空分設備板翅式換熱器參數與能耗分析

何建龍1,毛央平2

 (1·杭州杭氧換熱設備有限公司,浙江省臨安市青山湖街道東環路99號　311305;2·杭州杭氧股份有限公司設計院,浙江省杭州市東新路388號　310004)

    摘要:空分設備中主換熱器的溫差和流動阻力是影響空壓機能耗的兩個重要因素,通過板翅式換熱器不同溫差、流動阻力和主換熱器設備投資、空壓機電耗之間關系的詳細數據對比,分析了換熱器溫差、正/返流阻力對空壓機能耗的影響關系,并提出了合理控制換熱器溫差、合理分配換熱器阻力的重要性。
    關鍵詞:板翅式換熱器;溫差;流動阻力;空壓機能耗
    中圖分類號:TB657·5　　　文獻標識碼:A
    1　合理確定主換熱器溫差和流動阻力的重要性
    由于板翅式換熱器翅片比表面積大,具有二次傳熱表面、傳熱效率高、結構緊湊、體積小和重量輕等優點,目前空分設備的主換熱器多采用此結構。主換熱器主要是提供空氣、增壓空氣與氧氣、氮氣和污氮氣熱交換的場所,通過主換熱器,空氣被冷卻到接近于低溫液化溫度,而后進入精餾塔,氧氣、氮氣和污氮氣被加熱至常溫后流出冷箱。主換熱器熱端溫差的大小直接關系到整套空分設備復熱不足冷損的大小,直接影響空分設備的經濟指標。熱端溫差選擇得過大,復熱不足冷損相應增加,導致空分設備的膨脹空氣量增大,從而使能耗增加。熱端溫差選擇得過小,將導致主換熱器設備各尺寸增大,金屬消耗量增加,且溫差過小導致換熱動能減小。所以針對不同介質工況和換熱器類型,應有不同的最小換熱溫差要求。
    空分設備中加工空氣、氣體或液體產品流經各換熱設備、輔助設備、管路和閥門時需克服一定的流動阻力,主要分沿程阻力和局部阻力,沿程阻力是流體流動克服摩擦力而引起的能量損失,局部阻力是流體流向變化、局部縮小或擴大引起的局部區域集中損耗的能量。在板翅式換熱器內部,不僅由于翅片當量直徑小,流體溫降或溫升大,換熱量大,流體間溫差小,傳熱面積大,沿程阻力較大;而且內部存在氣流轉向,接管與封頭之間、封頭與導流片進口之間存在局部縮小或擴大,所以需要克服較高的阻力。
    在能源緊缺的今天,合理確定主換熱器溫差和流動阻力顯得尤為重要,這不僅是優化流程的過程,也是投資和效益之間的關系問題。下面就這兩點以某10000 m3/h常規外壓縮流程空分設備配套主換熱器溫差和流動阻力與空壓機能耗之間關系加以討論。
    2　板翅式換熱器溫差對空壓機能耗的影響
    10000 m3/h空分設備主換熱器正流空氣阻力為13 kPa、返流各阻力為16 kPa,不同溫差時換熱器技術參數和空壓機能耗的比較見表1。表1中以平均溫差3·042℃(熱端溫差為2℃)為基準點,僅計算因溫差變化而引起的其余參數變化,其他流程參數均基本一致,且空壓機效率相同,年運行時間以300天計,工業用電價格以0·8元/ (kW·h)計算。
    從表1可知,主換熱器溫差從3·042 K減小到2·542 K (減小了0·5 K),設備投入成本的增加與運行一年半節約的費用基本相當。而主換熱器溫差從3·042 K擴大到3·542 K (擴大了0·5 K),設備投入成本的減少只能抵消10個月左右的運行費用。

             
    3　板翅式換熱器流動阻力與空壓機電耗之間的關系
    相同流程10000 m3/h空分設備的主換熱器熱端溫差恒定,流動阻力的不同會引起空壓機排氣量的增減以及主換熱器溫差和UA值的微小變化,但由于變化微小,對空壓機電耗的影響很小,可忽略不計,僅需考慮正/返流體流動阻力與空壓機電耗之間的關系。
    3·1　正流空氣流動阻力對空壓機電耗的影響
    10000 m3/h空分設備主換熱器熱端溫差恒定,流程相同, UA值基本相同,返流流體流動阻力均為16 kPa,正流空氣流動阻力不同,空壓機電耗不同,其具體影響見表2。

             
    從表2可知,正流空氣流動阻力減小2 kPa,資金投入需增加7·52萬元,而空壓機電耗降低7 kW,年運行費用減少4·0336萬元,增加的資金投入在不到兩年的時間內即可收回。3·2　返流流體流動阻力對空壓機電耗的影響10000 m3/h空分設備主換熱器熱端溫差恒定,流程相同, UA值基本相同,正流空氣流動阻力為13 kPa,返流流體流動阻力分別為14 kPa、16 kPa、18 kPa,返流流體流動阻力與空壓機電耗之間的關系見表3。

             
    從表3可知,以返流流體流動阻力16 kPa為基準點,返流流體流動阻力減小2 kPa,空壓機電耗降低31 kW,設備投資成本增加不到10萬元,而年運行費用卻減少17·856萬元, 8個月即可收回多增加的設備投資成本;返流流體流動阻力增加2 kPa,空壓機電耗增加33 kW,設備投資成本減少不到7萬元,而年運行成本增加18·984萬元,減少的設備投入成本只相當于4個月多付出的運行費用。可見降低返流流體流動阻力能有效降低空壓機能耗,且返流流體流動阻力的增減相對于正流流體流動阻力的增減,對空壓機電耗的影響更為顯著。
    4　結　論
    綜上所述,充分說明了空分設備在確定方案時,合理選取主換熱器溫差和流動阻力的重要性。溫差減小0·5 K (即減小16%左右),換熱設備投資成本的增加額與運行一年半時間所節約的費用大致相當,而溫差擴大0·5 K (即擴大16%左右),一年運行費用的增加就已超出因溫差擴大而使換熱設備投入費用所降低的額度。同時,由于正流空氣流動阻力對空壓機能耗的影響沒有返流流體流動阻力的影響大,降低換熱器的流動阻力,特別是返流流體流動阻力,即使由此產生的一次性投資成本增大,但2~3年內即可收回成本;或者說雖然節約了一次性投資成本,但年使用成本提高,如換熱器返流流體流動阻力為18 kPa時,節約的投資成本還抵不上半年增加的運行費用。所以,不僅要從結構設計上降低換熱器的流動阻力,而且還應該結合工藝流程參數,對能耗與投資進行綜合評估,以確定最佳方案。