加熱循環(huán)結(jié)構(gòu)對(duì)系統(tǒng)末端加熱效率的影響

寧華龍

1 概述

在工業(yè)生產(chǎn)及工程領(lǐng)域經(jīng)常會(huì)用到熱介質(zhì)間接加熱技術(shù)，以達(dá)到快速、均勻、溫度受控的加熱目的。然而，介質(zhì)不同的循環(huán)線路則決定了其加熱系統(tǒng)循環(huán)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，而在實(shí)際的工程應(yīng)用中，由于系統(tǒng)循環(huán)結(jié)構(gòu)的不同，往往決定了其不同區(qū)域的加熱效率也是不同的。在日常應(yīng)用最為廣泛的并聯(lián)回路中，這種現(xiàn)象更為普遍，特別是在加熱初期，往往因?yàn)榧訜嵯到y(tǒng)結(jié)構(gòu)的原因而出現(xiàn)加熱效率低下、溫度難以控制等問題，處于系統(tǒng)相對(duì)末端的受熱單元加熱問題就顯得更為棘手。下面就這一問題作簡(jiǎn)要探討。

2 提出并分析問題

常見并聯(lián)管路系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 并聯(lián)加熱系統(tǒng)示意圖

通常情況下，當(dāng)所有加熱負(fù)載全部處于工作狀態(tài)下，由于沿程管道壓力損失、介質(zhì)慣性因素、加熱初期比重、粘度、流動(dòng)特性分布不均，以及介質(zhì)重力抵消等緣故，處于主加熱管道不同位置的壓力分布也是不一致的。流體熱介質(zhì)會(huì)首先從距離熱源最近的受熱單元回流至低壓管道。從系統(tǒng)設(shè)計(jì)的角度，負(fù)載流量總和應(yīng)大于或等于熱源的供給流量。這樣，勢(shì)必出現(xiàn)以下幾種情況:1)所有受熱單元管路開啟，熱介質(zhì)短路回流，處于末端位置的受熱單元因壓力喪失甚至出現(xiàn)滯留或停流，現(xiàn)場(chǎng)指令性加熱功能喪失;2)其他管路全部關(guān)閉，集中加熱末端受熱單元，造成系統(tǒng)嚴(yán)重節(jié)流乃至斷路，熱源出口部位紊流加劇，溫度失控，而受熱負(fù)載兩端因介質(zhì)對(duì)流不足導(dǎo)致溫度、壓力飄忽不定，系統(tǒng)溫差、壓差完全失控，介質(zhì)受熱和散熱嚴(yán)重不均，主回路系統(tǒng)流動(dòng)不暢、壓力過高，系統(tǒng)傳熱效能喪失，甚至造成循環(huán)系統(tǒng)部件損壞;3)經(jīng)驗(yàn)性關(guān)閉部分前端受熱單元管路，保持末端單元過流壓力、流量相對(duì)穩(wěn)定，末端單元加熱效率相對(duì)提高，然而造成系統(tǒng)散熱負(fù)面積增大，熱量損失加大，加熱系統(tǒng)負(fù)面效應(yīng)隨之而來。

3 解決問題

為從根本上解決以上問題，結(jié)合我們所從事的乳化瀝青生產(chǎn)實(shí)踐，對(duì)循環(huán)管路系統(tǒng)作了一次認(rèn)真改造(如圖2所示)。1)在主循環(huán)管道最末端位置加裝一個(gè)節(jié)流裝置，用以隨機(jī)分配系統(tǒng)流量，調(diào)整負(fù)載壓力，確保多余熱量、多余流量始終處于封閉、保溫和流動(dòng)的系統(tǒng)循環(huán)中，既避免了熱量的流失，又避免了熱源的連續(xù)大負(fù)荷工作，提高了工作壽命，最大可能地保證了系統(tǒng)介質(zhì)全部參與循環(huán)，參與工作，有效避免了介質(zhì)的加熱“死角”和局部“過熱”，避免了受熱不均，從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上保證了“整體流動(dòng)—均勻受熱—集中散熱—循環(huán)混合—再次受熱”過程的有效進(jìn)行，強(qiáng)制性確保了流體介質(zhì)按照理想的循環(huán)路徑和導(dǎo)熱方式進(jìn)行工作。2)在節(jié)流裝置的入口端加裝一個(gè)壓力表，通過調(diào)整節(jié)流裝置的節(jié)流開度，即時(shí)觀察并保持壓力表的讀數(shù)等于或稍大于負(fù)載壓力，一方面確保受熱單元有最大的流量和受熱效率;另一方面確保系統(tǒng)介質(zhì)有最大的流量和加熱效果。通過以上兩項(xiàng)措施，以系統(tǒng)流動(dòng)速度確保傳熱效率，以介質(zhì)流量確保攜熱總量，從而最大限度地提高了末端單元的加熱效率。

