稳态换热过程传热系数及污垢热阻值在线监测系统和方法与流程

本发明涉及一种换热领域，更具体地说是一种稳态换热过程传热系数及污垢热阻值在线监测系统和方法及其具体实施技术方案。

背景技术：

换热是工业生产过程最重要的单元操作之一。工业生产中的各种高温流体，如炼油过程的高温油、裂解气体，电厂发电后的低压蒸汽等必须通过冷却水进行冷却。然而这些流体不能与冷却水直接接触，必须通过各种类型的换热器将热流体和冷却水隔开，并通过换热器器壁将热流体热量传递给冷却水，实现热流体与冷却水之间的换热。换热操作是许多工业生产过程连续稳定操作的基本保障，对提高生产效率、降低生产能耗具有重要意义，在许多行业中所占投资份额也非常之高，比如石油炼制行业换热器造价高达设备投资的30％-40％。

连续稳定换热过程是工业生产效率和效益的基础和保障。当换热过程连续稳定进行时，换热器内部各点处温度不随时间变化，这一传热过程成为稳态传热过程。稳态传热过程符合换热基本方程，即单位时间内传递的热量等于总传热系数乘以换热器传热面积再乘以换热器两端冷热流程温差平均值。总传热系数是冷热流体间温度每相差1K时，在单位时间内通过单位面积换热面积所能传递的热量。它表征了在给定冷热流体温度和换热器条件下，整个换热体系的传热能力。

换热体系传热可分解为(1)热流体在流动过程中通过对流传热将热量传递到换热器壁；(2)换热器壁的导热过程；(3)换热器壁将热量传递给冷却水的过程。而整体换热体系的传热能力就受限于这三个过程所受到的阻力。由于热流体传热过程和换热器壁导热过程通常变化极小，而冷却水传热过程却经常因循环水水质恶化而发生结垢和污垢沉积，导致传热阻力增大，产生所谓污垢热阻，导致传热系数和换热效率下降。严重者还会严重影响换热效果，影响系统连续稳定运行。

综上所述，如何有效测定总传热系数和污垢热阻值，对于监控换热系统效率、维持换热系统乃至整个工业生产过程的连续稳定运行，进而提高生产效率和效益具有重要意义。

目前，传热系数和污垢热阻值的主要是通过仪器模拟换热过程进行监测，主要包括动态模拟测试和恒温态测试两种方法。动态模拟测试法是采用动态模拟测试装置，以电加热产生的蒸汽模拟热流体，在模拟换热器另一侧通入冷却水，测定冷侧循环水的流量和温度，则可以测定出该水质条件下的传热系数和污垢热阻值。恒温态测试是采用恒温态测试装置，以电加热的探测器模拟换热管，在循环水恒温条件下测定该水质条件下的传热系数和污垢热阻值。恒温态测试装置更加简单，但只能测定某一温度条件下的循环水结垢趋势。然而无论是动态模拟还是恒温态模拟测试方法都具有如下缺陷和不足：

第一、无论是动态模拟还是恒温态模拟测试方法都是对系统换热过程的某一状态进行模拟，并不能完全真实的反应现实换热系统的换热状态，因此所测定的传热系数和污垢热阻值并不一定代表性，也不一定能够有效反应系统真实的换热状况。

第二、无论是动态模拟还是恒温态模拟测试方法都是采用电热方式模拟热流体恒温状态，并没有考虑实际换热过程热流体侧热负荷发生变化时引起冷流体侧流量、流速、温度的变化，因此只能模拟测试某一特定状态下系统传热系数和污垢热阻值，而无法实时在线进行监测。

第三、由于上述理由，无论是动态模拟还是恒温态模拟测试方法所测得的数据只能作为系统运行的参考值，而不能作为实际换热操作决策的数据依据。

第四、模拟测试方法都需要专有测试设备，设备投资高，也需要专人加以维护，增加了企业负担，难以满足企业，尤其是中小企业和中小换热系统的需求，无法广泛应用。

综上所述，针对换热系统开发一种稳态传热过程传热系数和污垢热阻值的实时在线监测方法具有重要意义。

技术实现要素：

本发明针对现有模拟监测方法存在的问题，发明了一种稳态换热过程传热系数及污垢热阻值在线监测系统和方法，该系统和方法真实、动态的反映了换热系统的运行状态，所测得的传热系数和污垢热阻值能够有效反应系统真实的换热状况；积累大量数据，建立换热器数据集合，对换热器长期稳定奠定数据基础，系统设备造价低，适用范围广。

