空分設(shè)備板翅式換熱器參數(shù)與能耗分析

何建龍1,毛央平2

 (1·杭州杭氧換熱設(shè)備有限公司,浙江省臨安市青山湖街道東環(huán)路99號(hào)　311305;2·杭州杭氧股份有限公司設(shè)計(jì)院,浙江省杭州市東新路388號(hào)　310004)

    摘要:空分設(shè)備中主換熱器的溫差和流動(dòng)阻力是影響空壓機(jī)能耗的兩個(gè)重要因素,通過板翅式換熱器不同溫差、流動(dòng)阻力和主換熱器設(shè)備投資、空壓機(jī)電耗之間關(guān)系的詳細(xì)數(shù)據(jù)對(duì)比,分析了換熱器溫差、正/返流阻力對(duì)空壓機(jī)能耗的影響關(guān)系,并提出了合理控制換熱器溫差、合理分配換熱器阻力的重要性。
    關(guān)鍵詞:板翅式換熱器;溫差;流動(dòng)阻力;空壓機(jī)能耗
    中圖分類號(hào):TB657·5　　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A
    1　合理確定主換熱器溫差和流動(dòng)阻力的重要性
    由于板翅式換熱器翅片比表面積大,具有二次傳熱表面、傳熱效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、體積小和重量輕等優(yōu)點(diǎn),目前空分設(shè)備的主換熱器多采用此結(jié)構(gòu)。主換熱器主要是提供空氣、增壓空氣與氧氣、氮?dú)夂臀鄣獨(dú)鉄峤粨Q的場所,通過主換熱器,空氣被冷卻到接近于低溫液化溫度,而后進(jìn)入精餾塔,氧氣、氮?dú)夂臀鄣獨(dú)獗患訜嶂脸睾罅鞒隼湎洹Ｖ鲹Q熱器熱端溫差的大小直接關(guān)系到整套空分設(shè)備復(fù)熱不足冷損的大小,直接影響空分設(shè)備的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。熱端溫差選擇得過大,復(fù)熱不足冷損相應(yīng)增加,導(dǎo)致空分設(shè)備的膨脹空氣量增大,從而使能耗增加。熱端溫差選擇得過小,將導(dǎo)致主換熱器設(shè)備各尺寸增大,金屬消耗量增加,且溫差過小導(dǎo)致?lián)Q熱動(dòng)能減小。所以針對(duì)不同介質(zhì)工況和換熱器類型,應(yīng)有不同的最小換熱溫差要求。
    空分設(shè)備中加工空氣、氣體或液體產(chǎn)品流經(jīng)各換熱設(shè)備、輔助設(shè)備、管路和閥門時(shí)需克服一定的流動(dòng)阻力,主要分沿程阻力和局部阻力,沿程阻力是流體流動(dòng)克服摩擦力而引起的能量損失,局部阻力是流體流向變化、局部縮小或擴(kuò)大引起的局部區(qū)域集中損耗的能量。在板翅式換熱器內(nèi)部,不僅由于翅片當(dāng)量直徑小,流體溫降或溫升大,換熱量大,流體間溫差小,傳熱面積大,沿程阻力較大;而且內(nèi)部存在氣流轉(zhuǎn)向,接管與封頭之間、封頭與導(dǎo)流片進(jìn)口之間存在局部縮小或擴(kuò)大,所以需要克服較高的阻力。
    在能源緊缺的今天,合理確定主換熱器溫差和流動(dòng)阻力顯得尤為重要,這不僅是優(yōu)化流程的過程,也是投資和效益之間的關(guān)系問題。下面就這兩點(diǎn)以某10000 m3/h常規(guī)外壓縮流程空分設(shè)備配套主換熱器溫差和流動(dòng)阻力與空壓機(jī)能耗之間關(guān)系加以討論。
    2　板翅式換熱器溫差對(duì)空壓機(jī)能耗的影響
    10000 m3/h空分設(shè)備主換熱器正流空氣阻力為13 kPa、返流各阻力為16 kPa,不同溫差時(shí)換熱器技術(shù)參數(shù)和空壓機(jī)能耗的比較見表1。表1中以平均溫差3·042℃(熱端溫差為2℃)為基準(zhǔn)點(diǎn),僅計(jì)算因溫差變化而引起的其余參數(shù)變化,其他流程參數(shù)均基本一致,且空壓機(jī)效率相同,年運(yùn)行時(shí)間以300天計(jì),工業(yè)用電價(jià)格以0·8元/ (kW·h)計(jì)算。
    從表1可知,主換熱器溫差從3·042 K減小到2·542 K (減小了0·5 K),設(shè)備投入成本的增加與運(yùn)行一年半節(jié)約的費(fèi)用基本相當(dāng)。而主換熱器溫差從3·042 K擴(kuò)大到3·542 K (擴(kuò)大了0·5 K),設(shè)備投入成本的減少只能抵消10個(gè)月左右的運(yùn)行費(fèi)用。