圖2 循環(huán)管路改造系統(tǒng)

表1 不同工況下負(fù)載壓力計(jì)算結(jié)果

4 實(shí)際效果

幾年來，我們以溫控計(jì)量式乳化瀝青設(shè)備的加熱系統(tǒng)作為實(shí)踐對(duì)象，通過大量的試驗(yàn)研究，證明我們的技改方案是可行的，實(shí)施策略是成功的。就該系統(tǒng)而言，末端受熱單元為主機(jī)瀝青泵的殼體，當(dāng)生產(chǎn)原料的制備工作即將完成時(shí)，生產(chǎn)前唯一要緊的是盡快加熱該泵體，使其在固定的工作溫度范圍運(yùn)轉(zhuǎn)，并確保基質(zhì)瀝青在固定的溫度循環(huán)并參與生產(chǎn)。由于泵體導(dǎo)熱油管道直徑與主循環(huán)管道直徑差別太大，而此時(shí)其余受熱單元一般不需要集中加熱，加熱過程中往往出現(xiàn)上述三種不良情況，導(dǎo)致系統(tǒng)溫度、壓力失控，循環(huán)紊亂，設(shè)備故障頻出，加熱效率極其低下，能耗急劇上升。按照上述理論，我們?cè)谥餮h(huán)管道末端，即主機(jī)瀝青泵靠后部位改造加裝了節(jié)流閥和壓力表以后，通過計(jì)算不同工況下負(fù)載壓力的理論值，及時(shí)調(diào)整節(jié)流閥的開度，確保系統(tǒng)壓力和流量，結(jié)果使得加熱效率大大提高，系統(tǒng)壓力和溫度也達(dá)到非常穩(wěn)定的程度。不同工況下負(fù)載壓力計(jì)算結(jié)果見表1。

5 結(jié)語

以上數(shù)據(jù)充分說明，采用系統(tǒng)主循環(huán)末端節(jié)流控制方式，可以有效改善并聯(lián)加熱系統(tǒng)各受熱單元，特別是末端受熱單元加熱效率，并可有效控制系統(tǒng)壓力，平抑介質(zhì)溫度差異，穩(wěn)定系統(tǒng)流量，實(shí)現(xiàn)加熱溫度的恒定和精確，對(duì)整個(gè)加熱循環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定、高效、可靠工作起到直接和有效的調(diào)控作用。由此可見，日常應(yīng)用中的加熱系統(tǒng)完全區(qū)別于我們理想的設(shè)計(jì)原始模型，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、介質(zhì)特性的不同，是造成實(shí)際應(yīng)用中的結(jié)果出現(xiàn)巨大差異的根本性原因。工程實(shí)踐中對(duì)于加熱介質(zhì)的選擇十分有限，為此，我們努力的方向應(yīng)放在充分分析現(xiàn)實(shí)的加熱工況，對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有預(yù)見性的優(yōu)化改造上，以結(jié)構(gòu)保障性能，從而有效避免上述負(fù)面差異的出現(xiàn)，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，并且在系統(tǒng)整體加熱效率提高、節(jié)能減排方面會(huì)取得意想不到的效果。通過以上分析及工程實(shí)踐應(yīng)用，再次讓我們看到，采用系統(tǒng)主循環(huán)末端節(jié)流控制這種優(yōu)化的加熱控制方式憑借其簡(jiǎn)單易行、高效節(jié)能、精確可控、穩(wěn)定可靠的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，必將在工業(yè)生產(chǎn)、工程施工等各領(lǐng)域發(fā)揮更加積極的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義和深遠(yuǎn)的工科影響意義。

[1]劉 剛，趙 林，趙 海.基于熱電廠熱源的熱力站板式換熱器選型計(jì)算[J].山西建筑，2010，36(15):168-169.