蒸汽冷凝器改造過程探究

胡涌濤*

（呼倫貝爾金新化工有限公司）

0 前言

某公司生產(chǎn)裝置中的蒸汽冷凝器為固定管板形式的管殼式換熱器，管程介質(zhì)為循環(huán)水，用來冷卻殼程介質(zhì)蒸汽。在實際運行過程中，大量蒸汽無法完全冷凝而就地排放，造成了大量的能量浪費，同時該設(shè)備的換熱管與管板焊接處出現(xiàn)多處嚴重腐蝕并泄漏。初步分析引起上述兩個問題的原因為換熱器換熱能力不夠和換熱管與管板材質(zhì)選用不當，因此決定對該換熱器進行重新選型。

在重新選型的過程中，需要繪制出該換熱器的工程圖以便進行采購，其工程圖的內(nèi)容應(yīng)包括設(shè)備的結(jié)構(gòu)形式、外形尺寸、換熱面積、接管規(guī)格以及其他特殊要求等[1-3]。

1 選型設(shè)定

1.1 結(jié)構(gòu)形式選擇

由于熱交換介質(zhì)為蒸汽和循環(huán)水，因此新選型設(shè)備管程介質(zhì)為水，殼程介質(zhì)為蒸汽，殼程與管程介質(zhì)流向為逆流。該設(shè)備的工藝條件可見表1。

根據(jù)表1 可知，可選擇換熱器形式為固定管板式，管程和殼程均為單程，換熱管選用三角形排列方式。由于原設(shè)備碳鋼材質(zhì)換熱管腐蝕嚴重，因此換熱管材質(zhì)選用304鋼材[4-5]。

表1 換熱器工藝參數(shù)表

1.2 接管規(guī)格

參照標準HG/T 20570—1995《工藝系統(tǒng)工程設(shè)計技術(shù)規(guī)定》，殼程入口低壓蒸汽流速取35 m/s，由式（1）可確定管徑D=399 mm，可整定為 400 mm[6-7]。

當筒體內(nèi)冷凝液位高為0.02 m 時，冷凝液流出筒體時的速度為0.62 m/s，由表1 可知冷凝液流量為2.44×10-3m3/s，初步選定冷凝液流出管口直徑為DN 80 mm。當管徑為DN 80 mm 時，流量能夠達到3.12×10-3m3/s，可以滿足實際冷凝液的流量。

管程循環(huán)水流量設(shè)定為1 m/s，由表1 中流量可計算出管程進出口管內(nèi)徑為276 mm，公稱直徑為DN 250 mm,實際流速能夠達到1.21m/s，符合常規(guī)設(shè)計要求。 管程循環(huán)水應(yīng)低進高出，殼程蒸汽從高處進、冷凝液從低處出。

1.3 外形尺寸確定

由于受到現(xiàn)場安裝條件限制，更換的新設(shè)備只能安裝在原有的設(shè)備基礎(chǔ)上，即新設(shè)備的鞍座間距與舊設(shè)備同為L'=1 870 mm，管束長度L選取時需根據(jù)GB/T 151—2014《熱交換器》中規(guī)定，L'/L=0.5 ～0.7，選定管束長度為L=3 500 mm[8-10]。

殼程筒體直徑需待換熱面積確定后計算得出，兩側(cè)管箱尺寸不受限制，由該設(shè)備裝配圖設(shè)計階段自行確定。

2 換熱面積的確定

2.1 換熱面積計算

計算換熱面積時采用穩(wěn)態(tài)傳熱方程：

換熱面積可由多個因素共同確定，先預(yù)估總傳熱系數(shù)，然后根據(jù)相應(yīng)參數(shù)進行校核[1]。

2.1.1 熱負荷計算

根據(jù)能量守恒原理，熱負荷與蒸汽比焓的降低量與循環(huán)水比焓的升高量相同，可列出熱平衡方程式：

由式（3）可計算出熱負荷Q＝2 290×103W 。

2.1.2 平均溫差計算

平均溫差可通過下式計算[10]：

FT—— 溫差的修正系數(shù)，單管程取FT=1；

ΔT2，ΔT1—— 換熱管內(nèi)外流體的較大和較小溫差，K；

由式（4）可計算得到平均溫差ΔT=13.8 K 。

2.1.3 筒體內(nèi)徑的確定

式中：DL——布管限定圓直徑，K；

d0—— 換熱管外徑，m；

PR——管心距與管外徑的比值；

CL—— 換熱管排列角度對直徑的影響系數(shù)；

CPT——管程數(shù)對直徑的影響系數(shù)。換熱管三角形排列，CL=0.87，CTP=0.85,由式（5）計算出布管限定圓直徑DL=571 mm,整定后取筒體內(nèi)徑D=600 mm[4]。

