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烟草烘烤房冷凝换热器的设计与评价

点击:846 日期:[ 2014-04-26 22:21:16 ]
                           烟草烘烤房冷凝换热器的设计与评价                                        简宇华                          (广东省机电设备招标公司,广东广州510060)     摘要:提出利用循环热空气对烟草烘烤房内的烟草进行烘烤,采用平均温差法选用了一个型号为BEM273-9 7-3/19Cu-2的1-2型管壳式冷凝换热器。对工艺进行了经济性分析,并基于生命周期方法,对工艺的环境效益进行了评价。所设计的冷凝换热器对改进烟草烘烤工艺有借鉴意义。     关键词:烟草烘烤;冷凝换热器;平均温差法;生命周期     中图分类号:TS44 文献标识码:B 文章编号:1004-7948(2006)03-0046-03     1.工程概况     某公司烟草烘烤房面积56m2,层高4m。烟草烘烤房维持45℃恒温,烟草含水率80%,每次计划烘烤烟草总量3500kg,要求烘烤50h后烟草中70%的水分析出。项目采用循环热空气实现对烟草的烘烤。通过引风机从室外引入新风,由加热器加热至45℃,送入烟草烘烤房。热空气烘烤烟草后与烟草中水分蒸发形成的水蒸气组成混合气体。为了节能,混合气体并不直接排入大气,而是在烘烤房出口位置的上部设计一个冷凝换热器。混合气体中部分水蒸气在换热器冷凝后,混合气体被加热器再次加热至烟草烘烤房温度,继续对烟草进行烘烤。这样可以回收余热,以期起到节能的效果。工艺流程如图1所示。                  2.冷凝换热器设计     2.1基本设计参数室外空气温度为25℃,相对湿度为0 5;烟草烘烤房温度维持为45℃;循环风量为20000m3/h,即23600kg/h;空气在冷凝换热器冷凝后温度降至30℃;冷凝换热器管侧为自来水,进口温度为25℃,流量为30000kg/h。     2.2循环空气处理过程分析     空气从室外引入经加热器加热、烘烤烟草、经过冷凝换热器冷凝及再次经加热器加热后重新烘烤烟草,空气在循环处理过程中的状态如图2所示。1-2过程表示从室外引入的空气在加热器中加热达到烟草烘烤房室内温度,为等湿加热过程;2-3表示空气烘烤烟草,吸收水蒸气,可近似看成为等温加湿过程;3-4-5为湿空气在换热冷凝器中冷却减湿过程,温度降至30℃(高于室温25℃);5-0表示空气循环利用,在冷凝换热器冷却后通过加热器再次加热至烟草烘烤房温度,重新对烟草烘烤,0-3-4-5-0为空气循环利用烘烤烟草过程。各计算点的状态参数见表1。                 2 3 冷凝换热器设计步骤     冷凝换热器的设计步骤包括初步选型、传热面计算、结构布置及校核计算等主要步骤。计算的流程[1]如图3所示,具体计算过程如下所述。    (1)选型     (a)根据风量、换热冷凝器进口风温、出口要求风温以及冷却水的进口温度,计算出换热量以及冷却水的出口水温。经计算,冷凝换热器的换热量为490840kJ/kg,出口水温为28 9℃。     (b)根据介质的工作温度、压力、性质、运行要求等因素选择换热器型式,并决定哪一种介质在管内流动,哪一种介质在壳侧流过。考虑到管壳式换热器生产成本低、处理量大、工作可靠及技术成熟的特点,本项目中选取1-2型管壳式换热器。冷却水在管内流动,空气在壳侧流过。                (2)传热面的初步估算     (a)计算平均温差。平均温差计算采用公式:           Δtm=Δtml·Ft(1)     其中Δtml为逆流时的对数平均温差,Ft为温差修正系数。对1-2型管壳式换热器,Ft采用计算公式:               其中E为温度效率,R为热容流量比。     经计算,逆流的对数平均温差为9 5℃,温差修正系数为0 95,计算平均温差为8 6℃。     (b)估计管壳式换热器传热系数的大致范围。设计中,选择换热系数为1800W/(m2·℃)。     (c)初步估计所需传热面积的大小。计算公式如式(3),计算结果为8 8m2。                 (3)结构布置     结构布置主要包括:管内介质流速的选取及所用管径;每管程并联的管子数、管束的长度及管程数;隔板的形状与位置;管子的排列方式及管间距;壳体内径、壳侧流体的平均流速以及确定折流板的型式等。为了避免非标设计和增加加工费用,结构布置时尽可能向系列产品靠拢,最好能选用系列产品。结构布置的具体方法在文献[1]中有详细介绍。经计算,本文选用系列产品[2]。具体参数为:换热管为19mm铜管,管程数为2,管子根数共为56,管长3000mm,换热面积9 7m2,壳体内径为600mm,折流板为25%圆缺形折流板,间距为300mm。     (4)校核计算     校核计算即对初步的结构布置或选用的标准产品,核算能否达到要求的传热量和流体的出口温度。经计算,实际传热量和所需传热量的误差为0 95%,误差满足要求,表明(3)中换热器的结构布置合理。因此,选用换热器BEM273-9 7-3/19Cu-2。     3.经济性与环境效益评价     下面对采用热风烘烤烟草的两种方式的经济性和环境效益进行评价。一种方式是不使用冷凝换热器,空气烘烤烟草后直接排入大气,如图2中过程1-2-3-排入大气;一种方式是本文所采用设计冷凝换热器,空气循环使用烘烤烟草,如图2中1-2-0-3-4-5-0的循环处理过程。     3 1经济性评价     标记空气烘烤烟草后直接排入大气为方式Ⅰ;     空气循环利用为方式Ⅱ。两种方式进行比较可看出,方式Ⅰ每小时需从加热器获得热量1 005×(45-25)×23600=474360kJ/h;方式Ⅱ每小时需要从加热器获得热量1 005×(45-30)×23600=355770kJ/h。因此方式Ⅱ的节能效果为118590kJ/h。假设该公司年烘烤时数为7200h,则方式Ⅱ年节约用电237180kWh。按市场价0 7元/kWh计算,年节约166026元,经济效益显著。     3.2环境效益评价     生命周期方法是一种针对产品或生产工艺对环境影响进行评价的过程,它通过对能量和物质消耗以及由此造成的废弃物排放进行辨识和量化,来评估能量和物质利用对环境的影响,以寻求对产品或工艺改善的途径。这种评价贯穿于产品生产、工艺活动的整个生命周期,包括原材料的开采和加工、产品制造、运输、销售、产品使用与再利用、维护、再循环及最终处置[3,4]。     利用生命周期方法对两种方式进行评价。标准煤发热量为29 31MJ/kg,取电厂煤的发电效率为36%,则方式Ⅱ一年相当于节约标准煤81t。文献[4]对煤的生命周期进行了分析,计算表明1t标准煤用于发电的整个生命周期中将排放SO218 133kg、NOx33 241kg、CO21 896t。因此,方式Ⅱ与方式Ⅰ相比,年减排SO21 469t、NOx2 693t、CO2153 597t,减排效果明显。     4.结语     采用平均温差法成功地为烟草烘烤房设计了一个1-2型管壳式换热器,回收余热,年节约用电237180kWh;减排效果明显,年减排SO21 469t、NOx2 693t、CO2153 597t,对其它公司烟草烘烤的工艺设计和换热器设计有很好的借鉴意义。     参考文献     [1]邱树林,钱滨江.换热器原理·结构·设计[M].上海:上海交通大学出版社,1990.     [2]钱颂文.换热器设计手册[M].北京:化学工程出版社,2001.     [3]邹治平,马晓茜.风力发电的生命周期分析[J].中国电力,2003,36(9):83-87.     [4]马晓茜,李飞,李敏,等.电视机生产及其塑料废弃物能源化利用的LCA分析[J].中国塑料,2003,17(7):72-77.     作者简介:简宇华(1967-),男,湖北荆门人,工学硕士,工程师,现从事咨询服务工作。     
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