波紋管換熱器在聯(lián)堿生產(chǎn)中的應用情況

摘要：從華昌化工公司冷凝器換熱效果差造成冰機超壓跳閘、循環(huán)水浪費嚴重的生產(chǎn)實際出發(fā)，經(jīng)過對幾種換熱器各方面性能的比較和計算，確定選用波紋管換熱器進行節(jié)能改造，裝置達到了安全、增產(chǎn)、節(jié)能、節(jié)水的目的。
　　關鍵詞：波紋管換熱器 氨制冷 節(jié)能
　　江蘇華昌化工股份有限公司聯(lián)堿裝置的制冷系統(tǒng)氨冷器原為列管式換熱器，其中有 6 臺冷凝面積為 410m2/臺，有 4 臺冷凝面積為 295m2/臺。由于換熱器水量分布不均，且水側結垢嚴重，因此，進、出口水溫溫差僅為 1-2.5℃。在2000年擴建至120kt/a 后，10 臺氨冷凝器全開，夏季經(jīng)常發(fā)生冰機壓力超高、跳閘嚴重，影響了聯(lián)堿生產(chǎn)的正常運行。因此，必須對氨冷凝器的進行改造。
　　1 換熱器改造方案的確定
　　在傳熱效率、結構、節(jié)能、節(jié)水、污垢清洗和投入等各方面，對列管式、板式、波紋管換熱器等三種類型換熱器作了充分比較之后，決定選用波紋管臥式換熱器。
     波紋管換熱器的特點如下：
     （1）換熱能力強
     由于換熱采用波紋形狀，管內外流道截面連續(xù)不斷地突變，造成流體流動，始終處于高度湍流狀態(tài)，難以形成層流底層，使得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(shù)高。同時換熱管壁很薄（0.8 mm），極大地降低了管壁熱阻，進一步強化了對流傳熱。
     對于氣氨和水的換熱，一方面因為湍流使得對流傳熱系數(shù)較低的管內傳熱得到加強，另一方面由于波紋管的曲率不斷變化，使得管外壁冷凝液能夠迅速形成液滴脫落，消除了膜狀冷凝熱阻，強化了管外氨氣冷凝傳熱，使得總傳熱系數(shù)大大提高。
    （2）有自然防垢，自然除垢特性
    流道內流體的高度湍流特性，使得循環(huán)水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溫差應力而產(chǎn)生的應變，這一應變，使得具有彈性特征的波紋管曲率發(fā)生微觀變化，從而使附著其上的垢膜破裂而脫落。
    （3）阻力降很小
    由于波紋管內外流體流動的層流底層極薄，使得流體流動的剪切力很小。
    （4）承壓能力強，安全系數(shù)高
    波紋管管壁厚度很?。?.8mm），但承壓能力很強，其爆破壓力達成 8MPa，而允許工作壓力規(guī)定為4MPa，冰機氨冷器實際的工作壓力為 1.6MPa。因此安全系數(shù)很高，故可用于冰機氨冷器。波紋管的材質選用較耐氯根腐蝕的 316L，這較好地解決了不銹鋼設備在循環(huán)水使用中的腐蝕問題。
    2 波紋管換熱器的工藝設計
    2.1 氨冷凝器熱負荷的確定
    我公司聯(lián)堿生產(chǎn)滿負荷生產(chǎn)冰機開1大（LC25A440Z）、3 ?。↙G20A200Z）共4臺冰機，現(xiàn)通過計算，求得符合生產(chǎn)實際的氨循環(huán)量。表1是改造前后冰機氨冷凝器10天隨機運行工況條件。
      2.2 氨循環(huán)量的確定
     公司內螺桿冰機在工況下的吸氣系數(shù)為0.817，大冰機的理論打氣量為 2160m3/h，小冰機的理論打氣量為 1086m3/h。
     則氨循環(huán)量：
        G =（2160+1086×3）×0.817/0.28
          =15808.95 kg/h
      2.3 制冷循環(huán)中各點焓值
      （1）蒸發(fā)：t1=0℃                 P1=0.34 MPa
      則：i1=1681.92 kJ/kg
      （2）冰機入口：t1=0℃                      P1=0.34 MPa
      查 P1下氣氨 Cp=11.22 kcal/kmol·℃，則：
