分體式自清洗工業廢氣余熱回收裝置設計

紀運廣，張 瀟，李洪濤，馬 輝

（1.河北科技大學機械工程學院，河北 石家莊 050018；2.河北愛節能源科技有限公司，河北 石家莊 055250）

1 引言

化纖生產過程要經過各種高溫處理和化學處理，所排放的含有二硫化碳、硫化氫、氨氣和二氧化硫等成分的廢氣雖然經過層層過濾仍有一定的纖維和油污，溫度一般高于80℃。對廢氣余熱進行回收可提高能源利用效率，降低生產成本，但傳統的余熱回收裝置是由翅片管排緊固連接的一體式換熱器，經過一段時間運行后翅片管表面集聚的纖維粘結污垢層逐漸增厚，拆裝清洗困難，造成換熱效率降低，風阻變大等問題。針對上述問題，設計了一種分體式自清洗工業廢氣余熱回收裝置，采用分體式換熱器和基于PLC的自動清洗控制系統，實現了換熱片的自動分合和翅片管的自動清洗功能，從而可以維持較高的換熱效率，提高能源利用率，減少企業生產和運行成本［1-2］。

2 余熱回收裝置總體設計方案

分體式自清洗工業廢氣余熱回收裝置由機械結構和控制系統兩部分組成。機械結構主要由機架、換熱器組、進風口、出風口、換熱器導軌、雙軸直線滑臺刷洗結構、供水系統、單軸直線模組拉板小車和集油池等組成，如圖1 所示。控制系統由觸摸屏（HMI）、PLC控制器、限位開關、壓力傳感器、溫度傳感器、流量傳感器和伺服驅動器等組成。

圖1 分體式自清洗工業廢氣余熱回收裝置Fig.1 The Split Self-Cleaning Heat Recovery Device for Industrial Waste Gas

氣和水比熱容相差較大，傳熱阻力大部分在管外側，因此采用高翅片管結構叉排排列，能夠增加氣流湍動強度，提高管外側換熱系數［3-4］。換熱器組設計為分體式，即換熱器組在正常運行時翅片管排被拉板小車拉緊密封，清洗時由拉板小車逐個拉開，進行刷洗。機架長寬高為：（1700×1400×2800）mm，分體式換熱器長寬高為：（1700×1500×450）mm。廢氣出口溫度為（56±2）℃；換熱出水溫度62℃，出水流量約為10t∕h；控制方式為數字化現場控制。

2.1 換熱器翅片管熱力學模型

換熱器單翅片換熱示意圖，如圖2 所示。清潔狀況下（圖2（b））換熱系數為：

圖2 換熱器單翅片管換熱示意圖Fig.2 Schematic Diagram of Heat Transfer of Single Fin

式中：K0—清潔狀況下的換熱系數，W∕（m2·K）；R1—清潔狀況下翅片管外廢氣與翅片管外壁換熱熱阻，（m2·℃）∕W；R2—清潔狀況下翅片管內熱水與翅片管內壁換熱熱阻，（m2·℃）∕W；Rɑ—翅片的導熱熱阻，（m2·℃）∕W。

在有污垢的狀況下（圖2（b））換熱系數為：

式中：K—污垢狀況下的換熱系數，W∕（m2·K）；R3—污垢狀況下翅片管外廢氣與翅片管外壁換熱熱阻，（m2·℃）∕W；R4—污垢狀況下翅片管內熱水與翅片管內壁換熱熱阻，（m2·℃）∕W；Rɑ—翅片的導熱熱阻，（m2·℃）∕W；Rf—污垢狀況下翅片管污垢層換熱熱阻，（m2·℃）∕W。

