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换热器设计中污垢热阻对设计的影响

点击:1218 日期:[ 2014-04-26 22:54:59 ]
                               换热器设计中污垢热阻对设计的影响                                        张平 张蔚兰                     (湖北登峰换热器有限公司 湖北 大冶 435100)    【摘要】通过设定污垢系数的方法论证了污垢系数对换热器设计的影 响。要求用户在提出污垢系数时应当合理。合理的污垢系数对换热器的 优化设计、降低成本有重大决定作用。    【关键词】 换热器 污垢热阻 污垢系数 换热系数    在当前换热器市场日益激烈 的竞争中,一个问题日益突出,应 当引起足够的重视,那就是污垢 系数问题。污垢系数,即换热器使 用过程中污垢对换热产生的影响 程度。由于换热器传热面本身导 热系数很大,其热阻通常可忽略。 但如果壁面上结有污垢,则对传 热性能和压降影响很大,其热阻 有时可达到起控制作用的数量级。 据报道,一台结垢严重的冷凝器, 其有效的传热面积仅为清洁状态 的1/2。因此,在换热器设计中必须 考虑污垢热阻对传热性能的影响。    1 传热系数的计算    在实际工作中,对于污垢系数 的选用,有三套标准:一种标准为 用户在设计换热器时就明确提出 的标准数值,参考国家标准,针对 工业用水、循环冷却水和洁净自 来水分别提出污垢系数要求;第二 种为项目技术人员提出的标准,由于担心换热器运行时传热性能 达不到要求,故将污垢热阻提得 很大;第三种为换热器设计单位提 出的参考值,在以往换热器设计 中,用户一般习惯不提污垢热阻 的要求,在换热器设计计算过程 中不考虑污垢热阻的影响,只在 最后取传热系数时取 0.85 的系数 (即取计算值的 85%)作为考虑污 垢热阻后的最终传热系数。 对于实际选用的污垢系数标 准是否合理,下面以常用的一种 冷却元件做一个计算比较,以便 共同探讨:    设定一,气侧换热系数hk=65.5 W/(m2.℃),水侧换热系数hl=7353 W/(m2.℃),肋化系数ψ=19.7,换热 管壁厚δ=0.001m,换热管导热系 数λ=39 W/(m2 .℃),气侧污垢系数 rk=0,水侧污垢系数rl=0,计算换热 器传热系数 K,代入各数值计算:         设定二,气侧污垢系数rk=0,水 侧污垢系数rl=0.000172m2.℃/W(洁净 自来水时所取的污垢系数),其余条件与设定一样,代入计算:         设定三,气侧污垢系数rk= 0.000172 m2 .℃/W(常压空气),水 侧污垢系数rl=0.000172 m2 .℃/W(洁 净自来水时所取的污垢系数),其 余条件与设定一样,代入计算:        比较设定一和设定二,不难得出水侧取污垢热阻后的传热系数 是没有考虑污垢热阻时的传热系 数的 0.85 倍,比较设定一和设定 三,可知气侧和水侧都取常规污 垢热阻时的传热系数是没有考虑 污垢热阻时的传热系数的 0 . 8 4 倍,这说明原来习惯上取的 0.85 的系数是合适的,同时还说明我 们管片式热热器计算中气侧的污 垢热阻比水侧的污垢热阻对传热 系数的影响小,气侧污垢热阻对 总体传热系数的影响可以忽略不 计,也就是说管外污垢热阻比管 内污垢热阻的影响小。这就说明 在过去我们常规设计中,取 0.85 倍的传热系数是得当的和可行的, 也是考虑污垢热阻时最简便的一 种经验方法了。    2 污垢对传热的影响    近几年随着我国换热器行业 产品的快速发展,换热器产品使 用条件和换热器产品客户发生了 根本的改变,用户对换热器产品 设计提出了更高、更严、更具体的 要求,如产品压力、面积、体积和 工艺介质方面都与以往大不相同。 最明显的一点,用户在水的污垢 热阻都提出了更明确的要求,明 确提出水的污垢热阻是 0.000344 m2.℃/W(是原来洁净自来水的2倍, 这一般是用户的最低要求)、0.0004 m2 .℃/W,有的甚至提到了0.0005 m2 .℃/W。气侧一般是压缩空气, 用户一般没有明确提出要求,但 按《换热器原理及计算》书中明确 规定其污垢热阻0.000344 m2 .℃/W。 从这些数据看出污垢系数是常规产品污垢系数的 2 倍,甚至 3 倍, 这样,就会让人对以往那种对污 垢系数的考虑方法是否适用和得 当发生疑问。