一种分流孔的设计方法及汽水分离器和蒸汽换热器组与流程

本发明涉及热交换领域，特别是涉及一种分流孔的设计方法及汽水分离器和蒸汽换热器组。

背景技术：

加热工艺是炼油、石化、化工、钢铁、冶金、电力、热电、制药、轻工等领域常见的工艺过程。其中，蒸汽作为无毒、无污染、易传输、易控制等特点，被广泛应用于加热工艺过程中。

蒸汽由水经煤、油、气等化石燃料燃烧加热而产生；在炼油、石化企业中，蒸汽的消耗约占到该企业能耗的60％。其中，加热用蒸汽约占整个蒸汽消耗的70％，而绝大多数加热工艺是通过换热器实现的。

图1是传统蒸汽换热器组系统图，其中1号换热器的工作压力p1、2号换热器的工作压力p2以及储液罐工作压力p3的关系是p1>p2>p3，两个换热器分别消耗蒸汽后，凝结成水后进入储液罐统一回收，由于蒸汽凝结成水后，仍然带有大量的热量，而且工作压力越高，剩余的热量越大，例如0.5mpa的凝结水所含的热量占原来蒸汽热量的21％，10mpa的凝结水所含的热量占原来蒸汽热量的39％，所以目前的工艺系统存在能量浪费的问题，无法做到能量利用的最大化。

随着工业规模的不断扩大，能耗越来越大，会带来化石能源的大量浪费。因此，在换热器间进行热能高效利用，能够极大减少蒸汽的消耗，达到节能减排的经济效益和社会效益。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种分流孔的设计方法及汽水分离器和蒸汽换热器组，以解决上述现有技术存在的问题，使蒸汽热量充分利用，解决了蒸汽换热器组换热后冷凝水剩余热量大的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种分流孔的设计方法，分流孔设置在汽水分离器中，用于分离蒸汽与高温凝液，分流孔两端分别为入口端和出口端，分流孔孔径与分流孔两端的流体压力、流量、密度和分流孔的孔长满足：

式中，入口端流体压力为p1，出口端流体压力为p2；流量为g，孔径为d，孔长为l；密度为ρ。

本发明还提供一种汽水分离器，包括分离管，分离管包括收缩段以及分别与收缩段两端相连接的扩大端，扩大端的最小内径等于收缩段的内径，收缩段内设置有分流孔。

优选的，扩大端为锥形结构，扩大端锥形面上设置有螺旋状导流槽。

优选的，分离管两端设置有法兰结构，法兰结构周圈边缘均布有安装孔。

优选的，分流孔与分离管同轴设置。

本发明还提供一种蒸汽换热器组，包括系统蒸汽总管路和与其连接的两个分管路，两个分管路分别与1号换热器和2号换热器相连；1号换热器与1号汽水分离器相连，1号汽水分离器的高温凝液出口与2号换热器相连；2号换热器与2号汽水分离器相连，2号汽水分离器的高温凝液出口与储液罐相连。

优选的，1号汽水分离器排出的凝液压力大于2号换热器的工作压力。

优选的，系统蒸汽总管路上设置有调节阀，并且分管路上设置有调节阀。

优选的，储液罐设置有凝液出流口。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：本申请通过对汽水分离器中分流孔的设计，使蒸汽和凝液的两相介质进入分流孔时形成文丘里喷射效果，蒸汽被阻隔在汽水分离器的介质进口侧继续换热，避免了蒸汽损失，充分利用了蒸汽的热能；并且将汽水分离器应用到蒸汽换热器组中，通过设置1号汽水分离器连接2号换热器，使1号汽水分离器排出的凝液继续在2号换热器中换热，进一步实现了蒸汽热量的充分利用，减小蒸汽消耗，达到节能减排的目的，提高了经济效益。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为传统蒸汽换热器组系统图

图2为汽水分离器剖视图；

图3为汽水分离器的整体结构图；

图4为汽水分离器入口方向侧视图；

图5为本发明蒸汽换热器组系统图；

其中，1为分离管；2为收缩段；3为扩大端；4为分流孔；5为法兰结构；6为安装孔；7为1号换热器；8为调节阀；9为2号换热器；10为储液罐；11为1号汽水分离器，12为2号汽水分离器，13为总管路，14为分管路。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种分流孔的设计方法及汽水分离器和蒸汽换热器组，以解决现有技术存在的问题，使蒸汽热量充分利用，解决了蒸汽换热器组换热后冷凝水剩余热量大的问题。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例一

如图2所示，本实施例提供一种分流孔4的设计方法，分流孔4设置在汽水分离器中，用于分离蒸汽与高温凝液，分流孔4孔径设计过程如下：

分流孔4入口端流体压力为p1，温度为t1；分流孔4出口端流体压力为p2，温度为t2；分流孔4的两端流量均为g，分流孔4孔径为d，孔长为l；

(1)计算密度ρ，

根据国际公式化委员会制定的水蒸汽热力学性质计算方法，利用分流孔4两端的温度与压力计算分流孔4中流体的密度ρ；

(2)计算分流孔4入口端与出口端的压力差δp，

δp＝p1-p2(式1)

(3)计算中间参数，

根据伯努利方程计算综合系数c，综合系数c表示压降和质量流量的关系：

δp＝cg²(式2)

