适用于井筒冻结工程的换热器选型与设计研究

适用于井筒冻结工程的换热器选型与设计研究

文摘: 完成了竖井冻结工程换热器的选型和基本参数设计，介绍了固定管壳式换热器的基本工作原理，确定了换热器的基本参数: 管程介质为待加热的盐水，壳程介质为过热氨蒸汽，换热面积为25.87 m2，换热管长度为1500 mm。 工业试验表明，当盐水流量控制在15m3 / h 时，换热器的平均热回收率为744mj / h，可回收制冷系统10% 的余热。

关键词：固定管壳式换热器清洗

立井冻结工程的实质是利用人工冷却技术将地层中的热量交换并排放到大气中，使地层中的水冻结，提高地层的强度和稳定性。三个冷冻循环系统将产生大量的热量。以西部某矿井冻结施工为例，冻结站设置4台压缩式制冷机，每台制冷量2510mj/h，轴功率1506mj/h，若在维护冻结期内开启2台制冷机，冷冻站制冷期每小时放热8033mj。如果热回收系统能回收15%的制冷热量，则在维修冻结期内每小时可回收热量约1205mj。由此可见，在冷冻工程中，选择合适的换热器不仅可以降低锅炉的煤耗，而且可以降*****冷系统冷凝器的负荷，从而达到节能环保的双重功能。

针对竖井冷冻工程余热回收技术，截至目前，国内尚无相关报告..因此，研究适合轴冻结工程的换热器，对循环利用热量具有重要意义。

1、井筒冻结工程热交换器选型余热回收装置，用于回收压缩制冷机排出的70ー80c 过热氨蒸汽热量，用于加热锅炉循环水和生活用水。 因此，有必要采用一种能实现气液热交换的换热器。 当含有废热的介质是用来加热另一种液体的液体或蒸汽时，必须使用管壳式热交换器，因为这两种通路都必须密封，以控制相应流体的压力。 目前，我国常用的管壳式换热器按其结构类型可分为 u 型管式、浮头式、填料函数式和固定管壳式。

1.1U形管式换热器U形管式换热器的优点是结构比较简单、价格便宜、承压能力强，当壳体与换热管有温差时，不会产生热应力。其缺点是当管子泄漏损坏时，只有管束外围处的U形管才便于更换;内层换热管坏了，不能更换，只能堵死，而且坏1根U形管相当于坏2根管，报废率较高。这种换热器特别适用于输送清洁而不易结垢的高温、高压、腐蚀性大的物料。由于盐水具有一定的腐蚀性和易结垢，故该类换热器不适用于冻结工程。

1.2浮头式换热器浮头式换热器的优点是管束热膨胀不受壳体约束，故壳体与管束之间不会因差胀而产生热应力。清洗和检修时，可将整个管束从固定端抽出。

浮头盖与管板法兰连接有相当大的面积，使壳体直径增大，在管束与壳体之间，形成了阻力较小的环形通道，产生旁流。其缺点是结构复杂，造价比固定管壳式换热器高，设备笨重，材料消耗大，且浮头端的小盖在操作中无法检验;制造时，对密封要求较高。这种换热器不适用于回收70~80℃的高压过热氨蒸气热量。

1.3本实用新型的优点是: 管束可以沿壳体轴向自由膨胀和收缩，壳壁与管壁之间的热变形不存在差异，从而可以避免热应力，加工制造方便，节省材料，成本低，可以从壳体中取出管束，清洗管内和管间，维修方便。

其缺点是填料密封容易泄漏，不适用于易挥发，易燃，易爆，有毒，高压流体的热交换..

1.4优点国定固定的管壳式换热器的管壳式换热器是简单，结构紧凑，能承受高的压力，成本低，管程，便于清洗;当管被损坏，或更换容易堵塞;在相同条件下的大小，浮动头和U形管式换热器的大的传热面积比下的外观;易于规模，便于管道的腐蚀，可以使用挥发性，易燃，易爆，有毒和高压的热交换流体。的缺点是，当壁温或壳体材料管束差的线性膨胀系数大，则产生所述壳体和所述管束大的热应力。

综合以上分析，热回收机组在冻结工程氨循环系统中使用，热回收机组安装场地有限。换热介质中，氨气是易挥发、易燃、易爆、有毒和高压气体。从氨压缩机出来的过热氨蒸气温度为70～80℃，加热盐水进回水温度一般在30℃以下，管束与壳体温差较小，材料线胀系数相差较小，热应力较低。故在井筒冻结工程废热回收中，应选用固定管壳式换热器。

2、固定管壳式换热器工作原理，热回收设备布置在冻结工程氨循环系统内，故换热设备的管程介质为待加热盐水，壳程介质为70~80℃的过热氨蒸气，整个换热器为4管程卧式固定管壳式换热器。固定管壳式换热器工作原理：70~80℃的过热氨蒸气从接管1流入壳体，从接管2流出;30℃以下待加热盐水从接管3流入壳体，从接管4流出。过热氨蒸气在换热器中，将热量传递给低温盐水;由换热器流出的盐水，可直接用于温控循环。

