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不銹鋼熱交換器的設計考慮 

發布時間:2021-09-13


不銹鋼熱交換器與一般熱交換器有很多不同點,設計時除了共同性問題外,還需要考慮不銹鋼熱交換器的特點

    (1)兩側流道的分配  如前所述,與一般換熱器不同,不銹鋼換熱器的兩側流道均屬管外流動,由中心隔板隔開。但隔板應隔在什么位置是設計中應當考慮的問題。對兩種流體體積流量相當、又元腐蝕性的情況,可考慮隔在中間位置,以求兩側壓力損失相近,但對含有腐蝕性氣體的換熱器,如鍋爐的空氣預熱器,由于煙氣在壁溫低于露點時的結露,常使管壁被腐蝕損壞,如果采用不銹鋼換熱器,則可以在設計時利用調整兩側流道的分配的辦法來人為地控制耐高溫不銹鋼管溫度,使之高于當地條件下的露點,從而避免了結露腐蝕的問題。因為,從耐高溫不銹鋼管工作原理可知,不銹鋼管的工作溫度取決于冷熱兩端的外部換熱情況,或者說耐高溫不銹鋼管工作溫度是整個傳熱過程達到熱平筏的結果。例如,如果熱端條件一定,冷端的冷卻量減少,耐高溫不銹鋼管的溫度就會提高。在冷流體流量一定的情況下,可以通過降低冷凝段的熱交換面積和降低冷流體流速的方法來達到這個目的。相反,采取相反措施會降低耐高溫不銹鋼管的溫度。因此,在設計不銹鋼熱交換器時,必須根據冷熱流體的狀況和使用的耐高溫不銹鋼管的性能進行具體的計算,確定流道的分配,即隔板的位置。當然,不僅要考慮耐高溫不銹鋼管的溫度,還要考慮兩種流體的流量大小,接近兩側的壓力。

(2)壓力損失和熱回收率、對氣換熱器,通常希望通過換熱器的氣流壓力損失限制在合理的水平,節約鼓風機的能源消耗。因此,換熱器內的氣流速度必須設計在2~4米/秒的范圍內。另外,換熱器的深度不能太大。也就是說,耐高溫不銹鋼管的排放量不能太多,限制壓力損失。一般在4-6排之間,很少超過8排.而根據上述風速范圍,應當有一個翅片間距,一般以2-6毫米為宜。耐高溫不銹鋼管的排列方法可以是順排或叉搭,根據實際應用情況決定.此外,為了提高換熱效率,通常采用逆流的方式。典型的不銹鋼換熱器外形見圖6.1。

    可以引入一個叫做熱回收率的概念來表示不銹鋼換熱器的性能.熱回收率被定義為能量回收的百分數,實際上相當于換熱器的效率。熱回收率與下列因素有關:耐高溫不銹鋼管的翅片間距、不銹鋼管排數、氣體的流速和密度以及兩種流體的質量流比率。美國生產不銹鋼熱交換器的Q-Dot公司提供了不銹鋼熱交換器的熱回收率曲線。該熱交換器為6排管,翅片間隔為1.8毫米。圖6.2描繪了熱回收率。與標準空氣流速的關系。Rx=QR/QW,QR是回收的熱量,Qw是排氣馀熱。曲線是根據質量流動比例m描繪的,m表示兩種流體質量流動比例??諝饬魉俚脑黾硬焕跓峄厥?,可能是因為流速高時氣體在熱交換器內停留時間短,能夠進行充分的熱交換。m值的增大可以提高熱回收率。但是,m值大的情況下,為了降低高品質流氣流側的流速和壓力,必須將流道分為不同的截面。

文獻提出了另一種分析不銹鋼熱交換器效率的方法。對于逆流式熱交換器,如果知道傳熱量、兩流體的進口溫度和質量流量,可以根據文獻提出的效率-傳熱單元數法(NTU法)分析熱交換器的性能。

