乙二醇水溶液作为冷/热媒的应用

第13卷第5期2013年6月REFRIGERATION AND AIR-CONDITIONING84-87乙二醇水溶液作为冷/热媒的应用常嘉琳唐培亮(深圳市建筑设计研究总院有限公司)摘要化工生产物料纯化工艺需采用冷/热媒分阶段对物料进行冷凝、汽化。采用安全可靠、热力性能满足使用要求的介质是提高生产效率、保证物料质量的重要环节。本文介绍乙二醇水溶液作为冷/热媒在物料纯化过程中的应用关键词乙二醇水溶液;冷/热媒;物料纯化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我国现有物料纯化工艺的冷冻、加热系统蒸汽在我国一些化工企业中,物料纯化工艺通常采用盐水冷却、蒸汽加热流程(见图1)。纯化器)冷媒網)物料冷凝时,将盐水通人纯化器,不断循环冷媒泵压缩待冷凝工序完成后,为将冷凝器盘管内残留的盐空气水排人冷冻系统,须用压缩空气将盐水排入排液制冷机组箱,再经排液泵注入系统排液箱当物料被汽化时,将蒸汽通入纯化器盘管,待排液泵汽化过程完成后,再用压缩空气将盘管中的凝结排入下水管水吹扫干净,以防止盐水通入时浓度变化引起凝图1蕪汽(热媒)盐水(冷媒)系统流程固点改变。该流程存在以下不足:1)由于冷却介质(冷媒)采用了盐水,而盐水对金属的腐蚀性较强(温度≤80℃,年腐蚀率为纯化器)口(冷媒罐)0.05~0.5mm/a),因此设备和管道有被腐蚀而发冷媒泵生泄漏事故的可能性。为防止事故发生,必须增加设备和管道的壁厚,工程造价提高。2)由于加热和冷却采用不同工质,在冷热媒罐)⊙制冷机组)热媒泵凝、汽化工序转换时操作程序复杂,工作周期图2冷/热媒采用同一介质的系统流程图延长。收稿日期:2012-10-30作者简介:常嘉琳,本科,高级工程师,副总工程师,主要研究方向为制冷和暖通第5期常嘉琳等:乙二醇水溶液作为冷/热媒的应用852采用同一种介质的冷冻、加热系统3)密度小。当流量一定时输送密度小的介釆用同一种介质作为冷/热媒,在物料被冷凝质,其循环泵的功率消耗小时,将冷媒通入纯化器,冷凝工序完成后,切换冷4)化学稳定性好。在大气条件下不分解,不冻、加热系统阀门,进行汽化过程。流程见图2。与空气中的氧化合,不改变其物理化学性质相对采用不同介质的冷冻、加热系统,该系统5)对设备、管道及附件腐蚀性小。具有以下优点6)液态和气态时均无毒1)采用同一种工质作为冷热媒,冷凝、汽化工乙二醇的特性见表1~表5。序转化操作简单。表1化学稳定性2)对系统的管理、自控仪表的检测更具先名称燕汽压(20℃)/挥发性分解性氧化反应进性。乙二醇不易3冷/热媒的选择1)在该系统的工作温度范围内,所选的冷/热名称吸人理想的冷/热媒应具有的特性:误饮中毒量在空气中浓度>0.14mg几L媒是液体状态,其凝固点应比该系统中制冷剂蒸乙醉引起咳嗽人的LD为1.4mL/kg最高温度。表3燃烧爆炸性2)比热容大。传输一定热量时,比热容大的名称纯物质爆炸极限(体积分数)工质流量小,可以减少输送工质循环泵的功率燃点/℃闪点/℃乙二醇118下限(vol)3.2%消耗表4热力性能,浓度/凝固点/沸点/使用温度/使用温度下密度/使用温度下比热容/使用温度下导热系数/使用温度下%(J/(g·℃))(W/(m·K))动力黏度/(mPa·s)3.640.435乙二醇481061.0863.040.436表5对金属腐蚀性名称对不锈钢(1C18N9T对碳钢腐蚀性(质量分数)腐蚀性未加缓蚀剂加缓蚀剂温度/℃年腐蚀率/(mm/a)温度/℃年腐蚀率/(mm/a)温度/℃年腐蚀率/(mm/a二醇(48%)25~1000.05~0.50.1631000.0336表6乙二醇水溶液(C1HO2)物