哈雷釬焊板式換熱器
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                  換熱器設計中污垢熱阻對設計的影響

                  點擊:2263 日期:[ 2014-04-26 22:54:59 ]
                                                 換熱器設計中污垢熱阻對設計的影響                                        張平 張蔚蘭                     (湖北登峰換熱器有限公司 湖北 大冶 435100)    【摘要】通過設定污垢系數的方法論證了污垢系數對換熱器設計的影 響。要求用戶在提出污垢系數時應當合理。合理的污垢系數對換熱器的 優化設計、降低成本有重大決定作用。    【關鍵詞】 換熱器 污垢熱阻 污垢系數 換熱系數    在當前換熱器市場日益激烈 的競爭中,一個問題日益突出,應 當引起足夠的重視,那就是污垢 系數問題。污垢系數,即換熱器使 用過程中污垢對換熱產生的影響 程度。由于換熱器傳熱面本身導 熱系數很大,其熱阻通??珊雎?。 但如果壁面上結有污垢,則對傳 熱性能和壓降影響很大,其熱阻 有時可達到起控制作用的數量級。 據報道,一臺結垢嚴重的冷凝器, 其有效的傳熱面積僅為清潔狀態 的1/2。因此,在換熱器設計中必須 考慮污垢熱阻對傳熱性能的影響。    1 傳熱系數的計算    在實際工作中,對于污垢系數 的選用,有三套標準:一種標準為 用戶在設計換熱器時就明確提出 的標準數值,參考國家標準,針對 工業用水、循環冷卻水和潔凈自 來水分別提出污垢系數要求;第二 種為項目技術人員提出的標準,由于擔心換熱器運行時傳熱性能 達不到要求,故將污垢熱阻提得 很大;第三種為換熱器設計單位提 出的參考值,在以往換熱器設計 中,用戶一般習慣不提污垢熱阻 的要求,在換熱器設計計算過程 中不考慮污垢熱阻的影響,只在 最后取傳熱系數時取 0.85 的系數 (即取計算值的 85%)作為考慮污 垢熱阻后的最終傳熱系數。 對于實際選用的污垢系數標 準是否合理,下面以常用的一種 冷卻元件做一個計算比較,以便 共同探討:    設定一,氣側換熱系數hk=65.5 W/(m2.℃),水側換熱系數hl=7353 W/(m2.℃),肋化系數ψ=19.7,換熱 管壁厚δ=0.001m,換熱管導熱系 數λ=39 W/(m2 .℃),氣側污垢系數 rk=0,水側污垢系數rl=0,計算換熱 器傳熱系數 K,代入各數值計算:         設定二,氣側污垢系數rk=0,水 側污垢系數rl=0.000172m2.℃/W(潔凈 自來水時所取的污垢系數),其余條件與設定一樣,代入計算:         設定三,氣側污垢系數rk= 0.000172 m2 .℃/W(常壓空氣),水 側污垢系數rl=0.000172 m2 .℃/W(潔 凈自來水時所取的污垢系數),其 余條件與設定一樣,代入計算:        比較設定一和設定二,不難得出水側取污垢熱阻后的傳熱系數 是沒有考慮污垢熱阻時的傳熱系 數的 0.85 倍,比較設定一和設定 三,可知氣側和水側都取常規污 垢熱阻時的傳熱系數是沒有考慮 污垢熱阻時的傳熱系數的 0 . 8 4 倍,這說明原來習慣上取的 0.85 的系數是合適的,同時還說明我 們管片式熱熱器計算中氣側的污 垢熱阻比水側的污垢熱阻對傳熱 系數的影響小,氣側污垢熱阻對 總體傳熱系數的影響可以忽略不 計,也就是說管外污垢熱阻比管 內污垢熱阻的影響小。這就說明 在過去我們常規設計中,取 0.85 倍的傳熱系數是得當的和可行的, 也是考慮污垢熱阻時最簡便的一 種經驗方法了。    2 污垢對傳熱的影響    近幾年隨著我國換熱器行業 產品的快速發展,換熱器產品使 用條件和換熱器產品客戶發生了 根本的改變,用戶對換熱器產品 設計提出了更高、更嚴、更具體的 要求,如產品壓力、面積、體積和 工藝介質方面都與以往大不相同。 最明顯的一點,用戶在水的污垢 熱阻都提出了更明確的要求,明 確提出水的污垢熱阻是 0.000344 m2.℃/W(是原來潔凈自來水的2倍, 這一般是用戶的最低要求)、0.0004 m2 .℃/W,有的甚至提到了0.0005 m2 .℃/W。氣側一般是壓縮空氣, 用戶一般沒有明確提出要求,但 按《換熱器原理及計算》書中明確 規定其污垢熱阻0.000344 m2 .℃/W。 從這些數據看出污垢系數是常規產品污垢系數的 2 倍,甚至 3 倍, 這樣,就會讓人對以往那種對污 垢系數的考慮方法是否適用和得 當發生疑問。