[分享]换热器的热负荷和热平衡

发表于2018-12-05    1358人浏览    1人跟帖    总热度:314  

翅片管换热器是庞大的换热器家族中的一种,其设计计算肯定要基于共性的和基础性的设计计算原理和方法,本期小编将跟大家分享换热器中的两个基本概念:热负荷和热平衡,并通过多个实例来掌握它的应用和计算。

换热器的热负荷和热平衡_1

一:热负荷

对一个换热设备来说,热负荷就是指换热量或传热量,即在单位时间内所交换的热量,单位是KWKJ/S)或Kcal/h(千卡每小时)。工程上热负荷常用Q来表示。
(请记住二者的换热关系: 1 KW=860 Kcal/h)。

在翅片管换热器的设计中,热负荷通常并不是由用户直接提出来的,而是由设计者根据用户的实际需求和现场的技术参数计算出来的。下面举几个实例加以说明。

【案例1

有一个供热公司要为一台供暖用的10t/h热水锅炉安装一台翅片管式省煤器,希望将排烟温度从220ºC降至120ºC。烟气流量说不准,可能是2万多立方米每小时,并告知引风机的型号和流量。

为了确定省煤器的热负荷,设计者要从用户那里获取尽可能多的与排烟量有关的信息,如:燃煤量、煤的热值、锅炉是否满负荷运行、风机型号等。最后根据自己的经验帮助用户确定排烟量的设计值:16000Nm³/h 

然后按下式计算省煤器的热负荷:
Q=Gg×(Tg1 ×Cpg1 -Tg2 ×Cpg2) KW
此处:Gg:烟气的质量流量,kg/s
Cpg1 Cpg2:烟气的入口处比热和出口处比热,查物性表,KJ/Kg·ºC
Tg1:烟气入口温度,ºC
Tg2:烟气出口温度,ºC

在本例中,Gg=16000×1.295/3600=5.755 kg/s
Cpg1=1.102 KJ/(Kg·ºC);
 Cpg2 = 1.074 KJ/Kg·ºC
Tg1=220ºC Tg2=120ºC  
1.295 是烟气在0ºC时的密度(kg / m³
计算得 Q=653 KW

应当记住:烟气(或空气)在某一温度下含有的热能可以通过下式计算:
Qg = Gg×Tg×Cpg

【案例2】

有一燃气加压站,希望设计一台翅片管式空气冷却器,将压缩后的燃气从134 ºC降至50 ºC,燃气流量为7500Nm³/h。其结构特点是:管内走燃气,管外加翅片,由空气冷却。空气侧的流量不确定。

热负荷Q值同样由燃气侧的已知条件计算:
换热器的热负荷和热平衡_2
此处,燃气的比热Cpg取的是平均温度下的数值。

【案例3】

在冬天,某工厂想将一台已有的1 t/h蒸汽锅炉用于车间的供暖,具体方案是选用一台翅片管式蒸汽/空气换热器,用锅炉产生的0.8 t/h ,150 ºC 的饱和蒸汽加热空气,希望将空气从0 ºC加热到100ºC,蒸汽凝结后的凝结水温度为120 ºC。为了选择风机,要求计算风量。

这一课题的热负荷应该认为是已经给出了,只需简单的计算一下:首先应从相应的热物性表查出150 ºC下饱和蒸汽的焓值i"=2745.3 kJ/kg120 ºC的饱和水的焓值i´=503.7kJ/kg,则热负荷为:Q=800/3600)㎏/s×(2745.3-503.7)KJ/kg=498 KJ/s=498 KW

对空气侧,有下列关系式:
Q=Ga×Cpa×(Ta2-Ta1) 式中,
Ga:空气流量,㎏/s Cpa = 1.005 KJ/(Kg·ºC):空气比热,按平均温度查表 Ta2=100 ºC,空气出口温度; Ta1=0 ºC,空气入口温度由上式解出Ga= Q / [Cpa×(Ta2-Ta1)] = 4.96 kg / s =17840 kg / h =13800 Nm3 / h ]

【案例 4】

有一个小型钢铁厂,拟在其烧结炉的高温排气段装一台翅片管余热锅炉,高温段的平均排烟温度为320 ºC,气流量大约为 70000 Nm³/h,希望产生的饱和蒸汽压力为 0.6MPa。试计算可以回收利用的热负荷。

在这一命题中并没有给出烟气的出口温度,因此,需要选择一个合理的烟气出口温度,并与用户协商。该余热锅炉所产生的0.6MPa 的饱和蒸汽对应的饱和温度可由热物性表查出:tv=158 ºC。由此确定烟气出口温度应该大于158 ºC,最后协商确定烟气出口温度取 Tg2=190 ºC
回收热负荷: Q= Gg×Cpg×(Tg1-Tg2)=(70000×1.295/3600)×1.11×(320-190)=3633 KW

