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　　換熱器是廣泛用于石油、化工、電力、醫(yī)藥、冶金、制冷、輕工等行業(yè)的一種通用設(shè)備。主要作用使化工介質(zhì)達到要求的溫度，并且節(jié)能。換熱器種類繁多，其中管殼式換熱器用途最為廣泛，用量最大，通常在化工裝置中，換熱器約占總投資的10％一20％。在石油煉制裝置中，換熱器約占全部工藝設(shè)備投資的35％～4O％。

一、換熱器的分類

換熱器分類方式多樣，按照其工作原理可分為：直接接觸式換熱器、蓄能式換熱器和問壁式換熱器三大類，其中間壁式換熱器用量最大，據(jù)統(tǒng)計，這類換熱器占總用量的99％。間壁式換熱器又可分為管殼式和板殼式換熱器兩類，其中管殼式換熱器以其高度的可靠性和廣泛的適應(yīng)性，在長期的操作過程中積累了豐富的經(jīng)驗，其設(shè)計資料比較齊全，在許多國家都有了系列化標準。近年來盡管管殼式換熱器也受到了新型換熱器的挑戰(zhàn)，但由于管殼式熱交換器具有結(jié)構(gòu)簡單、牢固、操作彈性大、應(yīng)用材料廣等優(yōu)點，管殼式換熱器目前仍是化工、石油和石化行業(yè)中使用的主要類型換熱器，尤其在高溫、高壓和大型換熱設(shè)備中仍占有絕對優(yōu)勢。

二、提高換熱效率的方法與措施

換熱器在化工生產(chǎn)過程中起著至關(guān)重要的作用，其投資費用占全部投資費用較大。傳統(tǒng)的管殼式換熱器單位體積的傳熱面積較低，傳熱系數(shù)不高，難以滿足生產(chǎn)要求，因而，高效換熱器的研究越來越得到重視。提高換熱器的換熱效率是節(jié)約能源、降低工程投資的關(guān)鍵，對于提高換熱效率國內(nèi)外非常重視。

目前主要采用下述措施：

1、研究應(yīng)用強化傳熱技術(shù)，擴展傳熱面積和提高傳熱表面的傳熱性能；

2、改變換熱器折流板結(jié)構(gòu)(折流桿技術(shù)等)以提高殼程的傳熱膜系數(shù)，增加介質(zhì)的湍流性，防止介質(zhì)走短流；

3換熱管內(nèi)外表面防污垢技術(shù)(防污垢涂層技術(shù))。

4、應(yīng)用數(shù)值傳熱技術(shù)的研究。目前研究應(yīng)用強化傳熱技術(shù)是提高傳熱效率很有效的一種技術(shù)措施，本文主要討論應(yīng)用強化傳熱技術(shù)對換熱器進行改進。所謂換熱器傳熱強化或增強傳熱是指通過對影響傳熱的各種因素的分析與計算，采取某些技術(shù)措施以提高換熱設(shè)備的傳熱量或者在滿足原有傳熱量條件下，使它的體積縮小。

換熱器傳熱強化通常使用的手段包括三類：擴展傳熱面積(F)；加大傳熱溫差；提高傳熱系數(shù)(K)。

1．?dāng)U展傳熱面積F。擴展傳熱面積是增加傳熱效果使用最多、最簡單的一種方法。這種方法現(xiàn)在已經(jīng)淘汰�，F(xiàn)在使用最多的是通過合理地提高設(shè)備單位體積的傳熱面積來達到增強傳熱效果的目的，如在換熱器上大量使用單位體積傳熱面積比較大的翅片管、波紋管、板翅傳熱面等材料。

2．加大傳熱溫差△t。加大換熱器傳熱溫差△t是加強換熱器換熱效果常用的措施之一。但是，增加換熱器傳熱溫差△t是有一定限度的，我們不能把它作為增強換熱器傳熱效果最主要的手段，使用過程中我們應(yīng)該考慮到實際工藝或設(shè)備條件上是否允許。

3．增強傳熱系數(shù)(K)。增強換熱器傳熱效果最積極的措施就是設(shè)法提高設(shè)備的傳熱系數(shù)(K)。換熱器傳熱系數(shù)(K)值越低，換熱器傳熱效果也就越差。換熱器傳熱系數(shù)(K)值也就越高，換熱器傳熱效果也就越好。

