低温多效海水淡化装置换热管选用分析

摘要：低温多效蒸馏（LT-MED）海水淡化的换热过程主要是蒸发和冷凝，通过数量众多的换热管完成热量交换，管外侧海水受热蒸发浓缩，管内侧蒸汽冷却形成凝结淡水。换热管是低温多效海水淡化的核心部件，其成本约占低温多效海水淡化装置的20%～40%，对换热管的要求是高传热性、高阻垢性、高耐腐蚀性。截止到2015年，在国产 LT-MED海水淡化装置中，除换热管束的上三层使用0.5mm 钛管外，其余换热管主要为0.7mm铝黄铜管。然而，铝黄铜管在海水中容易受到氯离子的侵蚀，造成很大的安全隐患和经济损失。因此，换热管的选用分析非常必要。

关键词：低温多效蒸馏（LT-MED）;0.7mm铝黄铜管;0.4mm薄壁钛管;对比分析

引言：

目前，我国是联合国公认的世界13个最贫水国家之一。世界性的淡水危机，为海水淡化技术发展提供了广阔的市场，海水淡化技术的应用成为解决淡水资源危机的有效方法。低温多效蒸馏（LT-MED）是20世纪70年代末由以色列IDE公司开发的[1]，是目前主流海水淡化技术之一。因其具有产品水水质好、预处理简单、腐蚀和结垢风险小、单机制水能力大以及技术经济性好等特点，得到了越来越多的应用，市场占有率逐步提高。

2015年6月，国产1.2万吨级低温多效海水淡化装置在舟山电厂投运。该套海水淡化装置共6效蒸发器，各效蒸发器换热管束上層3排选用0.5mm钛管，其余均采用0.4mm钛管，而非常规的0.7mm铝黄铜换热管。这是我国首台换热管为0.4mm薄壁钛管的万吨级低温多效海水淡化装置，其对0.4mm薄壁钛管在国产 LT-MED装置的推广具有重要意义。

本文引用舟山电厂低温多效海水淡化装置相关参数，从振动、强度、换热系数、腐蚀、经济性对0.7mm铝黄铜管和0.4mm薄壁钛管进行对比分析，以供相关人士参考。

一、振动对比分析

（1） 换热管参数选取

蒸发器内部换热管的选取，不但要考虑到海水的腐蚀及冲刷，同时也要考虑因换热管材质或壁厚的不同，其本身的固有频率也会不同。换热管选取具有代表性的0.7mm铝黄铜管和0.4mm薄壁钛管进行分析比较。

（2）蒸发器结构介绍

舟山电厂蒸发器1-4效布管方式相同，5-6效布管方式相同。由于1-4效蒸汽流量大换热管支撑板间距比较大，所以针对1-4效结构进行计算分析。

1-4效蒸发器换热管项目本身采用的是上三排为标号2类型管子，其余为1号类型管子，管长均为9720mm，采用正三角形布管方式，管间距S=0.033m，支撑管板数量为5块，跨距L为1.6m。

（3）换热管固有频率的计算

影响换热固有频率的因素非常多，包括生产和安装工艺影响及在现场运行条件下温度应力的影响，在不考虑外界因素的影响条件下，根据换热管本身的参数依据GB151计算方法计算固有频率。

GB151-1999《钢制管壳式换热器》附录E“管束振动”一节给出了完整的管束固有频率的计算方法。此方法的计算特点是：将换热管视为两端固定，中间简支的多跨连续梁，可计算等跨直管、非等跨直管的一阶、二阶固有频率，并可考虑轴向力对固有频率的影响。根据蒸发器本体结构，可以将换热管视为两端固定，中间简支的六段等跨连续梁结构。同时由于换热管外部海水为降膜蒸发，对换热管扰动比较小，蒸汽流速比较大，故只考虑蒸汽流对换热管的影响。以一效工况为计算模型来分析。

计算公式为：

根据一效工况进汽温度65℃，蒸发室温度为61.9℃， 蒸汽饱和流速取30-40m/s来考虑得出以下数据表：

根据以上公式经过计算得出以下结果：

根据以上计算管子的固有频率可知，在不改动蒸发器外部结构的情况下，0.7mm厚的铝黄铜管和0.4mm厚的钛管的固有频率是在同一范围内。

（4）验证换热管振动

根据换热管振动依据来判断，换热管的固有频率只要满足以下所有条件，就可以判定换热管束不会发生振动。

固有频率fn<0.8fv或>1.2fv;共振参数Gs在非共振区即可。

由卡门漩涡频率fv=st×V/dO

对于正三角形排列的管束，根据节径比可查出为0.19，由一效的蒸发温度可得62℃的饱和蒸汽密度约为0.14kg/m3，同时根据蒸汽在管束区域内的流向的不均匀性，蒸汽的流通速度在20-40m/s之间， 计算结果为149.6-299.2Hz，由此判断1、2号管均满足要求。

由共振参数，一效工况下蒸汽的声速c=451m/s，而根据布管形式得出T=0.033m，L=0.05716，从而得出计算结果Gs=0.00051，同时有L/h=7.72查图表可知落在非共振区域。由此判断1、2号管均满足要求。

