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波纹管换热器的工作特性及应用点击：2013 日期：[ 2014-04-26 22:48:45 ] |
| 聂 峰,王占和(内蒙古远兴公司吉碱分公司,阿盟吉兰泰 750333) 在工业化生产中,最常用的换热设备有间壁式换热器、混合式换热器、蓄热式换热器等3种类型。在氨碱法纯碱生产过程中,使用的基本上都是间壁式换热器,最常见的换热器有冷却水箱(碳化塔、吸收塔、炉气冷凝塔所用的),以及钛板换热器和螺旋板换热器(氨盐水、蒸氨系统所用的)。波纹管换热器是20世纪90年代末最新研究开发出来的新型间壁式换热器,我公司于2001年3月,在蒸氨系统采用了1台φ1100ｍｍ×5059ｍｍ的波纹管换热器(换热面积为240ｍ2)来代替原设计的钛板换热器,经过几年的生产运行,波纹管换热器显示出了其优越的节能性能。 1 波纹管换热器的结构特点 波纹管换热器属于列管式换热器,它由壳体、管束、管板和封头等几部分组成。在壳体内安装有6块或不等的折流挡板,不仅可防止流体短路、增加流体速度,而且还可以迫使流体按规定路径多次错流通过管束,使湍流程度增加。波纹管的结构见图1。 波纹管换热器的列管采用钛材质波纹管,非普通直管,其特点为: 1)热效率高。由于换热管采用波纹形式,管内流道截面连续不断地突变,造成流体即使在流速很低的情况下也始终处于高度湍流状态,难以形成层流,使对流传热的主要热阻被有效地克服,管内外传热被同时强化,因而传热系数很高,一般为直管式的2～3倍。 2)防垢能力强。由于流道内流体的高度湍流,使流体中的微粒难以沉积结垢,即使有少量垢生成,由于波纹管上存在管壳程温差应力而产生的应变,使具有弹性特征的波纹管曲率发生微观变化,从而使波纹管换热器具有自然防垢和自然除垢的能力。介质在管内外强烈湍流对管壁冲刷强烈,另外波纹管表面的光滑弧线也能抑制水垢的生成和生长。 3)波纹管属柔性元件,在温差和压差较大的场合下具有自我补偿能力,可大大降低管板和筒体的应力,不易拉脱、泄漏 4)采用优质的钛材料,设备抗腐蚀能力高,设备使用寿命长。 5)体积小,占地面积小,运行维护费用低。 6)独特的完全自由成形工艺,没有强烈形变,无晶间缺陷,应力分布均匀。 2 波纹管换热器的传热特点 2.1 传热原理 化工生产中的物质间热交换常遇到的是温度不太高的流体间的热交换,热量自热流体传到间壁表面的一侧,自间壁另一侧表面传给冷流体,以对流传热为主。对流传热是在流体流动的过程中发生的热量传递现象,所以和介质流动的情况密切相关。在湍流流动的情况下,流体主流中由于旋涡丛生,流体各部分相互混合,所以热阻很小,从而在流体流动方向垂直的截面上,湍流中心区各点流体之间的温度趋于一致。但在紧靠壁面处,总有一层流体膜顺着壁面作层流流动,称为层流底层。由于通过这层流体膜的传热是以导热方式进行的,所以流体膜虽薄,却是对流传热的主要热阻,温度降也主要集中在层流底层中。 图2为对流传热时沿热流方向的温度分布情况示意图。图中Ｆ1Ｆ1与Ｆ2Ｆ2为层流底层的界面,Ｔ′为热流体中心温度,即最高温度,ｔ′为冷流体中心温度,即最低温度。在热流体的湍流主体中,由于流体质点充分混合,温度基本上是一致的,即图中Ｔ′。在层流底层和湍流主体之间存在一个温度逐渐变化的区域,称为过渡区。温度由Ｔ′下降到Ｔｂ。