聚酯直接紡絲熱媒蒸發器節能設計探討

許賢才

摘要：利用聚酯裝置的熱媒站送出的一次高溫液相熱媒，經過管道輸送到達紡絲車間，與熱媒蒸發器進行熱交換產生氣相熱媒，為紡絲箱體和部分管道進行加熱。本文探討了一次高溫液相熱媒通過熱交換后產生氣相熱媒為紡絲箱體加熱的方案，與傳統的電直接加熱熱媒蒸發器產生氣相熱媒為紡絲箱體加熱的方案進行了節能降耗和運行成本方面的比較。

關鍵詞：一次熱媒系統；熱媒蒸發器；初投資；運行成本；節能

中圖分類號： TQ342+.2 文獻標志碼：A

Energy-saving Design of Heating Media Evaporator for Polyester Melt Direct Spinning

Abstract： In polyester direct spinning process， the primary high-temperature heating media from the heating media station of polyester plant is transported via pipes to spinning workshop and after heat exchange with the heating media evaporator， vapor-phase heating media is generated which is used for heating spin beam and some pipes. The article discussed a process for turning primary high-temperature liquid heating media into vapor-phase heating media through heat exchange and compared it with traditional process in which electrically heated heating media evaporator is used with respect to energy-saving and operation costs.

Key words： primary heating media system； heating media evaporator； initial investment； operation cost； energy-saving

化纖生產一直以來是一個能耗較高的行業。隨著國家節能減排政策的全面貫徹和提高企業自身競爭力的內在要求，探討化纖廠的節能降耗顯得尤為重要。目前主要是通過產品細化與設備優化、開發新產品與新技術、工程用量的統籌設計與能源的綜合利用等方面來實現化纖廠的節能降耗，并取得了顯著的成績。

在紡絲生產流程中，一般采用加熱低沸點的導熱油產生蒸汽，從而實現紡絲箱體的加熱保溫。本文對直紡工程中為導熱油氣化提供能源的兩種方式進行了探討，從而選出節能、綜合成本低的方案，為直紡化纖廠節能降耗提供技術支持。

1 兩種熱媒蒸發器系統介紹

熱媒蒸發器的工作原理，如圖 1 所示，低沸點導熱油在熱媒蒸發器中通過與高溫熱源的換熱得到熱能，該過程在本文中簡稱為換熱過程，熱媒蒸發器中的導熱油受熱氣化，經過管路分配，進入紡絲箱體，釋放潛熱后變為熱媒凝液流回熱媒蒸發器，熱媒凝液經過加熱后再次蒸發，形成熱媒蒸汽，又進入紡絲箱體，如此循環，維持紡絲箱體內恒定的溫度。本文主要比較換熱過程的兩種方式，即電加熱換熱系統和一次高溫液相熱媒換熱系統。

1.1 電加熱熱媒蒸發器

該系統為傳統加熱方式，采用加熱棒插入導熱油中（圖 2），通過PLC將熱媒蒸發器出口的溫度傳感器與加熱棒的開停連鎖來控制溫度，此控制精度高，系統配置簡單，切片紡和直接紡都適用。

1.2 一次熱媒換熱蒸發器

以德國吉瑪公司和中國紡織工業設計院的聚酯工藝技術為代表，聚酯車間需要用高溫液相熱媒提供加熱能量，并要配套建設熱媒站，熱媒站最廣泛采用的導熱油為氫化三聯苯。熱媒站中320 ℃左右的一次高溫熱媒通過熱媒泵輸送到聚酯車間和紡絲車間。在紡絲車間，高溫液相熱媒進入換熱器加熱低沸點的導熱油（通常是聯苯和聯苯醚的混合物），通過熱媒控制閥控制高溫液相熱媒的流量來保證氣相熱媒出口溫度控制在工藝需要的溫度范圍，典型配置見圖 3。由于是通過換熱器間接換熱，換熱器兩側的高溫熱媒和低溫熱媒都是獨立系統，工程適應性非常好，控溫精度和電熱棒加熱系統一樣滿足工藝要求，此系統一經推出就得到了廣泛的應用。

為了便于對兩種熱媒系統的計算比較，需了解熱媒蒸發器的熱量平衡計算。由圖 1 熱媒蒸發器的工作原理可知，對熱媒蒸發器來說，不考慮熱媒蒸發器本身的熱量散失，換熱過程的總熱量等于紡絲保溫過程的總熱量，即