2.2 校核

校核的過程為通過傳熱系數(shù)計算公式，計算出傳熱系數(shù)，再通過式（2）計算出換熱面積，將結(jié)果與實際換熱面積進行比較，如果該結(jié)果接近實際換熱面積，說明在該傳熱系數(shù)下的換熱面積能夠滿足使用要求。傳熱系數(shù)計算式如下：

式中：K—— 熱傳導(dǎo)系數(shù)， W /（m2·K）；

h0——殼程介質(zhì)傳熱膜系數(shù)，W /（m2·K）；

h1—— 循環(huán)水傳熱膜系數(shù)，W /（m2·K）；

di—— 換熱管內(nèi)徑，m；

d0—— 換熱管外徑，m；

r0—— 殼程介質(zhì)污垢熱阻，W /（m2·K）；

r1—— 循環(huán)水污垢熱阻，W /（m2·K）；

dav—— 換熱管平均直徑，m；

lw——管壁厚度，m；

λw—— 管壁材料熱導(dǎo)率，W /（m·K）。

2.2.1 管程介質(zhì)傳熱膜系數(shù)

式（6）中，hi=3 373（1+0.014T）U0.85。U為水在管內(nèi)的流速，通過換熱管規(guī)格數(shù)量和總的循環(huán)水流量計算得到U=0.7 m/s，T為循環(huán)水的平均溫度，T=33.5 ℃，因此，hi=3 666.6 W /（m2·K）。

2.2.2 殼程介質(zhì)傳熱膜系數(shù)

由于殼程介質(zhì)存在相變，需按照氣相和液相兩種狀態(tài)分別計算出傳熱膜系數(shù)。

通過Kern 法計算蒸汽冷卻至98 ℃時傳熱膜系數(shù)h0=3 481 W /（m2·K）；98 ℃時蒸汽變?yōu)槔淠旱膫鳠崮は禂?shù)為hcm=8 058 W /（m2·K）。

2.2.3 總傳熱系數(shù)

分別將hi，h0和hi，hcm兩組數(shù)據(jù)代入式（6），得出氣相冷卻總傳熱系數(shù)Kcool= 177.4 W /（m2·K），冷凝的總傳熱系數(shù)Kcool= 2 032.2 W /（m2·K）。

因此，假定總傳熱系數(shù)K=2 000 W/（m2·K）時，通過傳熱系數(shù)計算公式校核出的換熱面積與穩(wěn)態(tài)傳熱方程算出的換熱面積最為接近，該換熱器的換熱面積能夠達到使用要求。若將總傳熱系數(shù)假定為3 000或4 000 W/（m2·K），則得到的換熱面積與傳熱系數(shù)計算公式校核得到的換熱面積相差過大，不符合使用要求。

3 繪制工程圖

根據(jù)確定的設(shè)備參數(shù)，繪制出工程圖，詳見圖1，并結(jié)合整個裝置原系統(tǒng)的設(shè)計所采用的標準體系，編制出工程圖對應(yīng)的管口表，詳見表2，其工藝和結(jié)構(gòu)參數(shù)詳見表3。

圖1 蒸汽冷凝器工程簡圖（單位：mm）

表2 換熱器管口表

表3 工藝及結(jié)構(gòu)參數(shù)表

4 結(jié)論

列管式換熱器的基礎(chǔ)參數(shù)一般體現(xiàn)在工程圖中，而后交由設(shè)備設(shè)計人員進行詳細的裝配圖及零件圖設(shè)計。不同的現(xiàn)場和工藝條件下，熱交換器的工程圖參數(shù)也會不同，一般是先將某些未知參數(shù)進行估算及假設(shè)后，再對假設(shè)結(jié)果進行校核。

熟練使用標準規(guī)范是壓力容器的設(shè)計工作的前提，標準規(guī)范為每一個數(shù)據(jù)的選擇提供依據(jù)；同時也能使設(shè)備的制造成本和安全性得到最佳平衡。