波纹管换热器在联碱生产中的应用情况

摘要：从华昌化工公司冷凝器换热效果差造成冰机超压跳闸、循环水浪费严重的生产实际出发，经过对几种换热器各方面性能的比较和计算，确定选用波纹管换热器进行节能改造，装置达到了安全、增产、节能、节水的目的。
　　关键词：波纹管换热器 氨制冷 节能
　　江苏华昌化工股份有限公司联碱装置的制冷系统氨冷器原为列管式换热器，其中有 6 台冷凝面积为 410m2/台，有 4 台冷凝面积为 295m2/台。由于换热器水量分布不均，且水侧结垢严重，因此，进、出口水温温差仅为 1-2.5℃。在2000年扩建至120kt/a 后，10 台氨冷凝器全开，夏季经常发生冰机压力超高、跳闸严重，影响了联碱生产的正常运行。因此，必须对氨冷凝器的进行改造。
　　1 换热器改造方案的确定
　　在传热效率、结构、节能、节水、污垢清洗和投入等各方面，对列管式、板式、波纹管换热器等三种类型换热器作了充分比较之后，决定选用波纹管卧式换热器。
     波纹管换热器的特点如下：
     （1）换热能力强
     由于换热采用波纹形状，管内外流道截面连续不断地突变，造成流体流动，始终处于高度湍流状态，难以形成层流底层，使得对流传热的主要热阻被有效地克服，管内外传热被同时强化，因而传热系数高。同时换热管壁很薄（0.8 mm），极大地降低了管壁热阻，进一步强化了对流传热。
     对于气氨和水的换热，一方面因为湍流使得对流传热系数较低的管内传热得到加强，另一方面由于波纹管的曲率不断变化，使得管外壁冷凝液能够迅速形成液滴脱落，消除了膜状冷凝热阻，强化了管外氨气冷凝传热，使得总传热系数大大提高。
    （2）有自然防垢，自然除垢特性
    流道内流体的高度湍流特性，使得循环水中的微粒难以沉积结垢，即使有少量垢生成，由于波纹管上存在管壳温差应力而产生的应变，这一应变，使得具有弹性特征的波纹管曲率发生微观变化，从而使附着其上的垢膜破裂而脱落。
    （3）阻力降很小
    由于波纹管内外流体流动的层流底层极薄，使得流体流动的剪切力很小。
    （4）承压能力强，安全系数高
    波纹管管壁厚度很薄（0.8mm），但承压能力很强，其爆破压力达成 8MPa，而允许工作压力规定为4MPa，冰机氨冷器实际的工作压力为 1.6MPa。因此安全系数很高，故可用于冰机氨冷器。波纹管的材质选用较耐氯根腐蚀的 316L，这较好地解决了不锈钢设备在循环水使用中的腐蚀问题。
    2 波纹管换热器的工艺设计
    2.1 氨冷凝器热负荷的确定
    我公司联碱生产满负荷生产冰机开1大（LC25A440Z）、3 小（LG20A200Z）共4台冰机，现通过计算，求得符合生产实际的氨循环量。表1是改造前后冰机氨冷凝器10天随机运行工况条件。
      2.2 氨循环量的确定
     公司内螺杆冰机在工况下的吸气系数为0.817，大冰机的理论打气量为 2160m3/h，小冰机的理论打气量为 1086m3/h。
     则氨循环量：
        G =（2160+1086×3）×0.817/0.28
          =15808.95 kg/h
      2.3 制冷循环中各点焓值
      （1）蒸发：t1=0℃                 P1=0.34 MPa
      则：i1=1681.92 kJ/kg
      （2）冰机入口：t1=0℃                      P1=0.34 MPa
      查 P1下气氨 Cp=11.22 kcal/kmol·℃，则：
      i2=1681.92+1×11.22×4.18/17
        =1684.68 kJ/kg
       （3）冰机出口：P3=1.46 MPa
       由 T3=T2×（P3/P2）（k-1）/k计算出口温度 T3，取
     气氨 K=1.25。
      T3 =（273+1）×（1.46/0.34）0.25/1.25
         =93.6℃
      查 P3下气氨 Cp=13.94 kcal/kmol·℃，温度 35.7℃下的气氨焓为 1707.1 kJ/kg，则：
  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
   则：i4=559.62 kJ/kg
    2.4 冷量、压缩功及冷凝热负荷制冷量：
    q=G（i2-i4） =15808.95×（1684.68-559.62）
                 =17786017.29 kJ/h
    压缩功：
      W=G（i3-i2）=15808.95×（1905.56-1684.68）
                  =3491880.88 kJ/h
      冷凝热负荷：Q=q+W=21277898.17 kJ/h
     2.5 氨冷凝器换热面积
      波纹管换热器用作氨冷凝器时应考虑其中有气相冷却和冷凝两换热过程，它比纯液相换热过程的传热系数小得多，一般在 400-1000 W/m2·℃范围内，我们以 500W/m2·℃计。
     平均温度：Δtm=[85-34-（30-29）]/[ln（85-34）/（30-29）]=12.7℃
     传热面积：A=Q/KΔtm=21277898.17/（500×3.6×12.7）=930 m2
     考虑到设备的制造、设备的布置及气量和水量的分配等因素，我们选用了 2 台直径为 1400 mm，换热面积为 500 m2的波纹管氨冷凝器。
     3 应用效果
     3.1 性能指标
     计算结果如表2所示。
     表2改造前后氨冷凝器性能指标比较
                    
      3.2 增产
      改造前后冷量增加 228.6 MJ/h，吨氯化铵需冷
量按 961.4 MJ/t 计，则增加的冷量可多产氯化铵 1
  883 t/a。
      氯化铵以 300 元/t 计，可多增收 56.5 万元。
      3.3 节水和节电
      （1）节水
      冷水用量：
      V=Q/[4186.8×（t2-t1）]
      V  改造前  =2032 m3/h，V    改造后   =1018 m3/h
      节水：ΔV=2032-1018=1014 m3/h
      循环水以 0.07 元/m3计，年节水费 56.2 万元。
      （2）节电
      压缩功减少：
      ΔW=3674.3-3491.9
         =182.4 MJ/h=50.6 kW/h
        电以 0.32 元/kWh 计，则节省电费 12.8 万元。
     波纹管换热器于2001年6月投入生产运行后，各项生产工艺指标达到设计要求。与原列管换热器相比，传热效果大大提高，系统操作压力下降 0.09MPa，投量增加，年节水、电及多生产氯化铵价值总计为125.5 万元。并保证了生产的满负荷安全运行的需要，综合效益明显，总之，波纹管换热器是化工生产中较好的一种节能设备。
    作者简介 瞿国忠，1967年生，毕业于南京化工学院，高级工程师，江苏华昌化工股份有限公司副总工程师。从事化肥和纯碱生产的技术管理和技术改造工作，主持完成多项技术改造和扩能项目。