聶　峰,王占和（內(nèi)蒙古遠興公司吉堿分公司,阿盟吉蘭泰　750333）
在工業(yè)化生產(chǎn)中,zui常用的換熱設(shè)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(chǎn)過程中,使用的基本上都是間壁式換熱器,zui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(tǒng)所用的）。波紋管換熱器是20世紀90年代末研究開發(fā)出來的新型間壁式換熱器,我公司于2001年3月,在蒸氨系統(tǒng)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(shè)計的鈦板換熱器,經(jīng)過幾年的生產(chǎn)運行,波紋管換熱器顯示出了其*的節(jié)能性能。
1　波紋管換熱器的結(jié)構(gòu)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(nèi)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(guī)定路徑多次錯流通過管束,使湍流程度增加。波紋管的結(jié)構(gòu)見圖1。
 
     波紋管換熱器的列管采用鈦材質(zhì)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(nèi)流道截面連續(xù)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(tài),難以形成層流,使對流傳熱的主要熱阻被有效地克服,管內(nèi)外傳熱被同時強化,因而傳熱系數(shù)很高,一般為直管式的2～3倍。
2）防垢能力強。由于流道內(nèi)流體的高度湍流,使流體中的微粒難以沉積結(jié)垢,即使有少量垢生成,由于波紋管上存在管殼程溫差應(yīng)力而產(chǎn)生的應(yīng)變,使具有彈性特征的波紋管曲率發(fā)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(zhì)在管內(nèi)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(yīng)力,不易拉脫、泄漏
4）采用的鈦材料,設(shè)備抗腐蝕能力高,設(shè)備使用壽命長。
5）體積小,占地面積小,運行維護費用低。
6）*的*自由成形工藝,沒有強烈形變,無晶間缺陷,應(yīng)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(chǎn)中的物質(zhì)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(cè),自間壁另一側(cè)表面?zhèn)鹘o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(fā)生的熱量傳遞現(xiàn)象,所以和介質(zhì)流動的情況密切相關(guān)。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(qū)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(dǎo)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zui高溫度,ｔ′為冷流體中心溫度,即zui低溫度。在熱流體的湍流主體中,由于流體質(zhì)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(qū)域,稱為過渡區(qū)。溫度由Ｔ′下降到Ｔｂ。在層流底層內(nèi),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(cè)的溫度Ｔｗ和ｔｗ相差很小。在冷流體內(nèi),又順次通過層流底層、過渡區(qū)而到達湍流主體,溫度由ｔｗ經(jīng)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(shù)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(shù);
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(shù)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(shù)Ｋ值。根據(jù)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(shù);
ａ1、ａ2———管殼程對流傳熱系數(shù);
ｂ———換熱管壁厚;
λ———換熱管傳熱系數(shù);
Ｒｓ———污垢熱阻;
ｄ1、ｄ2、ｄｍ———分別為換熱管內(nèi)徑、外徑、中徑。由間壁兩側(cè)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(shù)Ｋ值,從中不難看出提高換熱系數(shù)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(shù)α1、α2。由傳熱學得知,Ｋ值主要取決于對流傳熱系數(shù),因此,必須設(shè)法同時提高流體兩側(cè)的對流傳熱系數(shù)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(shù)λ,此問題可以通過選用導(dǎo)熱性能好的換熱管材料實現(xiàn)。
4）降低污垢熱阻Ｒｓ,當污垢熱阻起很大作用時,必須設(shè)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(fā)使用的換熱設(shè)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(cè)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(shù)較高。經(jīng)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(dǎo)致鈦板換熱器結(jié)疤淤塞非常嚴重,致使系統(tǒng)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(dǎo)致鈦板換熱器壽命降低。蒸氨系統(tǒng)使用兩種換熱器的運行操作參數(shù)見表1。
 
設(shè):
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(chǎn)中,兩座蒸氨塔的生產(chǎn)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(shù)高1.6倍,同時波紋管換熱器比鈦板換熱器在結(jié)構(gòu)上更具有優(yōu)勢。
1）波紋管換熱器將液體流動全部改為湍流狀態(tài),使冷熱流體的給熱系數(shù)提高,從而提高了總的換熱系數(shù)。
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(shù)有很大的提高。
3）波紋管換熱器和鈦板換熱器的材質(zhì)相同,冷熱流體的介質(zhì)也均相同,因此,傳熱系數(shù)的高低只取決于給熱系數(shù)和熱阻問題,提高給熱系數(shù)和降低熱阻是提高換熱系數(shù)的zui有效途徑。
4　兩種換熱器的經(jīng)濟效益對比
4.1　節(jié)省蒸汽
     根據(jù)查定數(shù)據(jù),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(jié)省蒸汽22.176ｔ,全年節(jié)省蒸汽量5389ｔ,全年節(jié)省費用10.09萬元。
4.2　節(jié)約循環(huán)水
     根據(jù)查定數(shù)據(jù),1#蒸氨塔的循環(huán)水消耗為40ｍ3/ｈ,2#蒸氨塔的循環(huán)水消耗為90ｍ3/ｈ,每天節(jié)省循環(huán)水量1200ｍ3,全年節(jié)省循環(huán)水量為291600ｍ3,全年節(jié)省費用23328元。
4.3　節(jié)省檢修費用
    鈦板換熱器由于其結(jié)構(gòu)的特殊性,在正常生產(chǎn)運行中,常常會有板片間細堿淤垢和結(jié)疤等現(xiàn)象發(fā)生,從而影響換熱效果和使系統(tǒng)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(jié)約檢修費用39030元。
4.4　節(jié)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(dǎo)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(jié)省投資費用為379460元,即每年可以節(jié)省投資費用25297元。
4.5　增加效益
    由于波紋管換熱器的節(jié)能作用,使蒸氨塔的生產(chǎn)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(chǎn)量24ｔ左右,全年1#蒸氨塔運行時間為243天,全年增加產(chǎn)量為5832ｔ,增加效益為145.8萬元。全年總的經(jīng)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(tǒng)阻力減少,優(yōu)化了蒸氨塔的操作,減少了蒸氨操作事故的發(fā)生,也減少了蒸氨塔因塔內(nèi)結(jié)疤、操作壓力波動而導(dǎo)致的蒸氨塔堵塔事故的發(fā)生,對全廠穩(wěn)定生產(chǎn)起到了至關(guān)重要的作用。
2）減少了因長期酸洗鈦板對廠房和設(shè)備的腐蝕,也減輕了檢修工的勞動工作量。
3）設(shè)備占地面積小,安裝檢修方便,有利于廠房和設(shè)備的進一步改造和挖潛。
4）提高了熱母液溫度和預(yù)分解效果,熱母液溫度提高了40℃,系統(tǒng)壓力降低,更加有利于氨和二氧化碳的蒸出。
5　結(jié)語
用波紋管換熱器替代鈦板換熱器,充分發(fā)揮了節(jié)能的作用,不僅使蒸氨系統(tǒng)的生產(chǎn)狀況有了明顯的改變,而且每年還可以為我公司創(chuàng)造160萬元的經(jīng)濟效益和很好的社會效益,同時也為同行業(yè)蒸氨出氣系統(tǒng)進行技術(shù)改造開拓了美好的前景和思路。
參考文獻
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