波纹管高效换热器在冰机系统的应用
波纹管高效换热器在冰机系统的应用
向玉华 潘汉鹏
（柳州化工股份有限公司 ５４５００２）
摘要：介绍了一种不锈钢波纹管换热器的结构、性能特点及实际应用。
１ 概述
我公司是一个年产 ２２×１０４ｔ 合成氨的中型氮肥企业。换热器使用量大， 对换热器性能的要求高。２００１ 年和 ２００２ 年， 我公司在冰机系统 选用波纹管换热器代替原有的光滑管换热器， 不仅优化传热， 降低能耗，而且能减少设备体积及运行维护费用， 进一步降低了成本。
２ 波纹管式换热器的结构及原理
波纹管换热器是在保持管壳式换热器结构的基础上， 对传热元件进行开发设计， 用专用设备将薄壁不锈钢光管加工成内外均为连续波纹状曲线的波纹管（ 图 １） 。
这种加工变形不是靠壁厚的减薄来形成， 而是利用不锈钢的塑性和韧性， 让金属流动形成的； 因而在波峰、波谷处壁厚不减薄， 加工应力小， 且应力分布 均匀， 没有应力集中点； 其传热面积与原光滑管相同时， 长度比原光管要短。波纹管因其特殊结构， 而具有以下几个特点。
２．１ 传热系数高
由于波纹管在其管壁形成波纹， 大大提高流体的紊流强度， 不断改变流体的流速和流动方向， 破坏底层的层流， 改变介质边界层的流动状 态， 从管壁表面到主流之间的温度梯度被破坏或消除， 因而大大提高管内外的对流换热系数， 而且在较低流速下， 即可达到紊流速度。同时管壁很薄， 一 般波纹管壁厚在 ０．５～０．８ｍｍ 之间， 因而管壁内温度梯度很大， 热阻很小， 所以波纹管总传热系数值较高。
２．２ 可承受中低压力， 耐腐蚀， 寿命长 波纹管由于本身的波纹曲线和冷加工变形，即使管壁较薄， 也能承受较大的压力， 实验室测得用直 径 ３３ｍｍ、厚 ０．５ｍｍ 的光管制成波纹管， 内外压破坏的最低压差为 １．８ＭＰａ， 最高可达到３．３ＭＰａ。根据这个压力确定波纹管的使用设 计压力为 １．６ＭＰａ 以下， 对于化工行业中的中低压换热工况， 是安全可靠的。对于不同的介质可以选用不同的不锈钢材质， 可以大量使用优质材料， 提高设备抗腐蚀能力， 减少运行维护费用， 延长设备使用寿命。
２．３ 适应大温差工况， 可自我补偿温差应力
波纹管是由连续的波纹组成的， 管壁薄， 不锈钢材质韧性好， 使它具有一定的轴向伸缩能力， 这种能力可以补偿和吸收换热管和简体在工作状态 下， 由于温差应力和压差应力产生的变形， 因此波纹管是可以自我补偿的柔性元件， 对管板和筒体产生的应力小， 因而换热管与管板的焊缝不易产生裂纹。 波纹管使用温度范围可以从－ ２０℃到 ４５０℃， 对于某些大温差、大压差工作场合， 即使使用固定管板式的波纹管换热器， 筒体不装膨胀节， 也能安 全运行。
２．４ 可以防垢、清垢 在波纹管内外， 流体对管壁的冲刷比较强烈， 同时不锈钢的材质表面光洁度较高， 因而可以在一定程度抑制水垢的生 成。另外波纹管在受到温差的作用变形时， 污垢与金属的热膨胀系数相差极大， 加上不锈钢表面的光滑曲线， 因此污垢与波纹管之间产生较大的拉应力， 促 使污垢脱落， 实现自动清理。
３ 波纹管换热器在冰机水冷器上的应用
３．１ 原有光管换热器存在的问题
我公司年产 ２６×１０４ｔ合成氨， 制冷系统共配有７台冰机，单台打气量２５２４ｍ３／ｈ，冷冻能力为 ９５ ０００ｋｃａｌ／ｈ（ ３９７．５ＭＪ／ｈ） ， 同时配有 １３ 台固定管板式光管换热器 （ 即水冷器） ， 单台换热面积 ６３４ｍ２， ４ 台冷却水泵、７台抽风机， 冰机和换热器使用循环水进行冷却。这些换热器都是由碳钢材料制成， 使用时间长， 管壁腐蚀严重， 泄漏 多， 同时水垢和污泥沉积于管壁上， 换热效率低， 实际换热面积下降。一般一年检修一次， 清理管程， 堵塞漏管， 检修量大， 检修费用高。针对光管 换热器存在的问题， 我们对翅片式和波纹管式换热器进行考察， 发现波纹管具有上述优点而适用， 翅片式换热器因易结垢、易腐蚀而不适用。
３．２ 波纹管换热器的使用情况
２００１年，我公司先后采用一台５００ｍ２和一台７１８ｍ２的波纹管水冷器替代原来１３台换热器。这２台波纹管水冷器采用 φ２５ 的波纹 管， 材质０Ｃｒｌ８Ｎｉ１０Ｔｉ， 波峰 Ｄ－ ２５，波谷 ｄ＝１９， 波距 ｔ＝２０。从２００１ 年夏季运行至今， 工况稳定， 换热效果好。没 有因波纹管泄漏而检修过， 同时我们对 ２ 台波纹管换热器使用前后的各项数据进行了统计， 结果发现使用波纹管水冷器后， 生产运行的电量、水量、药品 用量都大幅度的下降， 同时 ４ 年内没有检修过， 运行和日常维护费用低， 经济效益显著。
４ 效益分析
４．１ 节电分析
波纹管水冷器使用后， 因水冷器冷却效率高， 经冰机压缩后的气氨迅速冷却， 使冰机二段出口压力从原 １．５５ＭＰａ 降至 １．５０ＭＰａ（ 冬天可降至 １．４５ＭＰａ） ， 使单台冰机平均电流下降约 ２Ａ。节省电量和统计计算结果见表 １。
４．２ 节水分析
改造后水冷器从原 １３ 台减至 ２ 台， 因水冷器用水量明显减少， 节省水量和统计计算结果见表 ２。
４．３ 节省处理药品分析
波纹管水冷器使用后，水量从原３６００ｍ３／ｈ 降到 ２４００ｍ３／ｈ， 水质处理药品费用相应减少，节省水处理药品统计和计算结果见表 ３。
４．４ 节省检修和设备维护费用分析
波纹管水冷器为不锈钢材质， 经久耐用且不易被腐蚀， 因而可以节省检修费用。波纹管冰冷器投用前冰机水冷器年检修１３台次， 每次检修费用约 为 ６５００ 元， 年检修费用为 ８．４５ 万元。使用波纹管水冷器后年冰机水冷器检修率及检修费用几乎为零， 每年可节约检修费用约 ７．８ 万元。
根据以上讨论， 冰机波纹管换热器使用后，每年可节省各项生产费用约 ３９．０ 万元， 而波纹管水冷器改造一次性投资约为 ５５ 万元左 右， 项目投资 １ 年半可收回全部成本， 且波纹管水冷器为不锈钢材质， 抗腐蚀， 经久耐用， 工艺运行安全系数高， 从长远利益考虑， 波纹管水冷 器的使用可给生产带来稳定、消耗低、使用寿命长等优点， 给企业带来更大收益。
参考文献
１ 顾毓珍． 喘流传热导论
２ 钱颂文． 管壳式换热器设计原理 － 换热结构动力学
