循环换热（共4篇）
循环换热 篇1
摘要：以某换热站为例,探讨了循环泵的选型,就其中供热面积调查、系统热负荷及流量确定、管网阻力计算等问题作了论述,并对常见故障进行了分析,以保证循环泵的正常运行。
关键词：换热站,循环泵,热负荷,流量,压力损失
循环泵是热水供热系统中最主要的设备之一,其选型与日常维护是否得当,直接影响到热网的供热效果。在运行中,必须保证循环泵的日常检修及维护。同煤集团集中供热系统热源由电厂4×50 MW机组提供,在实际运行中先期没有纳入集中供热规划的供热区域,在系统运行稳定后先后并入集中供热。下面以某个换热站为例说明该站循环泵的选型及常见故障的分析。
1 循环泵的选型
循环泵选型需大量的基础数据。在前期调查中,供热区域建筑有无节能措施及用途等必须明确标出,以做出精确的计算,保证供热质量。
1.1 供热面积的调查
该区域民用及公用建筑均无建筑物设计热负荷资料,表1只是该站所供区域的建筑面积调查表。
1.2 系统热负荷及流量的确定
系统热负荷的计算:
其中,Q1为设计热负荷,k W;q1为采暖热指标,W/m2;F为采暖建筑物的建筑面积,m2。
计算中民用建筑q1=60 W/m2,公用建筑q1=75 W/m2。则Q1=q1×F×10-3=(60×40 810+75×6 701.25)×10-3=2 951 k W,即Q1=2 951×10-2×3.6=10.624 GJ/h。
系统流量的计算:
其中,G1为系统设计流量,t/h;Q1为设计热负荷,GJ/h;c为水的比热容,c=4.19 k J/h;tg为系统供水温度,℃;th为系统回水温度,℃。
系统设计供、回水温度分别为90℃,65℃。
1.3 循环泵流量及扬程的确定
循环泵的总流量按系统设计流量的1.1倍选取,在本系统中循环泵的流量为:G2=1.1×101.4=112 t/h。
循环泵扬程的计算:
其中,H为循环泵扬程;H1为热水通过换热器的压力损失;H2为热水通过供回水管路的压力损失;H3为热水在热用户的压力损失;H4为热水在换热站其他设备的压力损失。
热水通过换热器的压力损失H1=110 k Pa即11 m H2O,热水在热用户的压力损失H3=20 k Pa即2 m H2O,热水在通过换热站其他设备的压力损失H4=40 k Pa即4 m H2O,供热主管道为DN150直埋保温管,其阻力损失为80 Pa/m,主管道供回水长度为1 650 m,计算其压力损失为H2=1 650×80×10-3=132 k Pa,即13.2 m H2O,则H=1.2×(11+2+4+13.2)=36 m。
通过计算,我们最终选定的循环泵为KQL100/150-11/2。其最大扬程为32 m,最大流量为112 t/h。通过实际运行,最远端用户室内供热期平均温度为18.5℃,高于集中供热前的15℃。
在工作中,我们常常会遇到热网循环泵的工作性能曲线与热网特性曲线不匹配的问题。其主要原因有以下几点:
1)所供热区域缺少原有管网的阻力计算资料和热负荷资料,无法做出热网特性曲线,只能根据工作经验估算管网阻力,这就使估算值往往大于实际值。
2)原有供热为锅炉房供热,存在大流量、小温差运行的问题,其管径往往比正常值偏大。
3)循环泵的流量与电机不匹配,达不到循环泵所需的最大流量,即循环泵电机并不是按泵的最大流量来配用电机容量的。
这样,我们在选循环泵时应该考虑循环泵所配电机的功率能否满足循环泵的最大流量要求,同时应该选循环泵的最高效率点流量比系统设计流量稍大些的循环泵。
2 循环泵常见故障分析
