CN110346158B - 管壳式换热器能效定量的测量方法 - Google Patents

管壳式换热器能效定量的测量方法 Download PDF

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Abstract

公开了一种管壳式换热器能效定量的测量方法,方法包括:测量被评管壳式换热器标准工况下的传热性能,得到标准状况下的总传热系数k;测量被评管壳式换热器标准工况下的流动性能,得到标准状况下冷热工质流经热交换器所产生的压降Δps、Δpt与相应的泵功Ws、Wt;计算获取被评管壳式换热器标准工况下的效能
Figure DDA0002065381810000011
管侧换热量Qt,壳侧换热量Qs与总换热量Q,计算管壳式换热器的能效指标EEI,
Figure DDA0002065381810000012
当能效指标EEI≥c时为高能效等级,当能效指标c>EEI≥b时为中等能效水平等级,当能效指标b>EEI≥a时为较低能效水平等级,当能效指标EEI<a时为低能效水平等级。

Description

管壳式换热器能效定量的测量方法
技术领域
本发明属于热交换器技术领域,特别是涉及一种管壳式换热器能效定量的测量方法。
背景技术
热交换器是热电、石油化工、动力能源、城市集中供热、机械轻工等领域中应用十分广泛的热能交换设备,通常占设备总投资的30%-40%,在热电厂中甚至能达到整个电厂总投资额的70%左右,因此开展热交换器能效和节能技术标准的研究对于节能减排,提升能量利用效率具有重要的意义。
管壳式换热器又称列管式换热器,是以封闭在壳体中管束的壁面作为换热面的间壁式换热器。这种换热器具有结构简单、造价低、流通截面较宽、易于清洗水垢等优点;但传热系数低、占地面积大。其可用各种结构材料(主要是金属材料)制造,能在高温、高压下使用,是目前应用最广的换热器类型,在当前的工业体系中扮演着重要的作用。
管壳式换热器的主要由壳体、管束、折流板(挡板)、管板、管箱、连接法兰、接管、膨胀节等部件组成。管箱和壳体上装有流体进、出口接管。沿着管长方向常常装有一系列垂直于管束的折流板。进行换热时,一种流体由管箱或封头的进口管进入,通过平行管束的管内,从另一端管箱或封头出口接管流出;另一种流体则由壳体的接管进入,在壳体与管束间的空隙处流过,而由另一接管流出。一般以管束的外表面积作为换热面积。
能效是能源利用效率的简称。能效(Energy Efficiency Evaluation,简称EEE)是对耗能设备的能源利用效率或耗能设备在一定时间内的能源消耗等进行检测、计算,给出所处水平。能效的相关研究可归纳为基于热力学第一定律的方法和基于热力学第二定律的方法。基于热力学第一定律的指标有单一性能法,横向比较法,纵向比较法。这些指标物理概念清晰,在换热器性能对比中得到了较多应用。基于热力学第二定律的指标有熵方法,
Figure GDA0002486348800000011
方法等,反映了交换器工作过程的热力学完善程度,并能反映热交换器工作过程中能量的合理利用程度。
热交换器类型众多、适用工况与热力参数也千变万化。迄今,国内外没有确定管壳式热交换器或其他类型热交换器能效水平及其等级的相关标准,学术界及行业界也没有普遍认可的能效标定方法或指标,常用的指标仅能从能量利用的某一个方面来衡量其热性能,难以比较不同换热器之间或换热器强化传热前后性能的高低,如果应用以上提到的标定指标或者方法,将导致能效标定结果缺乏实际意义。
在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解,因此可能包含不构成在本国中本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。
发明内容
针对现有技术中存在的问题,本发明提供一种管壳式换热器能效定量的测量方法,其综合考虑了管壳式换热器的换热能力,流动传热能力以及管侧和壳侧流动的差异,能够真实地反映管壳式热交换器的能效水平。
本发明的目的是通过以下技术方案予以实现:
一种管壳式换热器能效定量的测量方法,其包括如下步骤:
第一步骤:测量待标定的管壳式换热器在标准工况下的传热性能,以得到标准状况下的总传热系数 k,单位:W·m-2·k-1
第二步骤:测量所述管壳式换热器在标准工况下的流动性能,以得到标准状况下冷热工质流经换热器所产生的换热器壳侧驱动流体压降Δps、换热器管侧驱动流体压降Δpt与相应的换热器壳侧驱动流体消耗泵功Ws、换热器管侧驱动流体消耗泵功Wt,其中,压降Δps、Δpt单位:Pa,Ws、Wt单位:W;
第三步骤,计算所述管壳式换热器标准工况下的效能
Figure GDA0002486348800000021
换热器管侧流体换热量Qt、换热器壳侧流体换热量Qs与总换热量Q,其中,(t'-t'')max为冷流体或热流体在换热器中的实际温度差值中的大者;t'1—换热器热流体的进口温度,℃;t'2—换热器冷流体的进口温度,℃,Qt=qmtcptΔtt,单位:J;Qs=qmscpsΔts,单位:J;qms、qmt分别为壳侧和管侧的质量流量,单位:kg/s;cps、cpt分别为壳侧和管侧的比热容,单位:J/(kg·K);Δts,Δtt分别为壳侧流体温差,管侧流体温差,单位:℃;
第四步骤:计算管壳式换热器的能效指标EEI,
Figure GDA0002486348800000022
第五步骤中,当能效指标EEI≥c时为高能效等级,当能效指标c>EEI≥b时为中等能效水平等级,当能效指标b>EEI≥a时为较低能效水平等级,当能效指标EEI<a时为低能效水平等级,其中,a、b和c 为常数。