      i2=1681.92+1×11.22×4.18/17
        =1684.68 kJ/kg
       （3）冰機出口：P3=1.46 MPa
       由 T3=T2×（P3/P2）（k-1）/k計算出口溫度 T3，取
     氣氨 K=1.25。
      T3 =（273+1）×（1.46/0.34）0.25/1.25
         =93.6℃
      查 P3下氣氨 Cp=13.94 kcal/kmol·℃，溫度 35.7℃下的氣氨焓為 1707.1 kJ/kg，則：
  i3 =1707.1+（93.6-35.7）×13.94×4.18/17
     =1905.56 kJ/kg
    （4）氨冷凝器出口：t4=30℃ P4=1.46 MPa
   則：i4=559.62 kJ/kg
    2.4 冷量、壓縮功及冷凝熱負荷制冷量：
    q=G（i2-i4） =15808.95×（1684.68-559.62）
                 =17786017.29 kJ/h
    壓縮功：
      W=G（i3-i2）=15808.95×（1905.56-1684.68）
                  =3491880.88 kJ/h
      冷凝熱負荷：Q=q+W=21277898.17 kJ/h
     2.5 氨冷凝器換熱面積
      波紋管換熱器用作氨冷凝器時應考慮其中有氣相冷卻和冷凝兩換熱過程，它比純液相換熱過程的傳熱系數(shù)小得多，一般在 400-1000 W/m2·℃范圍內，我們以 500W/m2·℃計。
     平均溫度：Δtm=[85-34-（30-29）]/[ln（85-34）/（30-29）]=12.7℃
     傳熱面積：A=Q/KΔtm=21277898.17/（500×3.6×12.7）=930 m2
     考慮到設備的制造、設備的布置及氣量和水量的分配等因素，我們選用了 2 臺直徑為 1400 mm，換熱面積為 500 m2的波紋管氨冷凝器。
     3 應用效果
     3.1 性能指標
     計算結果如表2所示。
     表2改造前后氨冷凝器性能指標比較
                    
      3.2 增產(chǎn)
      改造前后冷量增加 228.6 MJ/h，噸氯化銨需冷
量按 961.4 MJ/t 計，則增加的冷量可多產(chǎn)氯化銨 1
  883 t/a。
      氯化銨以 300 元/t 計，可多增收 56.5 萬元。
      3.3 節(jié)水和節(jié)電
      （1）節(jié)水
      冷水用量：
      V=Q/[4186.8×（t2-t1）]
      V  改造前  =2032 m3/h，V    改造后   =1018 m3/h
      節(jié)水：ΔV=2032-1018=1014 m3/h
      循環(huán)水以 0.07 元/m3計，年節(jié)水費 56.2 萬元。
      （2）節(jié)電
      壓縮功減少：
      ΔW=3674.3-3491.9
         =182.4 MJ/h=50.6 kW/h
        電以 0.32 元/kWh 計，則節(jié)省電費 12.8 萬元。
     波紋管換熱器于2001年6月投入生產(chǎn)運行后，各項生產(chǎn)工藝指標達到設計要求。與原列管換熱器相比，傳熱效果大大提高，系統(tǒng)操作壓力下降 0.09MPa，投量增加，年節(jié)水、電及多生產(chǎn)氯化銨價值總計為125.5 萬元。并保證了生產(chǎn)的滿負荷安全運行的需要，綜合效益明顯，總之，波紋管換熱器是化工生產(chǎn)中較好的一種節(jié)能設備。
    作者簡介 瞿國忠，1967年生，畢業(yè)于南京化工學院，高級工程師，江蘇華昌化工股份有限公司副總工程師。從事化肥和純堿生產(chǎn)的技術管理和技術改造工作，主持完成多項技術改造和擴能項目。