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不锈钢热交换器的设计考虑 

发布时间:2021-09-13


不锈钢热交换器与一般热交换器有很多不同点,设计时除了共同性问题外,还需要考虑不锈钢热交换器的特点

    (1)两侧流道的分配  如前所述,与一般换热器不同,不锈钢换热器的两侧流道均属管外流动,由中心隔板隔开。但隔板应隔在什么位置是设计中应当考虑的问题。对两种流体体积流量相当、又元腐蚀性的情况,可考虑隔在中间位置,以求两侧压力损失相近,但对含有腐蚀性气体的换热器,如锅炉的空气预热器,由于烟气在壁温低于露点时的结露,常使管壁被腐蚀损坏,如果采用不锈钢换热器,则可以在设计时利用调整两侧流道的分配的办法来人为地控制耐高温不锈钢管温度,使之高于当地条件下的露点,从而避免了结露腐蚀的问题。因为,从耐高温不锈钢管工作原理可知,不锈钢管的工作温度取决于冷热两端的外部换热情况,或者说耐高温不锈钢管工作温度是整个传热过程达到热平筏的结果。例如,如果热端条件一定,冷端的冷却量减少,耐高温不锈钢管的温度就会提高。在冷流体流量一定的情况下,可以通过降低冷凝段的热交换面积和降低冷流体流速的方法来达到这个目的。相反,采取相反措施会降低耐高温不锈钢管的温度。因此,在设计不锈钢热交换器时,必须根据冷热流体的状况和使用的耐高温不锈钢管的性能进行具体的计算,确定流道的分配,即隔板的位置。当然,不仅要考虑耐高温不锈钢管的温度,还要考虑两种流体的流量大小,接近两侧的压力。

(2)压力损失和热回收率、对气换热器,通常希翼通过换热器的气流压力损失限制在合理的水平,节约鼓风机的能源消耗。因此,换热器内的气流速度必须设计在2~4米/秒的范围内。另外,换热器的深度不能太大。也就是说,耐高温不锈钢管的排放量不能太多,限制压力损失。一般在4-6排之间,很少超过8排.而根据上述风速范围,应当有一个翅片间距,一般以2-6毫米为宜。耐高温不锈钢管的排列方法可以是顺排或叉搭,根据实际应用情况决定.此外,为了提高换热效率,通常采用逆流的方式。典型的不锈钢换热器外形见图6.1。

    可以引入一个叫做热回收率的概念来表示不锈钢换热器的性能.热回收率被定义为能量回收的百分数,实际上相当于换热器的效率。热回收率与下列因素有关:耐高温不锈钢管的翅片间距、不锈钢管排数、气体的流速和密度以及两种流体的质量流比率。美国生产不锈钢热交换器的Q-Dot企业提供了不锈钢热交换器的热回收率曲线。该热交换器为6排管,翅片间隔为1.8毫米。图6.2描绘了热回收率。与标准空气流速的关系。Rx=QR/QW,QR是回收的热量,Qw是排气馀热。曲线是根据质量流动比例m描绘的,m表示两种流体质量流动比例。空气流速的增加不利于热回收,可能是因为流速高时气体在热交换器内停留时间短,能够进行充分的热交换。m值的增大可以提高热回收率。但是,m值大的情况下,为了降低高品质流气流侧的流速和压力,必须将流道分为不同的截面。

文献提出了另一种分析不锈钢热交换器效率的方法。对于逆流式热交换器,如果知道传热量、两流体的进口温度和质量流量,可以根据文献提出的效率-传热单元数法(NTU法)分析热交换器的性能。

热回收率和效率都是基于只传递热量的假设,完全无视气流中湿气凝结的影响。以前提到过防止腐蚀性气体凝结的问题,但对于非腐蚀性气体,有时允许在一定程度上凝结以提高换热效率。因此,在凝结的情况下,一部分热量以潜在热量的形式被冷气流带走,总传热量大幅度增加的情况下,如果按公式计算换热器的效率的话,会引起明显的误差。表6.1列出了热回收换热器在不同湿度的几种情况下运转时的性能数据。该换热器的尺寸为迎风面积为1.37×3.66米2,6排管深,翅片间隔为2.1毫米。两侧流道均匀分离。每侧流量为382标准米3/分,排气进口温度为54.4℃,进口温度为23.9℃。从表面可以看出,排气凝结量增加时,总传热量增加,进口温度增加。随着湿度的增加,显热下降:排气温度下降。饱和湿度下,排气温度几乎没有下降。

(3)偿还期间不锈钢热交换器用于工业馀热回收可大幅节约能源,也可控制环境污染,经济上也很有价值。不锈钢热交换器的投资往往在几年内可以回收。根据Q-Dot企业在1975年生产成本的基础上进行的报价,在工业应用中,不锈钢热交换器的报销期为1-3年,而在空调和暖气应用中,报销期可能会变长,甚至超过5年。其原因是工业应用中一般工作温度高,温差大,而且全年运行,偿还期短的空调暖气应用一般工作温度低,温差小,回收能量少,偿还期长

另外,在分析不锈钢热交换器的经济性时,必须考虑使用场所配管配置改造的追加费用、热交换器和鼓风机的设置费等实际应用带来的问题。但与热交换器回收能源提供的巨额收益相比,这些附加费用只不过是小数值。

    不锈钢换热器在美国已生产多年,根据Q-Dot企业1976年发表的数据,单位体积流量的成本(不龟括安装费用)大约为表6.2所列出的数值.

    不锈钢换热器的成本取决于材料的种类、工作温度、换热器的尺寸等。图.6.3给出了铝不锈钢热交换器的还款期与热交换器尺寸的关系。这些曲线是基于以下假设描绘的

(a)燃油价格为4美金/106大卡,(b)设备每天运行24小时

(c)每年工作250天,

(d)不包括安装和风费,

(e)铝翅片耐高温不锈钢管,翅片间隔1.8毫米,5排管深。从图中可看出,当排气温度达到149℃时,不管换热器尺寸如何,偿还期都小于一年,可见排气温度对偿还期的影响是很明显的.

(4)耐高温不锈钢管的选择和结构设计,对耐高温不锈钢管本身的设计,如工质和材料的选择、最大传热量的计算、管芯结构的设计等已经详细说明,在此不再重复,在一定的应用场合,根据热交换器的工作条件,如工作温度范围、气流参数等不锈钢热交换器在工业过程和空调两方面应用的主要区别在于耐高温不锈钢管的工作温度范围不同。工业过程中馀热温度高,一般在200-400℃之间,甚至更高。的双曲馀弦值。有些。该温度范围采用中温耐高温不锈钢管,但至今仍需寻找更合适的工质。400℃以上采用液态金属高温耐高温不锈钢管,管壳也采用不锈钢等耐热金属,成本高。用于空调的不锈钢热交换器的工作温度一般在200℃以下,可以选择低温耐高温的不锈钢管。工质以水为理想,但难以相容的低价材料,使用钢材难以大量普及。一些研究人员建议使用氟化碳作为工作质量:在这个温度范围内与铝的相容性很好。已美国休斯企业进行了一批样品耐高温不锈钢管的寿命试验,效果良好,经过13000小时以上的试验,耐高温不锈钢管的温度分布还没有明显变化。


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