由上面的几个实例可知,计算热负荷应遵循下面几条原则:
 (1)、对用户给出的参数按热流体侧冷流体侧进行分类比对,
如序号1 2 3 热流体侧热流体进口温度、热流体出口温度、热流体流量;
序号 4 5 6 冷流体侧冷流体进口温度、冷流体出口温度、冷流体流量

换热器的热负荷和热平衡_3

一般只需给出上述六个量中的 5 个,选择给出条件最全面的那一侧流体进行热负荷计算。
例如,若热流体侧 12个条件都给出了,而冷流体侧只给出了两个45
则应依据热流体侧给出的条件计算热负荷,
即: Q=【流体流量,(kg/s)×【进口焓值(kJ/kg)—出口焓值(kJ/kg)
得出的单位是 kJ/s  KW
进出口焓值,对于水和水蒸气而言,可直接查物性表,对于烟气和空气,若用户没有给出焓值的数据,则可按下式计算:
 焓值(kJ/kg)=比热(kJ/kgºC)×温度(ºC) 即,i =Cp×T (2)

不要轻易相信用户(需方)给定的参数,尤其是烟气或空气流量,需要经过分析和核实。
例如,有的用户将风机的铭牌流量作为计算热负荷的参数,这是不对的。
若流量是波动的(如炼钢炉的排气), 则应了解其波动的振幅和周期,取其合理的数值作为设计值。大多数情况下,需要和用户进行面对面的分析和协商,做深入的调研或测试,以确定较为准确的设计参数,作为计算热负荷的依据。

曾经有过这样一个案例:某钢铁厂为了回收电弧炼铁炉的余热,要求上一台余热回收装置,用以产生蒸汽。当时根据厂方提供的数据,可以产生 35t/h 蒸汽,经过设计、制造、安装运行后,得到的实际产汽量仅为15-18t/h。为什么有这么大的差距?后来经过调查,发现用户给出的烟气流量大大超过烟气的实际流量,给出的入口温度值也偏高了,即过高的估计了余热资源的数量。虽然运行取得成功,但却造成了一次投资的巨大浪费。

换热器的热负荷和热平衡_4

二:热平衡

这儿所说的热平衡是一个换热设备中冷热流体之间的热平衡,即热流体放出的热量 = 冷流体得到的热量。有时还要考虑传热过程中的热损失,即:热流体放出的热量 =冷流体得到的热量 + 热损失。

一般,热损失小于5%,对于保温良好的设备,在设计中也可以不考虑热损失。

热平衡是能量守恒定律在传热过程中的具体应用,热平衡既是一个理念,也是一种方法。所谓理念,就是在任何情况下都不能动摇。

例如:有人声称,他的换热设备或元件有神奇功能,输入1KW,输出大于1KW。请千万不要相信。一般加热侧和冷却侧的热量出现少许不平衡,多数是由于测量误差造成的。说热平衡是一种方法是指我们经常应用这一概念进行推导和计算,计算得步骤是:

由某一侧的参数计算出热负荷之后,然后根据热平衡概念计算另一侧中尚未给出的参数。仍由上面给出的例子说明:

【例2】中,热流体(燃气):134 ºC —50ºC7500 Nm³/hQ=242KW冷流体(空气):20 ºC—30 ºC,流量待定。

当由热流体侧计算出热负荷Q=242KW之后,则可推算出冷流体(空气)的流量。Ga=Q/[Cpa30-20] = 242/1.005×10=24kg/s=86686kg/h=67000Nm³/h 由此可见,由于空气的温升很小,需要的空气流量是非常巨大的!

例4】中,热流体(烟气):310 ºC—190ºC,70000Nm³/h,Q=3633KW 冷流体(蒸气):进口水温—158 ºC,产汽量未知。(未知)

首先与用户协商后,设定进口水温为100 ºC(经省煤器后进入)。需要确定的就是蒸汽产量Gv了 Gv=Q/(i"158 ºC-i´100 ºC)

由热平衡概念,认为蒸汽侧吸收的热量等于烟气侧放出的热量Q=3633KW,由物性表查得出口蒸汽的焓值i"158 ºC =2755kJ/kg,进口水的焓值i´100 ºC=419.1 kJ/kg

故: Gv =3633/(2755-419.1)=1.555kg/s=5599kg/h=5.6t/h(产汽量)

在该项目的洽谈中,产生了一个与“热平衡”概念有关的“插曲”:该钢厂的技术负责人曾执意要求给提供8 t/h的蒸汽,经反复计算,向他们说明,余热资源的数量不足以产生8t/h的蒸汽,总不能做“无米之炊”吧,最后才同意了【例4】中的计算方案。

好了,本讲就讲完了,应该指出,热负荷和热平衡的概念及计算方法不仅是针对翅片管换热器的,它适用于所有热交换设备。要很好的掌握它,需要逐渐积累工程经验。



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 发表于2018-12-05   |  只看该作者      

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换热器的热负荷和热平衡

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