淺論熱交換器設(shè)計(jì)裕值與增設(shè)旁路

朱健(威海石島重工有限公司 山東 264309)

科學(xué)合理的控制裕值是從對(duì)生產(chǎn)過程的時(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)觀察和操控體系的工藝設(shè)計(jì)綜合而來的，這在一定程度上解決了部分控制力不夠，穩(wěn)定度不足的情況。本文將用實(shí)證分析法、定量分析法，綜合設(shè)計(jì)裕值的研究求解旁路設(shè)計(jì)時(shí)操作裕值、控制裕值和結(jié)垢裕值的大小，列舉和計(jì)算實(shí)例，探究旁路設(shè)計(jì)對(duì)熱交換器性能的提升上所起的作用。

一、設(shè)計(jì)裕值與旁路設(shè)計(jì)分析

1.設(shè)計(jì)裕值分析

在實(shí)際運(yùn)行中，會(huì)遇到換熱網(wǎng)絡(luò)的柔性和彈性變化和管壁積垢導(dǎo)致的熱阻變化等情況，因此，要在熱交換器設(shè)計(jì)中預(yù)留換熱面積的裕值。設(shè)計(jì)值與使用初期正常運(yùn)轉(zhuǎn)的計(jì)算量之間的差就是設(shè)計(jì)裕值，包括操作裕值、控制裕值和結(jié)垢裕值。

操作裕值是為適應(yīng)操控需求的極限變化而預(yù)留的裕值。通常受換熱網(wǎng)絡(luò)的柔性與彈性影響。

結(jié)垢裕值是指管壁結(jié)垢，帶來換熱效果降低而預(yù)留的裕值。結(jié)垢裕值與運(yùn)行 周期成正比。

控制裕值是達(dá)到最優(yōu)控制力而預(yù)留的裕值?？刂圃Ｖ凳芟薅ㄖ岛透鞣N干擾因素的影響 。

2.增加旁路設(shè)計(jì)探究

操控?zé)峤粨Q器，可以不用顧慮其控制力和所稱承受的流量就可以控制熱交換器。熱交換器在實(shí)際操作中存在很多的變量，比如冷、熱流的人口溫度 、流量、結(jié)垢熱阻等，如果不對(duì)熱交換器換熱進(jìn)行限制，冷、熱流的出口溫度就可能達(dá)不到設(shè)備運(yùn)行條件；但僅僅依靠流量，會(huì)帶來載熱體流量的異常波動(dòng)，導(dǎo)致熱交換器的異常；除此之外，對(duì)物流出口溫度的限制，會(huì)降低熱交換器的控制力。所以，增加旁路設(shè)計(jì)，通過旁路開度的變化調(diào)控物流的流量，以更好地控制熱交換器。旁路開度隨操作條件變化而變化，保持流量穩(wěn)定，物流的出口符合操控需求。所示，通過對(duì)比分析，得出旁路設(shè)計(jì)既能夠達(dá)到增加控制熱交換器的自由度，又可以增強(qiáng)熱交換器的操控性能和穩(wěn)定性。

二、熱交換器旁路設(shè)計(jì)裕值分析

操作裕值、結(jié)垢裕值和控制裕值的和等于設(shè)計(jì)裕值，在增設(shè)旁路的時(shí)候要通過確定操作、結(jié)垢、控制裕值的大小來確定設(shè)計(jì)裕值。推演方式有：第一，極限法推演，就是以破壞系統(tǒng)的最高限值為參照，得出所能承受的在最高破壞值；第二，統(tǒng)計(jì)指導(dǎo)論據(jù)的統(tǒng)計(jì)演算方式；第三，靈敏度推演，優(yōu)化方案已得出結(jié)論。本文選擇最簡單可行的極限法推演。

操作裕值是指操作條件發(fā)生最大變化時(shí)，為確保冷、熱流出口溫度的穩(wěn)定性符合操作需求而預(yù)留的裕值，也就是操作裕值可使用熱交換器穩(wěn)定性數(shù)學(xué)模型推算(￡一∞)，限定熱交換器冷、熱流的入口溫度和／或流動(dòng)速率的最大變化值為△S，而冷、熱流的輸出溫度誤差限值是△T，以熱交換器動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型為參照，假定在熱交換器的冷側(cè)增加旁路設(shè)計(jì)，以熱流人口流量 m2為變量，其它不變，數(shù)學(xué)模式如式(1)一式(7)。

使用初期正常操作的換熱面積計(jì)算量為式(1)，局部冷流與熱流熱交換后，同經(jīng)旁路沒有經(jīng)過換熱的冷流相遇，相混的溫度為Tlout；式(3)為換熱器的總傳熱導(dǎo)數(shù)；設(shè)定熱流流量最大變化量為ΔS，式(4)可以算出相應(yīng)的換熱面積值，這個(gè)時(shí)候旁路開度k的大小為旁路PID控制的仿真結(jié)果穩(wěn)定值。同樣的道理，其它操作條件也會(huì)改變，以冷流人口溫度為例，將式(4)中的入口溫度調(diào)整為Tl±A T 1，采用極限法推算出總換熱面積值；式(7)表示操作裕值是換熱面積與使用初期正常操作的換熱面積的差，所占使用初期設(shè)備正常操作換熱面積的比例。

熱交換器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間越長，其結(jié)垢熱阻越大，限制同一維修周期結(jié)垢熱阻最大值為R0max和Rimax，這個(gè)時(shí)候設(shè)計(jì)換熱面積如式(8)。

當(dāng)結(jié)垢熱阻增加時(shí)，傳熱導(dǎo)數(shù)反而會(huì)降低，用式(8)計(jì)算出滿足操作需求的相關(guān)換熱面積A，用式(9)算出結(jié)垢裕值。同樣的道理，在知道操作裕值和結(jié)垢裕值的相關(guān)熱交換器面積時(shí)，可用式(4)和式(8)演算出對(duì)應(yīng)的旁路開度值。

利用上面幾個(gè)步驟得出的熱交換器設(shè)計(jì)裕值，是操作裕值、控制裕值、結(jié)垢裕值之和

結(jié)語

旁路設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)計(jì)裕值的科學(xué)計(jì)算可以幫助換熱網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化功能,達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

符號(hào)說明

Aa換熱面積,＜n2;k旁路開度；

K 傳熱系數(shù),W‘（m2-K)-1;

Cp比熱容,kj/(fcg-K);m 質(zhì)量流量,kg/s M 質(zhì)量，kg;

T 溫度，K;

R結(jié)垢熱阻,Hi2·K/W；d換熱管直徑,m;

A導(dǎo)熱系數(shù) M 粘度,Pa-s;

Sc兩折流板之間,靠近殼中心線處的管間流通面積,in2；

S4折流板缺口的管間流通面積,In2;

Si管程流通面積,in2;

S。 操作裕值；

Sr結(jié)垢裕值；

Sc控制裕值；

S設(shè)計(jì)裕值；

*管長，m;

t 時(shí)間，S。

上角標(biāo)

'操作條件變化；

"熱阻變化。

下角標(biāo)

1冷流；

2熱流；

0管外；

1管內(nèi)；

out混合后輸出；

WO管壁外側(cè)；

Wi管壁內(nèi)側(cè)。

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