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列管換熱器經濟性理論分析

點擊:1812 日期:[ 2014-04-26 21:13:57 ]
                        列管換熱器經濟性理論分析                              李愛琴1,2     (1.北京石油化工學院,北京102617;2.北京理工大學,北京100081)     摘要:列管換熱器是干燥熱風爐常用的換熱器型式,為了探究降低高溫大容量熱風爐用換熱器投資成本的途徑,使用平均對數溫差法(LMTD法)計算列管換熱器在空氣升高不同溫度時的換熱面積,繪制了空氣升高溫度差Δt=t2-t1與平均換熱面積F/(t2-t1)的換熱曲線。經分析得到列管換熱器的經濟溫度區域,這種經濟性分析法可以應用于高溫大容量熱風爐兩級換熱器的設計和選型。     關鍵詞:干燥;熱風爐;列管換熱器;經濟性分析     中圖法分類號:TK175     干燥是去除物料中的水分和其他揮發分的操作。隨著科學技術和工農業的發展,需要干燥的物料日益增多,從食品、陶瓷、醫藥、礦產、紙張、木材加工甚至是樂器的加工都要用到干燥工藝。熱風爐是氣流、噴霧、流化、塔式等干燥方式的輔助設備。間接加熱熱風爐由燃燒室和換熱器兩部分組成,換熱器是熱風爐熱交換系統的核心,具備有別于余熱利用換熱器的熱工特性[1]。熱風爐常用的換熱器型式有列管換熱器[2]、噴流換熱器、筒式輻射換熱器等。對于高溫大容量熱風爐,如使用單級換熱器體積往往過大或者根本不能滿足生產要求,受到安裝、運輸以及干燥介質加熱溫度的限制。高溫大容量熱風爐一般多采用復合換熱器,實行兩級換熱,使用兩級換熱器的熱風爐如圖1所示。                 1 熱風爐用換熱器設計、研究現狀     在進行干燥系統熱源換熱器或熱風爐的設計與選配時,通常已知所要求的熱負荷(即換熱率)或冷熱流體的進出口溫差與流量,希望求出需要的換熱面積,這時采用平均對數溫差法(LMTD法)比較方便。LMTD法基本計算步驟是對冷、熱流體傳熱過程的微分方程積分,推導出換熱器總換熱率的表達式:                  稱Δtm為對數平均溫差(LMTD)(℃),其物理概念是換熱器溫差最大一端的溫差值減去另一端的最小溫差值再除以該兩個溫差比的自然對數,q為換熱器的換熱率(J/s),K為換熱器的總傳熱系數(W/m2·℃),F為換熱器的換熱面積(m2)。     對換熱器的設計要求是在最小投資情況下獲得最大的強化傳熱效果,即在能夠獲得較高的傳熱系數的前提下盡量減小換熱器的換熱面積,降低換熱器的流動阻力,達到最佳的換熱效果。目前換熱器的研究多從換熱函數關系式(1)著手,在給定工況下,換熱率q和對數平均溫差Δtm已經確定,只有提高傳熱系數K,才能減少換熱面積F,從而降低換熱器的制造成本。對于使用單級換熱器的熱風爐來說,減少換熱面積的主要途徑是通過提高氣體流速及紊流度來強化空氣側和煙氣側的對流換熱,以增大傳熱系數,傳熱系數愈大,換熱器交換相同熱量所需的換熱面積(體積)愈小,投資愈低。但是提高傳熱系數的措施往往會導致空氣和煙氣流路阻力損失的增加。從而要求熱風爐具有較大的鼓風及排煙能力,使設備投資及動力消耗增加。對于使用兩級換熱的熱風爐來說,設計人員一般按經驗分配一級和二級換熱器的換熱量,這種熱量分配方式欠缺評價標準,可能造成換熱器設備投資的增加及浪費。     2 列管換熱器經濟性分析     以列管換熱器為例討論高溫大容量熱風爐用換熱器的換熱特性,找到采用兩級換熱的熱風爐合理分配換熱量的有效方法。在熱風爐中的列管換熱器常采用煙氣為管程,被加熱空氣為殼程,即空氣在煙氣管外繞流進行換熱的方式。目前常用的列管換熱器大多采用多排鋼制光滑管作為換熱管,殼程的對流換熱系數按空氣繞流多排圓管束的對流換熱系數計算。列管換熱器的結構參數如圖2所示,采用48×3.5的無縫光滑鋼管400根,在空氣流方向上為棋盤式布置,且在平面上排成矩形。