本发明的一种稳态传热过程传热系数及污垢热阻值在线监测系统，包括：第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器、第四温度传感器、流量计、中央处理器和显示器；

其中，第一温度传感器设置在换热器热侧进口端，第二温度传感器设置在换热器热侧出口端，第三温度传感器设置在换热器冷侧进口端，第四温度传感器设置在换热器冷侧出口端，在冷侧出口端还设置有流量计，第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器、第四温度传感器和流量计均与中央处理器相连接，中央处理器还与显示器相连接。

所述的第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器、第四温度传感器和流量计均与中央处理器相连接的方式为有线或无线中的一种。

其中，第一温度传感器用于检测换热器热侧进口端热流体温度，第二温度传感器用于检测换热器热侧出口端热流体温度，第三温度传感器用于检测换热器冷侧进口端冷却水温度，第四温度传感器用于检测换热器冷侧出口端冷却水温度，流量计用于检测换热器冷侧循环水流量。

所有温度传感器和流量计所采集的计量数值送入中央处理器，在中央处理器内进行整理计算后获得传热系数和污垢热阻值数值，然后通过显示器加以显示。

本发明的一种稳态传热过程传热系数及污垢热阻值在线监测方法，包括以下步骤：

步骤1：获取初始信息，计算基准传热系数

在换热系统运行初始状态或者换热系统经过清洗后，换热器冷侧还没有污垢沉积的状态下，根据各个温度传感器检测的温度值及流量计检测的换热器冷侧循环水流量，计算换热器冷热流体平均温差Δt_m和换热器传热量Q，根据换热器冷热流体平均温差Δt_m和换热器传热量Q测定传热系数K，即为基准传热系数K₀；

步骤2：获取检测信息，计算检测传热系数

根据生产需要，换热器运行后，可实时监测各个温度传感器的温度及流量计检测的换热器冷侧循环水流量，计算换热器冷热流体平均温差Δt_m和换热器传热量Q，实时计算当前传热系数K，即为检测传热系数K_time；

步骤3：计算污垢热阻值

用基准传热系数K₀和检测传热系数K_time计算污垢热阻值r_F，r_F计算公式为：

所述的步骤1和步骤2中，所述的换热器冷热流体平均温差Δt_m的计算公式为：

式中，T₁为第一温度传感器检测的换热器热侧进口端热流体温度；

T₂为第二温度传感器检测的换热器热侧出口端热流体温度；

t_in为第三温度传感器检测的换热器冷侧进口端冷却水温度；

t_out为第四温度传感器用于检测换热器冷侧出口端冷却水温度；

所述的步骤1和步骤2中，所述的换热器传热量Q的计算公式为：

Q＝Rc_p(t_in-t_out) (2)

式中，R为流量计检测的换热器冷侧循环水流量；

c_p为循环水比热容，数值为常数，单位为J/(kg·K)；

t_in为第三温度传感器检测的换热器冷侧进口端冷却水温度；

t_out为第四温度传感器检测的换热器冷侧出口端冷却水温度；

所述的步骤1和步骤2中，所述的传热系数K的计算公式为：

式中，Q为换热器传热量；F为换热器有效换热面积，单位为m²；Δt_m为换热器冷热流体平均温差；

上述所有检测数值和计算数值单位都取国标。

本发明的稳态换热过程传热系数及污垢热阻值在线监测系统和方法，相比于现有技术，其特征与优势在于：

第一、所有基础参数都来源于对系统的实时监测，真实的反映了换热系统的运行状态，规避了模拟监测器两侧流量、流速、温度变化对测定的干扰和影响，所测得的传热系数和污垢热阻值能够有效反应系统真实的换热状况；

第二、由于温度传感器、流量传感器数据取样频率极高，可以做到实时监测系统运行状态，因此可以做到系统传热系数和污垢热阻值的实时在线监测，从而规避了根据模拟换热器检测特定状态下传热系数和污垢热阻值而进行操作决策的风险。

第三、由于可以实现实时在线监测，因此可以通过大量历史数据积累来判断系统运行状态发生变化的原因，为换热系统长期稳定运行奠定数据基础。

第四、本发明只需要4个温度传感器、1个流量计，以及一套简单的处理器和显示器即可实现传热系数和污垢热阻值的实时在线监测，不需要专有测试设备，造价低、基本不需要人工维护，可以满足所有换热器系统，尤其是中小企业和中小换热系统的需求，可广泛应用。

