波紋管高效換熱器在冰機系統(tǒng)的應用

摘要：介紹了一種不銹鋼波紋管換熱器的結(jié)構(gòu)、性能特點及實際應用
　　關鍵詞：波紋管換熱器 高效 應用
　?。?nbsp;概述
　　我公司是一個年產(chǎn) ２２×１０４ｔ 合成氨的中型氮肥企業(yè)。換熱器使用量大， 對換熱器性能的要求高。２００１ 年和 ２００２ 年， 我公司在冰機系統(tǒng)選用波紋管換熱器代替原有的光滑管換熱器， 不僅優(yōu)化傳熱， 降低能耗，而且能減少設備體積及運行維護費用， 進一步降低了成本。
　?。?nbsp;波紋管式換熱器的結(jié)構(gòu)及原理
　　波紋管換熱器是在保持管殼式換熱器結(jié)構(gòu)的基礎上， 對傳熱元件進行開發(fā)設計， 用專用設備將薄壁不銹鋼光管加工成內(nèi)外均為連續(xù)波紋狀曲線的波紋管（ 圖 １） 。
                  
　　這種加工變形不是靠壁厚的減薄來形成， 而是利用不銹鋼的塑性和韌性， 讓金屬流動形成的； 因而在波峰、波谷處壁厚不減薄， 加工應力小， 且應力分布均勻， 沒有應力集中點； 其傳熱面積與原光滑管相同時， 長度比原光管要短。波紋管因其特殊結(jié)構(gòu)， 而具有以下幾個特點。
    ２．１ 傳熱系數(shù)高
     由于波紋管在其管壁形成波紋， 大大提高流體的紊流強度， 不斷改變流體的流速和流動方向， 破壞底層的層流， 改變介質(zhì)邊界層的流動狀態(tài)， 從管壁表面到主流之間的溫度梯度被破壞或消除， 因而大大提高管內(nèi)外的對流換熱系數(shù)， 而且在較低流速下， 即可達到紊流速度。同時管壁很薄， 一般波紋管壁厚在 ０．５～０．８ｍｍ 之間， 因而管壁內(nèi)溫度梯度很大， 熱阻很小， 所以波紋管總傳熱系數(shù)值較高。
    ２．２ 可承受中低壓力， 耐腐蝕， 壽命長  波紋管由于本身的波紋曲線和冷加工變形，即使管壁較薄， 也能承受較大的壓力， 實驗室測得用直徑 ３３ｍｍ、厚 ０．５ｍｍ 的光管制成波紋管， 內(nèi)外壓破壞的最低壓差為 １．８ＭＰａ， 最高可達到３．３ＭＰａ。根據(jù)這個壓力確定波紋管的使用設計壓力為 １．６ＭＰａ 以下， 對于化工行業(yè)中的中低壓換熱工況， 是安全可靠的。對于不同的介質(zhì)可以選用不同的不銹鋼材質(zhì)， 可以大量使用優(yōu)質(zhì)材料，提高設備抗腐蝕能力， 減少運行維護費用， 延長設備使用壽命。
    ２．３ 適應大溫差工況， 可自我補償溫差應力
     波紋管是由連續(xù)的波紋組成的， 管壁薄， 不銹鋼材質(zhì)韌性好， 使它具有一定的軸向伸縮能力， 這種能力可以補償和吸收換熱管和簡體在工作狀態(tài)下， 由于溫差應力和壓差應力產(chǎn)生的變形， 因此波紋管是可以自我補償?shù)娜嵝栽?nbsp;對管板和筒體產(chǎn)生的應力小， 因而換熱管與管板的焊縫不易產(chǎn)生裂紋。波紋管使用溫度范圍可以從－ ２０℃到 ４５０℃， 對于某些大溫差、大壓差工作場合， 即使使用固定管板式的波紋管換熱器， 筒體不裝膨脹節(jié)， 也能安全運行。
    ２．４ 可以防垢、清垢  在波紋管內(nèi)外， 流體對管壁的沖刷比較強烈， 同時不銹鋼的材質(zhì)表面光潔度較高， 因而可以在一定程度抑制水垢的生成。另外波紋管在受到溫差的作用變形時， 污垢與金屬的熱膨脹系數(shù)相差極大， 加上不銹鋼表面的光滑曲線， 因此污垢與波紋管之間產(chǎn)生較大的拉應力， 促使污垢脫落， 實現(xiàn)自動清理。
    ３ 波紋管換熱器在冰機水冷器上的應用
    ３．１ 原有光管換熱器存在的問題
     我公司年產(chǎn) ２６×１０４ｔ合成氨， 制冷系統(tǒng)共配有７臺冰機，單臺打氣量２５２４ｍ３／ｈ，冷凍能力為９５ ０００ｋｃａｌ／ｈ（ ３９７．５ＭＪ／ｈ） ， 同時配有 １３ 臺固定管板式光管換熱器 （ 即水冷器） ， 單臺換熱面積６３４ｍ２， ４ 臺冷卻水泵、７臺抽風機， 冰機和換熱器使用循環(huán)水進行冷卻。這些換熱器都是由碳鋼材料制成， 使用時間長， 管壁腐蝕嚴重， 泄漏多， 同時水垢和污泥沉積于管壁上， 換熱效率低， 實際換熱面積下降。一般一年檢修一次， 清理管程， 堵塞漏管， 檢修量大， 檢修費用高。針對光管換熱器存在的問題， 我們對翅片式和波紋管式換熱器進行考察， 發(fā)現(xiàn)波紋管具有上述優(yōu)點而適用， 翅片式換熱器因易結(jié)垢、易腐蝕而不適用。
    ３．２ 波紋管換熱器的使用情況
     ２００１年，我公司先后采用一臺５００ｍ２和一臺７１８ｍ２的波紋管水冷器替代原來１３臺換熱器。這２臺波紋管水冷器采用 φ２５ 的波紋管， 材質(zhì)０Ｃｒｌ８Ｎｉ１０Ｔｉ， 波峰 Ｄ－ ２５，波谷 ｄ＝１９， 波距 ｔ＝２０。從２００１ 年夏季運行至今， 工況穩(wěn)定， 換熱效果好。沒有因波紋管泄漏而檢修過， 同時我們對 ２ 臺波紋管換熱器使用前后的各項數(shù)據(jù)進行了統(tǒng)計， 結(jié)果發(fā)現(xiàn)使用波紋管水冷器后， 生產(chǎn)運行的電量、水量、藥品用量都大幅度的下降， 同時 ４ 年內(nèi)沒有檢修過， 運行和日常維護費用低， 經(jīng)濟效益顯著。
    ４ 效益分析
    ４．１ 節(jié)電分析
     波紋管水冷器使用后， 因水冷器冷卻效率高， 經(jīng)冰機壓縮后的氣氨迅速冷卻， 使冰機二段出口壓力從原 １．５５ＭＰａ 降至 １．５０ＭＰａ（ 冬天可降至 １．４５ＭＰａ） ， 使單臺冰機平均電流下降約 ２Ａ。節(jié)省電量和統(tǒng)計計算結(jié)果見表 １。
                
