鋁板翅式內(nèi)熱虹吸換熱器換熱效果分析

王 晉，吳小飛

（杭州中泰深冷技術(shù)股份有限公司，浙江杭州 311402）

0 引 言

板翅式換熱器屬高效、緊湊式換熱器，對于低溫、潔凈、對鋁合金沒有腐蝕的介質(zhì)，使用鋁板翅式換熱器作熱虹吸換熱器，可比傳統(tǒng)的釜式管殼式蒸發(fā)器或其他類型換熱器外形尺寸及金屬耗量大為減??；同時，由于鋁板翅式熱虹吸換熱器單位體積傳熱面積大，能實(shí)現(xiàn)小溫差傳熱，使溫差引起的不可逆損失減小，從而可降低系統(tǒng)功耗，達(dá)到節(jié)能的目的。

熱虹吸換熱器通?？煞譃閮?nèi)熱虹吸和外熱虹吸2類，條件許可時，多采用內(nèi)熱虹吸形式，其操作更為簡單。常見內(nèi)熱虹吸換熱器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 常見內(nèi)熱虹吸換熱器結(jié)構(gòu)示意

1 某工程項目內(nèi)熱虹吸換熱器的基本情況

國內(nèi)某大型項目的換熱器，乙烯為熱流體，工藝上需要通過蒸發(fā)器將其溫度由-24℃降到-36℃，制冷介質(zhì)采用丙烯（節(jié)流制冷）。丙烯采取閉式循環(huán)方式，屬于常規(guī)通用的制冷循環(huán)，其工作循環(huán)為：丙烯壓縮機(jī)加壓→水冷卻器降溫到40℃→換熱降溫→焦湯閥節(jié)流降溫→熱虹吸換熱器→丙烯壓縮機(jī)加壓。

根據(jù)該大型項目換熱器冷／熱介質(zhì)溫度低于65℃且潔凈、對鋁合金沒有腐蝕、換熱器的熱負(fù)荷大（3.2×104kW）、換熱器對數(shù)平均溫差（LTMD）為4.0℃的特點(diǎn)，宜采用鋁板翅式內(nèi)熱虹吸蒸發(fā)器；同時，由于換熱器乙烯側(cè)溫降大，需要換熱通道較長，為減小丙烯在換熱器底部液柱高度形成的夾點(diǎn)溫度，換熱器采用臥式結(jié)構(gòu)，乙烯水平方向流動液化，丙烯自下而上沸騰蒸發(fā)，即乙烯與丙烯兩介質(zhì)間錯流換熱。該鋁板翅式換熱器（國產(chǎn)）是置于不銹鋼筒體內(nèi)的，做成1臺大型蒸發(fā)器，其主要設(shè)計參數(shù)如表1。

表1 某鋁板翅式內(nèi)熱虹吸換熱器主要設(shè)計參數(shù)

2 換熱器的運(yùn)行情況

這臺熱虹吸蒸發(fā)器在運(yùn)行前期換熱情況及工作溫度均正常，但在裝置提產(chǎn)過程中，當(dāng)換熱負(fù)荷提升到80%以上時，乙烯液化溫度降不下去；降低丙烯側(cè)蒸發(fā)液位和乙烯凝液收集器的液位后，出換熱器乙烯的溫度逐步降低；但當(dāng)負(fù)荷進(jìn)一步加大到90%以上時，出換熱器乙烯的溫度又出現(xiàn)降下不去的現(xiàn)象?，F(xiàn)場通過工藝參數(shù)調(diào)整來進(jìn)行調(diào)試測試，結(jié)果如下：①打開蒸發(fā)器后乙烯凝液收集器頂部的放空閥（開度約5%），出換熱器乙烯溫度很快由-34℃降至-36℃，關(guān)閉該閥門，出換熱器乙烯的溫度慢慢上升；②降低丙烯蒸發(fā)壓力，以降低丙烯的蒸發(fā)溫度（丙烯蒸發(fā)溫度由-40℃降到-43℃），即通過拉大換熱溫差的方法降低出換熱器乙烯的溫度，出換熱器乙烯溫度基本上達(dá)到設(shè)計值。

