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      內展翅片換熱器應用在壓縮空氣系統中的節能效益分析

      點擊:1836 日期:[ 2014-04-26 21:36:07 ]
                   內展翅片換熱器應用在壓縮空氣系統中的節能效益分析                           錢北中,李 強,劉樹風                   (哈藥集團制藥總廠,黑龍江哈爾濱150086)     摘 要:文中通過實驗數據分析以及實際工程案例,就內展翅片換熱器在壓縮空氣系統的相同工況下,采用光管換熱器和外翅片換熱器的換熱效果及阻力特性進行了比較,結果表明,內展翅片換熱器不僅具有較好的強化傳熱效果,而且單位壓降損耗低,節能效果顯著。     關鍵詞:內展翅片換熱器;強化傳熱;壓降;節能     中圖分類號:TV831. 3  文獻標志碼:B  文章編號: 1009-3230(2011)02-0033-03     0 前言     哈藥集團制藥總廠壓縮空氣系統中空氣壓縮機后端的空氣冷卻裝置原使用的是外翅片空氣冷卻器,設備運行阻力較大,造成整體工藝系統的動力不足,只能通過增大空氣壓頭的方式來調節,增大了能源消耗量。2009年底在工藝系統改造中接觸到了內展翅片換熱器,了解到該換熱器具有傳熱效率高、壓力降小、節能節水等優點,于是該廠在此次系統改造中使用內展翅片換熱器替換原有外翅片換熱器。為了明確使用內展翅片換熱器后所帶來的經濟效益,對內展翅片換熱器的性能進行了分析,并就原有外翅片空氣冷卻器運行參數進行了對比。     1 內展翅片換熱器實驗數據分析     1.1 實驗系統     根據內展翅片換熱器廠商提供的西安交通大學動力工程多相流國家重點工程實驗室“關于內展翅片對流及冷凝相變傳熱及阻力性能研究”的報告內容,實驗系統簡述如下:空氣單相對流傳熱實驗系統由兩部分組成,如圖1所示。第1部分為空氣回路,由空氣壓縮機、孔板流量計、單管電加熱段、管束(套管)試驗段、空氣冷卻器、轉子流量計組成。試驗工質空氣由空氣壓縮機壓至試驗系統內,由旁路調節所需要的空氣流量,進入單管電加熱段按兩點式加熱方式由純銅極板加熱后進入管束(套管)試驗段,試驗后的空氣經冷卻后排至大氣,整個系統的壓力由系統最末端的背壓閥門控制。該系統采用了孔板與轉子流量計兩個空氣流量測量裝置,試驗中的測量結果以孔板流量計的作為標準,轉子流量計讀數結果在試驗中作為監測與調節試驗工況時的定性參考。試驗系統中第2部分為冷卻水回路,由水箱、清水泵、冷卻器、電磁流量計組成,該回路采用一般的清水作為冷卻水,用以冷卻管束(套管)中的熱空氣,被空氣加熱了的水經過冷卻器冷卻后,回到水箱,循環使用。水的流量由電磁流量計測得,水流量的大小可以通過清水泵旁路系統調節,水路壓力可以通過水路背壓閥調節。                  1.2 實驗結果及分析     將實驗研究內展翅片管與光管進行綜合換熱性能的比較,對應光管是指與內展翅片管具有相同管徑及壁厚的光管。采用的比較原則為:相同質量流量、相同泵功、相同壓降下二者的綜合換熱性能比較。     在常物性條件下,經過推導可以得到如下的限制關系式[1]:                   式中,下標t表示實驗管,下標p表示光管。As為流通面積;De為當量直徑;Af表示換熱面積。根據式(1)~(3),給定光管的一個Re數,就可以算出滿足該準則的試驗管的一個對應Re數,于是根據Dittus-Boelter換熱公式[2]、Filonenko[3]阻力系數公式以及本試驗所得的換熱關聯式,利用式(4)即可求出換熱量之比。     將上述3種準則計算的結果列于下表1中,在比較準則的數值為強化倍數。     綜合傳熱性能比較結果如圖2所示。                   由圖可見,在相同質量流速、相同泵功率,相同壓降三個原則下內展翅片管的傳熱性能均高于光管換熱器。由此可知在完成相同的換熱工藝指標的條件下,內展翅片換熱器的壓降將小于常規光管換熱器,即節約了流體的能耗損失,因此相應地減少了系統動力的輸出,從而節約了能源的利用。     