第五、该系统可以其它系统进一步整合，为整个循环冷却水系统运行管理决策提供数据支持。

附图说明

图1为本发明稳态传热过程换热系数和污垢热阻值实时在线监测系统示意图；

图中，1-第一温度传感器；2-第二温度传感器；3-第三温度传感器；4-第四温度传感器；5-流量计；6-中央处理器；7-显示器。

图2为本发明稳态传热过程换热系数和污垢热阻值实时在线监测方法流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合实例对本发明作进一步详细说明，但所举实例不作为对本发明的限定。

以下实施例中，所用的温度传感器型号：PT100；所用的流量计型号：MHC-3000-L2；所用的中央处理器型号：SIEMENS-S7-200；所用的显示器型号：SIEMENS-6AV6640-0CA11-0AX0。

其中，中央处理器采用STEP 7-Micro/WIN编程软件，采用SIMATIC指令集，可用梯形图(LAD)、功能块图(FBD)或语句表(STL)编程语言。

以下实施例中，所有检测数值和计算数值单位都取国标。

实施例1

一种稳态传热过程传热系数及污垢热阻值在线监测系统，包括：第一温度传感器1、第二温度传感器2、第三温度传感器3、第四温度传感器4、流量计5、中央处理器6和显示器7，其示意图见图1；

其中，第一温度传感器1设置在换热器热侧进口端，第二温度传感器2设置在换热器热侧出口端，第三温度传感器3设置在换热器冷侧进口端，第四温度传感器4设置在换热器冷侧出口端，在冷侧出口端还设置有流量计5，第一温度传感器1、第二温度传感器2、第三温度传感器3、第四温度传感器4和流量计5均与中央处理器6相连接，中央处理器6还与显示器7相连接。

所述的第一温度传感器1、第二温度传感器2、第三温度传感器3、第四温度传感器4和流量计5均与中央处理器6相连接的方式为无线连接。

其中，第一温度传感器1用于检测换热器热侧进口端热流体温度，第二温度传感器2用于检测换热器热侧出口端热流体温度，第三温度传感器3用于检测换热器冷侧进口端冷却水温度，第四温度传感器4用于检测换热器冷侧出口端冷却水温度，流量计5用于检测换热器冷侧循环水流量。

所有温度传感器和流量计所采集的计量数值送入中央处理器6，在中央处理器6内进行整理计算后获得传热系数和污垢热阻值数值，然后通过显示器7加以显示。

一种稳态传热过程传热系数及污垢热阻值在线监测方法，其流程图见图2，具体包括以下步骤：

步骤1：获取初始信息，计算基准传热系数

在换热系统运行初始状态或者换热系统经过清洗后，换热器冷侧还没有污垢沉积的状态下，根据各个温度传感器检测的温度值及流量计检测的换热器冷侧循环水流量，计算换热器冷热流体平均温差Δt_m和换热器传热量Q，根据换热器冷热流体平均温差Δt_m和换热器传热量Q测定传热系数K，即为基准传热系数K₀；

其中，换热器冷热流体平均温差Δt_m的计算公式为：

式中，T₁为第一温度传感器1检测的换热器热侧进口端热流体温度；

T₂为第二温度传感器2检测的换热器热侧出口端热流体温度；

t_in为第三温度传感器3检测的换热器冷侧进口端冷却水温度；

t_out为第四温度传感器4用于检测换热器冷侧出口端冷却水温度；

经过计算换热器冷热流体平均温差Δt_m＝15℃；

换热器传热量Q的计算公式为：

Q＝Rc_p(t_in-t_out) (2)

式中，R为流量计检测的换热器冷侧循环水流量；

c_p为循环水比热容，数值为常数，单位为J/(kg·K)；

t_in为第三温度传感器3检测的换热器冷侧进口端冷却水温度；

t_out为第四温度传感器4检测的换热器冷侧出口端冷却水温度；

经过计算，换热器传热量Q＝1.5×10⁶W；

传热系数K的计算公式为：

式中，Q为换热器传热量；F为换热器有效换热面积，单位为m²；Δt_m为换热器冷热流体平均温差；

本实施例所用的换热器为管壳型换热器，换热器的有效热面积为1000m²，经过计算，基准基准传热系数K₀＝1000W/m²·℃

步骤2：获取检测信息，计算检测传热系数

根据生产需要，换热器运行后，可实时监测各个温度传感器的温度及流量计检测的换热器冷侧循环水流量，按照步骤1公式(1)、(2)、(3)的计算方法，实时计算当前传热系数，即为检测传热系数K_time，计算得检测传热系数K_time为800W/m²·℃；

