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風冷熱泵冷熱水機組的選型和應用



在工業換熱過程中,除非采用熱源(冷源)直接對工藝介質進行加熱(冷卻)的換熱方式,一般均采用中間傳熱介質在熱源(冷源)和工藝介質之間作為媒介進行換熱。這種通過中間介質進行換熱的方式稱為間接換熱,間接換熱的最大優點是可在換熱過程中對被加熱的工藝介質進行精確的溫控,有利于實現工藝過程的有效控制和產品及其質量的精細化。而實現間接換熱方式最大優點的關鍵是在熱源(冷源)的工作方式和工藝需求之間找到一種適合的中間傳熱介質。 傳熱介質的比較

導熱油,又稱有機熱載體或熱介質油,作為中間傳熱介質在工業換熱過程中的應用已有五十年以上的歷史。與傳統的傳熱介質水及水蒸氣相比,導熱油作為工業傳熱介質具有以下特點︰

■在幾乎常壓的條件下,可以獲得很高的操作溫度。即可以大大降低高溫加熱系統的操作壓力和安全要求,提高了系統和設備的可靠性;
■可以在更寬的溫度範圍內滿足不同溫度加熱、冷卻的工藝需求,或在同一個系統中用同一種導熱油同時實現高溫加熱和低溫冷卻的工藝要求。即可以降低系統和操作的復雜性;
■省略了水處理系統和設備,提高了系統熱效率,減少了設備和管線的維護工作量。即可以減少加熱系統的初投資和操作費用;
■在事故原因引起系統泄漏的情況下,導熱油與明火相遇時有可能發生燃燒,這是導熱油系統與水蒸氣系統相比所存在的問題。但在不發生泄漏的條件下,由于導熱油系統在低壓條件下工作,故其操作安全性要高于水和蒸汽系統。

導熱油與另一類高溫傳熱介質熔鹽相比,在操作溫度為400℃以上時,熔鹽較導熱油在傳熱介質的價格及使用壽命方面具有絕對的優勢,但在其它方面均處于明顯劣勢,尤其是在系統操作的復雜性方面。

液態金屬可作為更高溫度的傳熱介質在工業換熱中使用,但實際應用並不廣泛。

工業換熱過程所需的中間傳熱介質一般可以根據上述常見的三類傳熱介質的特點和工藝要求,按照安全、技術和經濟三方面綜合比較的原則,從其中優選合適者。三類傳熱介質在工業應用中通常使用的溫度適用範圍見表1。

被加熱的工藝介質對加熱溫度有嚴格要求,或需要采用凝結換熱方式時,汽(氣)相傳熱介質應被選用。汽(氣)相加熱介質可以是水蒸氣或氣相導熱油。

導熱油的分類

導熱油是有機類傳熱介質的統稱。根據油品的化學成分及其來源,導熱油通常被分為礦物類和合成類兩大類別。根據油品的物理性質和使用條件,合成類導熱油可被分為液相和氣/液兩相導熱油。

礦物類導熱油是在原油煉制過程中通過分餾直接獲得的,主要化學成分為直鏈烴類物質,是多種物質的混合物。受其化學和物理性質限制,礦物類導熱油只能在液相條件下作為傳熱介質使用,不可以使用在300℃以上的加熱系統和0℃以下的冷卻系統。由技術和經濟兩個方面原因決定,使用後的礦物油不能通過回收處理的方法重復使用。

合成類導熱油是通過人工合成方法獲得的,主要化學成分是以苯為基礎物質的不同化學合成物,該類導熱油的組分包括有單純物質、同分異構物質、幾種單純物質的混合物質或多種合成物質的混合物等多種情況。由于合成導熱油的組分可以根據其熱穩定性及物性等條件人為加以選擇,故該類導熱油有多種不同用途的油品,可以滿足工業換熱中對傳熱介質的不同需求。大多數合成油在使用中品質發生變化到一定程度後,可經過回收處理後得以重復使用。

導熱油的選擇原則

以水及水蒸汽、或熔鹽作為傳熱介質,因其化學成分及物性相對固定,故基本不需要對其進行特殊的分類或選擇。但對于導熱油而言,不同的油品因其化學成分而異,可分為多種不同性質、使用條件和功能的油品,故在選擇導熱油為傳熱介質時,必須根據以下原則進行正確的選擇。

