适用于井筒冻结工程的换热器选型与设计研究

井筒冻结工程的实质，是利用人工制冷技术，把地层中的热量交换出来，排放到大气中，使地层中的水结冰，增加其强度和稳定性。在冻结三大循环系统内，会产生大量的热量。以西部某矿井筒冻结施工为例，冻结站装备4台压缩制冷机，每台制冷量为2 510 MJ/h，轴功率为1 506 MJ/h，维护冻结期按开2台计算，则冻结站制冷期间，每h排出的热量为8 033 MJ；经特殊工艺、设备处理，如热回收系统可以回收制冷热量的15%，则维护冻结期间，每h可回收热量约1 205 MJ。由此可见，在冻结工程中，选用合适的换热器，既可减少锅炉用煤量，又可减轻制冷系统冷凝器的负荷，达到节能和环保的双重作用。

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针对井筒冻结工程废热回收技术，迄今为止，国内尚无相关报道。因而研究适用于井筒冻结工程的换热器，进行热量回收利用，对井筒冻结工程节能降耗具有重要意义。

1 井筒冻结工程换热器选型

热回收机组通过回收压缩制冷机排出的70～80 ℃的过热氨蒸气热量，用于锅炉加热循环水与生活用水。因此，需要采用可实现气体—液体热交换的换热器。当包含废热的媒介物是液体或蒸汽，用于加热另一种液体时，由于这2条路径都必须密封，以便控制其相应流体的压力，必须使用管壳式换热器。目前，我国常用的管壳式换热器按其结构型式的不同，一般可分为U形管式、浮头式、填料函式、固定管壳式4种类型[1-5]。

1.1 U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。

Monographic report: Intravenous thrombolysis for acute ischemic stroke

1.2 浮头式换热器

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。

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。

很多企业管理者对审计价格、经济合同的流程并不了解，使得要么审计者并不能自如的进行评估审核，要么使得经费滥用严重，造成重大损失。企业只是单方面的重视各类活动的事后经济审计，忽略了事前预算审计的重要性，许多经费使用者套用经费的现象依旧存在，并且依旧严峻。另外，一些人对于各类企划的预算编制没有节制[2]，使得最终使用的经费与当初的预算有着很大的偏差，导致出现很大的浪费。

1.3 填料函式换热器

填料函式换热器的优点是管束在壳体轴向可自由伸缩，壳壁与管壁不会产生热变形差，从而可避免产生热应力；其结构较浮头式换热器简单，加工制造方便，节省材料，造价比较低廉，且管束从壳体内可以抽出；管内、管间都能清洗，维修方便。其缺点是填料密封处容易泄漏，故不宜用于易挥发、易燃、易爆、有毒和高压流体的热交换。

1.4 固定管壳式换热器

固定管壳式换热器的优点是结构简单、紧凑，能承受较高的压力，造价低，管程清洗方便；管子损坏时，易于堵塞或更换；在外形尺寸相同的条件下，换热面积比浮头式和U形管式换热器大；不易结垢，不易腐蚀管道，可用于易挥发、易燃、易爆、有毒和高压流体热交换。其缺点是当管束与壳体的壁温或材料的线胀系数相差较大时，壳体与管束会产生较大的热应力。

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。

管程流体的定性温度为

2 固定管壳式换热器工作原理

如图1所示，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。

  

图1 固定管壳式换热器工作原理

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 ℃。

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，管外流体湍动程度高，表面传热系数大。正方形排列虽然比较松散，传热效果也较差，但管外清洗比较方便，对易结垢流体更为适用。转角正方形工艺复杂，价格相对较高。经综合考虑，确定管子选用等边三角形排列方式。

℃

四川宜宾500 kV叙府变电站的500 kV部分包括11回出线，分别是1号主变压器高压侧、2号主变压器高压侧、沐叙一线、沐叙二线、叙泸一线、叙泸二线、戎叙一线、戎叙二线、平叙一线、宾叙一线、宾叙二线。春季检修时发现宾叙一线A相和宾叙二线C相的两台500 kV电容式电压互感器(capacitor voltage transformer, CVT)出现电容介损异常，经返厂解剖试验，发现这两台CVT发生电容击穿。

