第13卷第5期2013年6月REFRIGERATION AND AIR-CONDITIONING84-87乙二醇水溶液作為冷/熱媒的應(yīng)用常嘉琳唐培亮(深圳市建筑設(shè)計(jì)研究總院有限公司)摘要化工生產(chǎn)物料純化工藝需采用冷/熱媒分階段對物料進(jìn)行冷凝、汽化。采用安全可靠、熱力性能滿足使用要求的介質(zhì)是提高生產(chǎn)效率、保證物料質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。本文介紹乙二醇水溶液作為冷/熱媒在物料純化過程中的應(yīng)用關(guān)鍵詞乙二醇水溶液;冷/熱媒;物料純化Application of glycol solution as cooling heating mediumChang Jialin Tang Peiliang(Shenzhen Architecture Design and Research Institute Co. LtdaBSTRact The cooling heating medium is adopted for condensation and gasificationin the material purification process. The medium with safety, reliability and required ther-mal performance is important to improve the productivity and secure the quality. The ap-plication of the glycol solution as cooling heating medium in the material purification isdescribedKEY WORDS glycol solution; cooling heating medium; material purification1我國現(xiàn)有物料純化工藝的冷凍、加熱系統(tǒng)蒸汽在我國一些化工企業(yè)中,物料純化工藝通常采用鹽水冷卻、蒸汽加熱流程(見圖1)。純化器)冷媒網(wǎng))物料冷凝時(shí),將鹽水通人純化器,不斷循環(huán)冷媒泵壓縮待冷凝工序完成后,為將冷凝器盤管內(nèi)殘留的鹽空氣水排人冷凍系統(tǒng),須用壓縮空氣將鹽水排入排液制冷機(jī)組箱,再經(jīng)排液泵注入系統(tǒng)排液箱當(dāng)物料被汽化時(shí),將蒸汽通入純化器盤管,待排液泵汽化過程完成后,再用壓縮空氣將盤管中的凝結(jié)排入下水管水吹掃干凈,以防止鹽水通入時(shí)濃度變化引起凝圖1蕪汽(熱媒)鹽水(冷媒)系統(tǒng)流程固點(diǎn)改變。該流程存在以下不足:1)由于冷卻介質(zhì)(冷媒)采用了鹽水,而鹽水對金屬的腐蝕性較強(qiáng)(溫度≤80℃,年腐蝕率為純化器)口(冷媒罐)0.05~0.5mm/a),因此設(shè)備和管道有被腐蝕而發(fā)冷媒泵生泄漏事故的可能性。為防止事故發(fā)生,必須增加設(shè)備和管道的壁厚,工程造價(jià)提高。2)由于加熱和冷卻采用不同工質(zhì),在冷熱媒罐)⊙制冷機(jī)組)熱媒泵凝、汽化工序轉(zhuǎn)換時(shí)操作程序復(fù)雜,工作周期圖2冷/熱媒采用同一介質(zhì)的系統(tǒng)流程圖延長。收稿日期:2012-10-30作者簡介:常嘉琳,本科,高級工程師,副總工程師,主要研究方向?yàn)橹评浜团ǖ?期常嘉琳等:乙二醇水溶液作為冷/熱媒的應(yīng)用852采用同一種介質(zhì)的冷凍、加熱系統(tǒng)3)密度小。當(dāng)流量一定時(shí)輸送密度小的介釆用同一種介質(zhì)作為冷/熱媒,在物料被冷凝質(zhì),其循環(huán)泵的功率消耗小時(shí),將冷媒通入純化器,冷凝工序完成后,切換冷4)化學(xué)穩(wěn)定性好。在大氣條件下不分解,不凍、加熱系統(tǒng)閥門,進(jìn)行汽化過程。流程見圖2。與空氣中的氧化合,不改變其物理化學(xué)性質(zhì)相對采用不同介質(zhì)的冷凍、加熱系統(tǒng),該系統(tǒng)5)對設(shè)備、管道及附件腐蝕性小。