（5）结论

根据以上计算方法，对蒸发器换热管振动计算，从而做出如下结论：

在现有的蒸发器结构和布管方式条件下，无论是采用0.7mm的铝黄铜管还是采用0.4mm厚度的钛管在振动方面都满足要求，即在设计工况下换热管不会发生共振。

二、 强度和刚度对比分析

根据《换热器及冷凝器用钛及钛合金管》GB/T3625-2007：钛的抗拉强度Rm≥400MPa，规定非比例延伸强度Rp0.2在275～450MPa，钛的物理性能弹性模量E在20～100℃范围内为108～102GPa。对于蒸发器负压运行工况，对换热管进行液（气）压试验没有必要像压力容器换热管液（气）压试验选取过高的压力，对于MED液（气）压选择1MPa的压力已经远远满足要求。

计算出的试验压力远大于选取的试验压力，说明选取0.4mm厚的钛管材符合液压要求。

根据《热交换器用铜合金无缝管》GB/T8890-1998：铝黄铜的抗拉强度Rm≥375MPa。 管材液压试验压力≥6.86MPa，持续时间10s。HAl77-2物理性能的弹性模量E在20～100℃范围内为105GPa左右。

由上述对比可知，钛的抗拉强度高于铝黄铜的抗拉强度，并且0.4mm厚的钛换热管和0.7mm厚的铝黄铜换热管液压试验的压力都满足换热管液压试验压力的要求，两者的弹性模量也基本相同。

三、换热系数对比分析

对于同一换热工况下，换热量Q相同，换热温差相同，换热系数和换热面积成反比关系。 水平横管降膜蒸发换热换热面积计算式以换热管的外径为准计算，直径同为25.4mm的铝黄铜和钛换热管单根管的换热面积相同。

换热系数计算公式：

铝黄铜和钛的导热系数分别为：。由于两种换热管的内外工况相同，污垢热阻也基本相同，为。厚度为0.7mm的铝黄铜与0.4mm厚的钛在相同工况下计算出的换热系数分别为：2170，2098.5，换热系数之比为1.03407：1，换热面积之比为1：1.03407。

舟山电厂1-4效蒸发器原设计采用Φ25.4×0.7×9720mm的铝黄铜换热管51756根，5-6效蒸发器采用Φ25.4×0.7×6070mm的铝黄铜换热管15002根。若将上述所有0.7mm厚的铝黄铜换热管更换为0.4mm厚的钛换热管，则需要Φ25.4×0.4×9720mm的钛换热管53520根，Φ25.4×0.4×6070mm的钛换热管15514根。相比1-4效蒸发器换热管增加了1764根，5-6效蒸发器换热管增加了512根。

由上述计算可知，将0.7mm厚的铝黄铜换热管更换为0.4mm厚的钛换热管，从换热角度换热面积只增加了3.407%，面积变化很小。

四、 腐蚀情况对比分析

钛的表面暴露在大气或者水溶液中，立即会形成氧化膜，例如在室温大气中氧化膜厚度约为1.2～1.6m，并随时间的延长而增厚，70天增厚到5nm，545天以后氧化膜厚度逐漸增加到8～9nm。[2]所以在制造装配过程中对钛材表面氧化膜损伤，钛材表面会很快与氧气化合形成新的氧化膜。钛对氯离子也具有很强的抗腐蚀性，在海水中，铜的腐蚀率为0.05mm/年，而钛的腐蚀率仅为0.003mm/年，因此钛具有优异的耐腐蚀性能，在进行结构设计时可减少腐蚀裕量;同时由于不需要防腐涂料，可简化工艺及降低成本。

五、 经济性对比分析

目前我国已经形成了成熟的钛材制造、加工技术，大部分钛材无需依赖进口。单从质量上进行核算，钛管价格是铜管的数倍。若考虑实际应用，钛管的厚度比铜管要薄，并且钛管的密度仅为铜管的1/2。[3]舟山电厂经过计算，0.4mm薄壁钛管和0.7mm铝黄铜换热管价格在低温多效海水淡化装置应用上价格基本相当。但是，钛管在综合性能方面具有较强的竞争力，换热管作为设备的核心部件，换热管的使用寿命直接决定了蒸发器的维修频率和维修及维护成本，对于铝黄铜换热管来说，钛换热管的使用年限明显更长，经过对使用周期内的运行成本核算实际上是降低了成本。

六、结论

通过以上对比分析，0.4mm薄壁钛管作为换热管应用在低温多效海水淡化装置中，从振动、强度、换热系数、腐蚀、经济性都比0.7mm铝黄铜管更具有优势。随着中国沿海地区淡水需求的日益增加，低温多效海水淡化工业作为海水淡化工业的龙头必将成为我国的一项新兴产业。由于近年来钛材价格大幅下滑，使得钛材料费在整个低温多效海水淡化装置所占比重也大幅下滑，因此0.4mm薄壁钛管作为换热管在低温多效海水淡化工业中应用将有很广阔的市场前景。

参考文献：

[1]AL-SHAMMIRI M.Multi-effect Distillation Plants：State of the Art[J].Desalination，1999，126：45-59.

[2] 赵斌.钛材在低温多效海水淡化工业中的应用[J].企业实践，1673-1069（2016）25-237-2.

[3]纪腾飞.钛在海水淡化领域中的应用[J].化工装备技术，10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2017.02.003.

作者简介：程爱勇（1986.01-），男，汉族，浙江省舟山市，大学本科学历，职称：工程师，国能浙江舟山发电有限责任公司，研究方向：环保化学