李曉光, 肖 松
(1.遼寧城市建設設計有限公司,遼寧 撫順 113308; 2.臨沂大學 機械與車輛工程學院,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油氣短缺、依賴進口的問題,而且可以減少污染物排放對大氣環(huán)境造成的影響[1-3]。近年來,國內外學者已經開展了一些關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,并對二甲醚應用前景和研發(fā)進展進行了介紹。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、熵值等參數的變化趨勢。最近,肖松等對二甲醚替代石油液化氣的可行性進行了研究,研究結果表明二甲醚在燃燒溫度、單位時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)為研究對象,對其核心設備螺旋盤管換熱器進行理論計算和設計。
根據理論計算,蒸發(fā)量1 t/h的蒸汽鍋爐每小時消耗二甲醚量約為90 kg。如果只依靠自然氣化,遠遠滿足不了燃燒系統(tǒng)需求,必須進行強制氣化,即通過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階段,即二甲醚氣化階段及二甲醚氣態(tài)升溫過程。
1)二甲醚氣化吸熱量
眾所周知,氣化過程是被加熱液體通過吸收氣化潛熱而達到氣態(tài)的過程。因此,20 ℃二甲醚氣化過程吸熱量計算公式如下:
Q1=qm×ΔH=90×393.314 6=9.832 9 kJ/s
(1)
式中:Q1為20 ℃二甲醚氣化過程吸收的熱量,kJ/s;qm為二甲醚質量流量,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
當液態(tài)二甲醚通過吸收汽化潛熱變?yōu)闅鈶B(tài)后,繼續(xù)將其加熱到60 ℃時吸收熱量的計算公式如下:
(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
根據前兩步計算可知,20 ℃液態(tài)二甲醚加熱到60 ℃氣態(tài)時總吸熱量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)
螺旋盤管換熱器是由一根金屬管螺旋加工而成,并且安裝在兩個同心的圓筒的環(huán)形區(qū)域內構成,螺旋盤換熱器結構示意圖如圖1所示。
圖1 螺旋盤管換熱器結構示意圖
二甲醚與加熱工質分別走盤管內和環(huán)形區(qū)域。通過盤管管壁二者進行熱交換。在環(huán)形區(qū)域內,筒壁與盤管以及相鄰盤管間的最小縫隙相等,此外要保證間隙等于0.5倍的盤管管徑,所以盤管的長度和圈數為
1.257 m
(4)
式中:L為盤管的長度,m;N為盤管圈數;DH為盤管直徑,m,DH=0.4m;P為相鄰的盤管之間的圓心距,m,其數值等于1.5倍盤管外徑d0,d0=0.03m,即P=1.5d0。
選取傳熱系數U=550 W/(m2·K),盤管內二甲醚的平均溫度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,螺旋盤管換熱器換熱面積為
(5)
盤管的長度為
(6)
式中:D為盤管內經,D=0.025m。
圈數為
(7)
本文對二甲醚氣化系統(tǒng)中螺旋盤管換熱器進行了理論計算,以蒸發(fā)量1 t/h鍋爐的二甲醚氣化系統(tǒng)換熱器為研究對象,分別計算獲得氣化所需熱量為11.545 kJ/s;當選取內外徑尺寸分別為0.03 m和0.025 m的316不銹鋼管作為盤管材料時,采用算數平均溫差計算方式獲得換熱器的面積為1.049 5 m2,從而計算出盤管的圈數為11圈。