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      哈雷釬焊板式換熱器
      專業生產:換熱器;分水器;過水熱;冷卻器
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      波紋管換熱器的工作特性及應用

      點擊:1749 日期:[ 2014-04-26 22:48:45 ]
      聶 峰,王占和(內蒙古遠興公司吉堿分公司,阿盟吉蘭泰 750333)   在工業化生產中,最常用的換熱設備有間壁式換熱器、混合式換熱器、蓄熱式換熱器等3種類型。在氨堿法純堿生產過程中,使用的基本上都是間壁式換熱器,最常見的換熱器有冷卻水箱(碳化塔、吸收塔、爐氣冷凝塔所用的),以及鈦板換熱器和螺旋板換熱器(氨鹽水、蒸氨系統所用的)。波紋管換熱器是20世紀90年代末最新研究開發出來的新型間壁式換熱器,我公司于2001年3月,在蒸氨系統采用了1臺φ1100mm×5059mm的波紋管換熱器(換熱面積為240m2)來代替原設計的鈦板換熱器,經過幾年的生產運行,波紋管換熱器顯示出了其優越的節能性能。 1 波紋管換熱器的結構特點      波紋管換熱器屬于列管式換熱器,它由殼體、管束、管板和封頭等幾部分組成。在殼體內安裝有6塊或不等的折流擋板,不僅可防止流體短路、增加流體速度,而且還可以迫使流體按規定路徑多次錯流通過管束,使湍流程度增加。波紋管的結構見圖1。        波紋管換熱器的列管采用鈦材質波紋管,非普通直管,其特點為: 1)熱效率高。由于換熱管采用波紋形式,管內流道截面連續不斷地突變,造成流體即使在流速很低的情況下也始終處于高度湍流狀態,難以形成層流,使對流傳熱的主要熱阻被有效地克服,管內外傳熱被同時強化,因而傳熱系數很高,一般為直管式的2~3倍。 2)防垢能力強。由于流道內流體的高度湍流,使流體中的微粒難以沉積結垢,即使有少量垢生成,由于波紋管上存在管殼程溫差應力而產生的應變,使具有彈性特征的波紋管曲率發生微觀變化,從而使波紋管換熱器具有自然防垢和自然除垢的能力。介質在管內外強烈湍流對管壁沖刷強烈,另外波紋管表面的光滑弧線也能抑制水垢的生成和生長。 3)波紋管屬柔性元件,在溫差和壓差較大的場合下具有自我補償能力,可大大降低管板和筒體的應力,不易拉脫、泄漏 4)采用優質的鈦材料,設備抗腐蝕能力高,設備使用壽命長。 5)體積小,占地面積小,運行維護費用低。 6)獨特的完全自由成形工藝,沒有強烈形變,無晶間缺陷,應力分布均勻。 2 波紋管換熱器的傳熱特點 2.1 傳熱原理      化工生產中的物質間熱交換常遇到的是溫度不太高的流體間的熱交換,熱量自熱流體傳到間壁表面的一側,自間壁另一側表面傳給冷流體,以對流傳熱為主。對流傳熱是在流體流動的過程中發生的熱量傳遞現象,所以和介質流動的情況密切相關。在湍流流動的情況下,流體主流中由于旋渦叢生,流體各部分相互混合,所以熱阻很小,從而在流體流動方向垂直的截面上,湍流中心區各點流體之間的溫度趨于一致。但在緊靠壁面處,總有一層流體膜順著壁面作層流流動,稱為層流底層。由于通過這層流體膜的傳熱是以導熱方式進行的,所以流體膜雖薄,卻是對流傳熱的主要熱阻,溫度降也主要集中在層流底層中。        圖2為對流傳熱時沿熱流方向的溫度分布情況示意圖。圖中F1F1與F2F2為層流底層的界面,T′為熱流體中心溫度,即最高溫度,t′為冷流體中心溫度,即最低溫度。