容积式换热器的能量消耗

（半）容积式换热器的能量消耗

（半）容积式换热器在酒店、医院、工厂等热水系统运用较为广泛，也是目前较为理想的热交换设备。很多厂家或者设计师在设备选型的过程中，往往只计算把流体加热到目标温度温度所需要的热量，再在此基础上放大15%-20%的设计富裕量作为设计负荷，其实这不是最准确的计算，尤其是针对星级酒店，负荷往往过大，造成设备初期投资大，后期运行过程中能量损失过大。

针对该问题，本文主要讲述如何精准计算罐体的能量需求：

当计算制程流体的罐体需要的热量时，需要的总热量包含部分或全部下列热量：

1. 把流体加热到目标温度需要的热量；

2. 把容器材料加热到工作温度需要的热量；

3. 从容器表面散失到大气环境的热损失；

4. 从液体表面散失到大气环境的热损失；

5. 其它冷的物体浸入制程流体时吸收的热量；

第1、第2项 - 用来加热流体和罐体温度的热量和第5项 - 被冷的物体吸收的热量，可以用公式t T

C m Q p ∆=**计算。通常，在设计过程中，第2-5条往往容易忽略，第3和第4项, 罐

体和液体表面的散热损失可以用公式T F U Q ∆=**来计算。但是，散热损失计算要复杂的多，通常使用的是经验数据，正如上文提到的15-20%的设计富裕量，其实这并不准确，应根据实际情况，利用可信赖的图表和数据一一计算。

罐体表面的散热损失：

热量仅在表面与环境之间存在温差的时候才会发生热传递。

如果罐体的底部没有暴露在空气中，而是采用裙座放置在地上（裙座一般运用到容积较大的情况），通常，这部分的散热损失可以被忽略。但是一般的容换规格都不是太大，基本在10m ³之内，约70%集中在2.0-4.5m ³，常规采用支承式支座，罐体底部暴露在空气中的情况居多）

例如：一台立式的容积式换热器，容积为2.5m ³（直径1300mm,直段1400mm,封头为标准椭圆封头），加热时间1小时，管/壳程的设计压力为1.0/1.0MPa,型号为RV-04-2.5H(1.0/1.0)，水的初始温度为7℃，终温为60℃。

请计算出启动时需要的平均换热功率：

第1部分 启动时需要的平均换热功率:

第2部分 运行过程中最大传换热功率:

第1部分 计算启动时平均换热功率Q M(启动)

它是以下各项的总和:

A1. 加热流体的热量Q M （液体）

A2. 加热水罐材料的热量Q M （箱体）

A3. 水箱表面的散热损失Q M （表面）

A4. 液体表面的热损失Q M （表面）

1.1 加热液体的热量Q M （液体）

初始状态T 1 = 7℃ 最终状态T 2 = 60℃ 温度上升ΔT = 60－7= 53℃

液体体积 = 2.5m 3 液体质量m = 2500kg t = 1h = 3600s

液体比热c p = 4.187kJ/(kg ·℃)

t T C m Q p M ∆=**(液体）

3600

53*187.4*2500(=液体）M Q 1.154(=液体）M Q KW

1.2加热罐体材料所需的热量Q M （罐体）

筒体和封头的名义厚度 = 8mm

主筒体的质量M1 = 361 kg

主封头对的质量M2=119.3*2

=238.6 kg

管箱附件质量（含换热机芯）M3=165kg

t T C M M M Q p M ∆++=**)321(（罐体）

3600

53*5.0*)1656.238361(++=（罐体）M Q KW Q M 63.5(=罐体）

备注：(钢板Q235-B 密度 = 7850 kg/m 3， c p = 0.5 kJ/(kg ·℃))

1.3罐体表面的热损失Q M（表面）

*

Q M∆

=*

T

F

U

(罐体表面）

式中:

ΔT为平均温差ΔT m，℃；

ΔT M = T m - T amb，℃；

T m = 平均液体温度(即（7+60）/2=33.5℃）；

T amb = 设计环境温度（按流体初始温度7℃计）；

F为罐体的外表面积（该罐体的外表面积约为11.2㎡）；

U为罐体与空气的换热系数；（查下表可得： U = 11 W/(m2·℃)

静止的空气条件下的总的传热系数（该表参考斯派莎克的实验数据）对25mm的隔热层，换热系数U需要乘以系数0.2。

对50mm的隔热层，换热系数U需要乘以系数0.1。

*

11

(

Q

11

26

1000

2.

/)5.

*

M

(=

罐体表面）

Q M3.3

KW

罐体表面）

(=

备注：暂不考虑保温措施。

1.4 液体表面的热损失Q M（液体表面）：

由于该罐体是全闭式状态工作，满罐工作，液体表面不存在热损失，故Q M（液体表面）=0KW 备注：针对开式水箱需考虑该部分损失。（其具体计算方法不在此描述）

1.5 总的平均需要传热量Q M（start-up）

Q M（启动）= Q M（液体）+Q M（罐体）+Q M（罐体表面）+Q M（液体表面）

Q M（启动）= 154.1 kW+5.63 kW+3.3 kW+0kW

Q M（启动）= 160.33 kW

按照经验值15-20%的选型：Q M（启动）=（1.15－1.2）* Q M（液体）

=174.11-181.68KW

相比实际核算出来的，每台高出大约14-21KW,大约高出9%-15%，一般的星级酒店对容换的配置为一用一备，分区供应热水，少则三个分区，多则四到五个分区。这样下来整个热水系统高出的负荷按照10%计算，以一个1500KW的热水系统，则有150KW的浪费，这150KW的负荷可产热水量2.44m³（7/60℃）的，实在是浪费资源。

由上述结果看到：针对工厂定时供应热水的系统，可以延长启动过程，这样可以降低最大传热率，对锅炉的运行有好处，而且对温度控制系统的要求也降低了。设备投资也降低了，能耗也降到最低。

本文由四川迪瑞机电设备有限公司提供，上述计算数值仅供参考。