污垢層熱阻為：

式中：Δ—污垢層厚度，m；λ—污垢的熱導率，W∕（m·K）。

由式（2）可知，污垢的層積導致翅片換熱系數下降，為維持較高的換熱效率，換熱器運行一定時間后必須進行清洗。

2.2 分體式換熱器設計

分體式換熱器由10個迎風面尺寸為（1000×1500）mm的復合軋制碳鋼管翅片管排組成，如圖3所示。結構參數，如表1所示。

表1 翅片管結構參數Tab.1 Structural Parameters of Finned Tube

圖3 分體式換熱器結構圖Fig.3 Structural Diagram of the Split Heat Exchanger

每兩個翅片管排之間由軟管連通，接觸面之間裝有密封墊防止漏氣，最后一個翅片管排與出風口固定連接，每個翅片管排上下各裝有2個滾輪。

式中：p—翅片節距，mm。

計算得單翅片管翅片數量n為300，則換熱器總翅片為66000片。1500mm長的翅片管上翅片換熱面積Af為：

式中：Df—翅片外徑，mm；Db—基管外徑，mm。

計算得單根翅片管的翅片換熱面積Af為0.46m2，則換熱器翅片換熱總面積為：100.3m2。

單根翅片管翅片之間的光管面積A0為：

式中：T—翅片厚度，mm。

計算得單根翅片管翅片之間的光管面積A0為0.07536m2，則換熱器翅片間光管換熱總面積為16.5792m2。

換熱器總換熱面積為116.8792m2。

2.3 自清洗機構設計

換熱器自清洗機構由單軸直線模組拉板小車和雙軸直線滑臺刷洗機構組成。

單軸直線模組拉板小車，如圖4所示。換熱器左右兩側機架上安裝有單軸直線模組，模組滑塊上安裝有拉板小車，PLC通過發送高低電平信號控制小車彎爪電磁鐵的通斷來夾抓翅片管排，同時PLC發送脈沖信號給伺服驅動器控制伺服電機直線模組帶動拉板小車，使翅片管排可以沿著鋪設在機架上的導軌在一定范圍內精確定位。換熱器上方機架上安裝有雙軸直線滑臺刷洗結構，如圖5所示。刷洗結構通過X軸直線滑臺水平定位到兩翅片管排之間，通過Y軸直線滑臺完成上下刷洗動作，同時高壓噴頭和高壓水泵產生高壓水射流來沖蝕掉翅片管表面的油污，流到下方的集油池中集中處理。直線模組的長度為：1200mm，拉板小車每次運動距離為750mm，共清洗10組翅片管排，清洗完成后翅片管排回歸原位運動距離為750mm，小車運動速度為1.65m∕min，清洗一個翅片管排時間為14.5min，總清洗時長約為2.5h。

圖4 單軸直線模組拉板小車結構圖Fig.4 Structural Diagram of Push-Pull Trolley with One-Axle Linear Module

圖5 雙軸直線滑臺刷洗結構圖Fig.5 Structural Diagram of Brushing for Two-Axle Linear Sliding Platform

3 換熱器自清洗工藝控制與分析

3.1 控制流程

自清洗控制流程主要由換熱器組解除密封、翅片管排定位、刷洗結構定位、循環清洗、換熱器組壓緊密封等工序組成。控制系統軟件流程，如圖6所示。

圖6 控制系統軟件流程圖Fig.6 Flow Chart of the Control System

3.2 自清洗裝置控制系統設計

自清洗裝置控制系統由觸摸屏、S7 200 SMART PLC、伺服驅動系統、變頻器、限位開關及傳感器等裝置組成［8］。伺服驅動系統控制直線導軌水平或豎直移動，變頻器控制三相異步電機實現對高壓噴頭的供水，光電限位傳感器反饋直線導軌運行位置，溫度傳感器用來檢測設備運行過程中風溫的變化并反饋到模擬量模塊［10-11］，壓力傳感器用來檢測高壓噴頭是否達到額定壓力并進行調節，流量傳感器用來顯示換熱出水量。

具體控制流程如下：（1）PLC給伺服驅動器C、D發送指令信號，伺服電機解除抱死，使拉板小車松開對換熱器組的壓緊密封，此時小車彎爪仍處于開啟狀態；（2）PLC繼續給伺服電機C、D發送脈沖，使拉板小車彎爪抓取第n排翅片管排正方向移動至光電傳感器C2、D2（拉板參考點）位置處停止，移動距離設為L，關閉彎爪，反方向移動L+P（一排翅片管排厚）的距離，打開彎爪，抓取第n-1排翅片管排正方向移動L+P-S（刷洗間距）的距離；（3）與此同時，PLC分別給伺服驅動器A和步進電機B發送脈沖，X軸直線滑臺首先由光電傳感器A3（X軸右限位開關）位置反方向水平移動至光電傳感器A2（X軸水平參考點）位置，然后Y軸直線滑臺由光電傳感器B1（Y軸上限位開關）位置豎直移動至光電傳感器B2（Y軸豎直參考點）位置，此時刷洗結構位于待清洗兩排翅片管排之間；（4）打開2.2kW高壓水泵，清洗壓力為5MPa，噴頭直徑為1mm的14個多孔固定式40°扇形噴頭產生的高壓水流沖洗掉翅片管上溶于熱水的油污和附著的纖維雜質［7］，Y軸直線滑臺帶動刷洗結構在Y軸豎直參考點B2和下限位開關B3之間反復移動若干次，最終滑臺返回至Y軸上限位開關B1處，結束一次清洗過程。第二次刷洗之前需將第8排翅片管排正方向移動L+P-S（刷洗間距）的距離，X軸直線滑臺反方向移動S（刷洗間距）的距離，實現循環刷洗功能；（5）單軸伺服直線模組驅動拉板小車沿正方向尋找到拉板參考點C2、D2后，彎爪開啟，夾抓第n排翅片管排并沿反方向移動L距離以壓緊密封換熱器組，結束清洗。

