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列管换热器经济性理论分析

点击:2332 日期:[ 2014-04-26 21:13:57 ]
                        列管换热器经济性理论分析                              李爱琴1,2     (1.北京石油化工学院,北京102617;2.北京理工大学,北京100081)     摘要:列管换热器是干燥热风炉常用的换热器型式,为了探究降低高温大容量热风炉用换热器投资成本的途径,使用平均对数温差法(LMTD法)计算列管换热器在空气升高不同温度时的换热面积,绘制了空气升高温度差Δt=t2-t1与平均换热面积F/(t2-t1)的换热曲线。经分析得到列管换热器的经济温度区域,这种经济性分析法可以应用于高温大容量热风炉两级换热器的设计和选型。     关键词:干燥;热风炉;列管换热器;经济性分析     中图法分类号:TK175     干燥是去除物料中的水分和其他挥发分的操作。随着科学技术和工农业的发展,需要干燥的物料日益增多,从食品、陶瓷、医药、矿产、纸张、木材加工甚至是乐器的加工都要用到干燥工艺。热风炉是气流、喷雾、流化、塔式等干燥方式的辅助设备。间接加热热风炉由燃烧室和换热器两部分组成,换热器是热风炉热交换系统的核心,具备有别于余热利用换热器的热工特性[1]。热风炉常用的换热器型式有列管换热器[2]、喷流换热器、筒式辐射换热器等。对于高温大容量热风炉,如使用单级换热器体积往往过大或者根本不能满足生产要求,受到安装、运输以及干燥介质加热温度的限制。高温大容量热风炉一般多采用复合换热器,实行两级换热,使用两级换热器的热风炉如图1所示。                 1 热风炉用换热器设计、研究现状     在进行干燥系统热源换热器或热风炉的设计与选配时,通常已知所要求的热负荷(即换热率)或冷热流体的进出口温差与流量,希望求出需要的换热面积,这时采用平均对数温差法(LMTD法)比较方便。LMTD法基本计算步骤是对冷、热流体传热过程的微分方程积分,推导出换热器总换热率的表达式:                  称Δtm为对数平均温差(LMTD)(℃),其物理概念是换热器温差最大一端的温差值减去另一端的最小温差值再除以该两个温差比的自然对数,q为换热器的换热率(J/s),K为换热器的总传热系数(W/m2·℃),F为换热器的换热面积(m2)。     对换热器的设计要求是在最小投资情况下获得最大的强化传热效果,即在能够获得较高的传热系数的前提下尽量减小换热器的换热面积,降低换热器的流动阻力,达到最佳的换热效果。目前换热器的研究多从换热函数关系式(1)着手,在给定工况下,换热率q和对数平均温差Δtm已经确定,只有提高传热系数K,才能减少换热面积F,从而降低换热器的制造成本。对于使用单级换热器的热风炉来说,减少换热面积的主要途径是通过提高气体流速及紊流度来强化空气侧和烟气侧的对流换热,以增大传热系数,传热系数愈大,换热器交换相同热量所需的换热面积(体积)愈小,投资愈低。但是提高传热系数的措施往往会导致空气和烟气流路阻力损失的增加。从而要求热风炉具有较大的鼓风及排烟能力,使设备投资及动力消耗增加。对于使用两级换热的热风炉来说,设计人员一般按经验分配一级和二级换热器的换热量,这种热量分配方式欠缺评价标准,可能造成换热器设备投资的增加及浪费。     2 列管换热器经济性分析     以列管换热器为例讨论高温大容量热风炉用换热器的换热特性,找到采用两级换热的热风炉合理分配换热量的有效方法。在热风炉中的列管换热器常采用烟气为管程,被加热空气为壳程,即空气在烟气管外绕流进行换热的方式。目前常用的列管换热器大多采用多排钢制光滑管作为换热管,壳程的对流换热系数按空气绕流多排圆管束的对流换热系数计算。列管换热器的结构参数如图2所示,采用48×3.5的无缝光滑钢管400根,在空气流方向上为棋盘式布置,且在平面上排成矩形。