加熱循環結構對系統末端加熱效率的影響

寧華龍

1 概述

在工業生產及工程領域經常會用到熱介質間接加熱技術，以達到快速、均勻、溫度受控的加熱目的。然而，介質不同的循環線路則決定了其加熱系統循環的設計結構，而在實際的工程應用中，由于系統循環結構的不同，往往決定了其不同區域的加熱效率也是不同的。在日常應用最為廣泛的并聯回路中，這種現象更為普遍，特別是在加熱初期，往往因為加熱系統結構的原因而出現加熱效率低下、溫度難以控制等問題，處于系統相對末端的受熱單元加熱問題就顯得更為棘手。下面就這一問題作簡要探討。

2 提出并分析問題

常見并聯管路系統如圖1所示。

圖1 并聯加熱系統示意圖

通常情況下，當所有加熱負載全部處于工作狀態下，由于沿程管道壓力損失、介質慣性因素、加熱初期比重、粘度、流動特性分布不均，以及介質重力抵消等緣故，處于主加熱管道不同位置的壓力分布也是不一致的。流體熱介質會首先從距離熱源最近的受熱單元回流至低壓管道。從系統設計的角度，負載流量總和應大于或等于熱源的供給流量。這樣，勢必出現以下幾種情況:1)所有受熱單元管路開啟，熱介質短路回流，處于末端位置的受熱單元因壓力喪失甚至出現滯留或停流，現場指令性加熱功能喪失;2)其他管路全部關閉，集中加熱末端受熱單元，造成系統嚴重節流乃至斷路，熱源出口部位紊流加劇，溫度失控，而受熱負載兩端因介質對流不足導致溫度、壓力飄忽不定，系統溫差、壓差完全失控，介質受熱和散熱嚴重不均，主回路系統流動不暢、壓力過高，系統傳熱效能喪失，甚至造成循環系統部件損壞;3)經驗性關閉部分前端受熱單元管路，保持末端單元過流壓力、流量相對穩定，末端單元加熱效率相對提高，然而造成系統散熱負面積增大，熱量損失加大，加熱系統負面效應隨之而來。

3 解決問題

為從根本上解決以上問題，結合我們所從事的乳化瀝青生產實踐，對循環管路系統作了一次認真改造(如圖2所示)。1)在主循環管道最末端位置加裝一個節流裝置，用以隨機分配系統流量，調整負載壓力，確保多余熱量、多余流量始終處于封閉、保溫和流動的系統循環中，既避免了熱量的流失，又避免了熱源的連續大負荷工作，提高了工作壽命，最大可能地保證了系統介質全部參與循環，參與工作，有效避免了介質的加熱“死角”和局部“過熱”，避免了受熱不均，從系統結構上保證了“整體流動—均勻受熱—集中散熱—循環混合—再次受熱”過程的有效進行，強制性確保了流體介質按照理想的循環路徑和導熱方式進行工作。2)在節流裝置的入口端加裝一個壓力表，通過調整節流裝置的節流開度，即時觀察并保持壓力表的讀數等于或稍大于負載壓力，一方面確保受熱單元有最大的流量和受熱效率;另一方面確保系統介質有最大的流量和加熱效果。通過以上兩項措施，以系統流動速度確保傳熱效率，以介質流量確保攜熱總量，從而最大限度地提高了末端單元的加熱效率。

圖2 循環管路改造系統

表1 不同工況下負載壓力計算結果

4 實際效果

幾年來，我們以溫控計量式乳化瀝青設備的加熱系統作為實踐對象，通過大量的試驗研究，證明我們的技改方案是可行的，實施策略是成功的。就該系統而言，末端受熱單元為主機瀝青泵的殼體，當生產原料的制備工作即將完成時，生產前唯一要緊的是盡快加熱該泵體，使其在固定的工作溫度范圍運轉，并確保基質瀝青在固定的溫度循環并參與生產。由于泵體導熱油管道直徑與主循環管道直徑差別太大，而此時其余受熱單元一般不需要集中加熱，加熱過程中往往出現上述三種不良情況，導致系統溫度、壓力失控，循環紊亂，設備故障頻出，加熱效率極其低下，能耗急劇上升。按照上述理論，我們在主循環管道末端，即主機瀝青泵靠后部位改造加裝了節流閥和壓力表以后，通過計算不同工況下負載壓力的理論值，及時調整節流閥的開度，確保系統壓力和流量，結果使得加熱效率大大提高，系統壓力和溫度也達到非常穩定的程度。不同工況下負載壓力計算結果見表1。

5 結語

以上數據充分說明，采用系統主循環末端節流控制方式，可以有效改善并聯加熱系統各受熱單元，特別是末端受熱單元加熱效率，并可有效控制系統壓力，平抑介質溫度差異，穩定系統流量，實現加熱溫度的恒定和精確，對整個加熱循環系統穩定、高效、可靠工作起到直接和有效的調控作用。由此可見，日常應用中的加熱系統完全區別于我們理想的設計原始模型，系統結構、介質特性的不同，是造成實際應用中的結果出現巨大差異的根本性原因。工程實踐中對于加熱介質的選擇十分有限，為此，我們努力的方向應放在充分分析現實的加熱工況，對系統結構進行有預見性的優化改造上，以結構保障性能，從而有效避免上述負面差異的出現，提高系統的穩定性和可靠性，并且在系統整體加熱效率提高、節能減排方面會取得意想不到的效果。通過以上分析及工程實踐應用，再次讓我們看到，采用系統主循環末端節流控制這種優化的加熱控制方式憑借其簡單易行、高效節能、精確可控、穩定可靠的技術優勢，必將在工業生產、工程施工等各領域發揮更加積極的現實指導意義和深遠的工科影響意義。

[1]劉 剛，趙 林，趙 海.基于熱電廠熱源的熱力站板式換熱器選型計算[J].山西建筑，2010，36(15):168-169.