表面处理槽液蒸汽加温装置设计

•39•【表面处理设备】表面处理槽液蒸汽加温装置设计覃宗剑（凌云科技集团有限责任公司，湖北当阳444100）摘要：研究了表面处理槽液中蒸汽加热换热器的设计方法，讨论了热负荷、传热系数、传热平均温度差等数据的获取方式以及计算换热面积的数学模型。以氧化磷化槽为例，介绍了列管式蒸汽换热器的制作方法。实践证明，新设计的列管式蒸汽加温装置使加温时间从原来的4.5h减少到96min，能源利用效率从原来的2.2%提高到87.4%。关键词：表面处理；槽液；蒸汽加温装置；热负荷；换热面积；传热中图分类号：TG178文献标志码：A文章编号：1004–227X(2011)01–0039–05Designforvaporheatinginstallationofsurfacetreatmentbath//QINZong-jianAbstract:Thedesignforthevaporheatexchangerusedforsurfacetreatmenttankwasstudied.Thewaysforacquiringdataofheatload,heattransfercoefficient,andaveragetemperaturedifferenceofheattransferaswellasthemathematicalmodelforcalculationofheatexchangeareawerediscussed.Thefabricationmethodfortubevaporheatexchangerwasintroducedwithoxidationphosphatingtankasanexample.Practiceprovedthattheheatingtimeisreducedfrom4.5hto96minandtheenergyutilizationefficiencyisraisedfrom2.2%to87.4%byusingthenewlydesignedtubevaporheatinginstallation.Keywords:surfacetreatment;bath;vaporheatinginstallation;heatload;heatexchangearea;heattransferAuthor’saddress:LingyunScienceandTechnologyGroupLtd.,Dangyang444100,China1前言在表面处理中有相当一部分槽液要在高温条件下工作，比如镀铬槽液、磷化槽液、化学除油槽液、发蓝槽液、铝合金化学抛光槽液等。槽液的加温方式一般都采用电加温或蒸汽加温。对于电加温方式，为保证正常的生产，必须要有相当大的电力供应能力，若收稿日期：2010–05–26修回日期：2010–08–20作者简介：覃宗剑（1966–），男，湖北兴山人，本科，工程师，主要从事表面处理研究及槽液化验。作者联系方式：(E-mail)[e-mail]。表面处理生产线有一定的规模，则对电力供应网络和设施提出相当高的要求，而且设备费用投入很大，并受当地电力网络供应条件的限制。此外，在生产操作中受表面处理化学环境的影响，用电安全不容忽视。所以，目前具有一定生产规模的表面处理生产线上的槽液加温都离不开蒸汽加温。节能降耗、节能减排是国家在解决能源危机和环境危机中提出的一项重要国策。做好能源使用中的技术措施，合理利用有限能源，不仅可以在国家节能减排方面作出贡献，而且也能为企业创造突出的经济效益。对于采用蒸汽加温的技术方式，设计高效的换热器装置是正常生产的重要保证。同时，设计水平的好坏对能源的利用效果影响突出，在特殊情况下，能源的利用率相差可达几十倍之多。而换热器装置设计的影响因素有很多，所以在此方面作一些讨论，对于表面处理业而言也是有益的。2换热器的设计在换热器的设计中，应做到充分了解和掌握换热器的工作条件，收集设计工作中的数据资料，确定换热方式和换热器的设计方案。