Qh = Qfs （1）

式中：Qh — 換熱過程總熱量（W）；Qfs — 紡絲保溫過程的總熱量（W）。

為便于研究，假設熔體溫度恒定無熱量損失，熱平衡方程如下：

Qfs = Q1 + Q2 （2）

式中：Q1 — 通過紡絲箱體保溫層壁面向周圍環境散失的熱量（W）；Q2 — 噴絲板板面向周圍環境散失的熱量（W）。

另有，通過設備壁面散失的熱量計算公式如下：

Qi = KSi（TW - TC） （3）

式中：i = 1，2；K — 傳熱系數（W/（m2？K））；Si — 設備外表面積（m2）；TW — 設備保溫層外表面溫度（K）；TC— 環境溫度（K）。

保溫層壁面向周圍環境散熱主要是以對流和輻射方式進行的，當缺少實驗條件時，溫度在50 ～ 300 ℃范圍內，聯合傳熱系數K可按下列經驗公式估算：

K = 9.3 + 0.058TW （4）

3 兩種熱媒系統初投資和運行成本比較

為了量化計算，以年產20萬t的聚酯直接紡絲為例，配10條生產線，每線48個紡絲位，每12位為 1 個單元。采用？95的噴絲板，10頭，位距1 350 mm.

根據公式（1）、公式（2）及公式（3），以一個單元為基準進行計算。保溫箱采用巖棉保溫，外表面溫度50 ℃，環境溫度35 ℃；聯合傳熱系數K = 28；每單元 4 個箱體，每個箱體尺寸4 200 mm × 680 mm × 780 mm，總表面積約52 m2，計算出Q1 = 21.8 kW。噴絲板表面溫度約280 ℃，環境溫度35 ℃；聯合傳熱系數K = 41.4；單個噴絲板面積7.85×10-3 m2，噴絲板的總表面積約 1 m2，計算出Q2 = 9.5 kW，故總Qfs = Q1 + Q2 = 31.3 kW，考慮到部分管道及蒸發器本體的散熱，取系數1.25，所以一臺蒸發器總散熱量約為39 kW。因此10條線紡絲40臺蒸發器所需要的總熱量大約為1 560 kW。

3.1 電加熱換熱系統

采用電加熱形式的熱媒系統，每線需配置80 kW熱媒蒸發器 4 臺，故40臺熱媒蒸發器就可滿足要求（圖 4）。

3.2 一次熱媒換熱系統（圖 5）

采用一次熱媒加熱的熱媒系統，根據換熱公式Q = mC（T1-T2） （5）m = ρV （6）

式中：Q — 傳熱量（kJ）；m — 質量（kg）；ρ — 熱媒密度（kg/m3）；V — 熱媒體積（m3）；C — 熱媒比熱容（kJ/（kg？℃））；T1 — 熱媒進口溫度（℃）；T2 — 熱媒出口溫度（℃）。

3.4 兩種熱媒系統運行成本比較

對一次熱媒換熱系統，使用煤作為燃料，要提供1 560 kW的紡絲用熱量及712 kW管道損失熱量，按煙煤5 000 kcal/kg，煤爐效率為75%，需要煤的量約為0.519 3 t/h。以當地煤600元/t計，則煤成本約為311元/h，具體的費用見表2。

對于電加熱系統，要提供1 560 kW的總熱量，一年消耗的電量為1 247萬kW？h電，一年的總電費為873萬元，具體的費用見表 2。

由表 1 可見，使用一次熱媒換熱蒸發器初投資成本雖然比電加熱換熱蒸發器費用高出42.6%，但絕對值僅僅相差145萬元；通過表 2 可見，一次熱媒換熱蒸發器運行成本只有電加熱換熱蒸發器運行費用的46%。計算表明，使用一次熱媒換熱蒸發器比電加熱蒸發器的加熱系統能夠明顯降低運行成本。

4 結束語

當今社會，企業要生存，節能降耗永遠是不變的話題。在聚酯直接紡絲中，通過技術升級，聚合裝置的一次熱媒系統完全能夠滿足紡絲對加熱的要求。對于紡絲系統的加熱，一次熱媒換熱蒸發器比電加熱蒸發器運行成本能節省50%以上。在聚酯直接紡絲中，應大力推薦使用此方案。對聚合裝置一次熱媒的充分利用，真正實現了節能降耗、節約成本的宗旨。

參考文獻

[1] 周全忠，沈瑋.化纖廠節能降耗新方法[J].紡織信息周刊，2005，375（33）：16.