循环泵在安装前应仔细检查泵体内有无杂物,以免在运行时损坏叶轮和其他设备。管路的重量不允许直接加在循环泵上,以免损坏泵体影响正常运行。在泵的进出口管路上安装检修所用蝶阀,在出口管路上安装止回阀及流量调节阀。循环泵常见故障主要有以下几种。
2.1 循环泵不出水
1)进出口阀门没打开,进出口管路或泵体流道堵塞。先检查阀门是否打开,如阀门全部打开可取下阀门,检查堵塞点。
2)电机运转方向不对,电机缺相运行,转速慢。可调整电机转向并紧固电机接线。
3)吸入管漏气。紧固法兰面螺母并检查密封垫是否破损。
4)泵体未灌满水,泵腔内留有空气。可打开泵体上排气阀,排尽空气。
2.2 循环泵流量不足
1)进出口阀门没打开,进出口管路或泵体流道堵塞。先检查阀门是否打开,如阀门全部打开可取下阀门,检查堵塞点。
2)管路或泵体流道堵塞、阀门开度不够。可检查堵塞点并去除异物,重新调整阀门开度。
3)检查叶轮和轴承是否损坏,如损坏则要更换。
2.3 循环泵有杂音并伴随泵体振动幅度大
1)泵与基础连接松动、管路支架支撑不稳。加固支架,紧固连接螺栓。
2)热水中混有气体,打开排气阀排气。
3)产生汽蚀,流量大于设计流量。增加进口压力,调节管路流量。
4)轴承磨损,更换轴承。
5)电机超载发热运行,可关小出口阀门开度或检查叶轮直径是否符合设计要求。
2.4 循环泵电机发热
1)流量太大,压力表读数偏低,电机超载运行。可调节系统流量并检查外网管路是否漏水。
2)检查电机轴承是否损坏。3)电压低于正常值,可稳压。
2.5 循环泵漏水
先检查漏水量是否在正常范围内,一般机械密封允许的漏水量小于3 m L/h或3滴/min。其次检查密封面、O型圈、密封垫是否错位或损坏,机械密封是否磨损,橡胶件是否老化等。
3 循环泵的启动、停机及正常维护
3.1 循环泵的启动与停机
3.1.1 循环泵启动前的准备
1)拨动电机风叶,确定风叶转动灵活,无卡磨现象。
2)打开循环泵进口阀门并同时打开排气阀使水充满泵腔后关闭排气阀。
3)用手盘动循环泵使润滑油进入机械密封端面。4)点动电机,确定转向是否正确。
3.1.2 循环泵的启动与运行
1)打开进口管路阀门,关闭出口管路阀门。
2)接通电源,当循环泵达到正常转速后,再逐渐打开出口管路上的阀门,并调节到所需的流量。
3)仔细查看仪表读数,检查轴封泄露情况,在正常情况下机械密封的漏水量小于3 m L/h,检查电机、轴承处温度变化,一般不大于75℃,如发现情况异常,立即停机处理。
3.1.3 停止循环泵的运行
循环泵停止运行时,应在逐渐关闭出口阀门后关闭电源,再关闭管路进口阀门。如在冬季长期停止运行时,应将泵腔内的水放尽,以免冻裂泵体。
3.2 循环泵的维护
3.2.1 循环泵运行中的维护
1)循环泵进口管路必须充满水,禁止循环泵在汽蚀状态下运行。
2)定期检查电机的电流值,禁止在超过电机额定电流的情况下运行。
3)循环泵在长期运行后,由于机械磨损,循环泵的噪声及振动加大,出现泄漏及效率降低。这时,应停机检查,必要时可更换易损件,如轴承、机械密封、叶轮等。
3.2.2 循环泵机械密封和轴承的维护
1)机械密封润滑应清洁无固体颗粒。
2)严禁密封在干磨情况下工作,在启动前必须打开泵盖上的放汽旋塞,将此处空气放掉。
3)启动前应先用手盘动泵电机几圈,以免突然启动造成石墨环断裂损坏。
4)密封泄露允许的值是3滴/min,否则应检修。
5)在检修装配机械密封时,应避免接触油类物质,可用肥皂水之类润滑以减少阻力。
以上是我在实际工作和不断学习中的总结,写出来与大家共飨,不当之处请多多指正。
参考文献
[1]李善化,康慧.使用集中供热手册[M].北京:中国电力出版社,2006.
[2]蒋志良.供热工程[M].北京:中国建筑工业出版社,2005.
