热负荷、换热器和蒸汽负荷之间的关系

13.2.1热负荷，换热器和蒸汽负荷之间的关系章节13.2第13章冷凝水的排除蒸汽和冷凝水系统手册热负荷，换热器和蒸汽负荷之间的关系13.2905热负荷，换热器和蒸汽负荷之间的关系13.2.2章节13.2第13章冷凝水的排除蒸汽和冷凝水系统手册管壳式换热器冷水入口温度为10℃热水出口温度为60℃温度感应器P1蒸汽疏水P2蒸汽入口控制阀温度控制器设定在60℃换热器内蒸汽压力进入冷凝水总管热负荷，换热器和蒸汽负荷之间的关系在换热器中，饱和蒸汽通常为制程流体的加热提供热量。换热器是一类设备的总称，在这类设备中一种流体的热量会传递给另一种流体。为了方便起见，把这类设备统称为换热器。虽然，我们主要讨论管壳式换热器和板式换热器，但在其它的一些换热器诸如空气加热器组、浸没式油罐盘管、夹套罐和容积式换热器等都可能会发生失流现象。温度控制应用在某个温度控制系统中，换热器二次侧流体的入口温度可能随时间发生变化。这意味着，为了维持二次侧流体出口温度的稳定，供给换热器的热量必须变化，。这可以通过在换热器一次侧流体入口处加装控制阀来实现，如图13.2.1所示。图13.2.1典型的汽水管壳式换热器的温度控制控制阀通过改变进入换热器的蒸汽的流量和压力从而改变热量的输入。通过调节阀门的开度来控制二次侧流体的出口温度。在二次侧流体的出口处安装了一个温度感应器，用于给控制器提供温度信号。控制器比较实际的温度值和设定值，输出控制信号驱动执行器调节阀门的开度。对于一台特定的换热器，换热面积和换热系数基本不会发生变化，换热器的换热量主要取决于两种流体之间的平均温差。两种流体之间平均温差大意味着换热量大，反之亦然。当控制阀处于部分打开的位置时，蒸汽压力和平均温差都会下降。反之，当控制阀开度增加时，换热器内的蒸汽流量和压力都会上升，两种流体之间的平均温差也会增加。由于压力的上升，饱和蒸汽的蒸发焓会下降，因此蒸汽压力的改变会稍微影响蒸汽的可用热量。如果需要精确的计量蒸汽的耗量，还需要考虑这部分影响。例13.2.1换热器的制造厂家根据以下信息设计换热器：使用4barg的饱和蒸汽将水从10℃加热至60℃，在任何情况下水流量都是1.5L/s。假设1L水的质量为1kg，因此水的质量流量为1kg/s。制造厂家设计的换热器的换热系数“U”为2500W/(m2·℃)。水的比热容为4.19kJ/(kg·℃)。90613.2.3热负荷，换热器和蒸汽负荷之间的关系章节13.2第13章冷凝水的排除蒸汽和冷凝水系统手册公式2.6.5公式2.8.1式中:Q=平均换热量(kW)；m=二次侧流体的平均流量(kg/s)；cp=二次侧流体的比热(kJ/(kg·K))；∆T=二次侧流体的温升(k或℃)。(B)确定相应的蒸汽流量-4barg压力饱和蒸汽的温度(Ts)为152℃，蒸发焓hfg为=2108.1kJ/kg(查蒸汽表).用公式2.8.1计算所需的蒸汽的耗量：需要确定:(A)设计热负荷。(B)相应的蒸汽流量。(C)需要最小的换热面积。(D)最低负荷。(E)最低负荷时换热器内的蒸汽压力。(F)最低负荷时换热器内的蒸汽流量。计算:(A)确定设计热负荷-使用公式2.6.5确定换热量公式2.5.5(C)确定需要最小的换热面积-使用公式2.5.5确定平均换热温差。注：制造厂家使用对数平均温差(∆TLM)作为计算依据。式中:∆TLM=对数平均温差(LMTD)；Ts=蒸汽温度(℃)；T1=二次侧流体入口温度(℃)；T2=二次侧流体出口温度(℃)；ln=自然对数。cTpQ=m同时，如果当水的入口温度上升为30℃时，用户出现最低负荷，需要确定蒸汽流量(kg/h)负荷kWx3600运行压力下的潜热hfgQ=1.5kg/s×4.19kJ/kg℃×(60-10)℃Q=314.25kW蒸汽流量(ms)=314.25×3600kg/h2108.1蒸汽流量(ms)=536.6kg/h907热负荷，换热器和蒸汽负荷之间的关系13.2.4章节13.2第13章冷凝水的排除蒸汽和冷凝水系统手册公式13.2.1重新整理传热公式(公式2.5.3:Q=UxAx∆T)，可得到公式13.2.1，这里∆T可用∆TM替代。式中:A=加热面积(m2)；Q=换热量(W)；U=传热系数(W/(m2·℃))；∆TM=平均温差。(注：∆TM可以是对数平均温差∆TLM(LMTD)也可以是算术平均温差∆TAM(AMTD))。公式2.6.5Q=mcp∆T对于此例而言，换热器需要拥有1.09m2的换热面积来实现热量的传递。（D）确定最低负荷，当水的入口温度上升为30℃时，使用与步骤A相同的公式2.6.5计算换热量。要计算相应的蒸汽流量，首先必须计算在最低负荷时换热器内的蒸汽温度。在任何负荷下，我们可以通过计算平均温差∆TLM的方式确定蒸汽的温度，但这需要进行对数计算。其实，当换热器尺寸选定、设计温度已知的情况下，可以很容易的通过换热器的温度设计常数（TDC）来确定换热器内的工作温度。温度设计常数（TDC）法不需要进行对数计算。需要注意的是，当换热器二次侧流体流量发生改变或采用控制冷凝水的液位来控制二次侧温度时，温度设计常数（TDC）法并不适用。注：在设计换热器时，厂商通常使用对数平均温差法来选择换热器。换热器一旦选定，知道换热面积和满负荷下的工作温度时，可以使用TDC法确定任何负荷下换热器内的工作温度，详见下文所述。换热器内的工作温度同样能够通过使用“失流图”的方式确定。在13.5、13.6和13.7节中，详细介绍了这种方法。温度设计常数（TDC）对于任何一种以蒸汽作为加热介质的换热器，只要二次侧流体的流量不发生改变，就可以通过厂商提供换热器满负荷时的测试参数确定温度设计常数（TDC）。如果无法得到这些数据并且换热器已经在现场使用，可以在任何负荷下通过观察换热器蒸汽入口的压力表（从蒸汽表中查询对应的饱和温度）以及二次侧流体的进出口温度计算得出温度设计常数（TDC）。