下面的例子演示了如何有效地将换热器旁路用于换热器的温度控制。
问题
设计一个热交换器来处理以下三种不同时间的操作场景。
壳体侧流体-水到汽提塔入口
管侧流体-从汽提器出口流出的热水
换热器设计应考虑以下三种工况。
(A)水壳侧流量= 100,000 kg/hr
入口外壳侧压力= 5.0 barg
入口外壳侧温度= 25℃
出口外壳侧温度= 40℃
水箱流量= 10万公斤/小时
进口管压力= 6.0 barg
入口外壳侧温度= 75℃
出口外壳侧温度= 60℃
换热器热负荷= 6.65 × 106kJ /人力资源
(B)水壳侧流量= 150000 kg/hr
入口外壳侧压力= 5.0 barg
入口外壳侧温度= 25℃
出口外壳侧温度= 40℃
水箱流量= 10万公斤/小时
进口管压力= 6.0 barg
入口外壳侧温度= 75℃
出口外壳侧温度= 60℃
换热器热负荷= 9.97 × 106kJ /人力资源
(C)水壳侧流量= 100,000 kg/hr
入口外壳侧压力= 5.0 barg
入口外壳侧温度= 25℃
出口外壳侧温度= 40℃
水箱侧流量= 50,000公斤/小时
进口管压力= 6.0 barg
入口外壳侧温度= 75℃
出口外壳侧温度= 60℃
换热器热负荷= 6.65 × 106kJ /人力资源
解决方案
从换热器设计的问题陈述中可以清楚地看出，操作情况(B)是对换热器热负荷要求最高的情况。因此，换热器的设计应满足这种工况。
如果换热器是针对情况(B)设计的，那么对于情况(A)和(C)，在管道上有多余的热水流量，超过所需要的。这种过剩的流量会导致管旁水流过热。为了避免这种过热，一个可能的解决方案是在热交换器的热水流动侧安装一个旁路，如图所示。
根据要控制的变量，有各种可能的控制方案来控制壳侧的热水。
- 壳侧冷水出口温度随冷热侧流量比的不同而变化很大。因此，为了保持相同的管出口温度，这个流量比需要保持不变。由于管旁流量超过要求，只有一部分流量需要进入交换器管旁，其余流量可以绕过交换器。换热器壳体侧出口的温度控制器(TC)对控制阀(换热器原理图中的CV1)进行节流，调节进入交换管的热水比例。
- 在换热器的热水侧(管侧)，热水出口总流量的任一温度都可以通过使用控制阀(换热器原理图中的CV2)调节旁路管线流量来控制。在目前的布置中，考虑了对热水总流量的控制。由于壳侧出口温度控制已经控制了流经换热器管侧的热水比例，所以通过调节旁路的热水比例，使换热器出口侧的热水总流量保持不变。在这种情况下，这种组合气流的温度无法控制。
- 如果要控制热水出口的温度，则可以使用旁通管路上的控制阀(原理图上的CV2)来调节旁通流量。在这种情况下，热水的总流量会发生变化，但温度可以保持在一个期望的范围内。
这个示例问题继续说明如何设计一个交换机来适应多种操作情况。解决方案是根据换热器热负荷要求最高的情况设计换热器，并在换热器的过流侧采用旁路线来控制不同的工艺参数。