循环水换热器泄漏故障分析和对策 篇2
1 设备简介
VE-1101冷冻单元换热器设备型号为NJN固定管板式换热器。管程介质为循环水(由深井水和部分海水淡化水混合加药剂制成),质量流量440000kg/h,设计压力1.0MPa,设计温度100℃,材质16Mn;壳程介质氟利昂,质量流量130316kg/h设计压力为2.0MPa,设计温度100℃,材质16MnR;换热管规格为19mm×2mm,根数1425材质10#钢。
2 故障概述
2003年5月,换热器出现了管程泄漏。拆检设备发现,管箱内积存有很多泥沙和小块石棉板等杂物。70%的管束被污物不同程度地堵塞。换热管管束与管板焊接处有明显磨蚀痕迹。为了了解换热管的实际情况,我们从换热器的不同部位投出三根换热管并多段纵向剖开以观察换热管内外部的情况,发现换热管外表面状况良好,而内表面有被冲刷磨蚀的痕迹,但没有穿孔和泄漏发生,可见管段部分并不是泄漏发生的地方。将投出换热管从两侧管板封堵,对换热器进行气密试验发现管子与管板焊接处存在较多微小泄漏点,临时将管板漏点补焊处理,整台设备继续使用。至2004年8月又出现了2次同类故障,更换一台新设备之后7个月再次发生泄漏,拆检情况与上述情况相同。
VE-1101换热器管束由1425根管子组成,L=7500mm,换热器管板与换热管采用强度胀加密封焊的连接形式。上半部806根是循环水流入通道,下半部619根是循环水流出通道。拆检发现管束中大部分管子被循环水中的污泥堵塞,不仅大大降低了换热效果,更造成了循环水以更大的流速通过没有堵塞的管子,加大了泥沙和杂物对管板以及管子内部的冲刷磨蚀,从而导致换热器发生泄漏。
3 原因分析
3.1 设备构造原因
从历次拆检情况分析,此设备的材质选择并无问题。表观看似乎是换热管与管板的焊接质量问题,但相同厂家同期制作了多台相类的设备,而其它设备并未出现此等情况,而由不同厂家制作的此台设备在使用中都出现了相同的泄漏情况,看来还存在其它因素。
从设备图纸中我们可以看到:VE-1101换热管的材质为10#钢,规格为Φ19×2,数量为1425根,换热面积为640m2;换热管的孔桥宽度为24mm,属于密排结构(一般为25mm)[1],换热器管板与换热管采用强度胀加密封焊的连接形式。
我们认为,通常换热管孔桥的密排会减少设备的体积和净重,从而节省安装空间和安装费用,这是一种非常经济的设计方案;但这种设备要求的使用工况较严格,管程、壳程的物料都要求非常洁净,而我厂的现实工况还不能达到。而这种设计也加大了设备的制作难度,较易形成管头焊缝叠加,造成应力集中,增加泄漏机率。
另外,采用Φ19×2的换热管,在冷却水含泥沙较多的情况下,也较易造成管内堵塞而使换热效果下降,从而影响装置的稳定运行。
3.2 泥沙的侵蚀
循环水系统粗滤器因隔离阀腐蚀生锈,不能有效隔离粗滤器,致使粗滤器不能定期拆检而得到清洗。直径较小的泥沙和杂物经破损滤网和循环水泵进入循环水系统。这一因素也造成了换热器的堵塞和管头焊缝的冲刷磨蚀;
综上所述,换热器的设计结构与实际工况的不相适应和循环水系统泥沙、杂物的冲刷磨蚀是造成换热器发生泄漏的主要原因。
4 改造对策
(1) 改变换热管的密排结构:将HE-1101换热管规格改为Φ25×2.5,孔桥宽度为普通型32mm[2]。如果设备本体尺寸不变,换热面积将减少至483m2,按原始设计要求640m2将不能满足生产需求。根据现场可安装空间实测,将换热器本体尺寸由DN1200mm扩大至1400mm,其它尺寸不变,从而换热面积变为700m2,完全能够满足生产的需求。
(2) 循环水系统改造。
(3)更换粗滤器滤网及其隔离阀。
(4)循环水换热器循环水管线关断阀前加装双联过滤器,并定期检查清洗以消除泥沙、杂物对管头焊缝的冲刷磨蚀。
(5)提高操作和维修要求:在换热器运行期间,定期检查和清洗换热器。长时间运行后管内会被污泥堵塞,增加水流阻力,降低换热效果。装置需要严格按照操作规程进行操作并及时进行保养。日常操作注意观察管程和壳程的温度及压差以及换热器循环水程气态(氟利昂)物质的含量,根据上述现象可以推测换热器管程是否出现堵塞或泄漏,如出现问题应及时检修。
5 结 语
经过两年的运行观察表明,换热器VE-1101运行效果良好,达到了降低维修费用,保证装置长周期稳定运行的目的,为今后类似换热器的维护改造提供了有益的经验。
摘要：对金牛化工EVCM厂冷冻单元循环水换热器运行以来出现的几次故障进行了总结分析,提出具体对策并进行了相应改造,实施效果良好,可供今后类似换热器的改造与维修进行参考。
关键词：固定管板式换热器,泄漏,分析,对策
参考文献
[1]库潘(美).换热器设计手册[M].北京:中国石化出版社,2004.