所述的一种管壳式换热器能效定量的测量方法中,所述效能
Figure GDA0002486348800000023
大于预定值,则判断其换热能力合格,所述效能越大,换热能力越高。
所述的一种管壳式换热器能效定量的测量方法中,管壳式换热器壳侧效率为
Figure GDA0002486348800000031
管侧效率为
Figure GDA0002486348800000032
管侧效率与壳侧效率的乘积
Figure GDA0002486348800000033
的值趋于1时,表示只需消耗小的泵功就能得到大的换热量,换热器的流动传热能力优秀,所述值趋于0时,代表换热器流动传热能力差。
所述的一种管壳式换热器能效定量的测量方法中,管壳式换热器的保温效率为
Figure GDA0002486348800000034
所述的一种管壳式换热器能效定量的测量方法中,高能效等级占比为25%,中等能效水平等级占比为40%,较低能效水平等级占比为10%,低能效水平等级占比为25%。
在所述的一种管壳式换热器的能效定量的测量方法中,在理想状态下,即流动过程无阻力的影响,管侧效率、壳侧效率及保温效率为1。
与现有技术相比,本发明具有以下有益的技术效果:
本发明通过测量并计算标准工况下管壳式换热器运行过程中的效能、壳侧效率、管测效率及保温系数因素,使得所提出指标相较其他通用能效指标具有计算简单,物理意义清晰等优点,能够更准确地反映管壳式换热器的能效水平。上述说明仅是本发明技术方案的概述,为了能够使得本发明的技术手段更加清楚明白,达到本领域技术人员可依照说明书的内容予以实施的程度,并且为了能够让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂,下面以本发明的具体实施方式进行举例说明。
附图说明
通过阅读下文优选的具体实施方式中的详细描述,本发明各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。说明书附图仅用于示出优选实施方式的目的,而并不认为是对本发明的限制。显而易见地,下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
在附图中:
图1为本发明一个实施例的管壳式换热器能效定量的测量方法的步骤示意图;
图2为本发明一个实施例的管壳式换热器能效定量的测量方法的能效指标的概率密度分布曲线及高、中、低能效水平的划分示意图。
以下结合附图和实施例对本发明作进一步的解释。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明的具体实施例。虽然附图中显示了本发明的具体实施例,然而应当理解,可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反,提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明,并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
需要说明的是,在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解,技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异来作为区分组件的方式,而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语,故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式,然所述描述乃以说明书的一般原则为目的,并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。
为便于对本发明实施例的理解,下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明,且各个附图并不构成对本发明实施例的限定。
如图1所示的根据本发明的管壳式换热器能效定量的测量方法,一种管壳式换热器能效定量的测量方法,包括如下步骤:
第一步骤S1:测量待标定的管壳式换热器在标准工况下的传热性能,以得到标准状况下的总传热系数k,单位:W·m-2·k-1
第二步骤S2:测量所述管壳式换热器在标准工况下的流动性能,以得到标准状况下冷热工质流经换热器所产生的换热器壳侧驱动流体压降Δps、换热器管侧驱动流体压降Δpt与相应的换热器壳侧驱动流体消耗泵功Ws、换热器管侧驱动流体消耗泵功Wt,其中,压降Δps、Δpt单位:Pa,Ws、Wt单位:W;
第三步骤S3,计算所述管壳式换热器标准工况下的效能
Figure GDA0002486348800000041
换热器管侧流体换热量Qt、换热器壳侧流体换热量Qs与总换热量Q,其中,(t'-t'')max为冷流体或热流体在换热器中的实际温度差值中的大者;t'1—换热器热流体的进口温度,℃;t'2—换热器冷流体的进口温度,℃,Qt=qmtcptΔtt,单位:J;Qs=qmscpsΔts,单位:J;qms、qmt分别为壳侧和管侧的质量流量,单位:kg/s;cps、cpt分别为壳侧和管侧的比热容,单位:J/(kg·K);Δts,Δtt分别为壳侧流体温差,管侧流体温差,单位:℃;
第四步骤S4:计算管壳式换热器的能效指标EEI,
