蒸汽热交换器

日前，在全国能源基础与管理标准化技术委员会节能技术与信息分技术委员会召开的国家标准审查会上，《制冷空调用板式热交换器火用效率评价方法》和《空冷式热交换器火用效率评价方法》通过审查。 　　据了解，由于板式换热器相关标准规定的范围很宽，且板式换热器的应用领域也非常广，所涉及的结构、材料、介质、用途、工况等千变万化，容量与尺寸变化范围也非常广，不可能仅靠一个标准解决其效率评价问题。因此《制冷空调用板式热交换器火用效率评价方法》标准将范围限于技术比较成熟、积累较丰富的制冷空调领域，仅对制冷和空调用板式热交换器换热效率进行了研究。此外，有关换热器效率评价的方法多种多样、研究尚不成熟，基础技术数据的积累也远远不足，标准制定的技术难度与工作量都非常大。作为探索性的标准，该两项标准建立了从有效能角度(火用效率)评价热交换器的方法，所确定的评价指标为提出最早、概念最为成熟的效率参数(热力学第二定律最基本的评价方法)，较为科学、合理、可行，争议也较小，为换热器效率评价标准的发展和技术进步奠定基础。

NASA的深空猎户座(Orion)飞船要求精密控制热能温度来保护乘组及设备。　　图片来源：洛克希德马丁公司(Lockheed Martin)　　在国际空间站(International Space Station)上使用的相变热交换器演示仪(Phase Change Heat Exchanger Demonstration Facility)将测试使用石蜡来控制温度，并且有可能用在猎户座飞船上。　　图片来源：NASA/Rubik Sheth　　在国际空间站上使用的相变热交换器演示仪将测试使用石蜡来控制温度，并且有可能用在猎户座飞船上。　　图片来源：NASA/Rubik Sheth　　相变热交换器演示仪有一个类似厨房抽屉的可移动模块携带着10磅(4.5公斤)重的石蜡　　图片来源：NASA/Rubik Sheth　　2016年7月21日，国际空间站(ISS)的乘组们接收了一件交付的独一无二的硬件，它有助于NASA实现冲出地球进入深空的载人旅程。　　相变材料热交换器(PCM HX)演示仪搭上SpaceX公司的龙货运飞船(Dragon cargo craft)来到国际空间站，飞船于7月18日搭载猎鹰9号(Falcon 9)火箭从佛罗里达卡拉维拉尔角空军基地(Cape Canaveral Air Force Station)升空。7月20日早些时候龙飞船抵达了空间站，乘组们即可开始将货运飞船中近5,000磅(4,536公斤)的科学、研究以及轨道试验室用硬件搬上空间站。　　此硬件是NASA开创新局发展项目(Game Changing Development program)的努力成果之一，该项目将推进太空科技，并可能推动NASA未来任务的全新进展和国家重大需求的解决方案。更新颖的是这个高科技装置填充着一种与蜡笔质地相似的材料——石蜡。　　热力学挑战　　“石蜡的使用时间最早可以追溯到公元前221-206年，但它可能不会想到成为21世纪空间旅行的理想材料，但这个例子就是事实，”Rubik Sheth先生解释道。Rubik Sheth先生是NASA休斯顿约翰逊航天中心(Johnson SpaceCenter)热能系统分部(Thermal System Branch)的项目经理和系统工程师。　　NASA的猎户座飞船的一项未来使命是支持乘组在月-地空间。“当宇宙飞船位于太阳和月球之间时飞船会变得非常热，所以派遣人类去月球附近的深空是一项热力学挑战。我们需要这些相变材料热交换器去吸收额外多余的，原本猎户座飞船将会接受的能量”，Sheth解释道。　　Sheth指出热交换器冷冻或者液化一种材料去维持飞船内部的关键温度，从而保护乘组及设备。　　被选择展示在国际空间站相变材料热交换器里的材料是正十五碳烷(N-pentadecane)。Sheth说，“它在自身的一致性和触觉上都非常像蜡笔”。　　它如何工作　　相变材料热交换器简称——PCM HX，通过液化一种相变材料，如石蜡，作为热冷却剂。能量随后被飞船的散热器辐射出去，然后再冷冻石蜡为下一次热负载峰值做准备。这种新型的热交换器能帮助消除猎户座产生的热并更好的调节温度，Sheth说。“这也是为什么我们让它飞到国际空间站去看它如何在微重力下工作，然后采取下一步实现这一构想。” 