采用20×20的排列方式,列管換熱器總體上是叉流逆流式。     在入換熱器的空氣量VK=26 000m3/h,煙氣量Vy=10 000m3/h和煙氣溫度分別為1 100,1 000℃條件下,將空氣從0℃加熱到200℃,使用LMTD法對列管換熱器進行傳熱計算[3-5],換熱器管壁溫度都超過600℃。考慮到換熱器的壽命,取換熱器入口煙氣溫度900℃,由于其入口煙氣溫度受限制,列管換熱器僅適用于作為單級換熱的低溫熱風爐或者采用兩級換熱的高溫熱風爐的二級換熱部分。實踐中空氣入口溫度較低,取初始溫度t1=0,100℃的空氣進入列管換熱器,當空氣溫度升高到t2時,計算溫差Δt=t2-t1與空氣平均每升高1℃所需的換熱面積(平均換熱面積)F/(t2-t1),其關系曲線如圖3所示。                             由圖3可以看出,空氣入口溫度為0℃時,空氣上升溫差Δt≥300℃后所需的平均換熱面積開始急劇增長,很快到達無窮大。即列管換熱器在Δt≤300℃時經濟性較好。換熱器在此溫度區域內工作時,空氣每升高1℃所需的換熱面積及總換熱面積較少。超出此溫度區域工作時所需的換熱面積飛速增加,造成了換熱器使用材料及投資的大幅增加,所以在設計和選用換熱器時,應盡量使其工作在經濟溫度區域之內。如果高溫大容量熱風爐采用一級換熱,換熱器已經工作在經濟溫度區域以外應考慮采用兩級換熱。換熱入口空氣溫度為100℃時,列管換熱器的經濟溫度區域為280℃。隨入口空氣溫度的升高,經濟溫度區域減小。在入口空氣溫度不同的情況下,即使被加熱空氣溫度差值相同,平均換熱面積亦不同,隨著空氣起始溫度的升高,平均換熱面積增大。在入口空氣溫度相同的情況下,升高到不同的溫度,平均換熱面積不同,隨空氣升高溫度差值的增大,平均換熱面積逐漸增大,超過經濟溫度區域后,所需平均換熱面積急劇增大,很快達到無窮大。     理想逆流換熱器的溫度效率極限為41%[1],當換熱器入口空氣溫度為0℃時,列管換熱器的經濟溫度區域為300℃,此時換熱器的溫度效率為33%,為理想逆流換熱器溫度效率極限的80%。即列管換熱器實際溫度效率小于理想逆流換熱器溫度效率的80%時,能保證其工作在經濟溫度區域內,在實際設計中可以用下式來近似確定列管換熱器的經濟溫度區域:     Δt=η溫×80%×ty(2)     式中 Δt———經濟溫度區域,℃;     η溫———理想換熱器的溫度效率;     ty———入換熱器的煙氣溫度,℃。     當列管換熱器用于單級換熱的低溫熱風爐或者兩級換熱的高溫熱風爐的二級換熱部分時,可用式(2)估算列管換熱器的經濟溫度區域。     3 結論     列管換熱器入口煙氣溫度受管壁溫度限制,僅適用于作為單級換熱的低溫熱風爐或者采用兩級換熱的高溫熱風爐的二級換熱部分。通過對列管換熱器換熱曲線的經濟性分析,得到了列管換熱器在入口溫度0℃和100℃時的經濟溫度區域。在列管換熱器用于單級換熱的低溫熱風爐或者兩級換熱的高溫熱風爐的二級換熱部分使用時,可以用簡單算式估算它的經濟溫度區域。在進行干燥系統熱源換熱器或熱風爐的設計與選配時,應保證換熱器工作在經濟溫度區域內,如果經估算其工作溫度范圍已經超過了經濟溫度區域,應考慮采用兩級換熱。對于采用兩級換熱的高溫大容量熱風爐,如兩個換熱器均工作在經濟溫度區域,能夠減少換熱器的換熱面積,從而降低熱風爐的投資成本。 參考文獻 [1]李愛琴,趙海.熱風爐換熱系統的熱工特性[J].中國農學通報,2009,25(7):276-278. [2]梁杰,劉德璋,楊彩霞.列管式熱風爐計算研究[J].農機化研究,1998(1):51-54. [3]錢頌文.換熱器設計手冊[M].北京:化學工業出版社,2002:58-81. [4]霍爾曼JP著.傳熱學[M].馬慶芳等譯.北京:高等教育出版社,1980:237-239. [5]劉登瀛.干燥系統用換熱器的熱工設計計算與算例[J].干燥技術與設備,2010,8(2):43-47.
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