步骤3：计算污垢热阻值

用基准传热系数K₀和检测传热系数K_time计算污垢热阻值r_F，r_F计算公式为：

计算后的传热系数和污垢热阻值r_F通过系统的显示器7显示，即时读取。

实施例2

一种稳态传热过程传热系数及污垢热阻值在线监测系统，包括：第一温度传感器1、第二温度传感器2、第三温度传感器3、第四温度传感器4、流量计5、中央处理器6和显示器7，其示意图见图1；

其中，第一温度传感器1设置在换热器热侧进口端，第二温度传感器2设置在换热器热侧出口端，第三温度传感器3设置在换热器冷侧进口端，第四温度传感器4设置在换热器冷侧出口端，在冷侧出口端还设置有流量计5，第一温度传感器1、第二温度传感器2、第三温度传感器3、第四温度传感器4和流量计5均与中央处理器6相连接，中央处理器6还与显示器7相连接。

所述的第一温度传感器1、第二温度传感器2、第三温度传感器3、第四温度传感器4和流量计5均与中央处理器6相连接的方式为有线连接。

其中，第一温度传感器1用于检测换热器热侧进口端热流体温度，第二温度传感器2用于检测换热器热侧出口端热流体温度，第三温度传感器3用于检测换热器冷侧进口端冷却水温度，第四温度传感器4用于检测换热器冷侧出口端冷却水温度，流量计5用于检测换热器冷侧循环水流量。

所有温度传感器和流量计所采集的计量数值送入中央处理器6，在中央处理器6内进行整理计算后获得传热系数和污垢热阻值数值，然后通过显示器7加以显示。

一种稳态传热过程传热系数及污垢热阻值在线监测方法，其流程图见图2，具体包括以下步骤：

步骤1：获取初始信息，计算基准传热系数

在换热系统运行初始状态或者换热系统经过清洗后，换热器冷侧还没有污垢沉积的状态下，根据各个温度传感器检测的温度值及流量计检测的换热器冷侧循环水流量，计算换热器冷热流体平均温差Δt_m和换热器传热量Q，根据换热器冷热流体平均温差Δt_m和换热器传热量Q测定传热系数，即为基准传热系数K₀；

其中，换热器冷热流体平均温差Δt_m的计算公式为：

式中，T₁为第一温度传感器1检测的换热器热侧进口端热流体温度；

T₂为第二温度传感器2检测的换热器热侧出口端热流体温度；

t_in为第三温度传感器3检测的换热器冷侧进口端冷却水温度；

t_out为第四温度传感器4用于检测换热器冷侧出口端冷却水温度；

经过计算换热器冷热流体平均温差Δt_m＝20℃；

换热器传热量Q的计算公式为：

Q＝Rc_p(t_in-t_out) (2)

式中，R为流量计检测的换热器冷侧循环水流量；

c_p为循环水比热容，数值为常数，单位为J/(kg·K)；

t_in为第三温度传感器3检测的换热器冷侧进口端冷却水温度；

t_out为第四温度传感器4检测的换热器冷侧出口端冷却水温度；

经过计算，换热器传热量Q＝2×10⁷W

传热系数K的计算公式为：

式中，Q为换热器传热量；F为换热器有效换热面积，单位为m²；Δt_m为换热器冷热流体平均温差；

本实施例所用的换热器为板式换热器，换热器的有效热面积为250m²，经过计算，基准基准传热系数K₀＝4000W/m²·℃；

步骤2：获取检测信息，计算检测传热系数

根据生产需要，换热器运行后，可实时监测各个温度传感器的温度及流量计检测的换热器冷侧循环水流量，按照步骤1公式(1)、(2)、(3)的计算方法，计算当前传热系数，即为检测传热系数K_time，计算得检测传热系数K_time＝2500W/m²·℃；

步骤3：计算污垢热阻值

用基准传热系数K₀和检测传热系数K_time计算污垢热阻值r_F，r_F计算公式为：

计算后的传热系数和污垢热阻值r_F通过系统的显示器7显示，即时读取。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。