3、井筒冻结工程换热器参数设计

3.1物性数据计算冻结工程中，物性温度变化情况为：过热氨蒸气进口温度70℃，出口温度50℃;待加热盐水进口温度5℃，出口温度20℃。

对于一般气体和水等低黏度流体，其定性温度可取流体进出口温度的平均值]。故壳程流体的定性温度为r-2050-60℃2管程流体的定性温度为1=5+90-125℃

3.2传热面积计算过热氨蒸气热流量，可采用下式计算(a：

Q1=micuy(1)式中：Q1为过热氨蒸气热流量，kJ/h;mi为单位时间内，单位体积氨蒸气质量，kg/h;c1为氨气定压比热容，kJ/(kg·℃);;为氨气进出口温差，℃。

平均传热温差，采用下式计算：A1-1-01(2)In。式中：Al。为平均传热温差，℃;△1;为盐水进出口温差℃。

传热面积采用下式估算：A，-(3)。

式中：Ap为传热面积，m2;K为传热系数，与壳程压力有关，kW/(m2·℃)。

对于200mm氨气输送管道，工作压力为2MPa时，mi=55.173kg/h;氨气在60℃下，cu=15kJ/(kg·℃),Al1=20℃,:=15℃;K=12kW/(m’·℃).经计算，可得A，=22.04m2.

3.3排列方式选择管子排列方式有等边三角形、正方形和转角正方形3种。与正方形相比，等边三角形排列比较紧凑，管外流体滞动程度高，表面传热系数大。

虽然相对松散布置成正方形，传热效果差，但外管清洗更方便，易于规模更合适的流体。角方工艺复杂，价格也相对较高。综合考虑后，以确定一个等边三角形管布置的选择。

3.4换热器的选择应根据换热面积的估算结果，选择标准换热器及其配套换热管。换热管参数，包括管径和长度。换热管直径越小，换热器单位体积换热面积越大。因此，对于清洁的流体，管径可以较小;对于不清洁或易结垢的流体，管径应较大，以免堵塞。本设计选用25mm×2mm先进冷拔换热管(碳钢)换热器，其参数如下：

管程号管程循环面积 q002594m2换热器管长1500mm 换热器面积2587?

换热器的盐水流量按标准换热器参数管程流量面积计算..

内管被加热的盐水流动I(4)0D-A1cH .:

其中：0：被加热管盐水的速度，米/秒; PA是在17.5的盐水的密度℃时，千克/米“; A1是 管程 的流动面积，m2; CO;盐水在17.5℃的比热容，千焦/(千克·℃)。

在管中加热的盐的水流量为g=3600xriv。式4(5)中：Q为管内要加热的盐水流量，m2/h;ri为进水盐水管道的半径，m..

当COG=081KJ/(公斤)、a/：=15°C、R1=a110m、PG=115kg/m*、ai=0002594m2替代公式(4)、公式(5)时，只有当加热盐水流量g≥17.35m‘/h时，才能满足换热器回收工程余热的设计要求。

根据上述的热交换器的设计中，盐水流量18平方米/ h时，热回收热交换器的计算计算如下：

Q、 ——在Al2(o4q:：(6)式中，Q为换热器回收的热量，kJ/h;Q为管内加热盐水的实际流量，m2/h

发现全负荷时的可回收热量为1052 m / h。

根据上述计算，设计了适用于轴冻结工程的4管程水平固定管壳式换热器(见图)。2).其管程介质为待加热生理盐水，壳侧介质为过热氨蒸气;换热管为25mm×2mm高档冷拉换热管，长度为1500mm，换热面积为2587m2;设计压力为：管程Q4MPa，壳侧为14MPa。

4、工程应用

在示范塔什店镇矿副井使用的热交换器的上述设计冻结该项目。由于2015-09-03-2015-11-19，连接到第2个冷却器热交换器单元废热回收系统。

当盐水流量控制在15m’ / h 时，平均热回收率为744mj / h，最大热回收率为832mj / h，是满负荷时热回收率的79% 。 计算结果表明，在整个冻结过程中，冻结站10% 的放热量为803mj / h。 结果表明，该余热循环系统可回收冻结工程制冷系统余热的10% ，取得了良好的节能降耗效果。

5、结语

(1)通过对 u 型、浮头式、填料式和固定管壳式4种换热器的优缺点进行综合比较，选择固定管壳式换热器用于竖井冻结工程余热回收。

该换热器可满足回收压缩冰箱排出的70~80°C过热氨蒸气热的基本要求，用于加热锅炉内循环水和生活用水..

(2)进行了固定管壳式换热器的优化设计，确定了适合竖井冻结工程的固定管壳式换热器的基本参数: 管程介质为待加热的盐水, 壳程介质为过热氨蒸气，换热管为 p25mm2mm，换热面积为2587m2，换热管长度为1500mm，设计压力为管程 q4mpa，装料距离为1.4 mpa: 盐水流速为18m2 / h，满负荷时热回收量为1052mj / h。

(3)固定的管壳式换热器塔什店镇矿副井冻结项目，已成功地应用。当盐水流量控制15平方米/小时，平均热回收744MJ / h时，最大832Mj /小时，冷冻的10%可被回收的废热制冷系统的工作原理，取得了良好的节能效果。