Figure GDA0002486348800000051
第五步骤S5中,当能效指标EEI≥c时为高能效等级,当能效指标c>EEI≥b时为中等能效水平等级,当能效指标b>EEI≥a时为较低能效水平等级,当能效指标EEI<a时为低能效水平等级,其中,a、b 和c为常数。
所述的一种管壳式换热器能效定量的测量方法的优选实施方式中,所述效能
Figure GDA0002486348800000052
大于预定值,则判断其换热能力合格,所述效能越大,换热能力越高。效能反映管壳式换热器换热能力的大小,其值越大,则换热能力越好。
所述的一种管壳式换热器能效定量的测量方法的优选实施方式中,管壳式换热器壳侧效率为
Figure GDA0002486348800000053
管侧效率为
Figure GDA0002486348800000054
管侧效率与壳侧效率的乘积
Figure GDA0002486348800000055
的值趋于1时,表示只需消耗小的泵功就能得到大的换热量,换热器的流动传热能力优秀,所述值趋于 0时,代表换热器流动传热能力差。
所述的一种管壳式换热器能效定量的测量方法的优选实施方式中,管侧效率与壳侧效率的乘积
Figure GDA0002486348800000056
表示综合考虑管侧和壳侧的流动时管壳式换热器的效率,其值趋于1 时,表示只需消耗较小的泵功就能得到较大的换热量,此时换热器的流动传热能力越优秀。其值趋于0 时,代表换热器流动传热能力较差。
所述的一种管壳式换热器能效定量的测量方法的优选实施方式中,
Figure GDA0002486348800000057
表征管壳式换热器壳侧与管侧流动的差异性,其值越小,代表管侧与壳侧流动传热的差异越小。
所述的一种管壳式换热器能效定量的测量方法的优选实施方式中,管壳式换热器的保温效率为
Figure GDA0002486348800000058
是对于所述方法综合考虑管侧与壳侧流动后的修正。
所述的一种管壳式换热器能效定量的测量方法的优选实施方式中,高能效等级占比为25%,中等能效水平等级占比为40%,较低能效水平等级占比为10%,低能效水平等级占比为25%。
为了进一步理解本发明,图2为本发明一个实施例的管壳式换热器能效定量的测量方法的能效指标的概率密度分布曲线及高、中、低能效水平的划分示意图。当能效指标EEI≥c时为高能效等级,当能效指标c>EEI≥b时为中等能效水平等级,当能效指标b>EEI≥a时为较低能效水平等级,当能效指标EEI<a 时为低能效水平等级。
表1为管壳式换热器能效等级划分示例,在表1中查询被评管壳式换热器在所有管壳式换热器中所处的能效等级。若EEI处于低能效水平,意味着该管壳式换热器不宜作为节能高效设备,应逐步淘汰;若EEI处于较低能效水平,意味着该管壳式换热器的应用应逐渐改善;若EEI处于中等能效水平,意味着该管壳式换热器可以继续应用;若EEI处于高能效水平,意味着该管壳式换热器宜作为节能高效设备,应大力推广。
表1
能效等级 能效指标范围 所占整体的百分比
高能效水平 EEI≥c 25%
中等能效水平 c>EEI≥b 40%
较低能效水平 b>EEI≥a 10%
低能效水平 a>EEI 25%
本发明所述的一种管壳式换热器的能效定量的测量方法的优选实施例中,所述运行参数包括换热器热流体的进口温度t'1、换热器冷流体的进口温度t'2、换热器热流体的出口温度t″1、换热器冷流体的出口温度t″2、换热器壳侧流体换热量Qs、换热器管侧流体换热量Qt、换热器壳侧流体压降Δps、换热器管侧流体压降Δpt
本发明所述的一种管壳式换热器的能效定量方法的优选实施例中,管壳式换热器的效能为
Figure GDA0002486348800000061
反映管壳式换热器换热能力的大小,其值越大,则换热能力越好。在理想状态下,即流动过程无阻力的影响,所述的一种管壳式换热器的能效定量的测量方法满足热力学规律。
本发明所述的一种管壳式换热器的能效定量方法的优选实施例中,管壳式换热器壳侧效率为
Figure GDA0002486348800000062
管侧效率为
Figure GDA0002486348800000063
基于管壳式换热器运行过程中的运行参数。管侧效率与壳侧效率的乘积
Figure GDA0002486348800000064
其值趋于1时,表示只需消耗较小的泵功就能得到较大的换热量,此时换热器的流动传热能力越优秀。其值趋于0时,代表换热器流动传热能力较差。
本发明所述的一种管壳式换热器的能效定量的测量方法的优选实施例中,管壳式换热器的保温效率为
Figure GDA0002486348800000071
表征管壳式换热器壳侧与管侧流动的差异性,其值越小,代表管侧与壳侧流动传热的差异越小,是对于所述的一种管壳式换热器的能效定量的测量方法综合考虑管侧与壳侧流动后的修正。
尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述,但本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域,上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的,而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下和在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下,还可以做出很多种的形式,这些均属于本发明保护之列。