为此,仍拿上面的一种冷却元件来做计算比较:     设定四,气侧污垢系数rk=0,水侧污垢系数rl=0.000344m2.℃/W,其余条件与设定一一样,代入计算:        与设定一比较,设定四的传 热系数是设定一传热系数的0.73 倍;设定五,气侧污垢系数rk=0,水侧污垢系数rl=0.0004m2.℃/W,其余条件与设定一一样,代入计算:        与设定一比较,设定五传热 系数是设定一传热系数 0.70 倍; 设定六,气侧污垢系数rk=0,水侧污垢系数rl=0.0005m2.℃/W,其余条件与设定一一样,代入计算:        与设定一比较,设定六传热 系数是设定一传热系数 0.65 倍;设定七,气侧污垢系数rk= 0.000344m2.℃/W,水侧污垢系数 rl=0,其余条件与设定一样,代入计算:        与设定一比较,设定七传热 系数是设定一传热系数 0.98 倍; 设定八,气侧污垢系数rk= 0.000344 m2 .℃/W,水侧污垢系数 rl=0.000344,其余条件与设定一 样,代入计算:        与设定一比较,设定八传热 系数是设定一传热系数 0.72 倍; 与设定四比较,设定八传热系数 是设定四传热系数 0.99 倍; 设定九,气侧污垢系数rk= 0.000344 m2 .℃/W,水侧污垢系数 rl=0.0004,其余条件与设定一样, 代入计算:        与设定一比较,设定九传热 系数是设定一传热系数 0.69 倍; 与设定五比较,设定九传热系数 是设定五传热系数 0.99 倍。 从上面几种污垢热阻组合计算比较,可以看出水侧取不同污 垢热阻时,对传热系数的影响是 不同的,并且都超过了原来的0.85的系数,当水侧污垢系数rl= 0.000344m2.℃/W 时,系数变为 0.73;当水侧污垢系数rl=0.0004 m2 .℃/W 时,系数变为0.70;当水侧 污垢系数rl=0.0005m2.℃/W时,系数变为 0.65;总之水侧的污垢热 阻大大削弱了传热性能。套片式 换热器气侧污垢系数改变时,传 热系数变化不大,也就是说气侧 污垢热阻对传热系数影响仍然可以忽略不计。显而易见,可知现 在设计计算中仍按原来取 0.85 系数计算方法是不适用的,而应该 在换热器设计中根据具体不同的 污垢系数具体计算。因此,在换热器设计中必须考虑由于污垢热阻使传热削弱的补偿措施,如加 大流速、总平均温差或传热面积 等。这样,在换热器设计中,如 何考虑污垢的影响,往往成为换 热器设计成败的关键因素。    3 选用污垢系数    了解了污垢对传热的影响,在 产品设计中,到底取多大的污垢 热阻是合理的?有人认为选取较 大的污垢热阻比较可靠,其实这 往往会带来更严重后果,因为在 传热量一定的条件下,势必要加 大传热面积或总平均温差,从而 增加换热器成本。而传热面过大 会导致热流体出口温度过低、冷 流体出口温度过高,这不仅影响 工艺要求,而且有时在运行中为 避免此结果常将介质流速降低、 致使壁面温度上升,这样反而促 使污垢更迅速地增长;同样平均 温差过大,就要求提高热介质温 度或降低冷却介质温度,导致介 质与壁面的温差加大,结果也是 促使污垢增长,特别是沸腾蒸发 受热面,温差过大有可能出现膜态沸腾,不仅使传热大为削弱、 污垢迅速发展,甚至会使传热面 过热毁坏。此外,多孔的沉积物 还会起到腐蚀剂的作用,在壁温 高时会加速金属的腐蚀;结垢物 质还会在金属表面上形成氢或氧 的浓差电池导致“垢下腐蚀”。 恰当选用污垢系数涉及物理 和经济两个因素。物理上考虑的 因素有:流体和沉积物的性质。流 体温度管壁温度;管壁材料和光 洁度;物体流速以及清洗周期。经 济上应考虑的因素有:换热器生 产成本;费用随尺寸而变动的情 况;必要的清洗周期;清洗费用, 包括生产损失在内;折旧费;税 率;正常维修费用;输送泵费用 及能耗;要求的投资回收期。最 佳的设计污垢热阻应在技术经济 比较中使初投资折旧费(随污垢 热阻增加而增加)与清洗和停运 费用(随污垢热阻增加而减少) 所构成的费用总额为最小。    由于缺少换热器在实际使用 过程中的结垢情况数据,建议各 生产厂家切实做好产品售后服务跟踪,特别是要通过多渠道,多方式收集结垢数据。这样才能在今后的换热器设计工作中设计出 更好、更有竞争力的换热器产品。    参考文献    [1] 换热器原理及计算[M]. 北京:清华大学出版社 1985. 
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