例的參數
    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、導熱系數、比熱容等)的因素對板式換熱器設計計算結果的影響[1]。以某換熱站使用的板式換熱器為例來說明在其設計計算時要考慮的其他影響因素。工藝參數如下:熱流量為1 791 kW;熱側進口溫度為80℃,出口溫度為65℃,熱側壓降控制為0.02 MPa;冷側進口溫度為50℃,出口溫度為75℃。
    2·計算結果及討論
    用Delphi 7編寫的板式換熱器專用工藝設計計算軟件,在調整不同參數(污垢熱阻、允許壓降、設計富裕量、熱側流體溫度、冷側流體溫度)后得到了不同計算結果,見表1。表中序號1為客戶提供的實例計算結果。


    2.1　壓降控制
    流體在流動中只有克服阻力才能前進,流速越大,阻力也越大。不同的板型或者統一板型不同板片結構參數,其阻力也不相同,阻力的大小直接關系到輸送流體的泵或者風機的動力消耗和設備的投資費用。
    對比序號1與序號3可知,如果將熱側允許壓降設為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[2]指出,較大的集中供熱項目一次網的壓力損失基本確定在0.1 MPa左右是比較經濟合理的。在此條件下得到的換熱面積既可以滿足運行工況的要求,也是最節約投資的。
    由序號2與序號4計算結果可以看出,允許壓降適當計算面積可以減少近30%。
    2.2　污垢熱阻
    污垢對傳熱、傳質及流體流動帶來負面影響,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]。有人認為選取較大的污垢熱阻比較可靠,其實這往往會帶來更嚴重后果。這是因為在傳熱量一定的條件下,勢必要加大傳熱面積或總平均溫差,從而增加換熱器成本。而傳熱面過大會導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,而且有時在運行中為避免此結果常將介質流速降低、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1與序號2可以看出,雖然換熱面積沒有減少,但是由于序號2工況的污垢熱阻較小,使得計算富裕量有很大增加。同樣,由序號5和序號6可以看出,不同的污垢熱阻對換熱面積影響也很大。文獻[4]指出,設計換熱器時,必須采用正確的界膜導熱系數,同時還必須采用正確的污垢系數,即使正確地確定了界膜導熱系數。如果污垢系數的確定不準確,對換熱器的設計誤差也很大。由于板式換熱器具有容易清洗的優點,所以定期對換熱器進行清洗必不可少。
    2.3　面積富裕量
    換熱器換熱面積富裕量定義為設計值比計算值高出的百分比。其主要考慮工藝條件的變化穩態和持續積垢引起的熱阻變化,還有一些未知因素,如積垢預測誤差、工藝計算誤差等。文獻[5]將裕量分為工藝裕量、設備老化裕量和控制裕量3個參數,還有一些不可知的因素需要再另加一些裕量。文獻[1]在換熱器計算中沒有提到富裕量應該取值的問題,只是通過例題說明只要滿足計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計中,常取10%的面積富裕量。由序號6和序號7可以看出,面積富裕量對換熱器計算的影響因素也很大。
    2.4　溫差推動力
    溫度推動力也叫平均對數溫差(LMTD)。在傳熱過程中,冷、熱流體的溫度差沿加熱面是連續變化的。但是由于此溫度差與冷、熱流體的溫度成線性關系,因此可以用換熱器兩端溫差的某種組合(即對數平均溫差)來表示。對數平均推動力恒小于算術平均推動力,特別是當換熱器兩端推動力相差懸殊時,對數平均值要比算術平均值小得多。當換熱器一端兩流體溫差接近于0時,對數平均推動力將急劇減小。
    對數平均推動力對換熱器的操作有著重要的影響。例如,當換熱器兩端溫差有一個為0時,對數平均溫差必為0。這意味著傳遞相應的熱流量需要無限大的傳熱面。但是,當兩端溫差相差不大時,對數平均推動力可用算術平均推動力代替。在冷、熱流體進出口溫度相同的條件下,并流操作兩端推動力相差較大,其對數平均值必小于逆流操作。因此,就增加傳熱過程推動力Δtm而言,逆流操作總是優于并流操作的[6]。
    對比序號6、序號8、序號9可知,①序號6的面積比序號9的面積大1倍以上。②序號8的平均對數溫差大于序號9,但是由于序號8的熱、冷流體熱容量比增大,也就是說熱流體流量增大,壓降出現不匹配。所以這時利用熱混合對減小面積和減小壓降能較好地進行匹配[1]。③序號9中的比值減小,熱、冷流體流量基本相當,不存在匹配問題。序號9中的溫差推動力優勢非常明顯,此時傳熱系數與本單位長期計算的經驗值相吻合,計算合理。
    3·結論
    (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,壓降對面積的影響較大(因為流量較大的流體側流速較高,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因素主要是經驗性的。可以通過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對計算帶來誤差,使得資源浪費,運行或投資成本提高。
    (3)平均對數溫差可以在滿足工況的條件下適當取值,以減少換熱面積,這是由于完成一定量的熱負荷,換熱面積與對數溫差成反比。
    (4)合理的工藝計算對節約成本有很重要的意義。應根據長期經驗和理論,為客戶提供合理的換熱器,以使設備的投資費用和操作費用間能找到最佳點。
參考文獻:
[1]　楊崇麟.板式換熱器工程設計手冊[M].北京:機械工業出版社,1988.
[2]　馮小菲,蔡建林.影響板式換熱器傳熱系數的因素[J].應用能源技術,2003,6:32-33.
[3]　Garrett-Price B A. Fouling of Heat Exchangers[M]. NewJersey:
Noyes Publications,1985.
[4]　尾花英朗.熱交換器設計手冊[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計中的應用[J].煉油技術與工程,2004,2:21-24.
[6]　王寧惠,孟繁楨.對數平均溫度差對換熱器傳熱面積影響[J].石油化工設備,1999,28(5):13-15.(許編)