在熱流體的湍流主體中,由于流體質點充分混合,溫度基本上是一致的,即圖中T′。在層流底層和湍流主體之間存在一個溫度逐漸變化的區域,稱為過渡區。溫度由T′下降到Tb。在層流底層內,由于熱阻較大,溫度急劇由Tb下降到Tw。再往左通過管壁,因其材料通常為金屬,熱阻很小,因此,管壁兩側的溫度Tw和tw相差很小。在冷流體內,又順次通過層流底層、過渡區而到達湍流主體,溫度由tw經tb下降到t′。圖2中曲線twtbt′和曲線T′TbTw的意義相似。 2.2 提高換熱系數的途徑      傳熱學傳熱速率公式如下: Q=KA(T-t)(1) 式中: Q———換熱量; K———換熱系數; A———換熱面積; (T-t)———傳熱溫度差。 從公式(1)可以看到,換熱量和換熱系數K成正比,要提高換熱器的熱交換能力,就必須想辦法提高換熱系數K值。根據傳熱學原理對流傳熱時圓筒型壁熱交換管的總熱阻公式為: 1/K=1/a1+b/λ(d1/dm)+1/a2(d1/d2)+Rs(d1/d2)(2) 式中: K———總傳熱系數; a1、a2———管殼程對流傳熱系數; b———換熱管壁厚; λ———換熱管傳熱系數; Rs———污垢熱阻; d1、d2、dm———分別為換熱管內徑、外徑、中徑。由間壁兩側流體熱交換過程及公式(2)可以看出,要想提高熱交換器的換熱性能,就要努力降低總熱阻,即提高總熱交換系數K值,從中不難看出提高換熱系數K值有如下途徑: 1)減少層流層,增加湍流層,從而提高對流傳熱系數α1、α2。由傳熱學得知,K值主要取決于對流傳熱系數,因此,必須設法同時提高流體兩側的對流傳熱系數α1、α2。 2)減少傳熱距離,即減少換熱管壁厚b。 3)提高傳熱系數λ,此問題可以通過選用導熱性能好的換熱管材料實現。 4)降低污垢熱阻Rs,當污垢熱阻起很大作用時,必須設法減慢污垢生成速率或清洗。 3 兩種換熱器的運行情況對比      板式換熱器是20世紀70年代開發使用的高效換熱設備。是由一組金屬薄板之間襯以墊片并用框架夾緊組裝而成,冷、熱流體分別在板片兩側流過,通過板片進行換熱。板片厚度為0.5~3mm。由于板片壓制成各種波紋形狀,既增加了剛度,又使流體分布均勻,加強湍流,故而傳熱系數較高。經幾年的使用運行,鈦板換熱器存在以下問題:①由于母液中夾帶大量的細晶堿,導致鈦板換熱器結疤淤塞非常嚴重,致使系統阻力大,換熱效率低;②鈦板換熱器酸洗、檢修、清理工作量大,且檢修費用高;③由于母液腐蝕沖劇嚴重,導致鈦板換熱器壽命降低。蒸氨系統使用兩種換熱器的運行操作參數見表1。    設: tA1———1#蒸氨塔塔頂出氣溫度(波紋管進氣溫度),℃; tA2———波紋管出氣溫度,℃;t′A1=t′B1———過濾冷母液溫度,℃;t′A2———波紋管出液溫度,℃; tB1———2#蒸氨塔塔頂出氣溫度(鈦板進氣溫度),℃; tB2———鈦板出氣溫度,℃; t′B2———鈦板出液溫度,℃; 波紋管氣相溫差=10.45℃,液相溫差=39.95℃;鈦板氣相溫差=3.94℃,液相溫差=20.62℃。   兩種換熱器的平均熱推動力計算:   波紋管的換熱面積為240m2,兩組鈦板換熱器的換熱面積亦為240m2。在正常滿負荷生產中,兩座蒸氨塔的生產能力相同,當單塔母液蒸量為105m3/h時,塔頂出氣量為33281m3/h。 Q1=K1A1△tmA Q2=K2A2△tMb Q1=Q2  A1=A2  則K1△tmA=K2△tmB ∴K1=1.6K2 由以上計算與分析可看出,在正常情況下,波紋管換熱器比鈦板換熱器的換熱系數高1.6倍,同時波紋管換熱器比鈦板換熱器在結構上更具有優勢。 