鈦管換熱器的工藝計算及經(jīng)濟性分析

發(fā)布時間：2025-01-14 17:34:51 瀏覽次數(shù) ：

LNG被公認是地球上最干凈的化石能源，但是基于我國富煤、貧油、少氣的能源結構，最近我國大量進口LNG。LNG在氣化的同時，可以利用其冷源，通過卡諾循環(huán)進行發(fā)電。該工藝涉及到海水換熱器，為了保證發(fā)電平穩(wěn)，需要采用鈦換熱管。

鈦換熱器因金屬離子不易流失，所以可充分利用這種非磁性特點，用做制藥及食品等用途的換熱器。由于鈦的抗腐蝕能力強，所以換熱器的使用壽命長，并且在使用中維護費用也低。此外，因其具有體積小、換熱能力大等優(yōu)點，相關設備（如泵）的投資及運行費用也能相應減少[1]。

鈦管換熱管的價格為127元/kg，S30408換熱管的價格為17.2元/kg，價格昂貴，因此在進行鈦管換熱器設計的過程中，在滿足工藝參數(shù)的前提下，盡量減少鈦管的重量，從而提高經(jīng)濟性[2]。

筆者在設計鈦管換熱器的過程中，需要考慮到，如何減少工程總造價，主要包括設備固定投資和運行費用。基于此，筆者在保證傳熱要求的前提下，系統(tǒng)分析了不同換熱管規(guī)格對總費用的影響。

1、設計參數(shù)

LNG發(fā)電項目由煙臺某電力公司總包，我公司負責熱工計算，要求換熱余量至少10%。其主要設計參數(shù)如表1所示。

2、換熱器工藝計算

2.1換熱器管殼程流體分配

根據(jù)工程經(jīng)驗，凡是接觸海水介質的材料需要采用Ti材，如果將海水安排在殼程，換熱管、殼程材料和管板均需要采用昂貴的鈦材，所以將海水安排在管程。

2.2換熱器型式的確定

管殼式換熱器總的傳熱熱阻[3]是由熱流體與管壁的對流傳熱熱阻、管壁和污垢的導熱熱阻，以及管壁與冷流體的對流傳熱阻串聯(lián)構成。海水汽化器的總傳熱熱阻：

由于管殼側介質的對流傳熱系數(shù)比較高，海水側污垢熱阻對總體熱阻的貢獻值很大，基于此，設計過程考慮減少污垢熱阻的措施。

目前管式換熱器（例如凝汽器、空氣冷卻器、冷油器等）內部換熱管道內壁結垢后一般采用化學清洗和物理清洗（高壓水射流清洗），這兩種清洗方法都是在管道內壁結垢后才能進行清洗，且沒有預防管道內壁結垢的功能。

清洗時需設備停運后才能進行清洗除垢等操作，清洗除垢過程時間長且對設備損傷較大、安全風險高、費用較高、勞動強度大等缺點非常明顯。

選用膠球在線清洗裝置，可以在不停工的前提下，進行在線清洗，可以保證換熱器在高傳熱系數(shù)下運行。經(jīng)過與在線清洗廠家咨詢，一臺在線清洗裝置需要10萬元，管內污垢熱阻可以從原來的0.000352m2.k/W降低至0.000088m2.k/W。表2為采取這兩種不同污垢熱阻的設計結果。

從表2可以看出，采用膠球在線清洗裝置可以節(jié)省換熱器管束費用308.8-242.1=66.7萬。綜合考慮在線清洗裝置投資10萬元，可以節(jié)省費用56.7萬元，所以采用在線清洗裝置。

這種在線清洗裝置，需要單管程的結構。考慮到固定管板結構，冷熱流體傳熱接近逆流，且管殼程壁溫不大，不需要設置膨脹節(jié)，所以確定換熱器型式為單管程BEM結構。

2.3換熱管規(guī)格的確定

基于2.1和2.2的分析，確定采用BEM固定管板換熱器，將海水放在管程。采用φ25×1.5、φ19mm×1.5mm、φ14mm×1.5mm、φ12mm×1.5mm四種不同換熱管規(guī)格，分別進行工藝計算。

2.3.1設備固定投資費用

在保證換熱性能的前提下，分別應用HTRI8.1進行傳熱計算，得到換熱器規(guī)格，由于鈦管價格昂貴，設備固定投資近似等于換熱管費用，將結果列于表3。

根據(jù)雷諾數(shù)判斷，這四種規(guī)格換熱管的管內海水處于湍流狀態(tài)，無相變的流體在管內作湍流流動時，可用下式計算αi

從上式可以看出，隨著管內徑的減小，總傳熱系數(shù)不斷增大，將計算結果繪制于圖2~3。

根據(jù)Q=KAΔTm，式中Q[3]為換熱量，K為總傳熱系數(shù)，已經(jīng)獲得，關鍵是對ΔTm的獲得，由于殼程流體發(fā)生相變，不能采用對數(shù)傳熱溫差公式計算，只能采取分段計算方法，分別計算殼程氣化區(qū)和過熱區(qū)。在氣化區(qū)和過熱區(qū)可以分別采用對數(shù)傳熱溫差計算平均溫差。根據(jù)上述公式，得到換熱面積。