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高效纏繞管式換熱器的節能分析與工業應用
張賢安
(鎮海煉化檢修安裝公司,浙江寧波 315207)
摘要：介紹了纏繞管式換熱器的節能原理,利用工業應用實例對纏繞管式換熱器的節能進行了分 析,并根據工業實際情況,提出了采用纏繞管式換熱器,可使工藝流程簡潔、操作條件優化、大幅度 降低能耗的觀點。
關鍵詞：纏繞管式換熱器;節能;工業應用
中圖分類號：TQ051.5 文獻標識碼:B 文章編號:1001-4837(2008)05-0054-04
1 前言
在所有的換熱單元中,管殼式換熱器以設計、制 造的優勢廣泛應用于工業生產中,據估計,管殼式換 熱器在我國換熱器總產量中約占80%。迄今為止 已經開發了多種類型的高效管殼式換熱器,如螺旋 折流板換熱器、螺紋管換熱器、波紋管換熱器、螺旋 波紋管換熱器等。纏繞管式換熱器作為一種特殊結 構的管殼式換熱器,具有同時進行多種介質的傳熱 結構緊湊、單位容積具有較大的傳熱面積、無熱膨脹 問題且在小溫差大負荷工況下具有良好的傳熱性能 的特點[1]。筆者結合十多年的設計制造經驗,通過工業應用實例,闡述了目前在煉廠加氫、氣分、天然氣氣化、低溫甲醇洗裝置等廣泛應用的纏繞管式換 熱器的高效節能技術。
2 纏繞管式換熱器的高效性能
在設計和選擇換熱器時,首先必須確定對換熱 器起決定作用的冷熱流體溫度差。一般來講,對同 等的換熱量,溫度差越大,相應所需的換熱器面積越 小。從這一點上看,似乎是換熱器的溫度差越大越 好。但是從熱力學的觀點來看,熱轉變過程本身是 不可逆的。熱源和受熱體的溫度差越大,熱量的有 用能的損失也越大。纏繞管式換熱器有效地實現了在強化傳熱的同時,使冷熱流體充分換熱,盡量減小了有用能的損失。
纏繞管式換熱器層與層之間換熱管反向纏繞, 這種特殊結構極大地改變了流體流動狀態,形成強 烈的湍流效果;由于管內螺旋流動的強化作用,使得 管程的傳熱膜系數也得到增加;同時墊條等部件對 殼程的流動不斷擾動,三個方面的共同作用,使得纏 繞管式換熱器的傳熱性能得以顯著提高。對于一般 結構的氣-氣換熱設備,其傳熱系數值約為75~ 365W/(m2·K),但對于纏繞管式換熱器,某些特 定條件下,總傳熱系數可以達到500W/(m2·K)以 上。另外,通過層數和間距的合理調整,冷熱流體對管殼程的選擇不明顯。以原料氣換熱器為例,管程 走冷流體和管程走熱流體的總傳熱系數相差僅為 2%。
3 與普通管殼式換熱器的比較
纏繞管式換熱器結構緊湊主要體現在單位容積具有較大的傳熱面積。對管徑為8~21mm的傳熱 管的傳熱面積可達100~170m2/m3;而普通管殼式 換熱器的傳熱面積只有54~77m2/m3,是纏繞管式 換熱器的45%左右。普通的管殼式換熱器折流板起著改變流體流動 方向和支撐管的作用。傳統弓形折流板換熱器中, 殼側流體成彎曲的Z字形流動,但這種折流板的布置形式存在一些問題:
(1)沿程壓力降大,易產生流動滯止死區;
(2)旁流和漏流降低了有效橫掠管束的質量流 速;
(3)高的流體流速誘導換熱管的振動,縮短了換熱器的壽命。
因此,許多研究致力于改變傳統的折流板結構的形式。
據調查,90%以上的普通管殼式換熱器都存在不同程度的結垢問題,造成傳熱性能變差,傳熱效率 下降,其下降幅度平均可達30%以上。除直接造成能量損失外,還會導致生產裝置運行負荷降低,影響 成套裝置的生產能力。另外,設備結垢還會引起流 體流動阻力增加,從而帶來裝置動力消耗的增加。周期性的停車清洗,也增加了裝置的運行成本。 對于纏繞管式換熱器,管內流體以螺旋方式通 過,降低了壁面附著的可能性以及結垢傾向。殼程流體逆流橫向交叉通過繞管,在相鄰管之間、層與層 之間不斷地分離和匯合,使殼體流體的湍流度加強, 相同流速下也減少了沉積的幾率。對于適宜的流體(一般指不含顆粒及纖維流體),纏繞管式換熱器管殼程都表現出良好的抗垢性,保證了設備的長周期、高負荷運行。
4 纏繞管式換熱器的節能分析與工業應用實例纏繞管式換熱器的節能性能表現在以下幾方 面:
(1)設備占地少;
(2)重量輕、金屬耗材少;
(3)冷熱端差小、(冷)熱能得到充分利用、系統 得到優化;
(4)設備具備長周期運行的條件。
鎮海煉化檢修安裝公司和合肥通用機械研究院 聯合開發的纏繞管式換熱器,十年來不斷地在各領 域的工業中得到應用,已在實際工程中驗證了其高 效節能的特性。
4.1 甲烷化裝置的應用
鎮海煉化和烏魯木齊石化公司化肥廠甲烷化制氫工程中,以氣-氣換熱器為例,來自甲醇洗工號 (4115)壓力為7.33MPa、溫度為20℃、CO+CO2含 量約為0.8%的原料氣在氣-氣換熱器中與反應后 溫度為340℃的工藝氣進行換熱、充分利用其熱量, 使之升到催化劑的活性溫度280~350℃范圍內,進 入R1甲烷化爐脫硫層,脫去微量的H2S后入甲烷 化爐催化劑層進行甲烷化反應,使CO+CO2含量降 至40mg/m3以下。氣-氣換熱器設計條件如表1所示。
甲烷化制氫工程裝置原設計采用兩組共四臺串 聯的固定管板/管箱焊接式U型管式換熱器。裝置建設基于原系統改造,因設備維修空間不夠、維修難度大等原因,采用了2臺纏繞管式換熱器,二者設計方案對比如表2所示。
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