把石蜡用于一台PCM HX中反反复复想法源于1973-1974年在NASA天空实验室空间站中乘组们不断的实验和在错误中的尝试。与此类似，石蜡最早曾被应用于阿波罗登月项目的月球车上作为一种被动冷却仪器。然而结果却是前后矛盾的，Sheth指出。　　Sheth说我们与康乃迪克州Windsor Locks的联合技术航空航天系统公司(United Technologies Aerospace Systems)一起做了全面回顾，石蜡基的PCM HX被造来用以飞行演示。国际空间站的测试设备使用一种建造在加热器和热电装置的热能控制系统，该系统协助PCM HX的冷冻和液化循环。　　一个可移动的厨房抽屉大小的PCM HX部件仪器装载了10磅(4.5公斤)石蜡。每公斤石蜡本身能够锁住200千焦的热能。所以我能在每公斤石蜡那里塞进200千焦的能量，Sheth说。　　这等同于点亮一盏紧凑的荧光灯约8小时的能量。一个用石蜡的PCM HX，如同对照的使用数加仑的水，等于为猎户座飞船建造者带来潜在的大规模的节约。　　返回地球　　在国际空间站上此设备能够日以继夜的运行。但是当它处在10到30摄氏度的低温区工作时它是一个能源消耗大户。这意味着，不得不与空间站其他有效负荷分配电力，电力需要在不同的实验间进行分配。　　“我们想在今年12月试一遍”，Sheth说。　　Sheth指出待到今年年底石蜡将会从仪器中撤走，然后返回地球。实际的演示仪器将仍然留在国际空间站，为其他温度要求低于零下10摄氏度的制冷剂测试做准备，石蜡一旦回到NASA手中将会对其外观进行形变检查，然后从中间切开。“我们想看石蜡如何保持热交换器单元本身的内部几何结构”，Sheth说。此项评估能够帮助未来石蜡基的PCM HX更有效率。　　Sheth说目标是给猎户座飞船团队的猎户座探险任务2(Orion' s Exploration Mission 2，EM-2)一份报告，为EM-2选择的相变材料子系统关键设计审核流程，获取经验将是NASA太空发射系统火箭的第一个乘组的任务。　　国际空间站PCM HX演示仪尽力用2年的时间去改进。　　“该项目已经在许多方面取得了回报”，Sheth说。“从工程上说仪器已经得到国际空间站的承认，搭载龙飞船运到空间站，我们已经完成的工作是非常了不起的。”

背景矿物燃料与核电力设施使用换热器，使工艺蒸汽冷凝回到液体形态。热交换器的工作原理是，通过从一种介质（蒸汽）中转移热量至另一种介质（空气、水、或乙二醇）中。很多新近的封闭式冷却水系统、电力设施使用乙二醇（C2H6O2）作为热传递液体，因为乙二醇有很高的热传递效率。虽然乙二醇是超级好的热传递流体，但如果它从冷却器中泄漏并进入冷凝蒸汽中时，会造成严重问题。在升高的温度与压力下，水中乙二醇会降解为有机酸，会酸化冷凝液，导致系统内快速的腐蚀。有机酸的增长也会严重破坏离子交换树脂床与矿物质脱除塔。发现早期针孔大的热交换器泄漏，对于保持维护电力设施与工艺设备的完整性，非常重要。虽然很多工厂使用痕量水平的胺来中和，来控制回路的pH，但这些胺常规地都是按照控制来自二氧化碳溶解产生的碳酸，来给药的。乙二醇泄漏造成的有机酸的大量流入，很容易压垮这种pH控制，并造成冷凝液明显的酸化。问题电厂通常检测pH与阳离子电导率来监测蒸汽回路水的纯度。然而，那些参数并不总是足够。充分早地探测乙二醇的早期泄漏以预防显著的下游问题十分重要。因为pH与阳离子电导率的偏离，仅仅在乙二醇分解之后才产生，这些检测对于探测泄漏来说，经常已经太晚了。水中乙二醇在热的高压蒸汽回路中降解。如果热交换器中发生泄漏，这种泄漏的现象在乙二醇降解之前，可能无法通过pH与电导率探测到。在这一点上，工艺设备（例如：矿物质脱除塔、树脂床、冷凝液抛光器、锅炉、涡轮机等）可能已经暴露在酸性的冷凝液或蒸汽中。乙二醇是一种含碳38.7%的有机分子，因此能够使用在线、连续的总有机碳（TOC）分析来探测到。Sievers® M系列在线TOC分析仪能够在乙二醇在冷凝液蒸汽中降解之前，更早地检测到乙二醇的泄漏。解决方案在Sievers分析仪进行的实验室研究中，Sievers M系列TOC分析仪表现出对乙二醇的回收率在97.3%－99.1% ，对于碳含量在0.5－25 ppm 碳 （1.3－64.7ppm 乙二醇）。Sievers M系列TOC分析仪的回收率总结如下表：在图2中，分析仪显示出对检测乙二醇有高的线性响应。