换热器防腐
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污垢对换热器影响最小化的策略研究点击：1798 日期：[ 2014-04-26 21:53:49 ] |
| 污垢对换热器影响最小化的策略研究 靳遵龙 董其伍 刘敏珊 (郑州大学热能工程研究中心，河南 郑州 450002) 摘要：随着污垢在传热表面上积聚，传热热阻增加，传热效率降低;流道表面的粗糙度增加，摩擦系数增大，流体的流通截面积减小.引起流体流速增加，压力降增大.以污垢影响下换热器进出口流体属性的外在表现、流体流态参数作为分析对象，对计及污垢影响下的传热性能及管、壳程压降进行了分析及讨论，分析研究并确定了换热器污垢影响最小化策略，为工程师设计、操作换热器时降低污垢带来的负面影响提供理论依据. 关键词：污垢;换热器;传热;压降 中圈分类号：TK01+8 文献标识码：A 文章编号：0253—231X(2009)08—1402—03 0 引言 绝大多数换热器在应用的过程中都会不同程度地受污垢的影响[1，2].污垢对换热设备的影响主要在于两个方面:污垢通常是热的不良导体，一旦换热面上积聚了污垢，换热热阻增加，传热效率降低;随着污垢在管内积聚，流道表面的粗糙度增加，流体的流通截面积减少，在相同体积流量的情况下，流体流速增加，压力降增加.污垢的形成机理是一个典型的多学科交叉的复杂间题，对于污垢形成机理的清晰理解和准确把握是一项极为艰巨的任务.本文仅以污垢影响下换热器流体属性的外在表现、流体流态参数作为分析对象，提出换热器污垢影响最小化策略概念，以便为工程师们设计、操作换热器时降低污垢所带来的负面影响提供理论依据和参考。 1·污垢对换热器传热的影响 利用污垢系数来补偿污垢热阻对换热器性能的负面影响，它是一个不随时间变化的定值.然而，实际情况是，污垢热阻是增加传热阻力的量度，它随操作条件和运行时间的变化而变化.对于相同的污垢污染程度，随着清洁时传热系数的增大，污垢对换热器冗余面积的影响也随之增加.如果污垢热阻较小，则对具有较小传热系数的换热器影响较小.然而，较小的传热系数往往伴有较大的污垢热阻，比如，气一气换热器，其气侧传热系数比液体的低得多，可是大部分气侧污垢热阻都较大，其影响不可忽略. 给定一台换热器用来冷却工艺流体，冷却水在管内与工艺流体逆流流动，设计时采用的污垢系数为0.000352m2·K/w，冗余面积百分数为50%，冷却水入口温度保持不变.忽略传热壁面热阻以及忽略管内外传热面积的差别;管内外对流传热膜系数设计值均为2837.68w/(m2·K);管内冷却水设计流量为9.0kg/s. 换热器冷、热流体的热负荷平衡公式及设计公式分别为： 其中，tl、t2、t3、t4、CPc、CPh几分别表示工艺流体的进出口温度、冷却水的进出口温度、冷却水及工艺流体的热容流率，UA是换热器总传热系数和传热面积的乘积，△TLMTD是冷、热流体的对数平均温差.Fryer[3]、Kotjabasaki&Linnhoff[4]、Kern[5]和刘宝兴[6]等，都曾以不同形式给出上述表达式.把冷、热流体的出口温度表示为入口温度的函数: 由图1可知，换热器在清洁条件下起动时，假设热容流率不变，此时冷却水出口温度正向偏离设计值10.5%，工艺流体出口温度负向偏离设计值20%。 随着运行时间的推迟，污垢不断在传热表面积聚，污垢热阻越来越大，当污垢热阻值和设计值相同时，进出口温度满足设计要求。随着污垢热阻进一步加大，偏离污垢热阻设计值达到0.000748m2·K/w时，冷却水出口温度负向偏离设计值8.2%，工艺流体出口温度正向偏离设计值15.6%.为了满足工艺物流冷却要求，可以增加冷却水循环支路，用泵来控制冷却水流量的大小，以保证达到工艺物流冷却要求。 随着设备的运行，污垢不断地在传热表面积聚，换热设备传热性能下降，其换热能力的变化情况可表示如下: β=Qf/Qc (8) 式中，Qf，Qc分别表示受污垢污染以后的传热量及清洁时的传热量，β称为传热能力的相对系数，其值取决于换热器的Biot数(φ=UcRf)以及传热温差. 同样，给定上述管壳式换热器，其换热面积为869.72m2，流体流量为4784.69m3/h，管外径为19mm，管长5.79m.随着污垢在管内形成，其Biot数不断增大.在不同的传热温差情况下，换热器的传热能力随Biot数的变化关系如图2所示. 2·污垢对换热器压降的影响 在考虑污垢对流体流动压力降的影响时，首先计算清洁状况下的流动压降;确定污垢层厚度;然后在保持流体流量不变的情况下，计算计及污垢影响后的流体流速;最后计算污垢影响下的流体流动压降.受污垢污染以后的管径可以采用下式计算7[]： df=dc exp(—2λfRf/dc)(9) 式中，df、c、λf、Rf了分别表示污垢污染以后的管径、清洁时的管径、污垢的导热系数以及污垢系数. 对于上述给定的换热器，随着污垢在管内形成，在不同的传热温差情况下，管程流体流动压力降随Biot数的变化关系如图3所示. 至于污垢对壳程流体流动压降的影响，可以在壳程单元流道概念的基础上，进行定量分析(详细内容可以参阅文献[8]).壳程流体流动压力降随Biot数的变化关系类似于图3所示结果. 3·污垢影响最小化策略 本文分析了污垢的形成过程对流体出口温度的影响，给出了正向偏离与负向偏离的变化过程;分析了在污垢在形成过程中，换热器的换热性能与传热温差和Biot数的关系.由以上分析可以看出，对于相同的换热器污染程度，在传热温差大的时候，其传热性能、管壳程的压力降受污垢的负面影响较大，即对污垢的敏感程度越高;反之，换热设备对污垢的敏感程度越低.基于此，操作换热设备时应尽量在相对较低的传热温差以及相对较低的Biot数状况下进行。 参考文献：略 |
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