二甲醚气化系统中螺旋盘管换热器的理论设计

李晓光, 肖 松

(1.辽宁城市建设设计有限公司，辽宁 抚顺 113308； 2.临沂大学 机械与车辆工程学院，山东 临沂 276000)

作为一种新型可替代传统油气资源的清洁能源，二甲醚不仅可以缓解我国油气短缺、依赖进口的问题，而且可以减少污染物排放对大气环境造成的影响[1-3]。近年来，国内外学者已经开展了一些关于二甲醚作为清洁能源替代常规能源的研究[4-11]，唐庆杰等论述了利用煤制备二甲醚的重要性和迫切性，并对二甲醚应用前景和研发进展进行了介绍。随后，吴江涛等研究了二甲醚的热物性[6-9]，得到了二甲醚在不同温度条件下的焓值、熵值等参数的变化趋势。最近，肖松等对二甲醚替代石油液化气的可行性进行了研究，研究结果表明二甲醚在燃烧温度、单位时间消耗量等方面都优于石油液化气[12]。此外，由于二甲醚自身含氧，燃烧热效率高且CO2和NOx的排放量极低。因此，二甲醚成为替代液化石油气的清洁能源[13-18]。本文以蒸发量1 t/h的蒸汽锅炉二甲醚气化系统为研究对象，对其核心设备螺旋盘管换热器进行理论计算和设计。

1 二甲醚气化吸热量计算

根据理论计算，蒸发量1 t/h的蒸汽锅炉每小时消耗二甲醚量约为90 kg。如果只依靠自然气化，远远满足不了燃烧系统需求，必须进行强制气化，即通过换热器加热的方式将二甲醚由20 ℃液态变为60 ℃气态。二甲醚在换热器中加热分为二个阶段，即二甲醚气化阶段及二甲醚气态升温过程。

1)二甲醚气化吸热量

众所周知，气化过程是被加热液体通过吸收气化潜热而达到气态的过程。因此，20 ℃二甲醚气化过程吸热量计算公式如下：

Q1=qm×ΔH=90×393.314 6=9.832 9 kJ/s

(1)

式中：Q1为20 ℃二甲醚气化过程吸收的热量，kJ/s；qm为二甲醚质量流量，kg/h；H为二甲醚的汽化潜热，H=393.314 6 kJ/kg。

2)气态二甲醚升温吸热量

当液态二甲醚通过吸收汽化潜热变为气态后，继续将其加热到60 ℃时吸收热量的计算公式如下：

(2)

式中：Q2为20 ℃气态二甲醚加热到60 ℃吸收的热量，kJ/s；cp为二甲醚平均定压比热容，kJ/(kg·K)，cp=1.712 1 kJ/(kg·K)；t为温差， ℃。

3)二甲醚气化总吸热量

根据前两步计算可知，20 ℃液态二甲醚加热到60 ℃气态时总吸热量Q等于液态二甲醚气化吸热量Q1与气态二甲醚升温吸热量Q2的总和，即

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

(3)

2 螺旋盘管换热器理论计算

螺旋盘管换热器是由一根金属管螺旋加工而成，并且安装在两个同心的圆筒的环形区域内构成，螺旋盘换热器结构示意图如图1所示。

图1 螺旋盘管换热器结构示意图

二甲醚与加热工质分别走盘管内和环形区域。通过盘管管壁二者进行热交换。在环形区域内，筒壁与盘管以及相邻盘管间的最小缝隙相等，此外要保证间隙等于0.5倍的盘管管径，所以盘管的长度和圈数为

1.257 m

(4)

式中：L为盘管的长度，m；N为盘管圈数；DH为盘管直径，m，DH=0.4m；P为相邻的盘管之间的圆心距，m，其数值等于1.5倍盘管外径d0，d0=0.03m，即P=1.5d0。

选取传热系数U=550 W/(m2·K)，盘管内二甲醚的平均温度tm=(20+60)/2=40 ℃，二甲醚加热到最高温度ts=60 ℃，所以平均温差t=ts-tm=60-40=20 ℃。因此，螺旋盘管换热器换热面积为

(5)

盘管的长度为

(6)

式中：D为盘管内经，D=0.025m。

圈数为

(7)

3 结 论

本文对二甲醚气化系统中螺旋盘管换热器进行了理论计算，以蒸发量1 t/h锅炉的二甲醚气化系统换热器为研究对象，分别计算获得气化所需热量为11.545 kJ/s；当选取内外径尺寸分别为0.03 m和0.025 m的316不锈钢管作为盘管材料时，采用算数平均温差计算方式获得换热器的面积为1.049 5 m2，从而计算出盘管的圈数为11圈。