在层流底层内,由于热阻较大,温度急剧由Ｔｂ下降到Ｔｗ。再往左通过管壁,因其材料通常为金属,热阻很小,因此,管壁两侧的温度Ｔｗ和ｔｗ相差很小。在冷流体内,又顺次通过层流底层、过渡区而到达湍流主体,温度由ｔｗ经ｔｂ下降到ｔ′。图2中曲线ｔｗｔｂｔ′和曲线Ｔ′ＴｂＴｗ的意义相似。 2.2 提高换热系数的途径 传热学传热速率公式如下: Ｑ=ＫＡ(Ｔ-ｔ)(1) 式中: Ｑ———换热量; Ｋ———换热系数; Ａ———换热面积; (Ｔ-ｔ)———传热温度差。 从公式(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,就必须想办法提高换热系数Ｋ值。根据传热学原理对流传热时圆筒型壁热交换管的总热阻公式为: 1/Ｋ=1/ａ1+ｂ/λ(ｄ1/ｄｍ)+1/ａ2(ｄ1/ｄ2)+Ｒｓ(ｄ1/ｄ2)(2) 式中: Ｋ———总传热系数; ａ1、ａ2———管壳程对流传热系数; 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公式(2)可以看出,要想提高热交换器的换热性能,就要努力降低总热阻,即提高总热交换系数Ｋ值,从中不难看出提高换热系数Ｋ值有如下途径: 1)减少层流层,增加湍流层,从而提高对流传热系数α1、α2。由传热学得知,Ｋ值主要取决于对流传热系数,因此,必须设法同时提高流体两侧的对流传热系数α1、α2。 2)减少传热距离,即减少换热管壁厚ｂ。 3)提高传热系数λ,此问题可以通过选用导热性能好的换热管材料实现。 4)降低污垢热阻Ｒｓ,当污垢热阻起很大作用时,必须设法减慢污垢生成速率或清洗。 3 两种换热器的运行情况对比 板式换热器是20世纪70年代开发使用的高效换热设备。是由一组金属薄板之间衬以垫片并用框架夹紧组装而成,冷、热流体分别在板片两侧流过,通过板片进行换热。板片厚度为0.5～3ｍｍ。由于板片压制成各种波纹形状,既增加了刚度,又使流体分布均匀,加强湍流,故而传热系数较高。经几年的使用运行,钛板换热器存在以下问题:①由于母液中夹带大量的细晶碱,导致钛板换热器结疤淤塞非常严重,致使系统阻力大,换热效率低;②钛板换热器酸洗、检修、清理工作量大,且检修费用高;③由于母液腐蚀冲剧严重,导致钛板换热器寿命降低。蒸氨系统使用两种换热器的运行操作参数见表1。 设: ｔＡ1———1#蒸氨塔塔顶出气温度(波纹管进气温度),℃; ｔＡ2———波纹管出气温度,℃;ｔ′Ａ1=ｔ′Ｂ1———过滤冷母液温度,℃;ｔ′Ａ2———波纹管出液温度,℃; ｔＢ1———2#蒸氨塔塔顶出气温度(钛板进气温度),℃; ｔＢ2———钛板出气温度,℃; ｔ′Ｂ2———钛板出液温度,℃; 波纹管气相温差=10.45℃,液相温差=39.95℃;钛板气相温差=3.94℃,液相温差=20.62℃。 两种换热器的平均热推动力计算: 波纹管的换热面积为240ｍ2,两组钛板换热器的换热面积亦为240ｍ2。在正常满负荷生产中,两座蒸氨塔的生产能力相同,当单塔母液蒸量为105ｍ3/ｈ时,塔顶出气量为33281ｍ3/ｈ。 Ｑ1=Ｋ1Ａ1△ｔｍＡ Ｑ2=Ｋ2Ａ2△ｔＭｂ Ｑ1=Ｑ2 Ａ1=Ａ2 则Ｋ1△ｔｍＡ=Ｋ2△ｔｍＢ ∴Ｋ1=1.6Ｋ2 由以上计算与分析可看出,在正常情况下,波纹管换热器比钛板换热器的换热系数高1.6倍,同时波纹管换热器比钛板换热器在结构上更具有优势。 