On the Structural Design of Water Bath Vaporizer
黄永福 HUANG Yong-fu
（镇江旭世机械设备有限公司，镇江 212215）
（Zhenjiang Xushi Machinery Equipment Co.，Ltd.，Zhenjiang 212215，China）
摘要：水浴式汽化器应用于石化、天然气等领域的石油裂解、汽化液态天然气、液氧、液氮等气体。现有产品由于结构设计存有缺陷，导致换热效率较低，时显空泡腐蚀、蒸汽流量波动等弊端。对此，本文将对其结构设计技术进行研究探讨。
Abstract: Water-bath vaporizers are used in petroleum cracking, vaporization of liquid natural gas, liquid oxygen, liquid nitrogen and other gases in petrochemical and natural gas fields. Due to defects in the structural design of existing products, the heat exchange efficiency is low, and the vulcanization corrosion and steam flow fluctuations are obvious. In this regard, this paper will study its structural design techniques.
关键词：水浴式汽化器；换热；空泡腐蚀；流量波动
Key words: water bath vaporizer；heat exchange；cavitation corrosion；flow fluctuation
中图分类号：TK172 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2019）23-0185-02
0 引言
水浴汽化器是换热器的一种，应用于石化、天然气等领域石油裂解、气化液态天然气、液氧、液氮等气体。现有水浴式汽化器在实际工况应用中存有不足：由于蒸汽管路设置在底部，蒸汽进入装置遇水后由气态瞬间变为液体，在相变过程中，蒸汽由气态快速溃灭，造成局部真空而拉动周边的水来填充，形成液击，产生较大敲击声；同时产生空泡腐蚀（气蚀）撕裂金属表层，管路上留下蚀点，严重时，会迅速损毁管路，甚至会造成整个水浴式汽化器报废。此外，装置中的供入量随产气量需求变化而变化。由于蒸汽分配管上的开孔数及开孔面积不变，在蒸汽供入较少时，部分水会进入蒸汽分配管中，甚至进入蒸汽进口管中，造成更为严重的空泡腐蚀、蒸汽流量波动、汽化产量波动不良后果。对此，专业科技工作者从未停止水浴式汽化器的结构研究及创新设计，力求攻克空泡腐蚀、蒸汽流量波动、汽化产量波动关键技术瓶颈。
1 新型水浴式汽化器结构设计
通过长期研究，设计一种新型水浴式汽化器，结构示意图见图1~图4。
2 工作原理
工作时，壳体内充满热水，需要被水浴汽化的液体从进液管进入，在汽化管束内吸热汽化后，再从出气管离开装置。液体汽化的热能来自于蒸汽，蒸汽从蒸汽进口管进入向下推动浮球，然后蒸汽从旋流通孔中进入内管和外管之间。外管下部敞口，可供水进入。蒸汽推动水流旋转，使蒸汽和水分层。由于离心力作用，水紧贴在外管内壁上，蒸汽则在水的内侧，两者之间经过热交换，蒸汽降温形成水自身湮灭时，被新的蒸汽不断补充，不会形成真空而产生液击。水的温度上升后从外管上部出液孔离开进入锥盖下方由温度较低的水不断补充，从而不间断地产生热水从锥盖下方上升再从分配孔中上行，穿过锥盖进入汽化管束的区域内。在热水自身动力作用下，一方面与汽化管束内的介质进行热交换，另一方面自身形成对流，确保热量源源不断提供给需汽化的液体。通过外循环管可加强水流循环，当外界负荷降低时，汽化气体消耗少，因此，蒸汽用量随之减少，蒸汽压力下降，浮球升起，可遮挡旋流孔，使水不会反向进入蒸汽进口管内；当水压较大时，浮球升起上升接触阀座面，彻底关闭蒸汽与水之间的通道，避免水反向进入蒸汽进口管内。
3 设计创新，关键技术突破
3.1 换热效率
①汽化管束整体设计呈圆筒形，其外径与锥盖的外径大致相等，内径与外管的外径大致相等，通过锥盖上的分配孔可直接将温度较高的水向汽化管束位置供入，当汽化管束呈圆筒形时，其中心为空腔，可形成外升内降的循环对流，提高换热效果。
②相邻螺旋单管之间经若干纵向隔条隔开。纵向隔条之间形成可供热水流通的流道，形成层流，使对流动力增强，提高换热效率。
③为延长蒸汽在外管与内管之间的停留时间，以便充分换热，设计旋流通孔的轴线倾斜向下，进一步延缓蒸汽在外管内的停留时间，提高换热效率。
3.2 空泡腐蚀、蒸汽流量波动
装置工作时，蒸汽和水之间形成一个动态变化的界面，在这个界面上，蒸汽不断湮灭，由于不断有新的蒸汽补充进来，因此，不会形成真空造成液击，可避免空泡腐蚀；少量未能及时湮灭的蒸汽在锥盖下方也能及时转变成水，因此，不会在汽化管束这一关键部件周围造成空泡腐蚀，也不会造成蒸汽流量波动及汽化产量随之波动。
3.3 装置安装可靠、方便
为保证汽化换热充分，设计的汽化管束含若干层螺旋单管，相邻层螺旋单管的螺旋旋向相反，采用螺旋单管可增加吸热流程，以便使相应的流体能充分汽化，设计采用旋向相反的螺旋单管，可消除相互之间的热应力而产生的螺旋扭力，确保装置安装固定可靠、方便。
4 效果
新型水浴式汽化器的结构设计具有独创性，2017年1月被国家知识产权局授权发明专利，专利号（ZL 2015 1 0228426.7）。技术成果转化产品后，相继在河南开封空分集团有限公司、浙江智海化工设备工程有限公司、开封黄河空分集团有限公司等单位进行了广泛应用，产品技术的先进性、结构设计的合理性、换热效率的显著性，防空泡腐蚀、蒸汽的流量及流化产量波动的可靠性，性价比凸显出的优越性等受到了客户的一致点赞。成果转化后，累计形成销售收入3185万元、利税796万元，经济效益优，社会效益良。
5 结束语
水浴式汽化器是国民经济相关领域不可或缺的必备工艺流程装置，它的技术先进程度、功能齐全性、实施效果佳否、性价比的合理性等综合指标考评，决定了该产品在市场经济全球一体化激励竞争中的前景。只有持续创新，加速产品更新换代速度，提升产品技术含量，方能满足市场供给侧结构需求。
参考文献：
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[3]杨世铭，陶文铨.传热学[M].高等教育出版社，2006. |