通过计算换热面积，设计换热器的结构和具体细节。2.1热负荷的计算热负荷计算就是要获取传热速率数据，即单位时间内所需要换热的热量数据。按照表面处理槽液常规加热方式，其计算公式如下：q=[Cp×V×(t2−t1)+Q0]×(1+η%)/τ。式中：q─平均传热速率，W；Cp─加热介质的体积比热容，J/(L·K)；V─加热介质的体积，L；t1、t2─介质加热前后的温度，K或°C；η%─热损失系数；Q0─槽体预热热量，J；τ─加热时间，s。根据实际情况，公式中需要加以讨论的是体积比热容、热损失系数、槽体预热热量和加温时间。目前，表面处理工艺中，槽液介质均为水溶液。表面处理槽液蒸汽加温装置设计•40•在溶质总量不超过10%时，槽液介质的体积比热容可取水的比热数据；当溶质总量超过10%时，若能查阅相应的专业数据，则可以通过理论计算，求得加热介质的体积比热容。但由于槽液介质成分复杂，既有溶液类的溶质，又有固体类的溶质，而且成分含量差别极大。此外，表面处理工艺技术又在不断发展中，所以相应的专业数据极难收集。在实际工程技术中，可以通过实验的手段直接获取相应的槽液体积比热容。其实验方法是：将槽液加入到保温措施较好的已知体积的小容器中，采用已知功率的电加热管从室温加热到一定温度(温度不能太高，以避免热损失)，记录加热时间。体积比热容Cp=(P×τ−W0)/(V×∆t)，其中P为电加热管的功率(单位是W)，∆t为加热前后的温差(单位是K)，W0是加热容器的预热热量(单位是J)。预热热量的测定可以在实验前应用同一装置加入已知体积和比热容的水，从室温加热到上述实验温度，电加热热量与水的已知耗热量的差值便是实验容器的预热热量。热损失系数与槽体的保温措施、抽风状况、槽体材料的导热性以及槽液的工作温度有关。在表面处理中，热损失系数一般是5%~20%。槽液工作温度越高，则热损失越高；保温效果越好，热损失越低。在无保温层时，槽体材料导热性越好，热损失越大；抽风越强，热损失也将越高。在上述因素中，影响较大的是保温措施。在无保温层的情况下，槽体材料的导热性对热损失的影响是主要因素。热损失的取值虽然可通过实验手段获得，但要摸拟现场千差万别的工作条件十分困难，所以通过工作经验的总结和对比工作条件的类似性来选取此值是有效的。其中，以通过计算电加热方式加温的工作槽热损失的数值昀为可靠。此外，由于热损失在热负荷中所占的比例不高，所以经验数据能符合工程技术设计工作中的需要。在多数情况下，槽体预热热量可通过槽体材料的用量和查阅专业的材料比热数据计算得到。对于槽体结构复杂，而且工作体积小，预热热量在热负荷中所占的比例较大的情况，通过电加热方式的实验获得数据则是较理想的途径。实验方法与测定体积比热容时测定容器预热热量的方法相同。通过工作经验总结类似槽体结构和工作温度的预热热量，同样也适用于预热热量的数据收集。加温时间的确定主要取决于槽液加热量的大小、换热器的工作效率、工作槽内安装换热器的空间限度以及生产任务的紧急情况等因素。对于热负荷量大、换热器安装空间有限、通过技术手段难以提高换热器工作效率的情况，要适当延长加温时间；对于生产任务量大，生产安排紧凑的情况，要尽可能缩短加温时间。一般情况下，加温时间为0.5~2h。需要强调的是，在工程技术有保证、能力许可的情况下，缩短加温时间有利于节能降耗。2.2确定换热方式采用蒸汽加温的方式主要有两种，一种是利用槽内有限的空间安装换热器直接加温。这也是表面处理槽液主要的加温方式。另一种加温方式是设计槽外特种换热器，利用化工泵强制槽液在换热器内流动，提高换热器的工作效率。但此种方式目前在国内同行应用较少。需要说明的是，采用蒸汽加温主要是解决槽液量大、工作温度较高、在预热时换热速率要求高的技术难题。如果槽液加温到工作温度后，为补尝槽液在生产中的热损失，可以采用电加温方式保温，以提高能源利用率，同时利用成熟的电路控制技术提高控温精度。