具有以下優(yōu)點(diǎn)6)液態(tài)和氣態(tài)時(shí)均無毒1)采用同一種工質(zhì)作為冷熱媒,冷凝、汽化工乙二醇的特性見表1~表5。序轉(zhuǎn)化操作簡單。表1化學(xué)穩(wěn)定性2)對系統(tǒng)的管理、自控儀表的檢測更具先名稱燕汽壓(20℃)/揮發(fā)性分解性氧化反應(yīng)進(jìn)性。乙二醇不易3冷/熱媒的選擇1)在該系統(tǒng)的工作溫度范圍內(nèi),所選的冷/熱名稱吸人理想的冷/熱媒應(yīng)具有的特性:誤飲中毒量在空氣中濃度>0.14mg幾L媒是液體狀態(tài),其凝固點(diǎn)應(yīng)比該系統(tǒng)中制冷劑蒸乙醉引起咳嗽人的LD為1.4mL/kg最高溫度。表3燃燒爆炸性2)比熱容大。傳輸一定熱量時(shí),比熱容大的名稱純物質(zhì)爆炸極限(體積分?jǐn)?shù))工質(zhì)流量小,可以減少輸送工質(zhì)循環(huán)泵的功率燃點(diǎn)/℃閃點(diǎn)/℃乙二醇118下限(vol)3.2%消耗表4熱力性能,濃度/凝固點(diǎn)/沸點(diǎn)/使用溫度/使用溫度下密度/使用溫度下比熱容/使用溫度下導(dǎo)熱系數(shù)/使用溫度下%(J/(g·℃))(W/(m·K))動力黏度/(mPa·s)3.640.435乙二醇481061.0863.040.436表5對金屬腐蝕性名稱對不銹鋼(1C18N9T對碳鋼腐蝕性(質(zhì)量分?jǐn)?shù))腐蝕性未加緩蝕劑加緩蝕劑溫度/℃年腐蝕率/(mm/a)溫度/℃年腐蝕率/(mm/a)溫度/℃年腐蝕率/(mm/a二醇(48%)25~1000.05~0.50.1631000.0336表6乙二醇水溶液(C1HO2)物性表溫度/℃10黏度/(mPa·s)20.712.07.482.391.501.141.091.07密度/(g/cm3)1.081.081.071.051.061.061.051.041.041.031.021.01導(dǎo)熱系數(shù)/(W/(m·℃))0.440.430.430.43430.430.430.420.420.420.420.42比熱容/(J/(g·℃))3.023.083.153.223.393.423.463.493.533.573.613.64注:乙二醇水溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為48%,沸點(diǎn)為106℃,凝固點(diǎn)為-33℃通過上述分析可知,乙二醇水溶液作為冷/熱從表6可看出,乙二醇水溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為48%媒應(yīng)用于該類工程是安全可靠的。時(shí),凝固點(diǎn)為-33℃,沸點(diǎn)為106℃,可滿足使用要4采用乙二醇水溶液為冷/熱媒的系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)求。該質(zhì)量分?jǐn)?shù)下的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的變化較小,但4.1乙二醇水溶液濃度的確定黏度隨溫度的變化較大,在設(shè)計(jì)中需考慮此因素。在某工程物料裝置的乙二醇系統(tǒng)中,其工作4.2冷媒泵功率的確定溫度為-25~100℃,因此乙二醇水溶液的濃度首普通離心泵是在一定流量下,根據(jù)揚(yáng)程確定先要滿足凝固點(diǎn)-30℃以下、沸點(diǎn)105℃以上的電機(jī)功率的,且均以水的黏度作為參考值。由于基本要求,其次要考慮對應(yīng)溫度下的密度、比熱容乙二醇水溶液在低溫狀態(tài)下的黏度較大,因此在及黏度對系統(tǒng)的影響選擇泵時(shí)要充分考慮黏度的影響。通過泵在不同86·)空潤第13卷趙0.64050608010015020000400500600800100015002000流量/(m/h)圖3離心泵性能修正系數(shù)黏度下對流量揚(yáng)程、效率修正系數(shù)確定冷媒泵的4.4氮?dú)舛▔合到y(tǒng)的設(shè)置電機(jī)功率4.4.1設(shè)置氮?dú)舛▔貉b置的目的圖3所示為離心泵輸送黏性液體時(shí)泵性能的在熱媒加熱系統(tǒng)中,需將乙二醇水溶液加熱修正系數(shù)。