基于定量回收率（≥97.3%），与高度的线性（R2=1.0000），Sievers M系列TOC分析仪很适用于检测冷凝液蒸汽中宽广范围的乙二醇浓度。几个著名的组织（EPRI、VGB、与 Eskom）建议100－300 ppb作为蒸汽循环补给水的合适的背景TOC水平。水或蒸汽循环中的这个TOC背景很好地位于Sievers M系列TOC分析仪的检测水平0.03 ppb之上，同时这个TOC背景也足够低，可以轻松检测背景TOC浓度之上的乙二醇泄漏造成的TOC偏移。由于乙二醇泄漏造成的事故的成本，从设备维修与更换、以及停产期间损失的能量产出等方面，可能是成百上千美元。由于乙二醇有毒并有危险，额外的缓和被污染的冷凝水也非常关键。使用Sievers M系列在线TOC分析仪，冷凝蒸汽每2分钟被分析一次，提供给设备操作者高解析度的数据，使用这些数据，可以快速识别并解决使用乙二醇溶液的热交换器的泄漏。◆ ◆ ◆联系我们，了解更多！参考文献1.Berry, D. and Browning, A. Guidelines for SelectingandMaintaining Glycol Based Heat Transfer Fluids.2011. Chem-Aqua, Inc.2.EPRI Lead in Boiler Chemistry R&D. PersonalCommunication. January 28, 2015.3.Ethylene vs. Propylene Glycol. www.dow.com.Accessed January4.22,2015.http://www.dow.com/heattrans/support/selection/ethylene-vs-propylene.htm.5.Heijboer, R., van Deelen-Bremer, M.H., Butter, L.M.,Zeijseink, A.G.L. The Behavior of Organics in aMakeup Water Plant. PowerPlant Chemistry. 8(2006):197-2026.Faroon, O., Tylenda, C., Harper, C.C., Yu, Dianyi,Cadore, A., Bosch, S., Wohlers, D., Plewak, D.,Carlson-Lynch, H. Toxicological Profile for EthyleneGlycol. 2010. US Agency for Toxic Substances andDisease Registry (ASTDR).7.Maughan, E.V., Staudt, U. TOC: The ContaminantSeldom Looked for in Feedwater Makeup and OtherSources of Organic Contamination in the Power Plant.PowerPlant Chemistry. 8(2006): 224-233.8.Rossiter, W.J. Jr., Godette, M., Brown, P.W., Galuk,K.G. An Investigation of the Degradation of AqueousEthylene Glycol and Propylene Glycol Solutions usingIon Chromatography. Solar Energy Materials. 11(1985): 455-467.9.Vidojkovic, S., Onjia, A., Matovic, B., Grahovac, N.,Maksimovic, V., Nastasovic, A. Extensive FeedwaterQuality Control and Monitoring Concept forPreventing Chemistry-related failures of Boiler Tubesin a Subcritical Thermal Power Plant. Applied ThermalEngineering. 59(2013): 683-694.