2 內展翅片換熱器的能效分析     2.1 內展翅片換熱器節能優勢理論分析     (1)內展翅片換熱器通過其特殊的結構讓流體在管內形成32個小通道,流體能在低流速的情況下達到紊流狀態,使得內展翅片換熱器在達到強化傳熱目的的同時,低流速也帶來了低壓降損耗。     (2)由于內展翅片換熱器的傳熱效率高,所以在完成相同換熱工況的前提下內展翅片換熱器的換熱面積小于光管,內展翅片管的長度通常情況下小于光管所需長度,所以管束部分的沿程阻力相對降低。     (3)相對于外翅片換熱器流體橫掠風的形式,內展翅片換熱管內的流體是沿內翅片通道線性流動的渦旋流,所以達到強化傳熱目的的同時阻力更小。另外,與外翅片在高溫加壓下可能產生翅片松動不同,內展翅片與基管內壁接觸良好,在高溫加壓下運行狀態良好。     (4)由于內展翅片換熱管的高效傳熱特性,在相同工況下,換熱管單位長度的溫度梯度差相對光管要大的多,所以內展翅片換熱器可以在有限的管束長度范圍內實現較大的溫度交叉。具體表現就是對于常規使用冷卻水的工況中,內展翅片換熱器的冷卻水溫差區間相對更大,從而達到節約冷卻水量的目的。     2.2 能效分析小結     (1)由于內展翅片換熱器的高效傳熱特性,在完成相同工藝指標的條件下設備的體積更小,加工制造設備所需的金屬原材料使用量更少,起到了節能環保的目的。     (2)對于常規使用冷卻水的工況中,內展翅片換熱器的冷卻水溫差區間相對更大,從而達到節約冷卻水量的目的。     (3)在完成相同工藝指標的條件下,內展翅片換熱器的壓降能耗更低。這部分節約的能耗,減少了系統動力的輸出。對于蒸汽動力系統而言,進而減少了生成蒸汽所需的煤炭資源的使用量以及燃燒煤炭所生成的二氧化碳排放量,達到節約生產運行成本和降低能耗的目的。     3·運行參數對比分析     經過上述分析我們確定采用內展翅片換熱器代替原有換熱器確實會產生較高的經濟效益,達到節能環保的目的。實踐證明在2009年底更換使用內展翅片換熱器后,設備阻力降確實遠小于原有外翅片空氣冷卻器,從而達到節約能源的目的,保證了空氣系統良好的運行狀態。表2為該廠壓縮空氣系統空氣冷卻器選用內展翅片換熱器與原有外翅片換熱器運行參數的對比數據。     3.1 設備運行實測數據     3.2 理論計算     為進一步驗證實測節能率數據是否可靠,理論計算壓縮機多變壓縮功耗,多變壓縮功耗可用公示表達為[4]:          從運行實測數據可見,由于空氣系統阻力損失降低,壓縮機出口壓力從0. 294 MPa下降到0. 249MPa(表壓),壓縮機功耗N比值可表達為:          即功率消耗降為原來的88%,故節能率為12%。這一理論計算數據與實測節能率14. 8%較為接近,說明實測節能率數據是可靠的。     4·結論     從以上實測數據分析可以看出(忽略內展翅片換熱器和外翅片換熱器空氣流量差2. 8% ),采用內展翅片換熱器后系統壓力降減少了78. 85%,降低了動力系統蒸汽的使用量。按照年運行時間330天(7 920 h)計算的話,投用內展翅片換熱器后每小時節約的蒸汽量為5. 28 ,t節能率14. 8%,年節約蒸汽費用約292. 7萬元。按照目前110 kg(標煤) /t蒸汽計算的話,蒸汽折算標煤為4 600 t/年。按照目前每噸標煤排放的二氧化碳量為2. 62 ,t二氧化硫量為8. 5 kg計算的話,年減少二氧化碳排放量為12 052 ,t二氧化硫排放量約39 t。 參考文獻 [1]唐亮,李智.波紋形內翅片管對流換熱實驗研究及其應用[J].應用能源技術, 2008. 3: 10-13. [2]錢頌文.換熱器設計手冊[M].北京:化學工業出版社, 2002, 59. [3]董其伍,張垚,等.石油化工設備設計選用手冊換熱器[M].北京:化學工業出版社, 2009, 86. [4]張聯科.化工熱力學[M].北京:化學工業出版社,1980,55. [5]徐凱宏,周定國.秸桿瓦熱積壓設備自動控制系統的設計[J].森林工程, 2006, 22(5): 16-18.
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