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浅谈热管换热器在石化领域中的应用

点击:1896 日期:[ 2014-04-26 21:58:03 ]
                             浅谈热管换热器在石化领域中的应用                                          文/韩超     【摘要】热管是人们所知的最有效的传热元件之一,它可将大量的热量通过其很小的截面积远距离地传输而无需外加动力。目前,热管及热管换热器作为高效传热传质设备已广泛应用于石油、化工、动力、冶金、建材、轻工等领域。本文将介绍热管换热器的特点,并简要说明热管换热器在石油化工行业的应用。     【关键词】热管换热器发展特点应用     热管是一种新型高效的传热元件。热管是一个内部抽成真空并充以少量液体的密封管,具有高效的导热性能。在工作时热流体通过热管的一端外表面,冷流体通过热管另一部分。籍助于管内工质的潜热变化而进行冷热流体间的换热。由于是潜热的变化,具有相当高的导热能力,其当量导热系数为铜、银等金属导热系数的几百倍。在20世纪60年代首先被应用于宇航技术中,后来在电子、机械、化工和石油等行业也有了广泛的应用。热管换热器在国外已系列化生产。而我国经过20多年努力先后开发了气热管换热器、热管蒸汽发生器和高温热管,并在石油、化工、冶金、动力以及水泥等行业得到了广泛的应用,取得了良好的效果。     1.热管换热器的构造原理     热管是一种高效传热元件,其导热能力比金属高几百倍至数千倍。热管还具有均温特性好、热流密度可调、传热方向可逆等特性。用它组成热管换热器不仅具有热管固有的传热量大、温差小、重量轻体积小、热响应迅速等特点,而且还具有安装方便、维修简单、使用寿命长、阻力损失小、进、排风流道便于分隔、互不渗漏等特点。热管是由内壁加工有槽道的两端密封的铝(轧)翅片管经清洗并抽成高真空后注入最佳液态工质而成,随注入液态工质的成分和比例不同,分为KLS低温热管换热器、GRSC-A中温热管换热器、GRSC-B高温热管换热器。热管一端受热时管内工质汽化,从热源吸收汽化热,汽化后蒸汽向另一端流动,并遇冷凝结向散热区放出潜热。冷凝液借毛细力和重力的作用回流,继续受热汽化,这样往复循环将大量热量从加热区传递到散热区。热管内热量传递是通过工质的相变过程进行的。将热管元件按一定行列间距布置,成束装在框架的壳体内,用中间隔板将热管的加热段和散热段隔开,构成热管换热器。     2.热管换热器主要特点     热管换热器可以通过换热器的中隔板使冷热流体完全分开,在运行过程中单根热管因为磨损、腐蚀、超温等原因发生破坏,也只是单根热管失效,而不会发生冷热流体的掺杂。所以热管换热器用于易然、易爆、腐蚀等流体的换热场合具有很高的可靠性。     热管换热器的冷、热流体完全分开流动,可以比较容易的实现冷、热流体的完全逆流换热;同时冷热流体均在管外流动,由于管外流动的换热系数远高于管内流动的换热系数,且两侧受热面均可采用扩展受热面。用于品位较低的热能的回收非常经济。热管换热器用于带有腐蚀性的烟气的余热回收时,可以通过调整蒸发段、冷凝段的传热面积来调整热管管壁温度,使热管尽可能避开最大的腐蚀区域。     3.热管积灰及对策     在热管余热回收设备中,热管积灰是普遍存在的问题,积灰增加了受热面热阻,降低了设备的传热能力,还可以减少流体的通道面积,增加流动阻力,降低换热表面温度,造成低温露点腐蚀。不少的余热回收设备由于积灰严重不能正常运行,甚至被迫停用,因此积灰已成为节能设备能否正常运行的一个主要问题。     3.1积灰的形成     积灰按温度可划分为高温区积灰、过渡区积灰和低温区积灰,热管换热设备的积灰主要是低温区积灰。低温区积灰一般为疏松式积灰,主要发生在下游温度较低的换热设备上。积灰形成的机理较复杂,一般认为疏松式积灰是由分子引力和静电引力的作用而形成。