熱回收率和效率都是基于只傳遞熱量的假設,完全無視氣流中濕氣凝結的影響。以前提到過防止腐蝕性氣體凝結的問題,但對于非腐蝕性氣體,有時允許在一定程度上凝結以提高換熱效率。因此,在凝結的情況下,一部分熱量以潛在熱量的形式被冷氣流帶走,總傳熱量大幅度增加的情況下,如果按公式計算換熱器的效率的話,會引起明顯的誤差。表6.1列出了熱回收換熱器在不同濕度的幾種情況下運轉時的性能數據。該換熱器的尺寸為迎風面積為1.37×3.66米2,6排管深,翅片間隔為2.1毫米。兩側流道均勻分離。每側流量為382標準米3/分,排氣進口溫度為54.4℃,進口溫度為23.9℃。從表面可以看出,排氣凝結量增加時,總傳熱量增加,進口溫度增加。隨著濕度的增加,顯熱下降:排氣溫度下降。飽和濕度下,排氣溫度幾乎沒有下降。

(3)償還期間不銹鋼熱交換器用于工業馀熱回收可大幅節約能源,也可控制環境污染,經濟上也很有價值。不銹鋼熱交換器的投資往往在幾年內可以回收。根據Q-Dot公司在1975年生產成本的基礎上進行的報價,在工業應用中,不銹鋼熱交換器的報銷期為1-3年,而在空調和暖氣應用中,報銷期可能會變長,甚至超過5年。其原因是工業應用中一般工作溫度高,溫差大,而且全年運行,償還期短的空調暖氣應用一般工作溫度低,溫差小,回收能量少,償還期長

另外,在分析不銹鋼熱交換器的經濟性時,必須考慮使用場所配管配置改造的追加費用、熱交換器和鼓風機的設置費等實際應用帶來的問題。但與熱交換器回收能源提供的巨額收益相比,這些附加費用只不過是小數值。

    不銹鋼換熱器在美國已生產多年,根據Q-Dot公司1976年發表的數據,單位體積流量的成本(不龜括安裝費用)大約為表6.2所列出的數值.

    不銹鋼換熱器的成本取決于材料的種類、工作溫度、換熱器的尺寸等。圖.6.3給出了鋁不銹鋼熱交換器的還款期與熱交換器尺寸的關系。這些曲線是基于以下假設描繪的

(a)燃油價格為4美元/106大卡,(b)設備每天運行24小時

(c)每年工作250天,

(d)不包括安裝和風費,

(e)鋁翅片耐高溫不銹鋼管,翅片間隔1.8毫米,5排管深。從圖中可看出,當排氣溫度達到149℃時,不管換熱器尺寸如何,償還期都小于一年,可見排氣溫度對償還期的影響是很明顯的.

(4)耐高溫不銹鋼管的選擇和結構設計,對耐高溫不銹鋼管本身的設計,如工質和材料的選擇、最大傳熱量的計算、管芯結構的設計等已經詳細說明,在此不再重復,在一定的應用場合,根據熱交換器的工作條件,如工作溫度范圍、氣流參數等不銹鋼熱交換器在工業過程和空調兩方面應用的主要區別在于耐高溫不銹鋼管的工作溫度范圍不同。工業過程中馀熱溫度高,一般在200-400℃之間,甚至更高。的雙曲馀弦值。有些。該溫度范圍采用中溫耐高溫不銹鋼管,但至今仍需尋找更合適的工質。400℃以上采用液態金屬高溫耐高溫不銹鋼管,管殼也采用不銹鋼等耐熱金屬,成本高。用于空調的不銹鋼熱交換器的工作溫度一般在200℃以下,可以選擇低溫耐高溫的不銹鋼管。工質以水為理想,但難以相容的廉價材料,使用鋼材難以大量普及。一些研究人員建議使用氟化碳作為工作質量:在這個溫度范圍內與鋁的相容性很好。已美國休斯公司進行了一批樣品耐高溫不銹鋼管的壽命試驗,效果良好,經過13000小時以上的試驗,耐高溫不銹鋼管的溫度分布還沒有明顯變化。


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