温度设计常数是指蒸汽与二次侧流体进出口温度差值的比值，如公式13.2.2所示。QA=U∆TMA=314250W2500W/m2℃×115.2℃A=1.09m2Qmin=1.5kg/s×4.19kJ/kg℃×(60-30)℃Qmin=188.5kW90813.2.5热负荷，换热器和蒸汽负荷之间的关系章节13.2第13章冷凝水的排除蒸汽和冷凝水系统手册蒸汽压力=4barg水的入口温度(T1)=10℃水的出口温度(T2)=60℃4barg时的蒸汽温度(Ts)=152℃公式13.2.2式中:TDC=温度设计常数；Ts=蒸汽温度；T1=二次侧流体入口温度；T2=二次侧流体出口温度。公式13.2.4公式13.2.3公式13.2.5入口温度=30℃出口温度=60℃使用公式13.2.3:60-10152-10152-60TDC=TDC=TDC=TDC=1.5435（对于此换热器）Ts-T1Ts-T2152-10152-6014292只要已知其它三个参数，可以通过变换温度设计常数（TDC）公式确定剩余的一个变量。以下公式都是源于TDC公式（公式13.2.2）。使用公式13.2.3确定任何负荷下蒸汽的温度：对于二次侧流体流量稳定的换热器，可以通过二次侧流体的进出口温度确定蒸汽的工作温度。在例13.2.1中，二次侧流体出口温度维持60℃不变，在最低负荷时，入口温度上升为30℃，最低负荷时蒸汽的温度是多少呢？Ts=(T2xTDC)-T1TDC-1T1=Ts-[TDC(Ts-T2)]在例13.2.1中，满负荷时：使用公式13.2.4确定任何负荷下二次侧流体的入口温度：使用公式13.2.5确定任何负荷下二次侧流体的出口温度：909热负荷，换热器和蒸汽负荷之间的关系13.2.6章节13.2第13章冷凝水的排除蒸汽和冷凝水系统手册（E）确定最低负荷时换热器内的蒸汽压力和蒸发焓从蒸汽表中可以得出：115.2℃的蒸汽对应的压力为0.7barg。0.7barg饱和蒸汽的蒸发焓（hfg）为=2215kJ/kg。（F）确定最低负荷时的蒸汽流量从步骤（D）得到最低负荷时的换热量为188.5kW。从步骤（E）中得到0.7barg饱和蒸汽的蒸发焓hfg为2215kJ/kg。使用公式2.8.1：公式2.8.1Ts=(T2×TDC)-T1TDC-1Ts=(60×1.5435)-300.5435Ts=62.610.5435蒸汽温度(Ts)=115.2℃蒸汽流量(kg/h)=kW×3600工作压力下的hfg蒸汽流量(ms)=188.5×3600kg/h2215蒸汽流量(ms)=306.4kg/h（最小负荷时）91013.2.7热负荷，换热器和蒸汽负荷之间的关系章节13.2第13章冷凝水的排除蒸汽和冷凝水系统手册Questions1.Whatdeterminestherateofheattransferforanygivenheatexchanger?a|Theheattransfercoefficientb|Themeantemperaturedifferencebetweenthetwofluidsc|Theheatingsurfacearead|Alloftheabove2.Howisthetemperatureofsteamcontrolledinaheatexchanger?a|Byasteamtrapb|Bychangingthesteampressureupstreamofthecontrolvalvec|Bycontrollingthesteamflowandpressureinthesteamspaced|Byanadjustablesafetyvalve3.WhatisLMTD?a|LogarithmicMaximumTemperatureDifferenceb|LatentMeanTemperatureDifferencec|LogarithmicMeanTemperatureDifferenced|LowestMinimumTemperatureDifference4.WhatisthebasicdifferencebetweenLMTDandTDC?a|Noneb|LMTDisusedtoaccuratelycalculatearequiredheatingsurfaceareawhileTDCcanbeusedtoeasilypredictoperatingtemperaturesc|LMTDiseasiertoused|UsingTDCismoreaccuratethanusingLMTD5.Whateffectdoesloweringthesteampressurehave?a|Thesteamtemperaturerisesb|Ithasnoeffectonthetemperaturebutincreasesthelatentheatc|Thesteamtemperaturefallsd|Thetotalheatinsteamincreases6.Knowingtheheatload,whatotherfactorhastobeknowntoaccuratelydeterminethesteammassflowratetoanypieceofequipment?a|Thetemperatureofsteamb|Thetotalheatinthesteamc|Theenthalpyofevaporationofthesteamattheevaporatingpressured|Thespecificvolumeofthesteam1:d2:c,3:c,4:b,5:c,6:cAnswers热负荷，换热器和蒸汽负荷之间的关系13.2.8章节13.2第13章冷凝水的排除蒸汽和冷凝水系统手册