    ４．２ 節(jié)水分析
     改造后水冷器從原 １３ 臺減至 ２ 臺， 因水冷器用水量明顯減少， 節(jié)省水量和統(tǒng)計計算結(jié)果見表 ２。
                
    ４．３ 節(jié)省處理藥品分析
     波紋管水冷器使用后，水量從原３６００ｍ３／ｈ 降到 ２４００ｍ３／ｈ， 水質(zhì)處理藥品費用相應減少，節(jié)省水處理藥品統(tǒng)計和計算結(jié)果見表 ３。
                
    ４．４ 節(jié)省檢修和設備維護費用分析
    波紋管水冷器為不銹鋼材質(zhì)， 經(jīng)久耐用且不易被腐蝕， 因而可以節(jié)省檢修費用。波紋管冰冷器投用前冰機水冷器年檢修１３臺次， 每次檢修費用約為 ６５００ 元， 年檢修費用為 ８．４５ 萬元。使用波紋管水冷器后年冰機水冷器檢修率及檢修費用幾乎為零， 每年可節(jié)約檢修費用約 ７．８ 萬元。
     根據(jù)以上討論， 冰機波紋管換熱器使用后，每年可節(jié)省各項生產(chǎn)費用約 ３９．０ 萬元， 而波紋管水冷器改造一次性投資約為 ５５ 萬元左右， 項目投資 １ 年半可收回全部成本， 且波紋管水冷器為不銹鋼材質(zhì)， 抗腐蝕， 經(jīng)久耐用， 工藝運行安全系數(shù)高， 從長遠利益考慮， 波紋管水冷器的使用可給生產(chǎn)帶來穩(wěn)定、消耗低、使用壽命長等優(yōu)點， 給企業(yè)帶來更大收益。