循环换热 篇3
煤炭等含硫燃料在锅炉中燃烧会产生二氧化硫，其中一部分会转化成三氧化硫，与烟气中的水蒸气结合生成硫酸蒸汽，从而显著地提高烟气的露点温度，容易在低温受热面上凝结形成硫酸溶液与碱性灰及金属反应，导致低温腐蚀和堵灰，对锅炉的安全运行危害性极大[1,2,3,4]。为了避免这一现象，锅炉设计通常采用提高排烟温度的办法，因而导致烟气余热浪费严重，不符合节能要求。
相变换热技术的提出有助于解决上述问题[5]。利用相变换热技术对现有锅炉结构进行改进，在锅炉空气预热器之后的尾部烟道设置换热器(即具有特殊形状的不锈钢换热管组)，烟气加热换热管组中的饱和水，使其成为相同温度下的汽水混合物，上升进入汽包，遇到位于汽包上部的低温换热管外壁，释放大量汽化潜热，加热低温换热管内的水。水蒸气放热后由气相变为液相，形成冷凝水，回落至换热器底部，再次被加热蒸发，如此反复循环，实现相变系统自然封闭循环[6]，从而在保证避免受热面低温腐蚀的同时使低温烟气余热得到有效、安全回收。
1 节能需求
安徽国祯生物质发电有限责任公司的65 t/h循环流化床锅炉，由于运行时间较长，受热面的传热效率较新锅炉有所降低，在实际运行中锅炉排烟温度高达160℃，造成锅炉排烟损失增加，引风机电耗增加等问题。为了在避免受热面低温腐蚀的同时有效回收低温烟气余热，在锅炉尾部安装相变换热系统，符合当前经济形势和国家节能政策。
根据煤质分析资料(见表1)，采用冯俊凯等推荐的经验公式[7]，烟气酸露点计算如下
式中tsld———烟气的酸露点/℃;
tld———烟气的水蒸气露点/℃;
β———与过量空气系数有关的常数，当α″l=1.4～1.5时，β=129;当α″l=1.2时，β=121;
Sarzs、Aarzs———收到基折算(每1000 k J的折算值)硫分及灰分/g·MJ-1;
αfh———飞灰占总灰分的份额。
因此本方案中所述相变换热系统的最低壁面温度控制在110℃以上、排烟温度125～130℃。该温度是针对用户燃料分析而设置的，实际运行时可以根据用户所使用燃料的烟气酸露点调整换热器壁温，例如，当用户实际烟气酸露点比较高时，可以通过自控装置来改变换热器最低壁温，这样就能保证在受热面安全(不结露)的前提下回收效益的最大化。
2 改造方案
在尾部烟道布置相变换热系统，其实质相当于一个相变锅炉(如图1)。具体实施方案为:在现有的空气预热器后布置烟气冷却器，该烟气冷却器由8排立式螺纹烟管组成，并在前三排螺纹烟管加装防磨盖板，为了控制积灰采用燃气脉冲吹灰器定期吹灰。尾部烟气加热螺纹烟管内系统压力下的饱和水，将其转化为汽水混合物后进入汽包，实现汽水分离。蒸汽与汽包内上部布置的换热管进行凝结换热，将管内30℃的水加热到90℃左右，对外供热水或者供热;换热后的蒸汽变成凝结水，即汽包压力下的饱和水，通过下降管返回到尾部烟气冷却器下集箱，重新吸收烟气热量，将烟气温度从160℃降到125～130℃，从而降低排烟温度，提高系统热效率。
不凝结气体会显著降低传热系数[8,9]，对相变换热产生十分有害的影响，因此需要在相变系统运行前向汽包充满饱和蒸汽，使不凝结气体从汽包的排气阀排出;运行时，相变系统的压力为0.12 MPa，正压运行，从而避免不凝结气体从外界进入汽包。
3 改造后的运行情况及效益分析
3.1 运行情况
经改造，相变换热系统的吸热段进口烟气温度为160℃，换热器尾部排烟温度小于130℃，此区间烟气降温幅度为30℃。具体运行情况见表3。
3.2 效益分析
3.2.1 回收热量Q
锅炉实际运行时的平均回收热量(按平均负荷为53.5 t/h计)为
式中q———加热水平均流量/kg·h-1;
Δt———相变进出口温差/℃;
cp———水的比热容/kJ·kg-1·℃-1。若满负荷运行，则估计回收热量为
3.2.2 年节约标煤量Gc
