换热器除垢
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激波加热器在供热管网系统中的应用点击：1719 日期：[ 2014-04-26 22:05:46 ] |
| 激波加热器在供热管网系统中的应用 于静 车俊铁 (北京石油化工学院,北京102617) 摘要：激波加热器是一种新型汽水换热装置。该设备已在实际中使用并取得良好节能效果。本篇文章介绍激波加热器的工作原理、工作过程、特性及激波加热器在供暖系统中节能效果,同时指出本装置自动控制系统所控制的过程。 关键词：激波加热器;工作原理;工作过程;特性;节能;控制系统 中图分类号：TK172 文献标识码：B 1 引言 中国人民解放军总医院的生活热水和冬季采暖全部由自备的五台以天然气为燃料的蒸汽锅炉提供,能耗较大。近年来,该医院非常重视节能挖潜和节能新产品的推广应用,2000年5月将生活热水系统的六台板式换热器更换为激波加热器,经过一年多的运行,取得了良好的节能效果和经济效益,现已全面推广。该产品由清华大学和北京红金龙高科技发展有限公司合作研制开发;北京红金龙公司设计、生产、安装。 2 工作原理 激波加热是对同质二元混合物在汽、液二相流向液体单相流转变的过程中,除了发生热量的传递之外,也发生热能向机械能的转变。在无序转变的条件下,这种转变会表现为瞬间的,间断的热量传递和强型的汽水撞击,甚至连原介质工作系统也会产生剧烈地震动。因此通常情况下,这种无序转变都是需要尽力消除的。但如果这种转变处在有序控制下,则会表现为连续的、平稳地热量传递和规律的能量转换。转换的结果是对液体的瞬间加热和产生单向的,大于原系统状态的输出压力能,激波加热器是一种能保证汽水直接稳定连续换热的专用装置。 3 工作过程 由于这种装置的特殊结构,使得蒸汽和水在引射的过程中,高速进入收缩段形成的狭小通道。在这一狭小通道中,混合物借助于这种特殊结构,迅速完成双相流向单相流的转变。在相变的过程中,强烈的凝结过程产生强烈的压力激波,这一激波使出口产生单向的巨大的压力突变。这一变化的结果,是使装置出口压力急剧增大。在一个密闭的环路系统中,这一压力足以推动环路系统内部液体的循环。这里,在两相混合物相变的过程中,也伴随着相与相之间的换热过程。两相完全的结合,焓值将标志两相完善的换热。这就是在这种装置中,其换热效率几近于1的根本原因,也就是我们讲的这种装置高效的内涵。 概括起来,利用这种特殊装置进行换热和推动系统循环的运行方式,就是利用蒸汽作为能源(无其他的能源),首先通过装置进行换热,再产生高压切入系统并推动系统循环这样两个过程。因而达到增压和瞬时加热的效果,是瞬时加热器与增压泵的结合。 激波加热器可以设计制作成“单相变区”式的即只有一个完整的相变区的结构,也可以把它设计制作成双相变区或称补充相变区式结构。被加热的水增压后进入到扩散段后即送入到用户管道中,补充水口可以用来作为本装置工作状态检测口,这样使本装置可以方便地实现自动化控制。 另外,该装置虽然可以代替换热器这一最可靠的方式并入原系统表现其节能特点,但由于其只以蒸汽为热源,因而可表现为换热器、电机、机械泵的三重特征,这正是它从另一个方面表现出来的节约能源-电能的特点。 4 激波加热器特性 在原理部分已经指出,激波加热器是一种能保证汽、水直接,稳定,连续进行换热的专用装置。其与众不同的特点是换热过程产生巨大的压力激波,从而形成带有方向性的稳定的压力。换言之,即这种装置在两相流向单向流转变的过程中,会产生大于进口蒸汽及进口水压力的效应。激波加热器在自循环系统状态下,其增压特性符合如下曲线。 在蒸汽压力低时,其增压倍数高,在蒸汽压力高时,其增压倍数低。因此,可以推断,其增压功能倍数p汽/p出口在其可靠工作范围内,随着进口蒸汽压力的提高,其功能倍数趋近于1,在要求的激波加热器使用范围内,这一特性才能保证工作系统可靠工作。 5 激波加热器节能效果 激波加热器在供热系统中起到了节汽、节电、节能、节水、减少环境污染的作用。激波加热器可起加热器和传输泵的功能,使用它可以节省热能和电能。在把激波加热器装置用到供热循环系统时,其经济指标,可由该装置的工作状态计算出来。 激波加热器与现有供热系统接通,并将其进口与出口参数和现有网路的热工状态和水力状态相匹配时,就可能产生装置在“换热器”或带补给的“泵-换热器”工作状态中的工作适应问题。 激波加热器工作的节能效果,表现在如下方面: (1)节热 (2)减少通过本装置壳体的热耗(与热交换器的表面相比) (3)节约蒸汽 (4)节约电能 在新系统中使用网路(循环)泵时,电能的节省取决于在泵的吸入口建立扬程和流量时所需要的电功率,这种增压和流量可以由激波加热器全部或部分实现的。这一增压值,随着蒸汽和水进入装置时的参数的变化而变化,因此电能的节约值也随之变化,而且在供暖系统中,其节约值还随着外部空气温度的降低而增大。 为了进一步节约电能,应当根据在新系统中所需电功率最大值来确定新采用较小泵的功率。