列管换热器经济性理论分析.pdf

比京石油化工学院学报
第19卷第3期
Vol 19 No 3
:jing Institute o
201年9月
Sep.2011
Petro-chemical Technology
列管换热器经济性理论分析
李爱琴
(1.北京石油化工学院,北京102617;2.北京理大学,北京100681)
摘
要列管换热器是干燥热风炉常用的换热器型式,为了探究降低髙温大容量热风炉用
换热器投资成本的途径,使用平均对数温差法(LMTD法)计算列管换热器在空气升高不间温度时的换
热面积,绘制了空气升高温度差△1=2-t1与平均换热面积F/(t2-れ1)的换热曲线。经分析得到列管
换热器的经济温度区域,这种经济性分析法可以应用于高温大容量热风炉两级换热器的设计和选型。
关键词干燥;热风炉;列管换热器;经济性分析
中图法分类号TK175
千燥是去除物料中的水分和其他挥发分的率)或冷热流体的进出∏温差与流量,希望求出
操作。随着科学技术和工农业的发展,需要于需要的换热面积,这时采用平均对数温差法
燥的物料日益增多,从食品、陶瓷、医药、矿产、(LMTD法)比较方便。LMTD法基本计算步
纸张、木材加工甚至是乐器的加工都要用到干骤是对冷、热流体传热过程的微分方程积分,推
燥工艺。热风炉是气流、喷雾、流化、塔式等干导出换热器总换热率的表达式:
燥方式的辅助设备。间接加热热风炉由燃烧室
和换热器两部分组成,换热器是热风炉热交换
g=KF△tnx-△tnam
ln△
系统的核心,具备有别于余热利用换热器的热
工特性。热风炉常用的换热器型式有列管换
△tmx△
热器2、喷流换热器、筒式辐射换热器等。对于
高温大容量热风炉,如使用单级换热器体积往称△m为对数平均温差( LMTD)(C),其物理
往过大或者根本不能满足生产要求,受到安装
概念是换热器温差最大一端的温差值减去另
运输以及干燥介质加热温度的限制。高温大容端的最小温差值再除以该两个温差比的自然对
量热风炉一般多采用复合换热器,实行两级换数,9为换热器的换热率(J/s),K为换热器的
热,使用两级换热器的热风炉如图1所示。
总传热系数(W/m2?C),F为换热器的换热
面利积(m2)。
燃烧烟气
が体,空てし換热器
二级换热器
对换热器的设计要求是在最小投资情況下
气
引出用于干燥物料
获得最大的强化传热效果,即在能够获得较高
图1使用两级换热器的热风炉
的传热系数的前提下尽量减小换热器的换热面
积,降低换热器的流动阻力,达到最佳的换热效
热风炉用换热器设计、研究现状果。目前換热的研究多从换热函数关系式
(1)着手,在给定工况下,换热率q和对数平均
在进行干燥系统热源换热器或热风炉的设温差△。已经确定,只有提高传热系数K,才
计与选配时,通常已知所要求的热负荷(即换热能减少换热面积F,从而降低换热器的制造成
本。对于使用单级换热器的热风炉来说,少
热能专业工程应用型人才培养教学模式研究与实践基金换热面积的主要途径是通过提高气体流速及
资助项目,项目号:1101028201
流度来强化空气侧和烟气侧的对流换热,以增
北京石油化工学院学报
2010年第19卷
大传热系数,传热系数愈大,换热器交换相同热
量所需的换热面积(体积)愈小,投资愈低。但
t=100℃
是提高传热系数的措施往往会导致空气和烟气
81.6
流路阻力损失的増加。从而要求热风炉具有较
大的鼓风及排烟能力,使设备投资及动力消耗
增加。对于使用两级换热的热风炉来说,设计
人员一般按经验分配一级和二级换热器的换热
I60200240280320360
量,这种热量分配方式欠缺评价标准,可能造成
℃
换热器设备投资的增加及浪费。
图3列管换热器换热曲线图
2列管换热器经济性分析
由图3可以看出,空气入口温度为0C时,
空气上升温差△t≥300℃后所需的平均换热面
以列管换热器为例讨论高温大容量热风炉积开始急剧增长,很快到达无穷大。即列管换
用换热器的换热特性,找到采用两级换热的热热器在△t≤300℃时经济性较好。换热器在此
风炉合理分配换热量的有效方法。在热风炉中温度区域内工作时,空气每升高1℃所需的换
的列管换热器常采用烟气为管程,被加热空
热面积及总换热面积较少。超出此温度区域工
为売程,即空气在烟气管外绕流进行换热的方作时所需的换热面积飞速增加,造成了换热器
式。目前常用的列管换热器大多采用多排钢制使用材料及投资的大幅增加,所以在设计和选
光滑管作为换热管,壳程的对流换热系数按空用换热器时,应尽量使其工作在经济温度区域
气绕流多排圆管東的对流换热系数计算。列管之内。如果高温大容量热风炉采用一级换热
换热器的结构参数如图2所示,采用∮48×3.5换热器已经工作在经济温度区域以外应考虑采
的无缝光滑钢管400根,在空气流方向上为棋用两级換热。换热入口空气温度为100℃时,
盘式布置,且在平面上排成矩形。采用20×20列管换热器的经济温度区域为280C。随入日
的排列方式,列管换热器总体上是叉流逆流式。空气温度的升高,经济温度区域减小。在入口
在人换热器的空气量Vk=26000mn/h,烟气空气温度不同的情况下,即使被加热空气温度
量Vv=10000m3/h和烟气温度分別为1100,差值相同,平均換热面积亦不同,随着空气起始
100℃条件下,将空气从0℃加热到200C,温度的升高,平均换热面积増大。在入口空
使用LMTD法对列管换热器进行传热计温度相同的情况下,升高到不同的温度,平均换
算,换热器管壁温度都超过600℃。考虑到热面积不同,随空气升高温度差值的增大,平均
换热器的寿命,取换热器人口烟气温度900℃,换热面积逐渐増大,超过经济温度区域后,所需
由于其人口烟气温度受限制,列管换热器仅适平均换热面积急剧增大,很快达到无穷大。
用于作为单致换热的低温热风炉或者采用两数
理想逆流换热器的温度效率极限为
换热的高温热风炉的二级换热部分。实践中空41%-,当换热器入口空气温度为0℃时,列管
气人口温度较低,取初始温度4=0,100C的换热器的经济温度区域为300C,此时换热器
空气进人列管换热器,当空气温度升高到:的温度效率为33%,为理想逆流换热器温度效
时,计算温差△I=42-t1与空气平均每升高1率极限的80%。即列管换热器实际温度效率
C所需的换热面积(平均换热面积)F/(t2ー小于理想逆流换热器温度效率的80%时,能保
t:),其关系曲线如图3所示
证其工作在经济温度区城内,在实际设计中可
以用下式来近似确定列管换热器的经济温度
7温×80%
(2)
式中△1一经济温度区域,C
7a一一理想换热器的温度效率
人换热器的烟气温度
图2列管换热器管组布置图
当列管换热器用于单级换热的低温热风炉