二甲醚氣化系統(tǒng)中螺旋盤(pán)管換熱器的理論設(shè)計(jì)

李曉光, 肖 松

(1.遼寧城市建設(shè)設(shè)計(jì)有限公司，遼寧 撫順 113308； 2.臨沂大學(xué) 機(jī)械與車(chē)輛工程學(xué)院，山東 臨沂 276000)

作為一種新型可替代傳統(tǒng)油氣資源的清潔能源，二甲醚不僅可以緩解我國(guó)油氣短缺、依賴(lài)進(jìn)口的問(wèn)題，而且可以減少污染物排放對(duì)大氣環(huán)境造成的影響[1-3]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)開(kāi)展了一些關(guān)于二甲醚作為清潔能源替代常規(guī)能源的研究[4-11]，唐慶杰等論述了利用煤制備二甲醚的重要性和迫切性，并對(duì)二甲醚應(yīng)用前景和研發(fā)進(jìn)展進(jìn)行了介紹。隨后，吳江濤等研究了二甲醚的熱物性[6-9]，得到了二甲醚在不同溫度條件下的焓值、熵值等參數(shù)的變化趨勢(shì)。最近，肖松等對(duì)二甲醚替代石油液化氣的可行性進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明二甲醚在燃燒溫度、單位時(shí)間消耗量等方面都優(yōu)于石油液化氣[12]。此外，由于二甲醚自身含氧，燃燒熱效率高且CO2和NOx的排放量極低。因此，二甲醚成為替代液化石油氣的清潔能源[13-18]。本文以蒸發(fā)量1 t/h的蒸汽鍋爐二甲醚氣化系統(tǒng)為研究對(duì)象，對(duì)其核心設(shè)備螺旋盤(pán)管換熱器進(jìn)行理論計(jì)算和設(shè)計(jì)。

1 二甲醚氣化吸熱量計(jì)算

根據(jù)理論計(jì)算，蒸發(fā)量1 t/h的蒸汽鍋爐每小時(shí)消耗二甲醚量約為90 kg。如果只依靠自然氣化，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿(mǎn)足不了燃燒系統(tǒng)需求，必須進(jìn)行強(qiáng)制氣化，即通過(guò)換熱器加熱的方式將二甲醚由20 ℃液態(tài)變?yōu)?0 ℃氣態(tài)。二甲醚在換熱器中加熱分為二個(gè)階段，即二甲醚氣化階段及二甲醚氣態(tài)升溫過(guò)程。

1)二甲醚氣化吸熱量

眾所周知，氣化過(guò)程是被加熱液體通過(guò)吸收氣化潛熱而達(dá)到氣態(tài)的過(guò)程。因此，20 ℃二甲醚氣化過(guò)程吸熱量計(jì)算公式如下：

Q1=qm×ΔH=90×393.314 6=9.832 9 kJ/s

(1)

式中：Q1為20 ℃二甲醚氣化過(guò)程吸收的熱量，kJ/s；qm為二甲醚質(zhì)量流量，kg/h；H為二甲醚的汽化潛熱，H=393.314 6 kJ/kg。

2)氣態(tài)二甲醚升溫吸熱量

當(dāng)液態(tài)二甲醚通過(guò)吸收汽化潛熱變?yōu)闅鈶B(tài)后，繼續(xù)將其加熱到60 ℃時(shí)吸收熱量的計(jì)算公式如下：

(2)

式中：Q2為20 ℃氣態(tài)二甲醚加熱到60 ℃吸收的熱量，kJ/s；cp為二甲醚平均定壓比熱容，kJ/(kg·K)，cp=1.712 1 kJ/(kg·K)；t為溫差， ℃。

3)二甲醚氣化總吸熱量

根據(jù)前兩步計(jì)算可知，20 ℃液態(tài)二甲醚加熱到60 ℃氣態(tài)時(shí)總吸熱量Q等于液態(tài)二甲醚氣化吸熱量Q1與氣態(tài)二甲醚升溫吸熱量Q2的總和，即

Q=Q1+Q2=9.832 9+1.712 1=11.545 kJ/s

(3)

2 螺旋盤(pán)管換熱器理論計(jì)算

螺旋盤(pán)管換熱器是由一根金屬管螺旋加工而成，并且安裝在兩個(gè)同心的圓筒的環(huán)形區(qū)域內(nèi)構(gòu)成，螺旋盤(pán)換熱器結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 螺旋盤(pán)管換熱器結(jié)構(gòu)示意圖

二甲醚與加熱工質(zhì)分別走盤(pán)管內(nèi)和環(huán)形區(qū)域。通過(guò)盤(pán)管管壁二者進(jìn)行熱交換。在環(huán)形區(qū)域內(nèi)，筒壁與盤(pán)管以及相鄰盤(pán)管間的最小縫隙相等，此外要保證間隙等于0.5倍的盤(pán)管管徑，所以盤(pán)管的長(zhǎng)度和圈數(shù)為

1.257 m

(4)

式中：L為盤(pán)管的長(zhǎng)度，m；N為盤(pán)管圈數(shù)；DH為盤(pán)管直徑，m，DH=0.4m；P為相鄰的盤(pán)管之間的圓心距，m，其數(shù)值等于1.5倍盤(pán)管外徑d0，d0=0.03m，即P=1.5d0。

選取傳熱系數(shù)U=550 W/(m2·K)，盤(pán)管內(nèi)二甲醚的平均溫度tm=(20+60)/2=40 ℃，二甲醚加熱到最高溫度ts=60 ℃，所以平均溫差t=ts-tm=60-40=20 ℃。因此，螺旋盤(pán)管換熱器換熱面積為

(5)

盤(pán)管的長(zhǎng)度為

(6)

式中：D為盤(pán)管內(nèi)經(jīng)，D=0.025m。

圈數(shù)為

(7)

3 結(jié) 論

本文對(duì)二甲醚氣化系統(tǒng)中螺旋盤(pán)管換熱器進(jìn)行了理論計(jì)算，以蒸發(fā)量1 t/h鍋爐的二甲醚氣化系統(tǒng)換熱器為研究對(duì)象，分別計(jì)算獲得氣化所需熱量為11.545 kJ/s；當(dāng)選取內(nèi)外徑尺寸分別為0.03 m和0.025 m的316不銹鋼管作為盤(pán)管材料時(shí)，采用算數(shù)平均溫差計(jì)算方式獲得換熱器的面積為1.049 5 m2，從而計(jì)算出盤(pán)管的圈數(shù)為11圈。