采用20×20的排列方式,列管换热器总体上是叉流逆流式。     在入换热器的空气量VK=26 000m3/h,烟气量Vy=10 000m3/h和烟气温度分别为1 100,1 000℃条件下,将空气从0℃加热到200℃,使用LMTD法对列管换热器进行传热计算[3-5],换热器管壁温度都超过600℃。考虑到换热器的寿命,取换热器入口烟气温度900℃,由于其入口烟气温度受限制,列管换热器仅适用于作为单级换热的低温热风炉或者采用两级换热的高温热风炉的二级换热部分。实践中空气入口温度较低,取初始温度t1=0,100℃的空气进入列管换热器,当空气温度升高到t2时,计算温差Δt=t2-t1与空气平均每升高1℃所需的换热面积(平均换热面积)F/(t2-t1),其关系曲线如图3所示。                             由图3可以看出,空气入口温度为0℃时,空气上升温差Δt≥300℃后所需的平均换热面积开始急剧增长,很快到达无穷大。即列管换热器在Δt≤300℃时经济性较好。换热器在此温度区域内工作时,空气每升高1℃所需的换热面积及总换热面积较少。超出此温度区域工作时所需的换热面积飞速增加,造成了换热器使用材料及投资的大幅增加,所以在设计和选用换热器时,应尽量使其工作在经济温度区域之内。如果高温大容量热风炉采用一级换热,换热器已经工作在经济温度区域以外应考虑采用两级换热。换热入口空气温度为100℃时,列管换热器的经济温度区域为280℃。随入口空气温度的升高,经济温度区域减小。在入口空气温度不同的情况下,即使被加热空气温度差值相同,平均换热面积亦不同,随着空气起始温度的升高,平均换热面积增大。在入口空气温度相同的情况下,升高到不同的温度,平均换热面积不同,随空气升高温度差值的增大,平均换热面积逐渐增大,超过经济温度区域后,所需平均换热面积急剧增大,很快达到无穷大。     理想逆流换热器的温度效率极限为41%[1],当换热器入口空气温度为0℃时,列管换热器的经济温度区域为300℃,此时换热器的温度效率为33%,为理想逆流换热器温度效率极限的80%。即列管换热器实际温度效率小于理想逆流换热器温度效率的80%时,能保证其工作在经济温度区域内,在实际设计中可以用下式来近似确定列管换热器的经济温度区域:     Δt=η温×80%×ty(2)     式中 Δt———经济温度区域,℃;     η温———理想换热器的温度效率;     ty———入换热器的烟气温度,℃。     当列管换热器用于单级换热的低温热风炉或者两级换热的高温热风炉的二级换热部分时,可用式(2)估算列管换热器的经济温度区域。     3 结论     列管换热器入口烟气温度受管壁温度限制,仅适用于作为单级换热的低温热风炉或者采用两级换热的高温热风炉的二级换热部分。通过对列管换热器换热曲线的经济性分析,得到了列管换热器在入口温度0℃和100℃时的经济温度区域。在列管换热器用于单级换热的低温热风炉或者两级换热的高温热风炉的二级换热部分使用时,可以用简单算式估算它的经济温度区域。在进行干燥系统热源换热器或热风炉的设计与选配时,应保证换热器工作在经济温度区域内,如果经估算其工作温度范围已经超过了经济温度区域,应考虑采用两级换热。对于采用两级换热的高温大容量热风炉,如两个换热器均工作在经济温度区域,能够减少换热器的换热面积,从而降低热风炉的投资成本。 参考文献 [1]李爱琴,赵海.热风炉换热系统的热工特性[J].中国农学通报,2009,25(7):276-278. [2]梁杰,刘德璋,杨彩霞.列管式热风炉计算研究[J].农机化研究,1998(1):51-54. [3]钱颂文.换热器设计手册[M].北京:化学工业出版社,2002:58-81. [4]霍尔曼JP著.传热学[M].马庆芳等译.北京:高等教育出版社,1980:237-239. [5]刘登瀛.干燥系统用换热器的热工设计计算与算例[J].干燥技术与设备,2010,8(2):43-47.
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