第23章-冷却水系统-传热

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• 系统类型
• 传热经济学
• 监控

冷却系统的功能是从工艺或设备中除去热量。从一种介质中除去的热量被转移到另一种介质或工艺流体中。通常，冷却介质是水。然而，本章讨论的传热概念和计算也可以应用于其他流体。

在冷却系统的设计和运行中，有效的散热是一项经济的要求。热传递的驱动力是两种介质之间的温差。在大多数冷却系统中，这是在10-200华氏度的范围内。热流通量通常较低，在5,000至15,000 Btu/ft的范围内²/人力资源。对于熔化金属的间接冷却等特殊情况，热流通量可高达3,000,000 Btu/ft²/人力资源。

工艺流体或设备的热量传递导致冷却水温度升高，甚至状态改变。水的许多性质，以及其中所含污染物的行为，都受到温度的影响。系统的腐蚀、结垢或支持微生物生长的趋势也受到水温的影响。这些影响，以及控制条件，促进他们，将在后续章节中讨论。

系统类型

在热交换过程中加热的水有两种处理方式。水可以在升高的温度下排放到接收体(直通冷却系统)，也可以冷却再利用(循环冷却系统)。

有两种不同类型的水冷却和再利用系统:开放式和封闭式再循环系统。在开放式循环系统中，冷却是通过蒸发一小部分水来实现的。蒸发导致系统中纯水的流失和剩余溶解固体的浓缩。为了控制这一浓度，水必须被除去或吹掉，然后必须加入淡水来补充系统。

闭式再循环系统实际上是冷却系统中的冷却系统。通过与另一种流体交换的方式，将含有从该过程中传递的热量的水冷却以便重新使用。这类系统的水分损失通常很小。

三种类型的冷却系统——直通、开式再循环和闭式再循环——将在后面的章节中详细描述。为每个系统设计适当治疗方案的具体方法也包含在这些章节中。

传热经济学

在设计中换热系统，建立系统的资本成本必须与持续的操作和维护成本相权衡。通常，较高的资本成本(更多的交换面，奇异的冶金，更有效的塔填料等)导致较低的运行和维护成本，而较低的资本成本可能导致较高的运行成本(泵和风机马力，所需的维护等)。必须考虑的一项重要操作成本是防止工艺或水边腐蚀、沉积物和水垢以及微生物污染所需的化学处理。这些问题会对传热产生不利影响，并可能导致设备故障(参见图23-1）.

传热

下面是对热交换器设计中涉及的复杂考虑因素的概述。有许多文本可以提供更详细的信息。

在传热系统中，当两种温度不等的流体接近平衡时，热量被交换。温差越大，传热越快。

然而，对于一个动态系统，温度只是涉及到换热器设计的众多因素之一。其他需要考虑的因素包括传热发生的区域、所涉及流体的特性、流体速度和换热器冶金的特性。

工艺热负荷、工艺温度和可用冷却水供应温度通常在设计的初始阶段规定。换热器的尺寸是根据工艺和水流速度、壳体类型、管的布置、挡板、冶金和流体的污垢倾向等重要参数计算的。

换热器设计中的因素由传热方程联系起来:

Q = uaDT米在哪里Q =传热速率(Btu/hr)

U =换热系数(Btu/hr/ft .²F) A =传热表面积(ft²）

DTm =流体间平均温差的对数(华氏度)

换热速率Q由以下公式确定:Q = wcDT + wDH在哪里

W =流体流速(lb/hr) C =流体比热(Btu/lb/℉)

DT =流体温度变化(F度)DH =蒸发潜热(Btu/lb)

如果流体不改变状态，则方程为Q = WC DT。

换热系数U表示换热器的热导。U值越高，热量就越容易从一种流体传递到另一种流体。热导是热流电阻R的倒数。

对热流的总阻力是几个单独阻力的和。这在图23-2数学表达式如下。

Rt = r1 + r2 + r3 + r4 + r5其中Rt =总热流阻力

R1 =工艺侧膜的热流阻力

R2 =工艺侧污垢(如有)的热流阻力

R3 =换热器管壁热流阻力

R4 =水侧污垢(如有)的热流阻力

R5 =水侧膜的热流阻力

工艺侧膜和冷却水膜的热流阻力取决于设备几何形状、流速、粘度、比热和热导率。速度对管内水的换热的影响示于图23-3．

由污垢引起的热流阻力根据污垢层、流体以及造成污垢层的流体中的污染物的特性而有很大的不同。在换热器的设计中，一般可以容纳少量的污垢。但是，如果不将结垢保持在最低限度，传热阻力将增加，U系数将降低到换热器不能充分控制过程温度的程度。即使没有达到这一点，转移过程的效率也较低，而且可能存在浪费。

管的传热阻力只取决于结构材料，不随时间而改变。由于侵蚀或腐蚀而变薄的管壁可能具有较小的阻力，但这不是一个显著的变化。

对数平均温度差(DTm)是一种数学表达式，表示沿热交换器的每一点上两种流体之间的温度差。对于真正的逆流或共流:

当流体状态没有变化时，逆流换热器比共流换热器换热效率更高。因此，大多数冷却器以逆流或变化的逆流流动运行。计算DTm对于不是真正逆流的交换器配置，公式可能需要修正。

监控

换热方程在监测换热设备的状态或处理方案的效果时很有用。管子的电阻是恒定的;系统几何形状不变。如果流程侧和冷却水侧的流速都保持不变，膜阻也将保持不变。U系数测量值的变化可用于估计正在发生的污垢量。如果U系数不变，则在极限侧没有发生结垢。当换热器结垢时，U系数减小。因此，操作过程中U值的比较可以提供有关清洁需要的有用信息，并可用于监测处理方案的有效性。

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清洁系数或污垢系数的使用也有助于比较热交换器的条件，在服务期间，设计条件。清洁度系数(Cf)为百分数，计算公式如下:

污垢造成的阻力，或污垢系数(R_f，为初始总换热系数(U_我)和服务期间的总传热系数(U_f)表示如下:

热交换器通常设计污垢系数为0.001至0.002，这取决于工艺流体和冷却水的预期条件。

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