钛管换热器的工艺计算及经济性分析

LNG被公认是地球上最干净的化石能源，但是基于我国富煤、贫油、少气的能源结构，最近我国大量进口LNG。LNG在气化的同时，可以利用其冷源，通过卡诺循环进行发电。该工艺涉及到海水换热器，为了保证发电平稳，需要采用钛换热管。

钛换热器因金属离子不易流失，所以可充分利用这种非磁性特点，用做制药及食品等用途的换热器。由于钛的抗腐蚀能力强，所以换热器的使用寿命长，并且在使用中维护费用也低。此外，因其具有体积小、换热能力大等优点，相关设备（如泵）的投资及运行费用也能相应减少[1]。

钛管换热管的价格为127元/kg，S30408换热管的价格为17.2元/kg，价格昂贵，因此在进行钛管换热器设计的过程中，在满足工艺参数的前提下，尽量减少钛管的重量，从而提高经济性[2]。

笔者在设计钛管换热器的过程中，需要考虑到，如何减少工程总造价，主要包括设备固定投资和运行费用。基于此，笔者在保证传热要求的前提下，系统分析了不同换热管规格对总费用的影响。

1、设计参数

LNG发电项目由烟台某电力公司总包，我公司负责热工计算，要求换热余量至少10%。其主要设计参数如表1所示。

2、换热器工艺计算

2.1换热器管壳程流体分配

根据工程经验，凡是接触海水介质的材料需要采用Ti材，如果将海水安排在壳程，换热管、壳程材料和管板均需要采用昂贵的钛材，所以将海水安排在管程。

2.2换热器型式的确定

管壳式换热器总的传热热阻[3]是由热流体与管壁的对流传热热阻、管壁和污垢的导热热阻，以及管壁与冷流体的对流传热阻串联构成。海水汽化器的总传热热阻：

R=1/K=1/α₁+R_is+δ/λ+R_os+1/α₀（1）

式中R——总传热热阻，m²·K/W；

K——总传热系统，W/m²·K；

α_i，α₀——分别为管壁内外流体的对流传热系数，W/m²·K；

R_is，R_os——分别为管壁内外的污垢热阻，m²·K/W；

δ——管壁厚度，m；

λ——管的导热系数，W/m·K。

由于管壳侧介质的对流传热系数比较高，海水侧污垢热阻对总体热阻的贡献值很大，基于此，设计过程考虑减少污垢热阻的措施。

目前管式换热器（例如凝汽器、空气冷却器、冷油器等）内部换热管道内壁结垢后一般采用化学清洗和物理清洗（高压水射流清洗），这两种清洗方法都是在管道内壁结垢后才能进行清洗，且没有预防管道内壁结垢的功能。

清洗时需设备停运后才能进行清洗除垢等操作，清洗除垢过程时间长且对设备损伤较大、安全风险高、费用较高、劳动强度大等缺点非常明显。

选用胶球在线清洗装置，可以在不停工的前提下，进行在线清洗，可以保证换热器在高传热系数下运行。经过与在线清洗厂家咨询，一台在线清洗装置需要10万元，管内污垢热阻可以从原来的0.000352m²·k/W降低至0.000088m²·k/W。表2为采取这两种不同污垢热阻的设计结果。

从表2可以看出，采用胶球在线清洗装置可以

节省换热器管束费用308.8-242.1=66.7万。综合考虑在线清洗装置投资10万元，可以节省费用56.7万元，所以采用在线清洗装置。

这种在线清洗装置，需要单管程的结构。考虑到固定管板结构，冷热流体传热接近逆流，且管壳程壁温不大，不需要设置膨胀节，所以确定换热器型式为单管程BEM结构。

2.3换热管规格的确定

基于2.1和2.2的分析，确定采用BEM固定管板换热器，将海水放在管程。采用φ25×1.5、φ19mm×1.5mm、φ14mm×1.5mm、φ12mm×1.5mm四种不同换热管规格，分别进行工艺计算。

2.3.1设备固定投资费用

在保证换热性能的前提下，分别应用HTRI8.1进行传热计算，得到换热器规格，由于钛管价格昂贵，设备固定投资近似等于换热管费用，将结果列于表3。

根据雷诺数判断，这四种规格换热管的管内海水处于湍流状态，无相变的流体在管内作湍流流动时，可用下式计算α_i[4]：

从上式可以看出，随着管内径的减小，总传热系数不断增大，将计算结果绘制于图2~3。

根据Q=KAΔT_m，式中Q[3]为换热量，K为总传热系数，已经获得，关键是对ΔT_m的获得，由于壳程流体发生相变，不能采用对数传热温差公式计算，只能采取分段计算方法，分别计算壳程气化区和过热区。在气化区和过热区可以分别采用对数传热温差计算平均温差。根据上述公式，得到换热面积。

从表3和图4~5可以看出，随着管外径的减小，管束质量逐渐降低，设备固定投资也逐渐降低，似乎应该选择φ10mm×1.5mm的小规格管子。但设计换热器不仅仅要考虑固定费用，还需要考虑设备全周期的费用，因此必须要考虑运行费用。

2.3.2设备运行费用

取设备寿命为20年，查得当地工业用电单价为0.85元/kw·h，海水的体积流量为0.3m³/s，管程压降分别按照水力计算获得，水泵轴功率W=ΔP×Q，式中W代表轴功率，ΔP代表压降，Q代表体积流量，运行费用P=i×c，式中P代表运行费用，i代表耗电量，c代表用电单价，如表4所示。

从表6中可以看出，随着管径的减小，管内径的压降逐渐增加。管内压降的影响因素包括流速、流体物性、换热管长度[5-6]，具体公式为：

2.3.3设备全生命周期费用

从图7~8和表5可以看出，随着管外径的增加，水泵运行费用不断减少，设备固定投资不断增加，无法判断最优管规格，基于此，以总投资费用为纵坐标，作图如图9所示。

从图9中可以看出，当换热管外径为19mm时，总费用最低，因此最优换热管规格为φ19mm×1.5mm。

3、结论

综上所述，接触海水介质的流体放在管程，可以避免壳程使用价格昂贵的钛材，可以节省设备投资。

由于管壳侧介质的对流传热系数比较高，海水侧污垢热阻对总体热阻的贡献值很大，综合考虑清洗装置投资，使用在线清洗装置。

随着管内径的减少，总传热系数不断增大，管束重量逐渐降低，因此，小换热管需要较小的固定投资。

随着管径的减小，管内径的压降逐渐增加，水泵的运行费用逐渐增加，因此，小换热管需要较大的运行费用。

作为制造厂，在换热器工艺计算的过程中，不能只考虑设备的制造成本，还需要考虑换热器全生命周期的费用，以总费用为最优目标，得到最优换热管规格为φ19mm×1.5mm。

参考文献

[1]张文毓.钛换热器市场发展分析研究[J].船舶物资与市场，2011（2）：31-34.

[2]蒋连胜.浅析换热器制造与成本[J].广州化工，2015（12）：162-163.

[3]W.M.罗森诺.传热应用手册[M].北京：科学出版社，1992.

[4]E.U.施林德尔.换热器设计手册[M].北京：机械工业出版社，1988.

[5]密晓光，陈杰，鹿来运，等.绕管式换热器层间质量迁移特性的试验研究[J].液体机械，2020，48（3）：1-5.

[6]董哲生.流体在工业管道中流动沿程阻力计算的研究[J].江西能源，2006，23（3）：26-27，23.

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