根据达尔西公式计算摩擦系数λ：

式中re为雷诺数、ε为表面粗糙度；

(4)根据公式计算分流孔4孔径d，

即：

联立式2-5得到得到分流孔4孔径与分流孔4两端的流体压力、流量、密度和分流孔4的孔长满足：

实施例二

如图3-4所示，本实施例提供一种汽水分离器，在实施例一的基础上，本实施例的汽水分离器还具有以下特点：汽水分离器的两端分别为蒸汽、凝液两相介质进口和凝液介质出口，汽水分离器包括分离管1，分离管1内部包括一体成形和/或连接的收缩段2与扩大端3，连接方式包括焊接和粘接，扩大端3设置在收缩段2两端，扩大端3的最小内径与收缩段2的相同，收缩段2内设置有分流孔4，分流孔4用于阻挡进入汽水分离器的蒸汽。

扩大端3可以是直径逐渐变化的阶梯结构和锥形结构，当扩大端3为锥形结构时，内侧面上设置有螺旋状导流槽，螺旋状导流槽用于减少流体进入分流孔的阻力；在分离管1两端设置有安装连接结构，安装连接结构包括螺纹结构和法兰结构5，当分离管1两端设置为法兰结构5时，法兰结构5周圈边缘均布有安装孔6；分流孔4与分离管1同轴布置。

由于汽水分离器两端存在压力差，所以在介质进口侧的压力作用下，蒸汽和凝液的两相介质进入分流孔4时形成文丘里喷射效果，使两相介质的流动状态转变为涡流状态，蒸汽被阻隔在汽水分离器的介质进口侧，凝液由分流孔4通过经凝液介质出口排出，避免了蒸汽损失。

实施例三

如图5所示，本实施例提供一种蒸汽换热器组，在实施例二的基础上，本实施例的蒸汽换热器组还具有以下特点：蒸汽换热器组包括系统蒸汽总管路13和与其连接的两个分管路14，两个分管路14分别与1号换热器7和2号换热器9相连；1号换热器7与1号汽水分离器11相连，1号汽水分离器11的高温凝液出口与2号换热器9相连；2号换热器9与2号汽水分离器12相连，2号汽水分离器12的高温凝液出口与储液罐10相连。

1号汽水分离器11排出的凝液压力大于2号换热器9的工作压力，使得高温蒸汽在1号换热器7中换热后形成的高温凝液在压力作用下能够进入到2号换热器9中继续换热，凝液的热量被充分利用；系统蒸汽总管路13上设置有调节阀8，并且分管路14上设置有调节阀8，调节阀8用于控制蒸汽总管路13与分管路14的流体流量，储液罐10设置有凝液出流口，凝液出流口用于排出储液罐10中收集的凝液。

蒸汽换热器组进行工作时，系统蒸汽经调节阀8进入总管路13，而后由分管路14进行两路分流，其中一路蒸汽进入到1号换热器7中进行热量交换，换热后的蒸汽由于热量降低凝结为凝液，而后凝液与未被充分利用的蒸汽进入1号汽水分离器11的两相介质进口，在分流孔4中蒸汽和凝液两相介质的流动状态转变为涡流状态，使蒸汽被阻隔在1号汽水分离器11的介质进口侧，蒸汽在1号换热器7与1号汽水分离器11中进行充分利用，而凝液则通过1号汽水分离器11的凝液介质出口排出；蒸汽换热器组的另一分管路14中流通系统蒸汽进入到2号换热器9中进行换热，与此同时，由于1号汽水分离器11排出的凝液压力大于2号汽水分离器12的工作压力，所以1号汽水分离器11排出的高温凝液能够进入到2号换热器9进行进一步换热，使2号换热器9直接消耗的系统蒸汽量减小，达到了节能降耗的目的，提高了经济效益，而经过2号换热器9换热后的凝液和未被充分利用的蒸汽进入2号汽水分离器12，使蒸汽被阻隔在2号汽水分离器12的介质进口侧，蒸汽在2号换热器9与2号汽水分离器12中进行充分利用，而凝液则通过汽水分离器的凝液介质出口排出，进入到储液罐10中进行收集。

实施例四：

某化工厂甲胺车间的1号换热器7绝压条件下工作压力为1.0mpa，操作温度为180℃，蒸汽耗量为10.8t/h，被加热介质控制温度174℃；2号换热器9工作压力为0.5mpa，操作温度为152℃，蒸汽耗量为37t/h，被加热介质控制温度110℃；储液罐10工作压力为0.15mpa。

根据以上参数计算汽水分离器关键尺寸参数如下：

(1)计算密度ρ，

根据国际公式化委员会制定的水蒸汽热力学性质计算方法，1.0mpa饱和温度为180℃，饱和凝液的密度为887.1kg/m³，粘度为150.2μpa·s。

(2)计算分流孔入口端与出口端的压力差δp，

δp＝1.0-0.5＝0.5mpa＝500000pa

(3)计算中间参数c，

根据伯努利方程计算综合系数c，综合系数c表示压降和质量流量的关系：

δp＝cg²

(4)给定孔长为0.02m，并且给λ的初值为0.014，根据公式计算分流孔孔径d，

(5)校核λ，

孔内流速：

雷诺数：

表面粗糙度ε取0.0002m，根据达尔西公式计算摩擦系数λ：

所以，λ＝(1/8.466)²＝0.014，与初值相符。如果不相符，则带入到孔径计算公式中重新计算d。

综上，得到汽水分离器的孔径为0.0054m，即5.4mm，孔长为0.02m，即2cm。同样的方法计算另外一个汽水分离器，组装蒸汽换热器组，安装调试后效果如下：

1号换热器7加工量不变，蒸汽耗量减少为10.1t/h；2号换热器9加工量不变，蒸汽耗量减少为34.5t/h。共节约蒸汽3.2t/h，每年按运行8400小时计算，年节约蒸汽26880吨；每吨蒸汽成本116元，年经济效益可达311.8万元。

需要说明的是，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。