性表温度/℃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导热系数/(W/(m·℃))0.440.430.430.43430.430.430.420.420.420.420.42比热容/(J/(g·℃))3.023.083.153.223.393.423.463.493.533.573.613.64注:乙二醇水溶液质量分数为48%,沸点为106℃,凝固点为-33℃通过上述分析可知,乙二醇水溶液作为冷/热从表6可看出,乙二醇水溶液的质量分数为48%媒应用于该类工程是安全可靠的。时,凝固点为-33℃,沸点为106℃,可满足使用要4采用乙二醇水溶液为冷/热媒的系统设计要点求。该质量分数下的导热系数随温度的变化较小,但4.1乙二醇水溶液浓度的确定黏度随温度的变化较大,在设计中需考虑此因素。在某工程物料装置的乙二醇系统中,其工作4.2冷媒泵功率的确定温度为-25~100℃,因此乙二醇水溶液的浓度首普通离心泵是在一定流量下,根据扬程确定先要满足凝固点-30℃以下、沸点105℃以上的电机功率的,且均以水的黏度作为参考值。由于基本要求,其次要考虑对应温度下的密度、比热容乙二醇水溶液在低温状态下的黏度较大,因此在及黏度对系统的影响选择泵时要充分考虑黏度的影响。通过泵在不同86·)空润第13卷赵0.64050608010015020000400500600800100015002000流量/(m/h)图3离心泵性能修正系数黏度下对流量扬程、效率修正系数确定冷媒泵的4.4氮气定压系统的设置电机功率4.4.1设置氮气定压装置的目的图3所示为离心泵输送黏性液体时泵性能的在热媒加热系统中,需将乙二醇水溶液加热修正系数。至100℃,而48%乙二醇水溶液常压下沸点(760如果系统输送质量分数为48%的乙二醇水溶mmHg)为106.7℃。由于加热设备内介质温度梯液流量为30m3/h,扬程40m,溶液的黏度为27.3度的存在及管道的阻力损失等因素,可能使乙二mPa·s,则可从图3中查出对应的流量、扬程、效醇水溶液汽化,造成热媒泵汽蚀直接影响系统的率修正系数CQ,Cn和C1分别为0.9,0.95和正常运行。为加强系统可靠性在加热罐液面上0.78,水泵效率取80%则输送乙二醇水溶液所需方充入氮气提高整个系统的压力,以此提高工作的轴功率(kW)为介质的沸点。QDH4.4.2氮气压力的确定3600×102CaCC1氮气压力的确定应考虑2个方面的因素:防止30×1086×40溶液沸腾和防止溶液泵汽蚀3600×102×0.99×0.95×0.78×0.81)估算非标准大气压下沸点所对应的压力可=6.0(1)用 Clausius-Clapeyron方程式中:Q,和H分别为水泵流量流体密度及扬程。In p-In po△R(2)同样流量和扬程下输送介质为水的轴功率(kW)为式中:p为系统中工质沸点对应的压力(mmHg);30×1086×40p为正常沸点压力(760mmHg);R为气体常数=4.43600×102×0.8(8.31J/(K·mol);T为标准大气压下介质的沸因此输送乙二醇水溶液时应考虑介质对水泵点(K);T为系统中工质的沸点(K);△H为溶液性能的影响。在760mmHg的蒸发熵(J/mol)4.3加热形式的确定在某工程中,加热蒸汽温度为120℃,故乙二本工程采用蒸汽加热形式,蒸汽压力为0.3醇水溶液的最高温度不会超过此温度,即MPa(表压),此时蒸汽饱和温度为120℃。T=120+273=393K第5期常嘉琳等:乙二醇水溶液作为冷/热媒的应用由于被加热介质为乙二醇水溶液,因此△H钢的腐蚀性均属耐腐蚀级。