■熱穩定性

熱穩定性是導熱油最重要的性質之一,它表征了該油品的化學成分在某一溫度長期作用下的穩定程度。同時依據這特定性質確定該油品作為傳熱介質使用時的溫度限制條件。

導熱油的熱穩定性試驗是按照行業標準“熱傳導液熱穩定性測試方法”進行的。它采用安瓿法,將所取得的樣品置于某一恆定的試驗溫度下保持一個標準時間段,然後用模擬蒸餾的方法通過氣相色譜儀進行分析,然後經計算機將樣品的分析結果與未經加熱的新油樣品數據進行比較,以確定被測樣品在試驗條件下由于溫度應力作用而產生的油品變質率(裂解率)。

油品熱穩定性試驗結果評價了該油品隨溫度變化的使用特性,同時也確定了該油品的安全使用限制條件,即該油品的最高允許使用溫度。用戶將依據此溫度數據判斷某類油品是否可以滿足工藝加熱過程中的操作溫度要求。

油品熱穩定性與導熱油的使用壽命有直接的關系。熱穩定性高的油品在同樣的操作條件下使用壽命更長,所需補充油品的數量小,即操作費用更低,經濟性和安全性更高。

■安全、健康及環保性能

導熱油的安全、健康及環保性能是用戶選擇油品時必須考慮的重要問題,因為所選油品的相關性質涉及到對使用該油品系統的設計、設備的選擇、操作人員的防護和事故狀態下的環境影響等方面因素的考慮,同時與生產過程中的安全操作相關。導熱油的安全、健康及環保性能及數據可以從供應商提供的該油品“材料安全數據表”(MSDS)中得到。

■節能及經濟性

選擇導熱油時,不僅需考慮其熱穩定性對操作經濟性的影響,同時還需了解油品的其它性質對系統節能及綜合經濟性的影響。

導熱油在工業加熱過程中長期處于高溫狀態,由于各種因素的影響,油品不可避免地會發生不同程度的過熱超溫現象,超溫的結果必然導致油品的部分裂解,裂解產物的性質會直接影響到傳熱過程的效率,如管壁及換熱表面的結焦或裂解產物的沉積等,會造成設備和系統的熱效率降低,能源消耗上升。故在選擇油品時不僅要選擇熱穩定性更高的油品,同時也應考慮該油品在超溫裂解後所產生物質的特性,即應優先選擇裂解產物中高沸點物質比例小的油品,以減少其結焦或沉積在換熱表面上的可能性。

此外,導熱油在長期使用中會因過熱、氧化、化學污染等原因造成油品品質的變化,當油品變質到一定程度或一定的數量比例時,會造成油品品質的急劇惡化,嚴重的情況下會導致導熱油的報廢或危害系統及設備的安全。此種情況下,如果能夠對變質的導熱油經回收處理,將處理後的未變質油品再加入系統中繼續使用,便可使導熱油的使用壽命得以延續,同時也減少了資源的消耗和降低了操作費用。由于合成類導熱油的化學組分明確,油品的組分相對簡單,且其化學性質和物性相近,故從技術和經濟角度考慮,更易于采用簡單的回收工藝對其進行加工、處理,以達到改善和提高油品品質,延長其使用壽命的目的。

導熱油的高熱穩定性、低結焦性和可回收性是導熱油系統及設備節能及提高操作經濟性的基本條件。

導熱油適用條件及應用實例

適用條件

原則上導熱油適用于工業加熱(冷卻)過程中要求傳熱介質操作溫度不低于-80℃和不高于400℃的所有溫度情況,但從安全、技術及經濟三個方面分析,在極少數情況下,導熱油並不適合作為其傳熱介質去使用,或導熱油並不一定是其最佳選擇。例如,直接對食品進行加熱的傳熱介質,雖可以選擇食品級的導熱油作為傳熱介質,但如果被加熱的食品所需的加熱溫度不超過200℃,那麼,蒸汽應是一種更廉價和適合的傳熱介質。但如果所需的加熱溫度超過200℃,則因為蒸汽系統操作壓力較高,轉而使用食品級導熱油則更為適當。此外,如被加熱工藝介質為氧化劑或在導熱油操作溫度下易于發生相變的介質,則應考慮系統內部泄漏的情況下,氧化劑會導致導熱油的氧化燃燒;而易于發生相變的工藝介質如因泄漏而獲得充足熱量並達到其飽和溫度時,會發生驟然氣化導致系統內壓力超高。當然,這種情況可以通過提高設備及系統的安全設計等級加以避免,但如果此條件下工藝加熱要求的溫度並不太高,蒸汽或其它傳熱介質便是一種更好的選擇。

由于導熱油作為傳熱介質最大的優勢是在較低的操作壓力下可獲得較高的操作溫度,及在其它傳統傳熱介質無法應用的低溫條件下可保持良好的流動性,故導熱油在工業換熱中適用的條件應該是︰在考慮操作安全及經濟性的基礎上,可以廣泛被用于200~400℃的工業加熱和-80~0℃的工業冷卻等用途。