确定换热方式应从以下几个方面考虑：当现场条件许可，槽液加温热负荷很大，而且槽液化学性质又比较温和，无强酸、强碱、强氧化性介质，现有市场上有合适的化工泵可以保证长期的运行时，应采用槽外特种换热器进行换热。但是，这种换热器的设计难度较大，设计数据中的关键数据──给热系数需要查阅大量有关槽液介质的物理特性数据，并应用经验公式推导取得。所以设计工作应由这方面的专业工程技术人员来进行，或者是采购专业厂家生产的成品，以保证换热器的设计能达到设计目标。在槽液加温技术性能要求不高或化工泵的现有技术性能水平不能支持槽外换热方式时，应尽可能采用槽内加温的方式进行加温。但是，在设计槽内换热器前，应进行简单的换热面积计算和大致的结构设计，以确保换热器的结构尺寸能进行槽内安装。2.3换热面积的计算根据换热理论可得到如下关系：传热速率与传热温度差和传热面积成正比，其数学模型为：dQ/dτ=K×A×∆t[1]。式中K为传热系数，A为传热面积，∆t为传热温度差。在换热器的设计中用下式替代：表面处理槽液蒸汽加温装置设计•41•q=K×A×∆tm。式中：q为平均传热速率，即指负荷计算中的数据；∆tm为传热平均温度差。对于槽内蒸汽加热方式，换热理论可用下式表达：dQ=K×A×(T−t)×dτ。式中，T为加热介质蒸汽的温度，t为槽液温度。而对于槽液的加热过程，忽略预热热量和热损失因素，又有如下关系式成立：dQ=Cp×V×dt。将两关联式联系起来即得如下公式：Cp×V/[(K×A)×(T−t)]dt=dτ。将此式两边积分后演变为：τ=[Cp×V/(K×A)]×ln[(T−t0)/(T−t)]，或p()0()KAτCVtTTte×××=−−。式中t0为初始加热温度。从表达式可以看出，槽液温度与加温时间存在指数关系，若要精确计算平均温差，理论推导比较复杂，况且上述表达式中已忽略了有关因素。为简化计算，平均温差按算术平均值计算：∆tm=(∆t1+∆t2)/2。式中，∆t1为加热初始温差，即(T−t0)；∆t2为昀高温度时的温差，即(T−tmax)。当槽液工作温度与加热介质(蒸汽)温度温差不低于一定值时，采用算术平均值替代平均温差，误差很小，在工程技术中完全可行。对于槽液中采用蒸汽加热的方式，传热系数K=1/(1/α+δ/λ)。式中，α为槽液介质的对流给热系数，δ为换热器壁的厚度，λ为换热器制造材料的导热系数。当δ/λ远小于1/α，即换热器壁的热阻远小于槽液介质的对流传导热阻时，K值可取α的数值。若槽液性质接近于水，可由化工手册查到其自然对流给热系数。换热器制造材料的导热系数也可以从专业书中查阅。此时，通过上述表达式可计算换热器的传热系数K。若槽液的物理性质与水相差较大，或采用搅拌等措施改善了对流的传热条件，则不能直接通过计算得到传热系数。所以，采用实验的手段获取传热系数数据，依然是工程技术中常用的方法。此外，采用成熟的经验数据也是可行的。实验方法是：用已知面积的类似换热器模拟实际工作条件进行加温，并作相关的数据记录，然后以已知的平均温差、热负荷数据及换热面积，运用传热方程(即q=K×A×∆tm)，反推算传热系数K。在前面的数据收集中，槽液加温的热负荷、槽内加温的传热系数、加热过程中的平均温差均已知，换热面积的计算为：A=q/(∆tm×K)。式中：A为换热面积，m2；q为热负荷；∆tm为传热平均温差；K为传热系数，W/(m2·K)。对于槽外特种蒸汽加热换热器的设计，其传热系数K仍可表达为1/(1/α+δ/λ)。由于采用了强制对流换热方式，相对于自然对流，层流内层明显变薄，热阻变小，式中的对流给热系数α大幅度增大。传热平均温度差为对数平均温度差，其计算在专业书中有详细表达。但是需要强调的是，在预热时，槽液温度在不断升高，所以在工程技术中计算换热面积时应取昀大面积，即对数平均温差取昀小值。具体而言，就是计算中，换热器的槽液进口温度可取工艺下限值，而出口温度取工艺上限值。给热系数α可通过经验式计算(热交换专业书中可以查阅)，计算式中涉及雷诺准数、普兰德准数，而准数