3 可能原因分析

3.1 換熱器設(shè)計換熱面積不足

這臺熱虹吸蒸發(fā)器，其丙烯側(cè)為蒸發(fā)過程，其對流傳熱系數(shù)與液面高度有關(guān)，液位高、循環(huán)倍率加大，對流傳熱系數(shù)加大；乙烯側(cè)為冷卻、液化、少量過冷3個階段，其中乙烯液化段熱負(fù)荷占比很大，其對流傳熱系數(shù)對換熱器換熱效率的影響較大。

當(dāng)換熱器的負(fù)荷升至80%、丙烯液位穩(wěn)定時，丙烯側(cè)的對流傳熱系數(shù)基本不變，若乙烯流量增加，則冷凝對流傳熱系數(shù)也增大，但其變化量不大（10%～15%），用調(diào)整換熱器溫差的方式作調(diào)節(jié)手段即可。當(dāng)丙烯側(cè)液面高度為600 mm時，通過調(diào)節(jié)丙烯的蒸發(fā)壓力，可將丙烯蒸發(fā)溫度由-40℃降至-43℃，相應(yīng)的換熱器對數(shù)平均溫差（LMTD）由4.0增至7.2℃。據(jù)傳熱方程式Q＝K×Δt×F（Q——熱負(fù)荷；K——總傳熱系數(shù)；Δt——對數(shù)平均溫差；F——換熱面積），調(diào)整后的對數(shù)平均溫差（7.2℃）為調(diào)整前（4.0℃）的1.8倍，理論換熱量可增加1.8倍（傳熱面積不變，假定乙烯的傳熱系數(shù)也不增加）。但實(shí)際上，換熱器的傳熱效果遠(yuǎn)低于此，由此可排除換熱器換熱面積不足的可能。

處理方式：核實(shí)熱虹吸蒸發(fā)器的換熱面積是否可滿足設(shè)計工況要求。經(jīng)核實(shí)，這臺熱虹吸蒸發(fā)器的換熱面積完全可滿足設(shè)計工況要求。

3.2 乙烯側(cè)液化傳熱面積遠(yuǎn)小于設(shè)計換熱面積

如果乙烯側(cè)換熱空間被乙烯液浸淹，其液化傳熱面積會遠(yuǎn)小于設(shè)計換熱面積。由于乙烯出蒸發(fā)器的過冷度很小，經(jīng)換熱器液化后的乙烯需要被推送至約7 m高（位差）的乙烯凝液收集器中，由于液柱產(chǎn)生的阻力降和摩擦阻力，進(jìn)入乙烯凝液收集器的乙烯易出現(xiàn)少量汽化，而乙烯凝液收集器中的液位是采用恒液位高度自動聯(lián)鎖控制的，由于液相乙烯汽化，一段時間后乙烯凝液收集器里內(nèi)的壓力會逐步升高，乙烯壓縮機(jī)出口壓力也會升高，乙烯液化溫度升高，而換熱器中乙烯液化基本上是等溫液化，液化段占比很大，因而表現(xiàn)出換熱器出口乙烯溫度上升（乙烯可能還是液化的），偏離設(shè)計值。

由于乙烯液出口位置高，蒸發(fā)器本身為臥式設(shè)備，乙烯側(cè)液位沒有監(jiān)測和控制手段，后續(xù)的乙烯凝液收集器位置又遠(yuǎn)高于蒸發(fā)器，會導(dǎo)致熱虹吸蒸發(fā)器中乙烯側(cè)的換熱空間被淹沒，有效換熱面積減少；而當(dāng)乙烯凝液收集器頂排氣降壓時，在壓差的推動下，換熱器乙烯側(cè)液位也會降低，從而使乙烯側(cè)有效換熱面積增大；或較快降低乙烯凝液收集器中的乙烯液位，換熱器乙烯側(cè)液位會降低，有效換熱面積增大。但實(shí)際裝置中，由于換熱器和分離罐間缺乏有效的液位監(jiān)測和控制手段，難于準(zhǔn)確判斷。