根据香樟长足象国内的分布，及其传入、定殖和扩散的可能性，潜在危害性，受害寄主经济重要性，危险性管理难度等基本情况，依据蒋青等[4]有害生物危险性评价的定量分析方法和福建省林业有害生物普查技术方案[5]，针对香樟长足象的危害特性和生物学、生态学特性的初步观察，在专家咨询的基础上，对风险分析指标进行赋值，见表1。根据各评判指标(P)值和权重，统计分析香樟长足象风险综合评价值(R)。据R值所属区间，将林业有害生物风险等级划分为4个等级：2.50≤R<3.00为特别危险，2.00≤R<2.50为高度危险，1.50≤R<2.00为中度危险，0≤R<1.50为低度危险[4-9]。

℃

3.2 传热面积计算

式中：Q1为过热氨蒸气热流量，kJ/h；m1为单位时间内，单位体积氨蒸气质量，kg/h；cp1为氨气定压比热容，kJ/(kg·℃)；Δt1为氨气进出口温差，℃。

Q1=m1cp1Δt1

(1)

过热氨蒸气热流量，可采用下式计算[6-9]：

平均传热温差，采用下式计算：

 

(2)

式中：Δtm为平均传热温差，℃；Δt2为盐水进出口温差，℃。

推广体制对工作的顺利展开具有重要的意义，在一些地区存在的“双重管理”体制制约了农业技术的推广和服务。因此，不同的地区应该结合自身的实际情况进行管理体制的建设，应该将基层农业技术推广站的人、财、物由市、县级农业主管部门统一管理，重视推广工作的公益性。此外，乡镇政府还应该积极配合相关的部门，为推广人员提供必要的工作和生活条件以及做好相关的工作。

传热面积采用下式估算：

 

(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φ200 mm氨气输送管道，工作压力为2 MPa时，m1=55.173 kg/h；氨气在60 ℃下，cp1=1.5 kJ/(kg·℃)，Δt1=20 ℃，Δt2=15 ℃；K=1.2 kW/(m2·℃)。经计算，可得Ap≈22.04 m2。

3.3 排列方式选择

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[6-9]。故壳程流体的定性温度为

3.4 换热器选型

根据传热面积估算结果，参照文献[10]，选用标准换热器及其配套的换热管。换热管参数，包括管径和管长。换热管直径越小，换热器单位体积的换热面积越大。因此，对于洁净的流体，管径可取小些；对于不洁净或易结垢的流体，管径应取大些，以免堵塞。本设计选用φ25 mm×2 mm高级冷拔传热管(碳钢)换热器，其参数如下：

  

公称直径400 mm公称压力1.6 MPa管程数1管子根数266管程流通面积0.002 594 m2换热管长1 500 mm换热面积25.87 m2

3.5 管内待加热盐水流速确定

式中：q为管内待加热盐水流量，m3/h；r1为进回盐水管路半径，m。

管内待加热盐水流速为

(2)HYSPLIT轨迹分析表明，本次沙尘来源于阿拉善盟、新疆北部，沙尘粒子是向东南输送，经河西走廊到兰州，后回流至西宁，造成西宁空气质量严重污染。

 

(4)

式中：vm2为管内待加热盐水流速，m/s；ρ2为盐水在17.5 ℃下的密度，kg/m3；A1为管程流通面积，m2；cp2 为盐水在17.5 ℃下的定压比热容，kJ/(kg·℃)。

管内待加热盐水流量为

关于步枪典型故障分析的研究一直没有间断过。余家武应用故障分析中的FMECA和FTA两种方法对某自动步枪的主要故障进行了分析[4];宫鹏涵等通过ADAMS建模软件建立了某自动步枪射击时的动态特性[5];蔡伟等将故障树和模糊理论相结合对某自动步枪的卡弹故障进行了很好的分析[6];都业宏等将云模型理论和语言方式规则语言应用于预测兵器试验故障,对兵器试验的故障预测问题进行了相关的研究[7];Jia Z H等通过动力学仿真也对某步枪的相关问题件进行了研究[8]。

 

(5)

根据标准换热器参数管程流动面积，计算换热器盐水流速。

由于机组效率低下，泵站排涝、灌溉能力不断降低，经粗略的统计，改造前全市排涝、灌溉面积已减少8%左右。工程改造后，经过两年的运行，各泵站排涝、灌溉面积有所恢复和改善，单是上述4个站，即改善和恢复灌溉面积7.2万亩（0.48万hm2）。

将cp2=0.81 kJ/(kg·℃)，Δt2=15 ℃，r1=0.110 m，ρ2=1.15 kg/m3，A1=0.002 594 m2代入式(4)、式(5)中，可得当待加热盐水流量q≥17.35 m3/h时，才能够满足换热器回收冻结工程废热的设计要求。