除了作為傳熱介質在工業換熱中應用外,部分合成類導熱油還可以作為化學溶劑和工藝中間體在化工工藝中使用。此類工業用途主要是利用某些合成導熱油的特殊化學成份對某些工藝介質有良好的溶解作用,同時又在高溫條件下二者之間不發生化學反應的特殊性質加以使用的。當然,導熱油與其它化學物質相比具有更高的熱穩定性是被選作化學溶劑和工藝中間體的一個重要原因。

應用實例

由于導熱油作為傳熱介質有其獨特的優點,根據導熱油的不同性質及功能,導熱油作為傳熱介質已經被廣泛應用于加熱、冷卻、余熱回收、太陽能等工業領域及日常生活之中。近十年以來,在中國工業化發展進程中,大量新產品、新技術、新工藝的引進及大規模的工業技術改造,為導熱油的工業應用和技術推廣提供了難得的機遇,同時,也提高導熱油實際應用水平和技術裝備水平。目前,導熱油在工業換熱應用方面已經具有了相當大的規模,並且圍繞著導熱油的應用及相關服務在國內已形成了一條巨大產業鏈。

據相關數據統計,中國市場上,導熱油在工業換熱應用中的需求量從八十年代平均1000噸/年,發展到九十年代5000噸/年,2004年增加到約50000噸/年;國內導熱油系統最高使用溫度(設計)為378℃,最低使用溫度為-60℃;國內導熱油最長使用壽命(至今未更換過油品)為25年(THERMINOL 55);國內使用導熱油數量最多的行業為聚酯工業,約有上百個大型導熱油加熱系統(THERMINOL 66);國內最大的導熱油加熱系統一次性用油量為1600噸(THERMINOL 66);國內最大的導熱油用戶在其數個加熱系統中使用導熱油總數量為3000噸以上(THERMINOL 66)。以上統計數據可以看出,導熱油在國內工業換熱應用方面的重要性及其使用現狀和應用規模。同時,從另一方面也可以預測出導熱油在工業換熱應用中的發展前景。

根據國內、外的經驗和應用實例,采用導熱油為傳熱介質的加熱及冷卻系統,已經在以下工業領域內得到廣泛的、大規模的和成熟的應用︰

導熱油應用中的幾個問題

導熱油作為傳熱介質在工業換熱中已得到廣泛的使用,但近年來在導熱油使用過程中也發生了一些問題,這些問題往往涉及到系統、設備、導熱油及操作運行方面的缺陷,並給安全及經濟運行和環保造成一些影響。

■操作過程中導熱油的泄漏

導熱油在操作條件下泄漏會導致油品燃燒或燙傷等嚴重的經濟及人身傷亡事故,同時還會引發環境污染事故。油品的泄漏是導熱油應用中絕大多數事故發生的根源。引起系統泄漏的原因很多,但究其根本,主要還是由于系統和設備存在設計、制造和安裝缺陷、或操作錯誤所致。

■操作過程中導熱油的過熱、氧化和化學污染

導熱油的過熱、氧化和化學污染是導熱油使用中的常見問題,它會造成導熱油變質,惡化換熱過程和影響傳熱效率,縮短導熱油的使用壽命,嚴重者會導致加熱爐爐管結焦而爆管漏油。造成油品過熱超溫、氧化和化學污染的主要原因仍然是系統、設備的缺陷和操作錯誤,油品質量差和油品的錯誤選擇也是主要原因之一。

■使用中導熱油品質的監控

導熱油自從加入系統開始,油品的品質就會隨著使用條件和時間的變化而變化。從安全和經濟角度考慮,使用中的導熱油品質變化應受到充分的重視。因為除油品在正常使用中的變化和油品自身原因外,系統及設備的缺陷和錯誤操作也會直接導致油品品質的變化,故通過對油品品質的日常監測,會及早的發現和糾正導熱油系統及設備所存在的缺陷和操作方面的錯誤,避免了重大事故的發生和改善了安全操作條件。盡管對使用中油品的品質監測在安全和經濟方面具有十分重要的意義,但目前國內大多數客戶並沒有對此項工作給予適當的重視。同時,大多數油品供應商並不具備相應的監測手段和技術服務能力,故其未向用戶提供這一必需且重要的售後服務項目。此外,政府安監部門目前尚缺少適用于具體操作的相關法律文件和判定標準,也造成了在導熱油使用過程中對油品質量、品質及設備安全監控方面的缺失。目前這些問題已引起政府安全監察部門及環保部門的關注,並將采用規範設計、制造、安裝、檢驗和操作標準,加強監督及管理的方式減少和杜絕這類問題的發生。

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