至100℃,而48%乙二醇水溶液常壓下沸點(diǎn)(760如果系統(tǒng)輸送質(zhì)量分?jǐn)?shù)為48%的乙二醇水溶mmHg)為106.7℃。由于加熱設(shè)備內(nèi)介質(zhì)溫度梯液流量為30m3/h,揚(yáng)程40m,溶液的黏度為27.3度的存在及管道的阻力損失等因素,可能使乙二mPa·s,則可從圖3中查出對應(yīng)的流量、揚(yáng)程、效醇水溶液汽化,造成熱媒泵汽蝕直接影響系統(tǒng)的率修正系數(shù)CQ,Cn和C1分別為0.9,0.95和正常運(yùn)行。為加強(qiáng)系統(tǒng)可靠性在加熱罐液面上0.78,水泵效率取80%則輸送乙二醇水溶液所需方充入氮?dú)馓岣哒麄€系統(tǒng)的壓力,以此提高工作的軸功率(kW)為介質(zhì)的沸點(diǎn)。QDH4.4.2氮?dú)鈮毫Φ拇_定3600×102CaCC1氮?dú)鈮毫Φ拇_定應(yīng)考慮2個方面的因素:防止30×1086×40溶液沸騰和防止溶液泵汽蝕3600×102×0.99×0.95×0.78×0.81)估算非標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下沸點(diǎn)所對應(yīng)的壓力可=6.0(1)用 Clausius-Clapeyron方程式中:Q,和H分別為水泵流量流體密度及揚(yáng)程。In p-In po△R(2)同樣流量和揚(yáng)程下輸送介質(zhì)為水的軸功率(kW)為式中:p為系統(tǒng)中工質(zhì)沸點(diǎn)對應(yīng)的壓力(mmHg);30×1086×40p為正常沸點(diǎn)壓力(760mmHg);R為氣體常數(shù)=4.43600×102×0.8(8.31J/(K·mol);T為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下介質(zhì)的沸因此輸送乙二醇水溶液時(shí)應(yīng)考慮介質(zhì)對水泵點(diǎn)(K);T為系統(tǒng)中工質(zhì)的沸點(diǎn)(K);△H為溶液性能的影響。在760mmHg的蒸發(fā)熵(J/mol)4.3加熱形式的確定在某工程中,加熱蒸汽溫度為120℃,故乙二本工程采用蒸汽加熱形式,蒸汽壓力為0.3醇水溶液的最高溫度不會超過此溫度,即MPa(表壓),此時(shí)蒸汽飽和溫度為120℃。T=120+273=393K第5期常嘉琳等:乙二醇水溶液作為冷/熱媒的應(yīng)用由于被加熱介質(zhì)為乙二醇水溶液,因此△H鋼的腐蝕性均屬耐腐蝕級。由于不銹鋼導(dǎo)熱性能可通過計(jì)算得出:較碳鋼差(100℃時(shí)前者A=16.3W/(m·℃),后△H水=40756者λ=51.8W/(m·℃)且價(jià)格較高,故在設(shè)計(jì)中△H乙二=49671應(yīng)采用碳鋼材料則5結(jié)論△H、=40756×0.52+49671×0.48=45035.2某工程采用乙二醇水溶液作為冷/熱媒應(yīng)用由(2)式可求出于氣體純化工藝,管道及純化器采用不銹鋼材料p=1 236 mmHg=16. 5 kPa為確保設(shè)備管道安全,在48%乙二醇水溶液中加由于系統(tǒng)管道和設(shè)備的壓力損失△p=120入質(zhì)量濃度為0.48%的磷酸二氫鉀和0.65%磷酸kPa,考慮一定安全系數(shù),系統(tǒng)中氮?dú)舛▔毫涠c作為緩蝕劑。該系統(tǒng)已安全運(yùn)行數(shù)年,期(kPa)為間未發(fā)現(xiàn)明顯的金屬管道及設(shè)備腐蝕現(xiàn)象。由于p定=(p+△p)×1.1=150冷卻加熱為閉式系統(tǒng),乙二醇濃度較為穩(wěn)定。系2)離心泵的汽蝕余量可由下式得出:統(tǒng)采用氮?dú)舛▔捍胧?在加熱過程中未發(fā)生汽化4h≈P。一pH(3)現(xiàn)象。