1)波纹管换热器将液体流动全部改为湍流状态,使冷热流体的给热系数提高,从而提高了总的换热系数。 2)钛板换热器要受到污垢热阻的影响,而波纹管换热器将污垢热阻消除为零,从而使波纹管换热器的总换热系数有很大的提高。 3)波纹管换热器和钛板换热器的材质相同,冷热流体的介质也均相同,因此,传热系数的高低只取决于给热系数和热阻问题,提高给热系数和降低热阻是提高换热系数的最有效途径。 4 两种换热器的经济效益对比 4.1 节省蒸汽 根据查定数据,1#蒸氨塔的蒸汽消耗为0.2711ｔ/ｍ3,2#蒸氨塔的蒸汽消耗为0.2799ｔ/ｍ3,每天节省蒸汽22.176ｔ,全年节省蒸汽量5389ｔ,全年节省费用10.09万元。 4.2 节约循环水 根据查定数据,1#蒸氨塔的循环水消耗为40ｍ3/ｈ,2#蒸氨塔的循环水消耗为90ｍ3/ｈ,每天节省循环水量1200ｍ3,全年节省循环水量为291600ｍ3,全年节省费用23328元。 4.3 节省检修费用 钛板换热器由于其结构的特殊性,在正常生产运行中,常常会有板片间细碱淤垢和结疤等现象发生,从而影响换热效果和使系统阻力增大,必须定期进行酸洗和清理,才能达到正常使用要求。每年需要酸洗钛板4次,酸洗费用为7320元。钛板换热器每2年必须进行拆解清理,每年检修费用为31710元(每次拆解钛板须重新更换密封胶垫,每副胶垫185元)。而波纹管换热器既不需要酸洗,也不需要拆解,因此,每年可以节约检修费用39030元。 4.4 节省投资 钛板换热器的使用寿命为5年左右(因母液中夹带细晶,在母液与氨气换热过程中,母液对钛板冲刷腐蚀严重,从而导致母液钛板寿命缩短),一次性投资为459820元,而波纹管的使用寿命为15年左右,一次性投资为100万元,节省投资费用为379460元,即每年可以节省投资费用25297元。 4.5 增加效益 由于波纹管换热器的高效节能作用,使蒸氨塔的生产负荷进一步得到了提高,平均单塔蒸量增加5ｍ3/ｈ,每天增加产量24ｔ左右,全年1#蒸氨塔运行时间为243天,全年增加产量为5832ｔ,增加效益为145.8万元。全年总的经济效益为:145.8+3.9+2.3+10.1+2.5=164.6万元 4.6 社会效益 1)蒸氨系统阻力减少,优化了蒸氨塔的操作,减少了蒸氨操作事故的发生,也减少了蒸氨塔因塔内结疤、操作压力波动而导致的蒸氨塔堵塔事故的发生,对全厂稳定生产起到了至关重要的作用。 2)减少了因长期酸洗钛板对厂房和设备的腐蚀,也减轻了检修工的劳动工作量。 3)设备占地面积小,安装检修方便,有利于厂房和设备的进一步改造和挖潜。 4)提高了热母液温度和预分解效果,热母液温度提高了40℃,系统压力降低,更加有利于氨和二氧化碳的蒸出。 5 结语 用波纹管换热器替代钛板换热器,充分发挥了高效节能的作用,不仅使蒸氨系统的生产状况有了明显的改变,而且每年还可以为我公司创造160万元的经济效益和很好的社会效益,同时也为同行业蒸氨出气系统进行技术改造开拓了美好的前景和思路。 参考文献 [1] 中国纯碱工业协会.纯碱工学[Ｍ].北京:化学工业出版社,1992. [2] 天津大学.化工原理[Ｍ].第2版.天津:天津科学技术出版社,1988. [3] 化学工程手册编辑委员会.化学工程手册[Ｍ].北京:化学工业出版社,1985. |
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