在供暖系统中,当系统热负荷,热水循环量,管网压力与所提供的激波加热器工作参数都吻合的情况下,可以完全取消循环泵。 在激波加热器使用过程中,由于蒸汽直接进入热水(供暖)系统中,与原来使用带有凝结水回收装置的换热系统相比较,软化水的制备量要有所增加。其增加的数量(在直接式换热系统中)相当于进入热水(供暖系统)中的蒸汽量。 即新增软化水制备量=蒸汽消耗量。 用直接式换热器的效率要比使用间接式换热器高20%左右。即比间接式少用蒸汽20%。 在这样的系统中,蒸汽在表面换热器中将热量传递给水,由热水向用户提供热量(供热或供热水),采用并入法将激波加热器安装入系统之中,既保证系统正常工作,又能保证节约能源。对于低于0·05MP的蒸汽或闪蒸汽来讲,还可以采用反驱动方式予以利用。 6 凝结水处理 作为汽水换热的激波加热器是汽水混合式加热器,在换热过程中由蒸汽所产生的凝结水直接进入循环系统。在供热系统中,如果系统循环水的损失量较大,这部分凝结水就可以作为系统补给水加以利用,从而可以减少补水泵的工作时间。如果系统中的循环水量损失较小,这部分凝结水需通 过稳压装置排出系统,然后直接进入锅炉补水系统。进行换热站蒸汽凝结水回收方案的比较: (1)采用间接式换热器作为主要换热设备,其工艺图如下: 从图4中我们可以看到,其蒸汽凝结水直接入凝结水箱回收。 (2)用直接式换热器作为主要换热器的工艺流程图,见图5: 对这个工艺图,在蒸汽凝结水进入供暖系统后,如果凝结水量小于系统水损失量,冷凝水不用回收。但一般情况下,供暖系统的水损失量都不大。因此,随着蒸汽冷凝水进入系统,系统压力随之增高。当系统压力达到排放标准时,这部分即排放至回水管路。在系统循环水采用软化水时,该溢流水可直接至锅炉,在系统初始注入水时为自来水时,回水在设备初始运行阶段,需再经软化后运回锅炉。但系统运转一段时间后,回水就会达到锅炉给水标准。具体时间可做如下考虑。依目前通常供热设计来讲,系统循环水每20分钟即应完成一个循环周期。在初始注入水为自来水的情况下,这部分保留水中在初始阶段的硬度是最高的,其硬度值等于未处理的自来水硬度值。系统运转之后,随着凝结水的连续加入和系统水的连续排放,其钙镁离子总含量逐渐减少,水质即可达到锅炉给水标准,可直接回收。返回锅炉,是十分安全的。 7 激波加热器控制系统 7. 1 自动控制系统功能 激波加热器自动控制系统可以完成激波加热器启动、运行、关闭以及重新启动等过程的自动智能化控制,并且具有实时工作状态监测与监控的功能;对激波加热器进行故障检测与报警、参数设定、系统恢复等智能化管理的功能。控制系统采用可编程控制器(PLC)实现系统的稳定运行。 自动控制系统硬件采用西门子的可编程控制器并且可以配备TD200数码显示屏,具备参数显示清楚、系统状态显示多、多层操作文件显示、操作简单明了等特点。 (1)实现激波加热器启动、运行、关闭、调节的全自动化控制 (2)对各种参数的实时显示、监测; (3)定时启停和预定时启停控制; (4)运行参数和报警值可任意设定。 7. 2 自动控制过程 当按下自动按钮后,系统自动执行编写的程序。当温度传感器检测到的回水的温度低于设定时,设备自动启动。自动执行打开泻水阀15秒后,启动蒸汽阀,启动10秒后,关闭泻水阀。当设备压力为负压时,设备进入正常工作状态。与此同时,由于泻水阀泻水使系统压力降低,为达到设备正常运行,系统需要补水来满足系统需求的压力。采用点接点压力表使系统自动补水,当压力低于设定值时,补水泵自动启动。当压力高于最大设定值时,补水泵自动停止。由于系统产生冷凝水直接进入系统,使系统压力逐渐升高,压力越高,对外管网越不利同时影响设备正常运行。所以必须泻压来稳定系统压力。稳压系统采用自动稳压,采用对电动调节阀PID调节,设定所要稳定的压力值。修改比例、积分、微分参数,使系统压力稳定在设定值范围之内。对于泻到水箱的冷凝水采用冷凝泵自动排出送回锅炉系统二次利用。对于冷凝泵的起停采用阀位开关自动起停,当液位达到最大设定值 时,是冷凝泵自动开启;当液位最小设定值时,冷凝泵自动停止。如果系统出现故障,自动报警。 8 结束语 激波加热器是在对传热学、工程热力学、流体力学深入研究的基础上开发出的高效、节能、环保产品。激波加热这一新技术已在解放军空军总医院锅炉供暖系统中得到了应用,并取得了良好的节能、减少投资的作用。该产品具有广泛的应用场合。 参考文献 [1]北京石油化工设计院.激波加热器, 2006 [2]北京奥天奇科技发展有限公司, 2001 [3]周庆海.过程控制系统工程设计[M].北京:化学工业出版社,1996 [4]自控制系统总公司.自控系统成套设备-选型样本[M].北京:机械工业出版社, 2004 作者简介 于静(YU Jing, 1963-),女,辽宁人,本科,高级讲师,主要从事石油化工工程控制及自动化设计与研究工作; E-mai:l yujing@ bipt. edu.cn。(责任编辑:高利丹) |
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