             
    3　板翅式換熱器流動(dòng)阻力與空壓機(jī)電耗之間的關(guān)系
    相同流程10000 m3/h空分設(shè)備的主換熱器熱端溫差恒定,流動(dòng)阻力的不同會(huì)引起空壓機(jī)排氣量的增減以及主換熱器溫差和UA值的微小變化,但由于變化微小,對(duì)空壓機(jī)電耗的影響很小,可忽略不計(jì),僅需考慮正/返流體流動(dòng)阻力與空壓機(jī)電耗之間的關(guān)系。
    3·1　正流空氣流動(dòng)阻力對(duì)空壓機(jī)電耗的影響
    10000 m3/h空分設(shè)備主換熱器熱端溫差恒定,流程相同, UA值基本相同,返流流體流動(dòng)阻力均為16 kPa,正流空氣流動(dòng)阻力不同,空壓機(jī)電耗不同,其具體影響見表2。

             
    從表2可知,正流空氣流動(dòng)阻力減小2 kPa,資金投入需增加7·52萬元,而空壓機(jī)電耗降低7 kW,年運(yùn)行費(fèi)用減少4·0336萬元,增加的資金投入在不到兩年的時(shí)間內(nèi)即可收回。3·2　返流流體流動(dòng)阻力對(duì)空壓機(jī)電耗的影響10000 m3/h空分設(shè)備主換熱器熱端溫差恒定,流程相同, UA值基本相同,正流空氣流動(dòng)阻力為13 kPa,返流流體流動(dòng)阻力分別為14 kPa、16 kPa、18 kPa,返流流體流動(dòng)阻力與空壓機(jī)電耗之間的關(guān)系見表3。

             
    從表3可知,以返流流體流動(dòng)阻力16 kPa為基準(zhǔn)點(diǎn),返流流體流動(dòng)阻力減小2 kPa,空壓機(jī)電耗降低31 kW,設(shè)備投資成本增加不到10萬元,而年運(yùn)行費(fèi)用卻減少17·856萬元, 8個(gè)月即可收回多增加的設(shè)備投資成本;返流流體流動(dòng)阻力增加2 kPa,空壓機(jī)電耗增加33 kW,設(shè)備投資成本減少不到7萬元,而年運(yùn)行成本增加18·984萬元,減少的設(shè)備投入成本只相當(dāng)于4個(gè)月多付出的運(yùn)行費(fèi)用。可見降低返流流體流動(dòng)阻力能有效降低空壓機(jī)能耗,且返流流體流動(dòng)阻力的增減相對(duì)于正流流體流動(dòng)阻力的增減,對(duì)空壓機(jī)電耗的影響更為顯著。
    4　結(jié)　論
    綜上所述,充分說明了空分設(shè)備在確定方案時(shí),合理選取主換熱器溫差和流動(dòng)阻力的重要性。溫差減小0·5 K (即減小16%左右),換熱設(shè)備投資成本的增加額與運(yùn)行一年半時(shí)間所節(jié)約的費(fèi)用大致相當(dāng),而溫差擴(kuò)大0·5 K (即擴(kuò)大16%左右),一年運(yùn)行費(fèi)用的增加就已超出因溫差擴(kuò)大而使換熱設(shè)備投入費(fèi)用所降低的額度。同時(shí),由于正流空氣流動(dòng)阻力對(duì)空壓機(jī)能耗的影響沒有返流流體流動(dòng)阻力的影響大,降低換熱器的流動(dòng)阻力,特別是返流流體流動(dòng)阻力,即使由此產(chǎn)生的一次性投資成本增大,但2~3年內(nèi)即可收回成本;或者說雖然節(jié)約了一次性投資成本,但年使用成本提高,如換熱器返流流體流動(dòng)阻力為18 kPa時(shí),節(jié)約的投資成本還抵不上半年增加的運(yùn)行費(fèi)用。所以,不僅要從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上降低換熱器的流動(dòng)阻力,而且還應(yīng)該結(jié)合工藝流程參數(shù),對(duì)能耗與投資進(jìn)行綜合評(píng)估,以確定最佳方案。