式中:Mh為允許汽蝕余量(m);p為作用于吸水面參考文獻(xiàn)的絕對壓力(kPa);p為液體溫度下的汽化壓力[1]艾伯特·梅蘭.工業(yè)溶劑手冊[M]孔德琨等,譯北(kPa)ip為液體的密度(kg/m2);v1為水泵吸入口京:冶金工業(yè)出版社,1984:293-295的平均流速(m/s);g為重力加速度(m/s);H為2]太原腐蝕與防護(hù)學(xué)會乙二醇水溶液腐蝕速度測試報(bào)水泵制造廠提供的允許吸上高度(m)告[R].1994比較式(2)與式(3)的計(jì)算結(jié)果,取其較大值3]化工部上海化工毒物咨詢公司199為系統(tǒng)的定壓值。[4]張維凡.常用化學(xué)危險(xiǎn)品安全手冊:第三卷[M].北4.5設(shè)備管道材料選擇京:化學(xué)工業(yè)出版社,1994:12-13在選擇冷凝器盤管材料及乙二醇系統(tǒng)管道材[5]吳德榮.化工工藝設(shè)計(jì)手冊[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2009:937938料時(shí),對48%6乙二醇水溶液對金屬的腐蝕速度進(jìn)61萊曼化學(xué)性質(zhì)估算方法手冊[M北京化學(xué)工業(yè)出行了測試。結(jié)果表明乙二醇水溶液對不銹鋼及碳版社,1991.物*★★出業(yè)女★★出當(dāng)出業(yè)當(dāng)出擊ae yAk s yeye(下接第112頁)exploration [J].G E Tech, Info. Serial No. 615DTransfer,1971,14(11):1853-1855[13]余龍.熱管式間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)方式的能耗分析[6 Grover G M, Cotter T P, Erikson G F. Structure of[J].建筑熱能通風(fēng)空調(diào),2012(6):6265+55very high thermal conductance[J] Journal of Applied [14] Gray V H. The rotating heat pipe, a wickless hollowPhysics,1964,35(6):1990-1991shaft for transfer-ring high heat fluxes[J].American[7] Cotter T P. Theory of heat pipes [M]. Los AlamosSociety of Mechanical Engineers Paper, 1969, 11(4)Scientific Lab: University of California, 1965376-379[8]廉樂明,譚羽非,吳業(yè)正.工程熱力學(xué)[M].5版北京:[15]李亭寒,華誠生.熱管設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京:化學(xué)工中國建筑工業(yè)出版社,2007.業(yè)出版社,1987.[9]趙芳空調(diào)用環(huán)形熱管換熱器傳熱機(jī)理研究[D].廣[16]張紅,楊峻莊駿熱管節(jié)能技術(shù)[M].北京:化學(xué)工州:廣州大學(xué),2008業(yè)出版社,2009[10]楊強(qiáng)生,浦保榮.高等傳熱學(xué)[M2版.上海交通大[17]趙榮義,范存養(yǎng),薛殿華.空氣調(diào)節(jié)[M].4版.北京學(xué)出版社,2001中國建筑工業(yè)出版社,200911章熙民,任澤霈,梅飛鳴傳熱學(xué)[M].4版北京:中[18]任承欽彭美君間接蒸發(fā)冷卻板式換熱器的效率分國建筑工業(yè)出版社,2001析[].工業(yè)加熱,2005(3):7-10[12] Tien C L., Sun K h. Minimum meniscus radius of[19]付祥釗流體輸配管網(wǎng)[M].2版北京:中國建筑工heat pipe wicking materials [J]. Int J Heat Mass業(yè)出版社,2005