波紋管換熱器在聯(lián)堿生產(chǎn)中的應(yīng)用情況

摘要：從華昌化工公司冷凝器換熱效果差造成冰機(jī)超壓跳閘、循環(huán)水浪費(fèi)嚴(yán)重的生產(chǎn)實(shí)際出發(fā)，經(jīng)過對幾種換熱器各方面性能的比較和計(jì)算，確定選用波紋管換熱器進(jìn)行節(jié)能改造，裝置達(dá)到了安全、增產(chǎn)、節(jié)能、節(jié)水的目的。
　　關(guān)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(cè)結(jié)垢嚴(yán)重，因此，進(jìn)、出口水溫溫差僅為 1-2.5℃。在2000年擴(kuò)建至120kt/a 后，10 臺氨冷凝器全開，夏季經(jīng)常發(fā)生冰機(jī)壓力超高、跳閘嚴(yán)重，影響了聯(lián)堿生產(chǎn)的正常運(yùn)行。因此，必須對氨冷凝器的進(jìn)行改造。
　　1 換熱器改造方案的確定
　　在傳熱效率、結(jié)構(gòu)、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(diǎn)如下：
     （1）換熱能力強(qiáng)
     由于換熱采用波紋形狀，管內(nèi)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(nèi)外傳熱被同時(shí)強(qiáng)化，因而傳熱系數(shù)高。同時(shí)換熱管壁很?。?.8 mm），極大地降低了管壁熱阻，進(jìn)一步強(qiáng)化了對流傳熱。
     對于氣氨和水的換熱，一方面因?yàn)橥牧魇沟脤α鱾鳠嵯禂?shù)較低的管內(nèi)傳熱得到加強(qiáng)，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(qiáng)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(nèi)流體的高度湍流特性，使得循環(huán)水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溫差應(yīng)力而產(chǎn)生的應(yīng)變，這一應(yīng)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(nèi)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(qiáng)，安全系數(shù)高
    波紋管管壁厚度很?。?.8mm），但承壓能力很強(qiáng)，其爆破壓力達(dá)成 8MPa，而允許工作壓力規(guī)定為4MPa，冰機(jī)氨冷器實(shí)際的工作壓力為 1.6MPa。因此安全系數(shù)很高，故可用于冰機(jī)氨冷器。波紋管的材質(zhì)選用較耐氯根腐蝕的 316L，這較好地解決了不銹鋼設(shè)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(shè)計(jì)
    2.1 氨冷凝器熱負(fù)荷的確定
    我公司聯(lián)堿生產(chǎn)滿負(fù)荷生產(chǎn)冰機(jī)開1大（LC25A440Z）、3 ?。↙G20A200Z）共4臺冰機(jī)，現(xiàn)通過計(jì)算，求得符合生產(chǎn)實(shí)際的氨循環(huán)量。表1是改造前后冰機(jī)氨冷凝器10天隨機(jī)運(yùn)行工況條件。
      2.2 氨循環(huán)量的確定
     公司內(nèi)螺桿冰機(jī)在工況下的吸氣系數(shù)為0.817，大冰機(jī)的理論打氣量為 2160m3/h，小冰機(jī)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(diǎn)焓值
      （1）蒸發(fā)：t1=0℃                 P1=0.34 MPa
      則：i1=1681.92 kJ/kg
      （2）冰機(jī)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(jī)出口：P3=1.46 MPa
       由 T3=T2×（P3/P2）（k-1）/k計(jì)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(fù)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(fù)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(shí)應(yīng)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(nèi)，我們以 500W/m2·℃計(jì)。
     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(shè)備的制造、設(shè)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(yīng)用效果
     3.1 性能指標(biāo)
     計(jì)算結(jié)果如表2所示。
     表2改造前后氨冷凝器性能指標(biāo)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(jì)，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(jì)，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(jì)，年節(jié)水費(fèi) 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(jì)，則節(jié)省電費(fèi) 12.8 萬元。
     波紋管換熱器于2001年6月投入生產(chǎn)運(yùn)行后，各項(xiàng)生產(chǎn)工藝指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)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(jià)值總計(jì)為125.5 萬元。并保證了生產(chǎn)的滿負(fù)荷安全運(yùn)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(shè)備。
    作者簡介 瞿國忠，1967年生，畢業(yè)于南京化工學(xué)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(shù)管理和技術(shù)改造工作，主持完成多項(xiàng)技術(shù)改造和擴(kuò)能項(xiàng)目。