3.3 控制系統硬件設計

控制系統由PLC控制器、伺服電機、步進電機、變頻器、傳感器等組成，操作人員通過控制柜上的按鈕和觸摸屏對整個設備進行控制［9］。控制系統硬件，如圖7所示。控制電源電路共有6個空氣開關，總開關控制支路開關及開關電源，支路開關主要控制變頻器、3個伺服驅動器和1個步進驅動器，總空氣開關為63A，其他空氣開關10A，開關電源24V-5A為PLC及中間繼電器供電，如圖8所示。

圖7 控制系統硬件圖Fig.7 Hardware Elements of the Control System

圖8 控制系統框圖Fig.8 Block Diagram of the Control System

根據被控對象數量計算出輸入點共26個，輸出點共15個，模擬量4 路，且直線導軌需接受脈沖才能運行，因此選擇S7 200 SMART ST60直流型作為控制器，該型號PLC共有60個觸點（36個輸入觸點和24個輸出觸點）。擴展模塊選擇4路模擬量輸入2路模擬量輸出的EM AM06。

4 樣機與測試

分體式自清洗工業廢氣余熱回收裝置實驗樣機，如圖9所示。

圖9 分體式自清洗工業廢氣余熱回收裝置樣機Fig.9 Prototype of the Split Self-Cleaning Heat Recovery Device for Industrial Waste Gas

在8萬噸∕年粘膠短纖維生產線中進行了在線測試，發現生產過程中排出的高溫（80～90）℃且含有油類和纖維物質的氣體。由于化纖廢氣中含有硅氧烷的冷凝現象，換熱系數提升了2個數量級。經過換熱裝置換熱后，廢氣溫度降低大約30℃，循環水溫度提升了17℃。對實驗樣機每5天進行一次熱功率測試，換熱器污垢層厚度變化曲線，如圖10所示。由圖10可知，因污垢層厚度逐漸增加，熱功率隨時間的推移逐漸下降。在采用自清洗分體式換熱裝置后，清洗周期由60天（污垢層厚度最大為6mm）變為35天（污垢層厚度最大為4.4mm），因污垢層平均厚度變小，換熱器總熱功率輸出增加。

圖10 換熱器污垢層厚度變化曲線Fig.10 Variation Curve of the Dirt Layer Thickness

整體式換熱裝置和自清洗分體式換熱裝置熱功率變化對比曲線，如圖11所示。

圖11 采用自清洗裝置前后熱功率變化對比曲線Fig.11 Comparison Curves of Thermal Power Changes Before and After Adopting Self-Cleaning Device

整體式換熱裝置前35天熱功率下降較快，由第1天的198kW下降到第35天150kW，熱功率下降約24%；第35到60天隨著污垢層厚度增加變慢，熱功率下降也變慢，由第35天的150kW下降到132kW。分體式自清洗換熱裝置的功率在第35 天降低為150kW，清洗污垢層后恢復到198kW，然后再逐漸下降。分體式自清洗換熱裝置實驗樣機3個月的測試結果表明，效率比整體式換熱裝置提升約5%。

5 結論

低品位熱能的回收利用可提高能源利用率，降低生產成本，減少污染物排放。針對化纖生產廢氣余熱回收裝置運行一段時間后因污垢層堆積而換熱效率下降的問題，研發了一種分體式自清洗工業廢氣余熱回收裝置，基于PLC控制實現了分體式換熱器的開合和高壓水射流自動化清洗，降低了人工勞動強度，清洗時間縮短為原整體式換熱裝置的1∕4，效率提升大約5%。樣機測試結果表明該裝置方案可行，功能和性能滿足要求，可為含油和纖維雜質工業廢氣余熱回收利用裝置的設計提供參考。