上述三方面增強傳熱效果的方法在換熱器都或多或少的獲得了使用，但是由于擴展傳熱面積及加大傳熱溫差常常受到場地、設(shè)備、資金、效果的限制，不可能無限制的增強。所以，當(dāng)前換熱器強化傳熱的研究主要方向就是：如何通過控制換熱器傳熱系數(shù)(K)值來提高換熱器強化傳熱的效果。我們現(xiàn)在使用最多的提高換熱器傳熱系數(shù)(K)值的技術(shù)就是：在換熱器換熱管中加擾流子添加物，通過擾流子添加物的作用，使換熱器傳熱過程的分熱阻大大的降低，并且最終來達到提高換熱器傳熱系數(shù)(K)值的目的。

(1)換熱器上擾流子強化傳熱的使用。為了提高換熱器的傳熱系數(shù)，強化換熱器的傳熱效率，國內(nèi)外出現(xiàn)了多種強化元件及強化措施，主要包括在換熱器中使用螺紋管、橫紋管、縮放管、大導(dǎo)程多頭溝槽管、整體雙面螺旋翅片管以及互程技術(shù)在換熱管中加擾流子來強化管內(nèi)換熱等。其中，在換熱管中加擾流子添加物進行強化傳熱在工業(yè)上已使用了多年，它可以使換熱器總的傳熱系數(shù)出現(xiàn)明顯的提高，可以大大節(jié)省換熱器的傳熱面積，降低設(shè)備重量，節(jié)約大量金屬材料，它的許多優(yōu)點已日益引起人們的重視。

(2)采用異形管。為了強化管束傳熱，在工程應(yīng)用上已越來越廣泛地采用異形管來代替圓管。如橢圓管、滴形管、透鏡管等。其中以扁管和橢圓管應(yīng)用最廣。以橢圓矩形翅片管為例，經(jīng)研究證明與圓管相比，由于橢圓管的流動性好，流動阻力小，且在相同的管橫截面積下，橢圓管的傳熱周邊比圓管長；從布置上講在單位體積內(nèi)可布置更多的管子，因此單位體積的傳熱量高。在滿足一定換熱量的前提下，換熱器向著高效、緊湊的方向發(fā)展。強化傳熱技術(shù)的應(yīng)用，國內(nèi)研發(fā)了一些新型高效換熱器如內(nèi)凸肋管式換熱器、螺旋式高效換熱器。

三、換熱器的改進

借鑒以往換熱器的研究成果，在本文中對換熱器提出了如下改進，設(shè)計了一種新?lián)Q熱器一內(nèi)凸肋螺旋式高效換熱器。內(nèi)凸肋螺旋式換熱器，該產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點如下：1．換熱管采用內(nèi)凸肋以擴展傳熱面積；2．換熱管是螺旋橢圓截面；3．管柬中管子與管子在橢圓長軸處相接觸，相互支撐百取消了折流板；換熱管采用螺旋式形狀。該換熱器有如下優(yōu)勢：1．換熱管采用內(nèi)凸肋以擴展傳熱面積；2．無折流板結(jié)構(gòu)以提高殼程的傳熱膜系數(shù)，增加介質(zhì)的湍流性；3．換熱管改變成螺旋形換熱管，使之換熱形式由直通式流動換熱變成螺旋紊流流動換熱，流動換熱長度增加1．5倍，換熱效率提高1．9倍，比光滑管設(shè)備體形小，重量輕，節(jié)約原材料。該新型換熱器比常規(guī)管殼式換熱器可節(jié)省傳熱面積26％一56％，節(jié)省制造成本2O％一35％。同等性能條件下，高效節(jié)能換熱器體積減小，能夠大大降低項目投資。

四、換熱管的生產(chǎn)方法

內(nèi)凸肋橢圓換熱管可以采用板帶軋制與焊接鋼管聯(lián)合法生產(chǎn)。此種方法以板帶為
一、 水泵節(jié)能改造的必要性

中央空調(diào)是大廈里的耗電大戶，每年的電費中空調(diào)耗電占60%左右，因此中央空調(diào)的節(jié)能改造顯得尤為重要。

由于設(shè)計時，中央空調(diào)工程必須按天氣最熱、負荷最大時設(shè)計，并且留10-20%設(shè)計余量，然而實際上絕大部分時間空調(diào)是不會運行在滿負荷狀態(tài)下，存在較大的富余，所以節(jié)能的潛力就較大，其中，冷凍主機可以根據(jù)負載變化隨之加載或減載，冷凍水泵和冷卻水泵卻不能隨負載變化作出相應(yīng)調(diào)節(jié)，存在很大的浪費。

水泵工程的流量與壓差是靠閥門和旁通調(diào)節(jié)來完成，因此，不可避免地存在較大截流損失和大流量、高壓力、低溫差的現(xiàn)象，不僅大量浪費電能，而且還造成中央空調(diào)最末端達不到合理效果的情況。為了解決這些問題需使水泵隨著負載的變化調(diào)節(jié)水流量并關(guān)閉旁通。