處理方式：增加液位監(jiān)測和控制手段，或排放乙烯凝液收集器的氣相至乙烯壓縮機(jī)入口（參與循環(huán)）。

3.3 乙烯氣體中不凝氣含量高

若乙烯氣體中不凝氣含量高，乙烯的冷凝溫度會降低，液化難度會加大。開車前，系統(tǒng)吹掃置換采用氮?dú)?，其后再用乙烯或丙烯逐步替代，并在合適的位置設(shè)置不凝氣排放口（考慮到經(jīng)濟(jì)性，應(yīng)盡量減少乙烯和丙烯的排放）。但實(shí)際生產(chǎn)中，開車初期系統(tǒng)內(nèi)及換熱器內(nèi)死區(qū)往往滯留有氮?dú)?，短期?nèi)難以去除干凈，或因舍不得排放乙烯造成乙烯中氮含量高，而當(dāng)乙烯中含有氮?dú)饣蚱渌荒龤鈺r，就會出現(xiàn)上述乙烯凝液收集器壓力升高或乙烯液化溫度降低的現(xiàn)象。

處理方式：在換熱器入口和乙烯凝液收集器頂部取樣分析不凝氣含量，適時加大乙烯凝液收集器頂部不凝氣的排放。

3.4 機(jī)械雜質(zhì)堵塞

機(jī)械雜質(zhì)堵塞，雜質(zhì)主要是管道鐵銹或安裝時遺留的垃圾。乙烯進(jìn)蒸發(fā)器前的常溫段及上游系統(tǒng)均采用碳鋼管道，易產(chǎn)生鐵銹；板翅式換熱器內(nèi)雜質(zhì)通過率極低（其結(jié)構(gòu)相當(dāng)于60～80目的過濾器），設(shè)備安裝后吹除雜質(zhì)時若帶蒸發(fā)器吹掃，極易造成雜質(zhì)堵塞。

處理方式：檢查乙烯流道的清潔度，尤其應(yīng)注意碳鋼管道的除銹和控銹措施；乙烯介質(zhì)進(jìn)蒸發(fā)器前設(shè)置帶阻力指示的過濾器；增設(shè)乙烯側(cè)差壓測點(diǎn)。

3.5 換熱器的熱阻大

丙烯壓縮機(jī)的潤滑油進(jìn)入換熱器中（主要是指丙烯側(cè)），潤滑油會粘附在換熱器翅片上，增大熱阻。

處理方式：對氣體成分進(jìn)行分析檢查。

3.6 丙烯側(cè)蒸發(fā)液位過高或過低

丙烯蒸發(fā)液位的高低對換熱器的溫差有一定的影響。丙烯液位高，熱虹吸循環(huán)倍率大，有利于傳熱；但若液位過高，由丙烯液位在蒸發(fā)器底部形成的壓力會減小蒸發(fā)器的夾點(diǎn)溫度。

處理方式：丙烯蒸發(fā)液位控制在50%～80%，高負(fù)荷或滿負(fù)荷生產(chǎn)時仔細(xì)調(diào)節(jié)丙烯液位。

4 結(jié)束語

由于鋁板翅式內(nèi)熱虹吸換熱器的高效、緊湊性，其應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，但其結(jié)構(gòu)和常見的管殼式換熱器不同，要充分發(fā)揮鋁板翅式內(nèi)熱虹吸換熱器的優(yōu)勢，除了需加強(qiáng)操作管理與運(yùn)行維護(hù)外，與之有關(guān)的系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)化及配置也尤為關(guān)鍵，在流程設(shè)計、系統(tǒng)配置和施工及操作等過程均需足夠重視。雖然不同的裝置使用的鋁板翅式內(nèi)熱虹吸換熱器各不相同，但其工作原理是一樣的，故本文就某項目中鋁板翅式內(nèi)熱虹吸換熱器出現(xiàn)的傳熱問題及其處理方式的論述，期望能為業(yè)內(nèi)及此類換熱器的設(shè)計提供一點(diǎn)參考與借鑒。