聶　峰,王占和（內(nèi)蒙古遠(yuǎn)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(lèi)型。在氨堿法純堿生產(chǎn)過(guò)程中,使用的基本上都是間壁式換熱器,zui常見(jiàn)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(jì)90年代末研究開(kāi)發(fā)出來(lái)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(tái)φ1100ｍｍ×5059ｍｍ的波紋管換熱器（換熱面積為240ｍ2）來(lái)代替原設(shè)計(jì)的鈦板換熱器,經(jīng)過(guò)幾年的生產(chǎn)運(yùn)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(diǎn)
     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(cuò)流通過(guò)管束,使湍流程度增加。波紋管的結(jié)構(gòu)見(jiàn)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(diǎn)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(duì)流傳熱的主要熱阻被有效地克服,管內(nèi)外傳熱被同時(shí)強(qiáng)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(qiáng)。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(qiáng)烈湍流對(duì)管壁沖刷強(qiáng)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(zhǎng)。
3）波紋管屬柔性元件,在溫差和壓差較大的場(chǎng)合下具有自我補(bǔ)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(zhǎng)。
5）體積小,占地面積小,運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用低。
6）*的*自由成形工藝,沒(méi)有強(qiáng)烈形變,無(wú)晶間缺陷,應(yīng)力分布均勻。
2　波紋管換熱器的傳熱特點(diǎn)
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(duì)流傳熱為主。對(duì)流傳熱是在流體流動(dòng)的過(guò)程中發(fā)生的熱量傳遞現(xiàn)象,所以和介質(zhì)流動(dòng)的情況密切相關(guān)。在湍流流動(dòng)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(dòng)方向垂直的截面上,湍流中心區(qū)各點(diǎn)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(dòng),稱為層流底層。由于通過(guò)這層流體膜的傳熱是以導(dǎo)熱方式進(jìn)行的,所以流體膜雖薄,卻是對(duì)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(duì)流傳熱時(shí)沿?zé)崃鞣较虻臏囟确植记闆r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(diǎn)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(gè)溫度逐漸變化的區(qū)域,稱為過(guò)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(guò)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(guò)層流底層、過(guò)渡區(qū)而到達(dá)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(xué)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(xué)原理對(duì)流傳熱時(shí)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(duì)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(guò)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(duì)流傳熱系數(shù)α1、α2。由傳熱學(xué)得知,Ｋ值主要取決于對(duì)流傳熱系數(shù),因此,必須設(shè)法同時(shí)提高流體兩側(cè)的對(duì)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(wèn)題可以通過(guò)選用導(dǎo)熱性能好的換熱管材料實(shí)現(xiàn)。
4）降低污垢熱阻Ｒｓ,當(dāng)污垢熱阻起很大作用時(shí),必須設(shè)法減慢污垢生成速率或清洗。
3　兩種換熱器的運(yùn)行情況對(duì)比
     板式換熱器是20世紀(jì)70年代開(kāi)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(guò),通過(guò)板片進(jìn)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(qiáng)湍流,故而傳熱系數(shù)較高。經(jīng)幾年的使用運(yùn)行,鈦板換熱器存在以下問(wèn)題:①由于母液中夾帶大量的細(xì)晶堿,導(dǎo)致鈦板換熱器結(jié)疤淤塞非常嚴(yán)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(fèi)用高;③由于母液腐蝕沖劇嚴(yán)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(yùn)行操作參數(shù)見(jiàn)表1。
 
設(shè):
ｔＡ1———1#蒸氨塔塔頂出氣溫度（波紋管進(jìn)氣溫度）,℃;
ｔＡ2———波紋管出氣溫度,℃;ｔ′Ａ1=ｔ′Ｂ1———過(guò)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(jìn)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(dòng)力計(jì)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(fù)荷生產(chǎn)中,兩座蒸氨塔的生產(chǎn)能力相同,當(dāng)單塔母液蒸量為105ｍ3/ｈ時(shí),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(jì)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(shí)波紋管換熱器比鈦板換熱器在結(jié)構(gòu)上更具有優(yōu)勢(shì)。
1）波紋管換熱器將液體流動(dòng)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(wèn)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(jì)效益對(duì)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(fèi)用10.09萬(wàn)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(fèi)用23328元。
4.3　節(jié)省檢修費(fèi)用
    鈦板換熱器由于其結(jié)構(gòu)的特殊性,在正常生產(chǎn)運(yùn)行中,常常會(huì)有板片間細(xì)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(jìn)行酸洗和清理,才能達(dá)到正常使用要求。每年需要酸洗鈦板4次,酸洗費(fèi)用為7320元。鈦板換熱器每2年必須進(jìn)行拆解清理,每年檢修費(fèi)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(fèi)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(xì)晶,在母液與氨氣換熱過(guò)程中,母液對(duì)鈦板沖刷腐蝕嚴(yán)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(wàn)元,節(jié)省投資費(fèi)用為379460元,即每年可以節(jié)省投資費(fèi)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(fù)荷進(jìn)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(yùn)行時(shí)間為243天,全年增加產(chǎn)量為5832ｔ,增加效益為145.8萬(wàn)元。全年總的經(jīng)濟(jì)效益為:145.8+3.9+2.3+10.1+2.5=164.6萬(wàn)元
4.6　社會(huì)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(dòng)而導(dǎo)致的蒸氨塔堵塔事故的發(fā)生,對(duì)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(zhǎng)期酸洗鈦板對(duì)廠房和設(shè)備的腐蝕,也減輕了檢修工的勞動(dòng)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(jìn)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(yǔ)
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(wàn)元的經(jīng)濟(jì)效益和很好的社會(huì)效益,同時(shí)也為同行業(yè)蒸氨出氣系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造開(kāi)拓了美好的前景和思路。
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