Claims (5)

1.一种管壳式换热器能效定量的测量方法,其包括如下步骤:
第一步骤(S1):测量待标定的管壳式换热器在标准工况下的传热性能,以得到标准状况下的总传热系数k,单位:W·m-2·k-1
第二步骤(S2):测量所述管壳式换热器在标准工况下的流动性能,以得到标准状况下冷热工质流经换热器所产生的换热器壳侧驱动流体压降Δps、换热器管侧驱动流体压降Δpt与相应的换热器壳侧驱动流体消耗泵功Ws、换热器管侧驱动流体消耗泵功Wt,其中,压降Δps、Δpt单位:Pa,Ws、Wt单位:W;
第三步骤(S3),计算所述管壳式换热器标准工况下的效能
Figure FDA0002486348790000011
换热器管侧流体换热量Qt、换热器壳侧流体换热量Qs与总换热量Q,其中,(t'-t'')max为冷流体或热流体在换热器中的实际温度差值中的大者;t'1—换热器热流体的进口温度,℃;t'2—换热器冷流体的进口温度,℃,Qt=qmtcptΔtt,单位:J;Qs=qmscpsΔts,单位:J;qms、qmt分别为壳侧和管侧的质量流量,单位:kg/s;cps、cpt分别为壳侧和管侧的比热容,单位:J/(kg·K);Δts,Δtt分别为壳侧流体温差,管侧流体温差,单位:℃;
第四步骤(S4):计算管壳式换热器的能效指标EEI,
Figure FDA0002486348790000012
第五步骤(S5)中,当能效指标EEI≥c时为高能效等级,当能效指标c>EEI≥b时为中等能效水平等级,当能效指标b>EEI≥a时为较低能效水平等级,当能效指标EEI<a时为低能效水平等级,其中,a、b和c为常数。
2.根据权利要求1所述的一种管壳式换热器能效定量的测量方法,其特征在于,所述效能
Figure FDA0002486348790000013
大于预定值,则其换热能力合格,所述效能越大,换热能力越高。
3.根据权利要求1所述的一种管壳式换热器能效定量的测量方法,其特征在于:管壳式换热器壳侧效率为
Figure FDA0002486348790000021
管侧效率为
Figure FDA0002486348790000022
管侧效率与壳侧效率的乘积
Figure FDA0002486348790000023
的值趋于1时,表示只需消耗小的泵功就能得到大的换热量,换热器的流动传热能力优秀,所述值趋于0时,代表换热器流动传热能力差。
4.根据权利要求1所述的一种管壳式换热器能效定量的测量方法,其特征在于:管壳式换热器的保温效率为
Figure FDA0002486348790000024
5.根据权利要求1所述的一种管壳式换热器能效定量的测量方法,其特征在于:高能效等级占比为25%,中等能效水平等级占比为40%,较低能效水平等级占比为10%,低能效水平等级占比为25%。
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