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内展翅片换热器应用在压缩空气系统中的节能效益分析点击：2081 日期：[ 2014-04-26 21:36:07 ] |
| 内展翅片换热器应用在压缩空气系统中的节能效益分析 钱北中,李 强,刘树风 (哈药集团制药总厂,黑龙江哈尔滨150086) 摘 要:文中通过实验数据分析以及实际工程案例,就内展翅片换热器在压缩空气系统的相同工况下,采用光管换热器和外翅片换热器的换热效果及阻力特性进行了比较,结果表明,内展翅片换热器不仅具有较好的强化传热效果,而且单位压降损耗低,节能效果显著。 关键词:内展翅片换热器;强化传热;压降;节能 中图分类号:TV831. 3 文献标志码:B 文章编号: 1009-3230(2011)02-0033-03 0 前言 哈药集团制药总厂压缩空气系统中空气压缩机后端的空气冷却装置原使用的是外翅片空气冷却器,设备运行阻力较大,造成整体工艺系统的动力不足,只能通过增大空气压头的方式来调节,增大了能源消耗量。2009年底在工艺系统改造中接触到了内展翅片换热器,了解到该换热器具有传热效率高、压力降小、节能节水等优点,于是该厂在此次系统改造中使用内展翅片换热器替换原有外翅片换热器。为了明确使用内展翅片换热器后所带来的经济效益,对内展翅片换热器的性能进行了分析,并就原有外翅片空气冷却器运行参数进行了对比。 1 内展翅片换热器实验数据分析 1.1 实验系统 根据内展翅片换热器厂商提供的西安交通大学动力工程多相流国家重点工程实验室“关于内展翅片对流及冷凝相变传热及阻力性能研究”的报告内容,实验系统简述如下:空气单相对流传热实验系统由两部分组成,如图1所示。第1部分为空气回路,由空气压缩机、孔板流量计、单管电加热段、管束(套管)试验段、空气冷却器、转子流量计组成。试验工质空气由空气压缩机压至试验系统内,由旁路调节所需要的空气流量,进入单管电加热段按两点式加热方式由纯铜极板加热后进入管束(套管)试验段,试验后的空气经冷却后排至大气,整个系统的压力由系统最末端的背压阀门控制。该系统采用了孔板与转子流量计两个空气流量测量装置,试验中的测量结果以孔板流量计的作为标准,转子流量计读数结果在试验中作为监测与调节试验工况时的定性参考。试验系统中第2部分为冷却水回路,由水箱、清水泵、冷却器、电磁流量计组成,该回路采用一般的清水作为冷却水,用以冷却管束(套管)中的热空气,被空气加热了的水经过冷却器冷却后,回到水箱,循环使用。水的流量由电磁流量计测得,水流量的大小可以通过清水泵旁路系统调节,水路压力可以通过水路背压阀调节。 1.2 实验结果及分析 将实验研究内展翅片管与光管进行综合换热性能的比较,对应光管是指与内展翅片管具有相同管径及壁厚的光管。采用的比较原则为:相同质量流量、相同泵功、相同压降下二者的综合换热性能比较。 在常物性条件下,经过推导可以得到如下的限制关系式[1]: 式中,下标t表示实验管,下标p表示光管。As为流通面积;De为当量直径;Af表示换热面积。根据式(1)~(3),给定光管的一个Re数,就可以算出满足该准则的试验管的一个对应Re数,于是根据Dittus-Boelter换热公式[2]、Filonenko[3]阻力系数公式以及本试验所得的换热关联式,利用式(4)即可求出换热量之比。 将上述3种准则计算的结果列于下表1中,在比较准则的数值为强化倍数。 综合传热性能比较结果如图2所示。 由图可见,在相同质量流速、相同泵功率,相同压降三个原则下内展翅片管的传热性能均高于光管换热器。由此可知在完成相同的换热工艺指标的条件下,内展翅片换热器的压降将小于常规光管换热器,即节约了流体的能耗损失,因此相应地减少了系统动力的输出,从而节约了能源的利用。 