根据以上换热器设计计算，在盐水流速为18 m3/h时，换热器回收热量按下式计算：

Qm=Δt2cp2q2ρ2

(6)

式中：Qm为换热器回收热量，kJ/h；q2为实际管内待加热盐水流量，m3/h。

在高中物理知识的学习中，我们应重视基础概念、定理的理解和掌握，结合物理知识之间的关联性，逐渐形成完善的物理知识框架，为自己物理综合能力的提升打下坚实的基础.同时，我们要养成自主思考和探究的习惯，进一步加深自己对各种物理现象的认知，善于对物理习题进行总结，从题型、考查内容等多个角度进行分析，促进自己解题能力的提升，在解题的过程中，要思路清晰、步骤严谨、正确率高，提高自己解题质量，以达到提高自己物理成绩的目的.

求出满负荷工作状态下，可回收热量为1 052 MJ/h。

根据以上计算，设计出适用于井筒冻结工程的4管程卧式固定管壳式换热器(见图2)。其管程介质为待加热盐水，壳程介质为过热氨蒸气；换热管为φ25 mm×2 mm高级冷拔传热管，长度1 500 mm，换热面积25.87 m2；设计压力：管程0.4 MPa，壳程1.4 MPa。

  

图2 适用于井筒冻结工程的固定管壳式换热器

4 工程应用

将以上设计的换热器在塔什店矿副井冻结工程中进行示范应用。自2015-09-03—2015-11-19，连接换热器机组共2台冷冻机废热回收系统。当盐水流量控制在15 m3/h的情况下，回收热量平均为744 MJ/h，最大为832 MJ/h，为满负荷工作状态回收热量的79%。经计算，整个积极冻结期间，开2台冷冻机制冷，冻结站排出热量的10%为803 MJ/h。表明废热循环系统能够回收冻结工程制冷系统废热的10%，取得了良好的节能降耗效果。

5 结 语

(1)通过对U形管式、浮头式、填料函式、固定管壳式4种换热器优缺点的综合对比，在井筒冻结工程废热回收中，选用固定管壳式换热器。该换热器能够满足回收压缩制冷机中排出的70～80 ℃过热氨蒸气热量，用于锅炉加热循环水与生活用水的基本要求。

(2)进行了固定管壳式换热器参数优化设计，最终确定适用于井筒冻结工程的固定管壳式换热器基本参数为：管程介质为待加热盐水，壳程介质为过热氨蒸气，换热管为φ25 mm×2 mm较高级冷拔传热管；换热面积25.87 m2，换热管长度1 500 mm；设计压力，管程0.4 MPa，壳程1.4 MPa；在盐水流速为18 m3/h时，满负荷工作状态下，可回收热量为1 052 MJ/h。

(3)固定管壳式换热器在塔什店矿副井冻结工程中，得到了成功应用。当盐水流量控制在15 m3/h时，回收热量平均为744 MJ/h，最大为832 MJ/h，能够回收冻结工程制冷系统废热的10%，取得了良好的节能降耗效果。

参考文献：

[1] 吕 盼，高 蕊，崔福海，等.吸收式热泵余热利用优化研究[J].煤炭技术，2018，37(3)：309-311.

[2] 段泽敏，马素霞，郭千中.矿井余热资源利用技术[J].煤矿安全，2014，45(9)：68-71.

[3] 牛永胜，王建学.朱集西煤矿矿井废热回收利用[J].煤矿安全，2012，43(9)：194-196.

[4] 张培鹏，辛 嵩.热管换热器回收矿井回风余热的可行性分析[J].煤矿安全，2011，42(5)：136-139.

[5] 陈 亮.管壳式换热器热工选型计算[J].化学工程与装备，2014(1)：101-104.

[6] 张学智.管壳式换热器设计优化及适宜操作区性能的研究[D].青岛：青岛科技大学，2012.

[7] 孙启鹏.管壳式换热器凝结换热特性的试验研究[J].煤炭技术，2011，30(11)：185-186.

[8] 李晓敏，王立军，王 河.管壳式换热器流体与传热模拟分析[J].真空科学与技术学报，2018，38(10)：919-923.

[9] 高白薇.管壳式换热器的计算与选型[J].安徽化工，2017，43(4)：83-85.

[10] GB/T 28712.2-2012，固定管板式换热器型式与基本参数[S].