资料表明,当灰粒的当量直径小于3μm时,灰粒与金属管壁间、灰粒与灰粒间的万有引力超过灰粒本身的重量,烟气中所含的微小灰粒冲刷到管壁时,就吸附在金属表面或积灰表面上。另外,烟气流动时,因烟气中灰粒的电阻较大会发生静电感应,虽然受热面的材质是良导体,但当受热面积灰后,其表面就变成了绝缘体,很容易将因静电感应而产生的带异种电荷的灰粒(当量直径小于10μm)吸附在其表面上,形成疏松式积灰。     3.2对策     气相换热的热管换热器热管外都采用加肋强化传热,翅片形式多选用穿片或螺旋形缠绕片,这些翅片结构紧凑,但缺点是极易积灰结垢。对于高粉尘流体,即使翅片间距取12~20mm,在某些情况下也会出现严重积灰。对于高含尘流体,目前趋向于选择轴对称单列纵向直肋翅片和钉头管。     换热设备内流体速度是一个重要的设计参数,它影响换热设备的的传热、流动阻力、磨损及自清灰能力等。目前设计热管换热设备时多采用等质量流速法,这种方法的严重不足之处就是随着设备内温度的下降,进出口处的密度、动力粘度和导热系数明显变化,从而引起出口处流体的速度大幅下降,其结果是传热系数和自清灰能力下降,造成换热设备后排的积灰。可采用变截面设计法解决该问题,以等体积流速法代替等质量流速法。对于某一参数一定的换热设备,质量流量是一个常数,如要维持体积流速不变,只有改变换热面积来抵消密度的变化。随着烟气温度的降低,密度将增大,要维持流速一定,换热设备的流通面积将减小,所以以等体积流速设计的换热设备的截面为一等边梯形。     4.热管换热器在石油化工企业中的应用     安庆石化炼油厂减压炉于1995年运用热管式空气预热器回收烟气余热,烟气从365℃降至165℃,空气从进口温度20℃升至220℃,每小时回收热量8.82 GJ,此热管式空气预热器的成功运用说明热管式换热器完全可以用于石化行业中一些燃用高含硫燃料的恶劣工况。石油化工企业中的许多加热炉和裂解炉,例如制造乙烯用的石脑油裂解炉,排烟温度一般在200~400℃之问,并且燃烧后的废气往往不利于排空,采用热管式空气预热器利用这部分废气预热助燃空气,可以达到很好的节能效果。     国内外许多加热炉采用了两种或三种热管式换热器相结合的流程来回收烟气的高温余热。即首先将高温烟气通过余热锅炉降至500~600℃,产生1.9~3 MPa的蒸汽,降温后的烟气通过空气预热器将空气预热至250℃,烟气温度降至300℃以下进人热管省煤器,将105℃的脱氧水加热至250℃左右,烟气温度降至300℃以下,经引风机送至烟囱排放。这种流程具有很大的经济优越性。     选择既经济又高效的烟气换热装置是脱硫工艺中的关键环节,利用未脱硫的高温烟气通过换热器去加热脱硫后的净烟气,使净烟气从40℃被加热到提升烟气的抬升高度。利用脱硫换热器既可以回收高温烟气的热量、节省能源,又可以保证脱硫塔的正常工作、减少水消耗,同时提高脱硫塔的脱硫效率、降低对大气的二次污染。该换热器有一个矩形的外壳,内部由许多单根热管组成,热管的布置形式可以是错列呈三角形的排列,也可以是顺列呈正方形的排列。在矩形壳体内部的中央有一块管板(中孔板)把壳体分成两部分,形成高温流体(原烟气)和低温流体(净烟气)的通道。当高、低温流体同时在各自的通道中流过时,热管就将高温流体(原烟气)的热量传给低温流体(净烟气),实现了两种流体的热交换,使原烟气的温度降低达到去吸收塔的温度,净烟气的温度升高满足排放的要求。在换热器中,热管数量的多少取决于换热量的大小,为提高换热系数,在热管上缠绕翅片,这样可使所需的热管数目大大减少。因此,采用热管式换热装置具有较强的经济意义和社会意义。     作者简介:韩超,男,黑龙江大庆人,学士,助理工程师,主要从事炼油化工设备的研究和开发工作。(作者单位:大庆石化公司机械厂)
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