為此,仍拿上面的一種冷卻元件來做計算比較:     設定四,氣側污垢系數rk=0,水側污垢系數rl=0.000344m2.℃/W,其余條件與設定一一樣,代入計算:        與設定一比較,設定四的傳 熱系數是設定一傳熱系數的0.73 倍;設定五,氣側污垢系數rk=0,水側污垢系數rl=0.0004m2.℃/W,其余條件與設定一一樣,代入計算:        與設定一比較,設定五傳熱 系數是設定一傳熱系數 0.70 倍; 設定六,氣側污垢系數rk=0,水側污垢系數rl=0.0005m2.℃/W,其余條件與設定一一樣,代入計算:        與設定一比較,設定六傳熱 系數是設定一傳熱系數 0.65 倍;設定七,氣側污垢系數rk= 0.000344m2.℃/W,水側污垢系數 rl=0,其余條件與設定一樣,代入計算:        與設定一比較,設定七傳熱 系數是設定一傳熱系數 0.98 倍; 設定八,氣側污垢系數rk= 0.000344 m2 .℃/W,水側污垢系數 rl=0.000344,其余條件與設定一 樣,代入計算:        與設定一比較,設定八傳熱 系數是設定一傳熱系數 0.72 倍; 與設定四比較,設定八傳熱系數 是設定四傳熱系數 0.99 倍; 設定九,氣側污垢系數rk= 0.000344 m2 .℃/W,水側污垢系數 rl=0.0004,其余條件與設定一樣, 代入計算:        與設定一比較,設定九傳熱 系數是設定一傳熱系數 0.69 倍; 與設定五比較,設定九傳熱系數 是設定五傳熱系數 0.99 倍。 從上面幾種污垢熱阻組合計算比較,可以看出水側取不同污 垢熱阻時,對傳熱系數的影響是 不同的,并且都超過了原來的0.85的系數,當水側污垢系數rl= 0.000344m2.℃/W 時,系數變為 0.73;當水側污垢系數rl=0.0004 m2 .℃/W 時,系數變為0.70;當水側 污垢系數rl=0.0005m2.℃/W時,系數變為 0.65;總之水側的污垢熱 阻大大削弱了傳熱性能。套片式 換熱器氣側污垢系數改變時,傳 熱系數變化不大,也就是說氣側 污垢熱阻對傳熱系數影響仍然可以忽略不計。顯而易見,可知現 在設計計算中仍按原來取 0.85 系數計算方法是不適用的,而應該 在換熱器設計中根據具體不同的 污垢系數具體計算。因此,在換熱器設計中必須考慮由于污垢熱阻使傳熱削弱的補償措施,如加 大流速、總平均溫差或傳熱面積 等。這樣,在換熱器設計中,如 何考慮污垢的影響,往往成為換 熱器設計成敗的關鍵因素。    3 選用污垢系數    了解了污垢對傳熱的影響,在 產品設計中,到底取多大的污垢 熱阻是合理的?有人認為選取較 大的污垢熱阻比較可靠,其實這 往往會帶來更嚴重后果,因為在 傳熱量一定的條件下,勢必要加 大傳熱面積或總平均溫差,從而 增加換熱器成本。而傳熱面過大 會導致熱流體出口溫度過低、冷 流體出口溫度過高,這不僅影響 工藝要求,而且有時在運行中為 避免此結果常將介質流速降低、 致使壁面溫度上升,這樣反而促 使污垢更迅速地增長;同樣平均 溫差過大,就要求提高熱介質溫 度或降低冷卻介質溫度,導致介 質與壁面的溫差加大,結果也是 促使污垢增長,特別是沸騰蒸發 受熱面,溫差過大有可能出現膜態沸騰,不僅使傳熱大為削弱、 污垢迅速發展,甚至會使傳熱面 過熱毀壞。此外,多孔的沉積物 還會起到腐蝕劑的作用,在壁溫 高時會加速金屬的腐蝕;結垢物 質還會在金屬表面上形成氫或氧 的濃差電池導致“垢下腐蝕”。 恰當選用污垢系數涉及物理 和經濟兩個因素。物理上考慮的 因素有:流體和沉積物的性質。流 體溫度管壁溫度;管壁材料和光 潔度;物體流速以及清洗周期。經 濟上應考慮的因素有:換熱器生 產成本;費用隨尺寸而變動的情 況;必要的清洗周期;清洗費用, 包括生產損失在內;折舊費;稅 率;正常維修費用;輸送泵費用 及能耗;要求的投資回收期。最 佳的設計污垢熱阻應在技術經濟 比較中使初投資折舊費(隨污垢 熱阻增加而增加)與清洗和停運 費用(隨污垢熱阻增加而減少) 所構成的費用總額為最小。    由于缺少換熱器在實際使用 過程中的結垢情況數據,建議各 生產廠家切實做好產品售后服務跟蹤,特別是要通過多渠道,多方式收集結垢數據。這樣才能在今后的換熱器設計工作中設計出 更好、更有競爭力的換熱器產品。    參考文獻    [1] 換熱器原理及計算[M]. 北京:清華大學出版社 1985. 
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