1)波紋管換熱器將液體流動全部改為湍流狀態,使冷熱流體的給熱系數提高,從而提高了總的換熱系數。 2)鈦板換熱器要受到污垢熱阻的影響,而波紋管換熱器將污垢熱阻消除為零,從而使波紋管換熱器的總換熱系數有很大的提高。 3)波紋管換熱器和鈦板換熱器的材質相同,冷熱流體的介質也均相同,因此,傳熱系數的高低只取決于給熱系數和熱阻問題,提高給熱系數和降低熱阻是提高換熱系數的最有效途徑。 4 兩種換熱器的經濟效益對比 4.1 節省蒸汽      根據查定數據,1#蒸氨塔的蒸汽消耗為0.2711t/m3,2#蒸氨塔的蒸汽消耗為0.2799t/m3,每天節省蒸汽22.176t,全年節省蒸汽量5389t,全年節省費用10.09萬元。 4.2 節約循環水      根據查定數據,1#蒸氨塔的循環水消耗為40m3/h,2#蒸氨塔的循環水消耗為90m3/h,每天節省循環水量1200m3,全年節省循環水量為291600m3,全年節省費用23328元。 4.3 節省檢修費用     鈦板換熱器由于其結構的特殊性,在正常生產運行中,常常會有板片間細堿淤垢和結疤等現象發生,從而影響換熱效果和使系統阻力增大,必須定期進行酸洗和清理,才能達到正常使用要求。每年需要酸洗鈦板4次,酸洗費用為7320元。鈦板換熱器每2年必須進行拆解清理,每年檢修費用為31710元(每次拆解鈦板須重新更換密封膠墊,每副膠墊185元)。而波紋管換熱器既不需要酸洗,也不需要拆解,因此,每年可以節約檢修費用39030元。 4.4 節省投資     鈦板換熱器的使用壽命為5年左右(因母液中夾帶細晶,在母液與氨氣換熱過程中,母液對鈦板沖刷腐蝕嚴重,從而導致母液鈦板壽命縮短),一次性投資為459820元,而波紋管的使用壽命為15年左右,一次性投資為100萬元,節省投資費用為379460元,即每年可以節省投資費用25297元。 4.5 增加效益     由于波紋管換熱器的高效節能作用,使蒸氨塔的生產負荷進一步得到了提高,平均單塔蒸量增加5m3/h,每天增加產量24t左右,全年1#蒸氨塔運行時間為243天,全年增加產量為5832t,增加效益為145.8萬元。全年總的經濟效益為:145.8+3.9+2.3+10.1+2.5=164.6萬元 4.6 社會效益 1)蒸氨系統阻力減少,優化了蒸氨塔的操作,減少了蒸氨操作事故的發生,也減少了蒸氨塔因塔內結疤、操作壓力波動而導致的蒸氨塔堵塔事故的發生,對全廠穩定生產起到了至關重要的作用。 2)減少了因長期酸洗鈦板對廠房和設備的腐蝕,也減輕了檢修工的勞動工作量。 3)設備占地面積小,安裝檢修方便,有利于廠房和設備的進一步改造和挖潛。 4)提高了熱母液溫度和預分解效果,熱母液溫度提高了40℃,系統壓力降低,更加有利于氨和二氧化碳的蒸出。 5 結語 用波紋管換熱器替代鈦板換熱器,充分發揮了高效節能的作用,不僅使蒸氨系統的生產狀況有了明顯的改變,而且每年還可以為我公司創造160萬元的經濟效益和很好的社會效益,同時也為同行業蒸氨出氣系統進行技術改造開拓了美好的前景和思路。 參考文獻 [1] 中國純堿工業協會.純堿工學[M].北京:化學工業出版社,1992. [2] 天津大學.化工原理[M].第2版.天津:天津科學技術出版社,1988. [3] 化學工程手冊編輯委員會.化學工程手冊[M].北京:化學工業出版社,1985.
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