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不锈钢波纹管换热器在长输加热站的应用及经济分析点击：1937 日期：[ 2014-04-26 22:00:52 ] |
| 不锈钢波纹管换热器在长输加热站的应用及经济分析 石中玉 华东管道设计研究院，江苏徐州221000 摘要：针对不锈钢波纹管换热器的结构特点，进行了详细的理论和技术性能分析，阐述波纹管换热器在使用中的优缺点，比较在为原油加热时波纹管换热器与传统加热炉的经济效益和社会效益。 关键词：波纹管换热器 传热系数 热阻 节能 中图分类号:TU723 文献标识码:B 文章编号:1672-9323（2009）02-0018-03 现在国家正在提倡建设节约型和环保型社会，节能和环保 是我们的重要任务，在长输管道中，我们的加热泵站大多使用直 接式或间接式加热炉来为原油加热。为了进一步节能减排，降低 管道运营成本，提高企业的经济效益，近年来我们公司在降低原 油加热能耗方面做了一系列的探索。其中，在较易获得蒸汽热源 的泵站用不锈钢波纹管换热器替代加热炉，取得了良好的经济 效益和社会效益。 1.不锈钢波纹管换热器的结构 不锈钢波纹管换热器是在管壳式换热器的基础上，采用特 种不锈钢板材,滚压卷成圆形薄壁光管,通过改变换热管表面形状，对换热管进行双面强化，其与普通换热器相比，最大的特点是管程采用薄壁不锈钢波纹式换热管,换热管采用软模内胀加工方法形成内外均匀的连续波纹形状。该波纹管的管内流动 呈等直径流束型式和弧形流束型式,使流速和压力周期性的变化,冷热流体产生强烈扰动,实现了复合强化换热。 2.不锈钢波纹管换热器传热性能分析 2.1传热原理 物质间热交换过程有三种：热辐射、对流传热和热传导。热量自热流体传到间壁表面的一侧,或自间壁另一侧表面传给冷 流体,都属于对流传热。在换热器中对流传热和热传导占绝大部分。 传热学传热速率公式如下： Q=KA(T-t)……………………………………………式1 式中:Q：换热量 K：换热系数 A：换热面积 (T-t):传热温度差 从式1可以看到，换热量和换热系数K成正比，要提高换 热器的热交换能力，就必须想办法提高A值和K值。 对流传热时根据传热学原理,圆筒型壁热交换管的总热阻 公式为： 1/K=1/α1+b/λ(d1/dm)+1/α2(d1/d2)+Rs(d1/d2)…式2 式中:α1、α2：管壳程对流传热系数 K：总传热系数 b：换热管壁厚 λ：换热管传热系数 Rs：污垢热阻 d1、d2、dm分别为换热管内径、外径、中径由间壁两侧流体热交换过程及式2可以看出，要想提高热交换器的换热性能，就要降低总热阻1/K，提高总热交换系数K值。 2.2不锈钢波纹管换热器换热性能分析 通过以上对传热原理分析，我们可以得到不锈钢波纹管换 热器具有以下性能： (1)良好的对流传热性能，由于换热管壁制造成一个个的波纹,所以介质在管内流动时,其层流层被凸凹不平的壁面所破坏,这样就大大提高了介质的湍流层,形成不断的旋涡式湍流 流动,可达到更充分的换热效果，从而提高了介质间的对流传热系数α，降低了对流热阻1/α，使波纹换热器具有良好的对流 传热性能。 （2）良好的热传导性能，本设备波纹换热管采用不锈钢薄壁 管制成，不锈钢具有良好的热传导性能，即热传导系数λ大。 且采用０.5～1.5ｍｍ的薄壁管,这样就保证减小了传导热阻 b/λ值。所以它具有良好的热传导性能。 (3)较低的污垢热阻，由于换热管采用波纹形,所以介质在换 热管内外壁流过时,增加了湍流流速,形成了一个个向前不断涡 流流动的流态，大大减少了介质在换热管内外壁上积垢的可能， 从而大幅度降低了污垢热阻Rs。 (4)单位容积传热面积大，由于换热管是由光管连续胀形,外 表面形成一圈圈的波纹,所以内外表面积均比同长度的光管大, 光管制成后的波纹管表面积可以比原来增大20%左右，所以同 壳径的换热器，装有同数量的换热管，装波纹管的可以比装光管 的换热面积大。所以传热效果好。 2.3不锈钢波纹管换热器使用性能 (1)不污、不堵、不结垢 由于该设备的换热管采用不锈钢材料制成，波纹管的独特 波纹外形，可以使管内、外介质形成充分湍流,流体中的污垢或 其它悬浮颗粒不易沉积在管壁上，使管壁不易结垢。故防堵性能好，管程耐蚀性好。所以它照比其它换热器大幅度减少了设备的清理维护工作量。即使在某些因换热管壁温较高，冷却水 水质较硬的工况下发生结垢现象，在换热器开停车及工况变化时，由于波纹管是柔性管，在温差应力的作用下沿轴向有一定的 伸缩变形，同时污垢和金属波纹管的线膨胀系数相差较大，在温差应力作用下污垢和管壁间会产生一个较大的拉脱力，足以使污垢脱落，实现自动清垢，对硬、脆垢效果更佳。 (2)防漏能力强 因为每根换热管的各个波纹都具有自身补偿热胀冷缩的功能,有较强的适应热膨胀能力。由于在波纹形成过程中没有模具限制，无金属强制变形，不会造成应力集中，残余应力小，没有 晶间缺欠，不会造成应力腐蚀，不锈钢耐腐蚀性也好，所以防漏能力强。 (3)较高的承压能力 由于波纹管是不锈钢材质，温度可达到450℃，波纹管又是 柔性元件，比光管增强了其承载压力的能力,使其更适合在较高 的压力下工作。 (4)性价比高、维护费用低 由于波纹管采用了薄壁不锈钢材料，在提高了产品使用寿 命的同时也大大地降低了产品重量，减小设备占地面积，使产品 的性能价格比大幅度提高；由于不锈钢波纹管优良的材料及较 强的抗结垢能力，使不锈钢波纹管换热器具有维护周期长的特 点，一般3～5a无须维护，延长了设备寿命。 3.不锈钢波纹管换热器经济社会效益分析 以我公司一泵站改造为例，分析改为不锈钢波纹管换热器 后的节能情况。 我们公司一热泵站,泵站加热原油平均热负荷为 6551kW，原有加热炉三台,共计12500 kW，原设计使用燃料为 原油，为了降低运行成本，后改为外购车运煤焦轻油，通过一年 使用，原油得到了节约，但运行成本下降不太理想。2008年对该 站加热系统进行改造，新建不锈钢波纹管换热器，新建站外热力 管网，外购蒸汽为原油加热。使用燃料为煤焦轻油时年平均耗 油量为4751t/a，煤焦轻油＋运费3850元/t。 改造为不锈钢波纹管换热器加热后，根据热量平衡和换热 效率计算，得出年平均系统所需蒸汽的耗汽为69401t/a，外购蒸 汽170元/t。由于输油泵站距蒸汽热源有2.5km的距离，投资 建设站外热力网及换热设备共投资了1500万元。 改造后每年节约运行费用为：1829.1-1179.8=649.3万元。 投资回报期约为1500/649.3=2.3（a）。这样不到3a即可收 回改造成本。再者，从环保角度看，没有了烟气排放，改善了自然 环境，提高了企业效益和社会效益，提高了安全生产系数。 4.结论与建议 通过近年来在输油生产上的应用证明不锈钢波纹管换热器是节能的、环保的、适合原油加热的。但在设计和使用中还要 注意以下两点： （1）蒸汽管路疏水阀的选择：疏水阀的选择取决于疏水阀进出口最大压差及疏水阀的最大排水量。同时,应考虑供气初期的低压重负荷及设备预热的要求。 （2）蒸汽的压力要满足换热器的要求。因为蒸汽压力(温度)与的换热量密切相关，如果压力过低，就不能达到设计温度，影响换热效果。 参考文献 1.杨世铭等，传热学，北京，高等教育出版社， 2.石油地面工程设计手册，第四册，石油大学出版社 （收稿日期：2009-03-20） 作者简介：石中玉，工程师，1988年毕业于承德高等技术专科学校热工 专业。现在中石化管道储运公司设计研究院，从事工程设计。 |
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