加热循环结构对系统末端加热效率的影响

宁华龙

1 概述

在工业生产及工程领域经常会用到热介质间接加热技术，以达到快速、均匀、温度受控的加热目的。然而，介质不同的循环线路则决定了其加热系统循环的设计结构，而在实际的工程应用中，由于系统循环结构的不同，往往决定了其不同区域的加热效率也是不同的。在日常应用最为广泛的并联回路中，这种现象更为普遍，特别是在加热初期，往往因为加热系统结构的原因而出现加热效率低下、温度难以控制等问题，处于系统相对末端的受热单元加热问题就显得更为棘手。下面就这一问题作简要探讨。

2 提出并分析问题

常见并联管路系统如图1所示。

图1 并联加热系统示意图

通常情况下，当所有加热负载全部处于工作状态下，由于沿程管道压力损失、介质惯性因素、加热初期比重、粘度、流动特性分布不均，以及介质重力抵消等缘故，处于主加热管道不同位置的压力分布也是不一致的。流体热介质会首先从距离热源最近的受热单元回流至低压管道。从系统设计的角度，负载流量总和应大于或等于热源的供给流量。这样，势必出现以下几种情况:1)所有受热单元管路开启，热介质短路回流，处于末端位置的受热单元因压力丧失甚至出现滞留或停流，现场指令性加热功能丧失;2)其他管路全部关闭，集中加热末端受热单元，造成系统严重节流乃至断路，热源出口部位紊流加剧，温度失控，而受热负载两端因介质对流不足导致温度、压力飘忽不定，系统温差、压差完全失控，介质受热和散热严重不均，主回路系统流动不畅、压力过高，系统传热效能丧失，甚至造成循环系统部件损坏;3)经验性关闭部分前端受热单元管路，保持末端单元过流压力、流量相对稳定，末端单元加热效率相对提高，然而造成系统散热负面积增大，热量损失加大，加热系统负面效应随之而来。

3 解决问题

为从根本上解决以上问题，结合我们所从事的乳化沥青生产实践，对循环管路系统作了一次认真改造(如图2所示)。1)在主循环管道最末端位置加装一个节流装置，用以随机分配系统流量，调整负载压力，确保多余热量、多余流量始终处于封闭、保温和流动的系统循环中，既避免了热量的流失，又避免了热源的连续大负荷工作，提高了工作寿命，最大可能地保证了系统介质全部参与循环，参与工作，有效避免了介质的加热“死角”和局部“过热”，避免了受热不均，从系统结构上保证了“整体流动—均匀受热—集中散热—循环混合—再次受热”过程的有效进行，强制性确保了流体介质按照理想的循环路径和导热方式进行工作。2)在节流装置的入口端加装一个压力表，通过调整节流装置的节流开度，即时观察并保持压力表的读数等于或稍大于负载压力，一方面确保受热单元有最大的流量和受热效率;另一方面确保系统介质有最大的流量和加热效果。通过以上两项措施，以系统流动速度确保传热效率，以介质流量确保携热总量，从而最大限度地提高了末端单元的加热效率。

图2 循环管路改造系统

表1 不同工况下负载压力计算结果

4 实际效果

几年来，我们以温控计量式乳化沥青设备的加热系统作为实践对象，通过大量的试验研究，证明我们的技改方案是可行的，实施策略是成功的。就该系统而言，末端受热单元为主机沥青泵的壳体，当生产原料的制备工作即将完成时，生产前唯一要紧的是尽快加热该泵体，使其在固定的工作温度范围运转，并确保基质沥青在固定的温度循环并参与生产。由于泵体导热油管道直径与主循环管道直径差别太大，而此时其余受热单元一般不需要集中加热，加热过程中往往出现上述三种不良情况，导致系统温度、压力失控，循环紊乱，设备故障频出，加热效率极其低下，能耗急剧上升。按照上述理论，我们在主循环管道末端，即主机沥青泵靠后部位改造加装了节流阀和压力表以后，通过计算不同工况下负载压力的理论值，及时调整节流阀的开度，确保系统压力和流量，结果使得加热效率大大提高，系统压力和温度也达到非常稳定的程度。不同工况下负载压力计算结果见表1。

5 结语

以上数据充分说明，采用系统主循环末端节流控制方式，可以有效改善并联加热系统各受热单元，特别是末端受热单元加热效率，并可有效控制系统压力，平抑介质温度差异，稳定系统流量，实现加热温度的恒定和精确，对整个加热循环系统稳定、高效、可靠工作起到直接和有效的调控作用。由此可见，日常应用中的加热系统完全区别于我们理想的设计原始模型，系统结构、介质特性的不同，是造成实际应用中的结果出现巨大差异的根本性原因。工程实践中对于加热介质的选择十分有限，为此，我们努力的方向应放在充分分析现实的加热工况，对系统结构进行有预见性的优化改造上，以结构保障性能，从而有效避免上述负面差异的出现，提高系统的稳定性和可靠性，并且在系统整体加热效率提高、节能减排方面会取得意想不到的效果。通过以上分析及工程实践应用，再次让我们看到，采用系统主循环末端节流控制这种优化的加热控制方式凭借其简单易行、高效节能、精确可控、稳定可靠的技术优势，必将在工业生产、工程施工等各领域发挥更加积极的现实指导意义和深远的工科影响意义。

[1]刘 刚，赵 林，赵 海.基于热电厂热源的热力站板式换热器选型计算[J].山西建筑，2010，36(15):168-169.