再因水泵采用的是Y-△起動方式，電機的起動電流均為其額定電流的3～4倍，一臺90KW的電動機其起動電流將達到500A，在如此大的電流沖擊下，接觸器、電機的使用壽命大大下降，同時，起動時的機械沖擊和停泵時水垂現(xiàn)象，容易對機械散件、軸承、閥門、管道等造成破壞，從而增加維修工作量和備品、備件費用。

綜上，為了節(jié)約能源和費用，需對水泵工程進行改造，經(jīng)市場調(diào)查與了解采用成熟的變頻器來實現(xiàn)，以便達到節(jié)能和延長電機、接觸器及機械散件、軸承、閥門、管道的使用壽命。

這是因為變頻器能根據(jù)冷凍水泵和冷卻水泵負載變化隨之調(diào)整水泵電機的轉(zhuǎn)速，在滿足中央空調(diào)工程正常工作的情況下使冷凍水泵和冷卻水泵作出相應(yīng)調(diào)節(jié)，以達到節(jié)能目的。水泵電機轉(zhuǎn)速下降，電機從電網(wǎng)吸收的電能就會大大減少。

其減少的功耗 △P=P0〔1-(N1/N0)3〕 （1）式

減少的流量 △Q=Q0〔1-(N1/N0)〕 （2）式

其中N1為改變后的轉(zhuǎn)速，N0為電機原來的轉(zhuǎn)速，P0為原電機轉(zhuǎn)速下的電機消耗功率，Q0為原電機轉(zhuǎn)速下所產(chǎn)生的水泵流量。

由上式可以看出流量的減少與轉(zhuǎn)速減少的一次方成正比，但功耗的減少卻與轉(zhuǎn)速減少的三次方成正比。

如：假設(shè)原流量為100個單位，耗能也為100個單位，如果轉(zhuǎn)速降低10個單位，由（2）式△Q=Q0〔1-(N1/N0)〕=100＊〔1-(90/100)〕=10可得出流量改變了10個單位，但功耗由（1）式△P=P0[1-(N1/N0)3]=100＊〔1-(90/100)3〕=27.1可以得出，功率將減少27.1個單位，即比原來減少27.1%。

再因變頻器是軟啟動方式，采用變頻器控制電機后，電機在起動時及運轉(zhuǎn)過程中均無沖擊電流，而沖擊電流是影響接觸器、電機使用壽命最主要、最直接的因素，同時采用變頻器控制電機后還可避免水垂現(xiàn)象，因此可大大延長電機、接觸器及機械散件、軸承、閥門、管道的使用壽命。

二、 水泵節(jié)能改造的方案

中央空調(diào)工程通常分為冷凍（媒）水和冷卻水兩個工程（如下圖，左半部分為冷凍（媒）水工程，右半部分為冷卻水工程）。根據(jù)國內(nèi)外最新資料介紹，并多處通過對在中央空調(diào)水泵工程進行閉環(huán)控制改造的成功范例進行考察，現(xiàn)在水泵工程節(jié)能改造的方案大都采用變頻器來實現(xiàn)。

1、 冷凍（媒）水泵工程的閉環(huán)控制

〔1〕、制冷模式下冷凍水泵工程的閉環(huán)控制

該方案在保證最末端設(shè)備冷凍水流量供給的情況下，確定一個冷凍泵變頻器工作的最小工作頻率，將其設(shè)定為下限頻率并鎖定，變頻冷凍水泵的頻率調(diào)節(jié)是通過安裝在冷凍水工程回水主管上的溫度傳感器檢測冷凍水回水溫度，再經(jīng)由溫度控制器設(shè)定的溫度來控制變頻器的頻率增減，控制方式是：冷凍回水溫度大于設(shè)定溫度時頻率無極上調(diào)。

〔2〕、制熱模式下冷凍水泵工程的閉環(huán)控制

該模式是在中中央空調(diào)中熱泵運行（即制熱）時冷凍水泵工程的控制方案。同制冷模式控制方案一樣，在保證最末端設(shè)備冷凍水流量供給的情況下，確定一個冷凍泵變頻器工作的最小工作頻率，將其設(shè)定為下限頻率并鎖定，變頻冷凍水泵的頻率調(diào)節(jié)是通過安裝在冷凍水工程回水主管上的溫度傳感器檢測冷凍水回水溫度，再經(jīng)由溫度控制器設(shè)定的溫度來控制變頻器的頻率增減。不同的是：冷凍回水溫度小于設(shè)定溫度時頻率無極上調(diào)，當(dāng)溫度傳感檢測到的冷凍水回水溫越高，變頻器的輸出頻率越低。