式中Q———回收热量的千瓦数/kW;
Qp———为标煤的发热量/kJ·kg-1;
ηk———锅炉效率;
3600———单位转换系数/kJ·(kW·h)-1;
HR———设备每年折算满负荷运行时数，取6800 h。
加装相变换热系统的总费用为80万元，由上述计算可知，改造后的锅炉每年运行可节省费用92.735万元(标准煤按850元/t计算)，不到11个月内可收回投资。
4 结语
安徽国祯生物质发电有限责任公司的65 t/h循环流化床锅炉增加相变换热系统后，锅炉的排烟温度从160℃降至125℃左右，烟气余热得以有效、安全地回收，可将热网循环水由30℃加热至90℃，用以供暖或供热水。实践证明，在锅炉尾部烟道加装相变换热系统，安全可靠，热效率高，投资回收期短，经济效益十分显著，具有推广价值。
参考文献
[1]曹艳,冯伟忠.燃煤锅炉尾部设备低温腐蚀问题分析及防治[J].华东电力,2014,42(2):391-395.
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[4]张少军,王治远,马振林,等.真空相变锅炉低排烟温度设计与低温腐蚀[J].工业锅炉,2005(6):12-18.
[5]严乐荣.复合相变换热器在电厂锅炉烟气余热回收中的应用[J].能源研究与利用,2012(4):44-46.
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循环换热 篇4
目前,粮食干燥作业中多用列管式换热器,这种换热器结构简单、制造容易、检修方便。干燥行业中换热器的热介质是烧无烟煤或其他燃料产生的高温烟道气。高温烟气在管内流动,冷空气介质在管外冲刷管子流动[1]。数值模拟是换热器研究的一种重要手段。采用数值模拟方法可以对不同换热器的流场、温度场以及压力场等进行研究,能够详尽地预测各种因素对流场和传热过程的影响,有利于换热器综合性能的提高和新型换热结构的开发[2]。
选择一款简单易学的数值模拟软件十分重要。三维实体建模已是产品设计的主流,在众多三维CAD软件(如Catia, Pro/E,I-DEAS,UG等)中, Solidworks[3,4,5]软件具有独特优势,换热器的三维结构即采用的Solidworks的设计功能实现。目前,市面上有很多CFD软件,其中有Solidworks公司近年推出Solidworks Flow Simulation,该插件是第一种完全内置于 SolidWorks 软件中的液流仿真和热分析程序,易用性首屈一指。使用该插件在Solidworks软件强大的三维建模下,无需转换直接进行流体分析,节省了时间和成本。 本文使用Solidworks Flow Simulation对小型批式循环粮食烘干机的换热器进行仿真分析,分析了该换热器在换热时冷热介质在换热器内的流动速度、温度、压力以及流动轨迹的流场分布,为换热器的优化设计得到了有参考价值的结论。
1 模型建立
根据该小型批式循环粮食烘干机的设计要求,使用Solidworks软件建立换热器的三维模型如图1所示。换热器的内部结构截面如图2所示。换热器的主要几何参数和几何特征如表1所示。
1.冷空气入口 2.回转室 3.热空气出口 4.烟气出口 5.烟气入口
由图1和图2可见,换热管采用正三角形排列,热介质从烟气入口进入依次通过各层换热管,在回转室里转向后进入下一管程4次回程加热冷介质。
2 仿真过程
2.1 Solidworks Flow Simulation性能