2 内展翅片换热器的能效分析 2.1 内展翅片换热器节能优势理论分析 (1)内展翅片换热器通过其特殊的结构让流体在管内形成32个小通道,流体能在低流速的情况下达到紊流状态,使得内展翅片换热器在达到强化传热目的的同时,低流速也带来了低压降损耗。 (2)由于内展翅片换热器的传热效率高,所以在完成相同换热工况的前提下内展翅片换热器的换热面积小于光管,内展翅片管的长度通常情况下小于光管所需长度,所以管束部分的沿程阻力相对降低。 (3)相对于外翅片换热器流体横掠风的形式,内展翅片换热管内的流体是沿内翅片通道线性流动的涡旋流,所以达到强化传热目的的同时阻力更小。另外,与外翅片在高温加压下可能产生翅片松动不同,内展翅片与基管内壁接触良好,在高温加压下运行状态良好。 (4)由于内展翅片换热管的高效传热特性,在相同工况下,换热管单位长度的温度梯度差相对光管要大的多,所以内展翅片换热器可以在有限的管束长度范围内实现较大的温度交叉。具体表现就是对于常规使用冷却水的工况中,内展翅片换热器的冷却水温差区间相对更大,从而达到节约冷却水量的目的。 2.2 能效分析小结 (1)由于内展翅片换热器的高效传热特性,在完成相同工艺指标的条件下设备的体积更小,加工制造设备所需的金属原材料使用量更少,起到了节能环保的目的。 (2)对于常规使用冷却水的工况中,内展翅片换热器的冷却水温差区间相对更大,从而达到节约冷却水量的目的。 (3)在完成相同工艺指标的条件下,内展翅片换热器的压降能耗更低。这部分节约的能耗,减少了系统动力的输出。对于蒸汽动力系统而言,进而减少了生成蒸汽所需的煤炭资源的使用量以及燃烧煤炭所生成的二氧化碳排放量,达到节约生产运行成本和降低能耗的目的。 3·运行参数对比分析 经过上述分析我们确定采用内展翅片换热器代替原有换热器确实会产生较高的经济效益,达到节能环保的目的。实践证明在2009年底更换使用内展翅片换热器后,设备阻力降确实远小于原有外翅片空气冷却器,从而达到节约能源的目的,保证了空气系统良好的运行状态。表2为该厂压缩空气系统空气冷却器选用内展翅片换热器与原有外翅片换热器运行参数的对比数据。 3.1 设备运行实测数据 3.2 理论计算 为进一步验证实测节能率数据是否可靠,理论计算压缩机多变压缩功耗,多变压缩功耗可用公示表达为[4]: 从运行实测数据可见,由于空气系统阻力损失降低,压缩机出口压力从0. 294 MPa下降到0. 249MPa(表压),压缩机功耗N比值可表达为: 即功率消耗降为原来的88%,故节能率为12%。这一理论计算数据与实测节能率14. 8%较为接近,说明实测节能率数据是可靠的。 4·结论 从以上实测数据分析可以看出(忽略内展翅片换热器和外翅片换热器空气流量差2. 8% ),采用内展翅片换热器后系统压力降减少了78. 85%,降低了动力系统蒸汽的使用量。按照年运行时间330天(7 920 h)计算的话,投用内展翅片换热器后每小时节约的蒸汽量为5. 28 ,t节能率14. 8%,年节约蒸汽费用约292. 7万元。按照目前110 kg(标煤) /t蒸汽计算的话,蒸汽折算标煤为4 600 t/年。按照目前每吨标煤排放的二氧化碳量为2. 62 ,t二氧化硫量为8. 5 kg计算的话,年减少二氧化碳排放量为12 052 ,t二氧化硫排放量约39 t。 参考文献 [1]唐亮,李智.波纹形内翅片管对流换热实验研究及其应用[J].应用能源技术, 2008. 3: 10-13. [2]钱颂文.换热器设计手册[M].北京:化学工业出版社, 2002, 59. [3]董其伍,张垚,等.石油化工设备设计选用手册换热器[M].北京:化学工业出版社, 2009, 86. [4]张联科.化工热力学[M].北京:化学工业出版社,1980,55. [5]徐凯宏,周定国.秸杆瓦热积压设备自动控制系统的设计[J].森林工程, 2006, 22(5): 16-18. |
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