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化工企業普遍使用列管式換熱器。該換熱器價格低,制造簡單。缺點是換熱效果欠佳,管程易堵,冷媒消耗大。1999年,在冰機系統技術改造中,采用了北京某公司的波紋管技術,將其合作單位制造的波紋管換熱器(F = 500m 2)用于生產。經過一年多的生產試運行,該技術在節約水源,提高換熱效果,降低系統壓力降等方面明顯優于傳統技術,且波紋管換熱器具有操作簡單,占地小,管程不易堵等優點。以該臺換熱器為例,介紹波紋管技術,以供參考。
1、理論分析
1.1、結構特點
波紋管換熱器與普通換熱器的區別在于以波紋管代替直管。波紋管是由<25mm×0.8mm的薄壁不銹鋼(0Cr18N i10T i)管通過專用設備加工而成。波紋管與直管采用搭焊接。
1.2、可能產生的問題
波紋管壁厚只有0.8 mm ,最薄處為0.75mm。我們自然會對其穩定性,抗腐蝕性及耐介質的沖刷能力等產生疑問。事實上,這也是技術人員必須考慮到的問題。
1.3、技術分析
(1) 工作狀況
該臺波紋換熱管的作用是用冷卻水將氣氨冷卻成液氨。管程通水,殼程通氣氨(液氨) ,水壓p水= 0.3M Pa,氣(液)氨p氨= 1.3M Pa,進口水溫t水進= 9.5℃,出口水溫t水出= 16℃,氣(液)氨平均溫度tW = 37℃。
(2) 穩定性分析
由工況及結構特點可知,波紋管主要失效破壞應力來自氣氨的壓力和由于管子兩端固定溫差引起管子熱脹并轉換為軸向壓應力。所以波紋管的側向和軸向同時受均布外壓p的作用。軸向外壓對管子失穩影響不大。可以直接將波紋管僅受側向外壓圓筒的失穩作為主要失效問題進行討論和設計。管子的失效可能是當外壓達到一定值時,管壁的徑向撓度隨壓縮應力的增加而急劇增大,直到管子被壓癟。
波紋管是由光管管坯加工而成。有資料介紹,波紋管失穩失效部位位于波紋管本體兩端的直管段。
該波紋管長度L = 4950 mm ,直徑(以光管計) D 0= 25 mm ,壁厚n= 0.8 mm , L C為臨界長度。
由于L C= 1.17D 0 (D 0/n) 1/2 = 1.17×25 (25/0.8) 1/2 = 163.5 mm ,L > L C,故為長圓筒。已知壁厚、管長及管徑,根據圖算法原理,可以算出波紋管在37℃下的許用外壓〔p〕為21784 M Pa(計算過程略) ,〔p〕> p氨,故波紋管不會發生穩定失效。
(3) 腐蝕失效
對于奧氏體不銹鋼波紋管換熱管來說, Cl-應力腐蝕是失效的主要破壞形式,腐蝕一般先以裂紋出現,后快速向前發展,直至失效。Cl-應力腐蝕的溫度范圍一般為70～250℃,這里的溫度為37℃,故發生Cl-應力腐蝕的可能性極小。另外, Cl-也是產生腐蝕的一個重要因素,對于不銹鋼材料,其工作環境中Cl-濃度應小于或等于25×10- 6,經檢測,巨化工業用水中的Cl-濃度為4×10- 6,氣氨和液氨中的Cl-濃度可以忽略不計。所以,波紋管在這種工況下是比較安全的。
(4) 沖刷磨損
至于水中泥沙的沖刷,造成不銹鋼管管壁減薄,從而縮短波紋管的壽命。目前,在技術分析上還存在很大的困難,但據我們對廊房管道輸送局供暖設備進行考察,結果比較理想。該局水質含沙量較大,一個9m直徑的沉淀槽,運行5個月,積沙深達1.5m。但自1995年11月至1999年1月,該局投用的波紋管換熱器運行正常,從未檢修。
由于波紋管技術應用于化工領域還不多,可能還會有其它失效形式。筆者也只是與列管式換熱器作了比較。
2 、實際應用效果
波紋管換熱器由于波紋節的存在,增大了換熱面積,由于壁厚只有018 mm ,換熱效果較好。最為重要的是由于波紋節的存在,液體流經管內時不斷湍動,換熱效果很好。另一方面,由于液體湍流,不斷沖刷內壁,使污垢很難形成,波紋管幾乎不會出現管堵現象。
為充分考查波紋管換熱器的使用情況,我們在1999年11月至2000年4月,停掉4臺立式列管換熱器,且波紋管的冷媒(冷卻水)減至夏季用水量的1/3,結果生產基本穩定。通過一年的性能考核,基本完成了當初預計目標:年節約水量600萬t,節約水費66萬元,由于氣氨總管壓力下降,節電600 kW·h,年節約電費約31.3萬元,排污達標,設備運行情況良好。
2000年年初,巨化集團公司壓力容器檢測站對波紋管進行了檢測:打開封頭時,未發現列管中有污物堵塞情況。對任意抽取的6根管進行內窺鏡檢查(深入長度為1.6～1.8 m ) ,結果表明內壁腐蝕情況不明顯,未見腐蝕坑或其他嚴重腐蝕現象,管波峰內也未發現污物積存。
3 、使用波紋管換熱器應注意的問題
使用波紋管換熱器時,一定要注意以下幾點:(1)針對具體情況選取。不銹鋼波紋管換熱器對工況要求較嚴(特別是對Cl-的濃度) ,冷媒介質的壓力也不能太高。(2)波紋管換熱器管束的抗震性較差,運輸及吊裝時,不得出現過度碰撞。(3)波紋管換熱器運行10個月左右應停車一次,便于波紋管收縮復原。波紋管的收縮也有利于污垢的剝落。(4)每個廠冷媒清潔程度不同,新上的波紋管換熱器最好能在進口加裝一臺過濾設備,同時應定期打開封頭檢查。
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