換熱器傳熱效率計算在粗苯系統的應用

陳 淼，卓華艷

（濟鋼集團有限公司 化工廠，山東 濟南250101）

換熱器傳熱效率計算在粗苯系統的應用

陳 淼1，卓華艷2

（濟鋼集團有限公司 化工廠，山東 濟南250101）

在粗苯生產中需要定期測算評估換熱器的換熱效率，再決定停換熱器清洗維護的時間。本研究給出了與換熱介質流量及進出換熱器介質溫度相關的換熱器傳熱效率核算方法，計算出的換熱效率真實體現了實際的換熱器內部介質之間傳熱效率的高低以及換熱器內部結垢程度，為清洗換熱器提供了參照。

粗苯系統；換熱器；熱效率計算

1 前言

在粗苯生產中，換熱器富油溫度的高低，直接決定著粗苯工序的能耗指標。當換熱器熱效能降低到一定程度時將不能滿足實際工況的需要，能耗損失也很大，此時就需要對換熱器進行除垢清洗維護。然而，化工生產是一個連續的過程，每一次的開停，換熱器能量和原料損失都很大。所以要定期測算評估換熱器的換熱效率，再決定需要停工清洗的時間。本研究討論了如何準確核算換熱器的傳熱效率，以評估換熱器的換熱能力,為換熱器的清洗維護提供依據，減少系統停工帶來的損失。

2 計算分析

目前尚未有統一嚴格計算換熱器熱效率差的公式。理論上計算換熱器的熱效率，通常采用輸出熱量與輸入熱量之比，即

但計算的僅僅是換熱器熱效率的基本概念，僅反映出該換熱器外殼絕熱性能的優劣，不能反映換熱器結構本身的影響和介質之間傳熱效率的高低。而實際上不同的換熱設備結構不同，流體流向、流體類型也都有差別，導致換熱效率也各不相同，需要綜合換熱器的各種結構特點，尋找出最合適的傳熱效率表達式。

換熱器有一個最大可傳遞熱量的概念，作為一個理想換熱器，在理想工況下（不發生對外熱輻射，管道內外部不結垢，介質流體在內部不存在阻力等），最大可傳遞的熱量可以全部用來轉化為冷介質升溫的能量或者熱介質降溫散發的熱量，此時傳遞效率為100%。但是在實際生產實踐中，存在各種各種影響能量恒定的外在因素，導致換熱器能量傳遞效率不可能達到100%。本研究以濟鋼化工廠一系統粗苯貧富油螺旋板換熱器為例，換熱器的換熱基本方程式如下[1]：

式中：G1、G2分別為貧油、富油流量，T1、T2分別為貧油油進出換熱器的溫度，t1、t2分別為富油進出換熱器的溫度，C為油的比熱，K、F分別為換熱器的傳熱系數和傳熱面積，△tp為加熱與被加熱介質之間的對數平均溫度差。要使加熱介質的熱量100%地傳給被加熱介質，需要△tp→0，t2=T1，即換熱器完成熱傳遞后一端的溫度差為0，稱為理想換熱器，但實際上是不可能的。由此，換熱器的熱效率表達式[3]應為：

由式（3）知，理想換熱器最大可傳遞熱量：

被加熱介質吸收的真實熱量：

代入換熱器介質之間傳公式（2），即

3 傳熱效率計算

根據目前濟鋼化工廠一系統粗苯的生產模式，貧油從塔底出來，與富油在一級、二級貧富油換熱器進行換熱[2]，換熱器類型有螺旋板式及板框式，實際測量溫度見表1。

以一段5#貧富油換熱器數據為例計算該換熱器的熱效率和介質之間的傳熱效率。其中貧富油流量90 t/h，富油流量70 t/h

利用公式（1）基本概念的熱效率公式計算出的換熱器熱效率為：

表1 濟鋼化工廠一系統粗苯貧富油換熱器測量數據

利用式（4）基本概念的熱效率公式計算出的換熱器熱效率為：

以上分析和計算結果表明：

1）采用基本概念的熱效率公式（1）計算所得換熱器的熱效率為73.7%，這個數據只能反映換熱器外表面絕熱性能的好壞和熱量損失的高低，而不能反映換熱器內部結垢對介質之間換熱性能的影響。

2）采用熱效率表達式（4）計算所得的結果62.9%，真實體現了實際的換熱器內部介質之間傳熱效率的高低以及換熱器內部結垢的嚴重程度，可為清洗換熱器提供參照。

3）根據以上計算結果，定期測算換熱器進出口溫度，再對比生產工藝數據，依此評判是否需要停換熱器進行維護清洗。評估方法簡單易行。

4）考慮到換熱器本身結構以及散熱等因素，參照相關文獻，換熱器效率達到90%以上就是很好的操作水平。

5）在兩相介質接觸時，介質的溫度越高，換熱效率越好。這是由于溫度越高，流體之間接觸越劇烈，反之溫度越低，熱輻射以及熱傳導明顯下降。

6）被加熱流體的溫差＜5℃時，熱流體的冷卻很大程度上是自身在換熱器內部散熱帶來的溫降。此時換熱器即使滿足工藝要求也存在較大的管理漏洞。

4 結語

濟鋼化工廠原來只是簡單的檢查進出口溫差來評判換熱器效率，停工清洗影響產量損失較大，有的時候清洗完后，換熱器效率幾乎沒有變化。本研究探討的換熱器換熱效能和內部介質之間熱傳遞效率的計算方法是一種監測評估方法，通過這種方法來評估確認換熱器換熱能力，確定換熱器是否需要維護清洗簡單有效，對濟鋼化工廠換熱器維護管理有指導意義。2015年，濟鋼化工廠一系統僅換熱器清洗帶來的產量損失就高達40 t，按照目前市場價格來計算，損失達20萬元。換用本研究方法評價換熱器后，2016年粗苯幾乎很少進行換熱器清洗，清洗周期變長，粗苯產量也穩中有升，為企業帶來了實際的價值。

[1] 譚天恩，麥本熙，丁惠華.化工原理[M].北京：化學工業出版社，2001.

[2] 呂佐周，王光輝.燃氣工程[M].北京：冶金工業出版社，1994.

[3] 賈頌祺，丁伯民，徐英，等.化工設計設備[M].北京：化學工業出版社，2002.

Application of Heat Transfer Efficiency Calculation of Heat Exchangers in Crude Benzol System

CHEN Miao,ZHUO Huayan

（The Chemical plant of Jinan Iron and Steel Group Co.,Ltd.,Jinan 250101,China）

In the production of raw benzene,the heat exchanger efficiency needs to be calculated and evaluated frequently,then the time to replace and to wash the translator is decided.This study presents the heat exchanger efficiency calculationmethod for the flow and heat transfermedium andmedium temperature in and out of the heat exchanger.It provides a theoretical reference for heat exchanger wash andmaintenance,and also the production of raw benzene has been improved.

crude benzene system;heat exchanger;thermal efficiency calculation

TQ051.1

A

1004-4620（2017）04-0050-02

2016-12-14；

2017-07-13

陳淼，男，1988年生，2012年畢業于武漢科技大學化學工程與工藝專業。現為濟鋼集團有限公司化工廠工程師，從事化產回收工藝研究以及循環水系統處理工作。