由于不锈钢导热性能可通过计算得出:较碳钢差(100℃时前者A=16.3W/(m·℃),后△H水=40756者λ=51.8W/(m·℃)且价格较高,故在设计中△H乙二=49671应采用碳钢材料则5结论△H、=40756×0.52+49671×0.48=45035.2某工程采用乙二醇水溶液作为冷/热媒应用由(2)式可求出于气体纯化工艺,管道及纯化器采用不锈钢材料p=1 236 mmHg=16. 5 kPa为确保设备管道安全,在48%乙二醇水溶液中加由于系统管道和设备的压力损失△p=120入质量浓度为0.48%的磷酸二氢钾和0.65%磷酸kPa,考虑一定安全系数,系统中氮气定压力氢二钠作为缓蚀剂。该系统已安全运行数年,期(kPa)为间未发现明显的金属管道及设备腐蚀现象。由于p定=(p+△p)×1.1=150冷却加热为闭式系统,乙二醇浓度较为稳定。系2)离心泵的汽蚀余量可由下式得出:统采用氮气定压措施,在加热过程中未发生汽化4h≈P。一pH(3)现象。式中:Mh为允许汽蚀余量(m);p为作用于吸水面参考文献的绝对压力(kPa);p为液体温度下的汽化压力[1]艾伯特·梅兰.工业溶剂手册[M]孔德琨等,译北(kPa)ip为液体的密度(kg/m2);v1为水泵吸入口京:冶金工业出版社,1984:293-295的平均流速(m/s);g为重力加速度(m/s);H为2]太原腐蚀与防护学会乙二醇水溶液腐蚀速度测试报水泵制造厂提供的允许吸上高度(m)告[R].1994比较式(2)与式(3)的计算结果,取其较大值3]化工部上海化工毒物咨询公司199为系统的定压值。[4]张维凡.常用化学危险品安全手册:第三卷[M].北4.5设备管道材料选择京:化学工业出版社,1994:12-13在选择冷凝器盘管材料及乙二醇系统管道材[5]吴德荣.化工工艺设计手册[M].北京:化学工业出版社,2009:937938料时,对48%6乙二醇水溶液对金属的腐蚀速度进61莱曼化学性质估算方法手册[M北京化学工业出行了测试。结果表明乙二醇水溶液对不锈钢及碳版社,1991.物*★★出业女★★出当出业当出击ae yAk s yeye(下接第112页)exploration [J].G E Tech, Info. Serial No. 615DTransfer,1971,14(11):1853-1855[13]余龙.热管式间接蒸发冷却空调方式的能耗分析[6 Grover G M, Cotter T P, Erikson G F. Structure of[J].建筑热能通风空调,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]廉乐明,谭羽非,吴业正.工程热力学[M].5版北京:[15]李亭寒,华诚生.热管设计与应用[M].北京:化学工中国建筑工业出版社,2007.业出版社,1987.[9]赵芳空调用环形热管换热器传热机理研究[D].广[16]张红,杨峻庄骏热管节能技术[M].北京:化学工州:广州大学,2008业出版社,2009[10]杨强生,浦保荣.高等传热学[M2版.上海交通大[17]赵荣义,范存养,薛殿华.空气调节[M].4版.北京学出版社,2001中国建筑工业出版社,200911章熙民,任泽霈,梅飞鸣传热学[M].4版北京:中[18]任承钦彭美君间接蒸发冷却板式换热器的效率分国建筑工业出版社,2001析[].工业加热,2005(3):7-10[12] Tien C L., Sun K h. Minimum meniscus radius of[19]付祥钊流体输配管网[M].2版北京:中国建筑工heat pipe wicking materials [J]. Int J Heat Mass业出版社,2005