Solidworks Flow Simulation采用自适应直角网格,其控制方程为Navier—Stokes方程[6],湍流模型[7]采用标准k-ε双方程模型,在近壁区采用壁面函数的半经验公式,误差较大[8],可通过“Result & Geometry Resolution”设置提高网格质量改善其不足,但收敛条件高,占用机时长。Solidworks Flow Simulation对离散方程组的数值分析采用有限体积法中的SIMPLER方法,计算效率高[9]。
2.2 新建一个solidworks flow simulation项目
项目描述:经过热风炉加热的烟气以800℃的高温,0.5m3/s的流量流入换热器的烟气进入口,依次通过各层换热管并从烟气出口排除。冷空气由20℃的温度从冷空气入口进入换热器并通过换热管外壁被加热,最后以1m3/s的流量从换热器热空气出口排除,供烘干机使用。
本项目的目的是要获取烟气和热空气在换热器中的温度分布、流动轨迹、速度和压力流场的分布。
2.3 建立项目属性
使用[Wizard(向导)],按照表2的属性新建一个项目。
在完成了基本设置向导以后,再对具体参数进行设置:
1)分别指定烟气和空气子域。
2)指定材料。指定换热管为不锈钢201,其他为默认。
3)为烟气设置边界。烟气入口处条件为800℃,流量为0.5m3/s,其他保持默认;出口处保持静压条件,其他默认。
4)为热空气设置边界条件。入口处设置默认为环境参数,设置环境温度为20℃,其他默认;出口处设置流量为1m3/s,其他默认。
5) 定义收敛目标。分别设置烟气出口和热空气出口曲面目标的平均温度为收敛目标;并定义一个烟气出口质量流量为运算收敛目标。
6)运行设置好的项目。
3 模拟结果及分布
3.1 温度场分布表
模拟温度三维分布图如图3所示。温度截面如图4所示。从图3和图4中,可以看到同一回程换热管中的温差不大。从底部换热管到顶部换热管中烟气的温度逐渐降低。而在换热管外面代表温度的颜色由深蓝变成浅蓝色,说明冷空气被逐渐加热。
3.2 压力场分布
换热器的压力场分布如图5所示。从图5知管内管外流体的压力都存在不同程度的降低,模拟结果和实际情况相符。
3.3 速度矢量场
速度矢量场分布图如图6所示。从图6中可以看到烟气在管内的速度较大,在回转室里速度有所下降;冷空气在入口处速度较慢,在进入换热管之间速度增加,在热气出口速度有所降低。
速度矢量场截面图如图7所示。从图7还可以看见烟气和被加热空气在换热器内的流动轨迹:烟气在回转室内会选择最短的路程向前流动,在回转室的边角处形成一个介质相对静止的空间。这一空间称为介质滞留区,在滞留区的烟气不能及时的排走,影响了其它烟气的进入,所以可以适当改变回转室的几何结构,在边角处可以考虑采用圆弧结构。被加热的冷空气在换热管外绕着外管壁流动,层层向上流动使空气主要通过对流和传导作用被充分加热,带走了烟气中的热量。
3.4 特殊位置的X-Y图解
为了更好地了解烟气在各层换热管里的温度变化,从下往上取各个烟气回程在中间面上的一根换热管为代表作出温度随距离的X-Y图解如图8所示。
4 结论
1)说明了Solidworks Flow Simulation可以极大的提高流体仿真的分析效率,很快地模拟出列管换热器各流体介质的压力、速度、温度和流动轨迹等分布。
2)由图3可知烟气的温度从800℃降到了400℃左右,空气从20℃升到了100℃左右,烟气温度还很高,应适当增加换热管数量,提高换热器效率。
3)图3、图5、图6共设置了100条流动轨迹线,清楚地模拟出了烟气和空气在换热器内的流动轨迹。
4)从图8可以看出烟气在换热管温度随着距固定板的的距离基本呈线性降低。
5)本文以solidworks软件建模用插件Solidworks Flow Simulation仿真,模拟了流体介质的三维流场,对换热器的流场分析和数值分析进行了有益的探索。
参考文献
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