上海日川電氣公司設(shè)計的空調(diào)變頻器控制工程具有以上功能，通過安裝在冷凍水工程回水主管上的溫度傳感器（如圖，安裝在冷凍水工程回水主管上的A處）來檢測冷凍水的回水溫度，并可直接通過設(shè)定變頻器參數(shù)使工程溫度調(diào)控在需要的范圍內(nèi)。

另外，針對已往改造的方案中首次運行時溫度交換不充分的缺陷，上海日川電氣公司設(shè)計的變頻器控制工程增加了首次起動全速運行功能，通過設(shè)定變頻器參數(shù)可使冷凍水工程充分交換一段時間，然后再根據(jù)冷凍回水溫度對頻率進行無極調(diào)速，并且變頻器輸出頻率是通過檢測回水溫度信號及溫度設(shè)定值經(jīng)ＰＩＤ運算而得出的。

2、 冷卻水工程的閉環(huán)控制

目前，在冷卻水工程進行改造的方案最為常見，節(jié)電效果也較為顯著。該方案同樣在保證冷卻塔有一定的冷卻水流出的情況下，通過控制變頻器的輸出頻率來調(diào)節(jié)冷卻水流量，當(dāng)中中央空調(diào)冷卻水出水溫度低時，減少冷卻水流量；當(dāng)中中央空調(diào)冷卻水出水溫度高時，加大冷卻水流量，從而達到在保證中中央空調(diào)機組正常工作的前提下達到節(jié)能增效的目的。

現(xiàn)有的控制方式大都先確定一個冷卻泵變頻器工作的最小工作頻率，將其設(shè)定為下限頻率并鎖定，變頻冷卻水泵的頻率是取冷卻管進、出水溫度差和出水溫度信號來調(diào)節(jié)，當(dāng)進、出水溫差大于設(shè)定值時，頻率無極上調(diào)，當(dāng)進、出水溫差小于設(shè)定值時，頻率無極下調(diào)，同時當(dāng)冷卻水出水溫度高于設(shè)定值時，頻率優(yōu)先無極上調(diào)，當(dāng)冷卻水出水溫度低于設(shè)定值時，按溫差變化來調(diào)節(jié)頻率，進、出水溫差越大，變頻器的輸出頻率越高；進、出水溫差越小，變頻器的輸出頻率越低。

上海日川電氣公司通過市場調(diào)查與了解，并經(jīng)多方實踐應(yīng)用與論證，現(xiàn)用于冷卻水工程閉環(huán)控制的系列采用同制冷模式下冷凍水泵工程閉環(huán)控制一樣的控制方式。

與其他廠家的控制方式相比，其優(yōu)點有：

1、 只需在中中央空調(diào)冷卻管出水端安裝一個溫度傳感器（如圖，安裝在冷卻水工程中中央空調(diào)冷卻水出水主管上的B處），簡單可靠。

2、 當(dāng)冷卻水出水溫度高于溫度上限設(shè)定值時，頻率直接優(yōu)先上調(diào)至上限頻率。

3、 當(dāng)冷卻水出水溫度低于溫度下限設(shè)定值時，頻率直接優(yōu)先下調(diào)至下限頻率。而采用冷卻管進、出水溫度差來調(diào)節(jié)很難達到這點。

4、 當(dāng)冷卻水出水溫度介于溫度下限設(shè)定值與溫度上限設(shè)定值時，通過對冷卻水出水溫度及溫度上、下限設(shè)定值進行ＰＩＤ計算，從而達到對頻率進行無極調(diào)速，閉環(huán)控制迅速準確。

5、 節(jié)能效果更為明顯。當(dāng)冷卻水出水溫度低于溫度上限設(shè)定值時，采用冷卻管進、出水溫度差來調(diào)節(jié)方式?jīng)]有將出水溫度低這一因素加入節(jié)能考慮范圍，而僅僅由溫度差來對頻率進行無極調(diào)速，而采用上、下限溫度來調(diào)節(jié)方式充分考慮這一因素，因而節(jié)能效果更為明顯，通過對多家用戶市場調(diào)查，平均節(jié)電率要提高5％以上，節(jié)電率達到20％～40％。

6、 具有首次起動全速運行功能。通過設(shè)定變頻器參數(shù)中的數(shù)值可使水工程充分交換一段時間，避免由于剛起動運行時熱交換不充分而引起的工程水流量過小。

經(jīng)數(shù)十家單位長期使用，上海日川電氣公司設(shè)計的空調(diào)變頻器控制工程節(jié)電率均在40％左右，節(jié)電效果顯著，產(chǎn)品性能可靠，還可大大延長電機、接觸器及機械散件、軸承、閥門、管道的使用壽命，由此可為中中央空調(diào)使用單位帶來較好的經(jīng)濟效益。

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