[2] 郭大生，王文科.聚酯纖維科學與工程[M].北京：中國紡織科學出版社，2001.

K = 9.3 + 0.058TW （4）

3 兩種熱媒系統初投資和運行成本比較

為了量化計算，以年產20萬t的聚酯直接紡絲為例，配10條生產線，每線48個紡絲位，每12位為 1 個單元。采用？95的噴絲板，10頭，位距1 350 mm.

根據公式（1）、公式（2）及公式（3），以一個單元為基準進行計算。保溫箱采用巖棉保溫，外表面溫度50 ℃，環境溫度35 ℃；聯合傳熱系數K = 28；每單元 4 個箱體，每個箱體尺寸4 200 mm × 680 mm × 780 mm，總表面積約52 m2，計算出Q1 = 21.8 kW。噴絲板表面溫度約280 ℃，環境溫度35 ℃；聯合傳熱系數K = 41.4；單個噴絲板面積7.85×10-3 m2，噴絲板的總表面積約 1 m2，計算出Q2 = 9.5 kW，故總Qfs = Q1 + Q2 = 31.3 kW，考慮到部分管道及蒸發器本體的散熱，取系數1.25，所以一臺蒸發器總散熱量約為39 kW。因此10條線紡絲40臺蒸發器所需要的總熱量大約為1 560 kW。

3.1 電加熱換熱系統

采用電加熱形式的熱媒系統，每線需配置80 kW熱媒蒸發器 4 臺，故40臺熱媒蒸發器就可滿足要求（圖 4）。

3.2 一次熱媒換熱系統（圖 5）

采用一次熱媒加熱的熱媒系統，根據換熱公式Q = mC（T1-T2） （5）m = ρV （6）

式中：Q — 傳熱量（kJ）；m — 質量（kg）；ρ — 熱媒密度（kg/m3）；V — 熱媒體積（m3）；C — 熱媒比熱容（kJ/（kg？℃））；T1 — 熱媒進口溫度（℃）；T2 — 熱媒出口溫度（℃）。

3.4 兩種熱媒系統運行成本比較

對一次熱媒換熱系統，使用煤作為燃料，要提供1 560 kW的紡絲用熱量及712 kW管道損失熱量，按煙煤5 000 kcal/kg，煤爐效率為75%，需要煤的量約為0.519 3 t/h。以當地煤600元/t計，則煤成本約為311元/h，具體的費用見表2。

對于電加熱系統，要提供1 560 kW的總熱量，一年消耗的電量為1 247萬kW？h電，一年的總電費為873萬元，具體的費用見表 2。

由表 1 可見，使用一次熱媒換熱蒸發器初投資成本雖然比電加熱換熱蒸發器費用高出42.6%，但絕對值僅僅相差145萬元；通過表 2 可見，一次熱媒換熱蒸發器運行成本只有電加熱換熱蒸發器運行費用的46%。計算表明，使用一次熱媒換熱蒸發器比電加熱蒸發器的加熱系統能夠明顯降低運行成本。

4 結束語

當今社會，企業要生存，節能降耗永遠是不變的話題。在聚酯直接紡絲中，通過技術升級，聚合裝置的一次熱媒系統完全能夠滿足紡絲對加熱的要求。對于紡絲系統的加熱，一次熱媒換熱蒸發器比電加熱蒸發器運行成本能節省50%以上。在聚酯直接紡絲中，應大力推薦使用此方案。對聚合裝置一次熱媒的充分利用，真正實現了節能降耗、節約成本的宗旨。

參考文獻

[1] 周全忠，沈瑋.化纖廠節能降耗新方法[J].紡織信息周刊，2005，375（33）：16.

[2] 郭大生，王文科.聚酯纖維科學與工程[M].北京：中國紡織科學出版社，2001.

K = 9.3 + 0.058TW （4）

3 兩種熱媒系統初投資和運行成本比較

為了量化計算，以年產20萬t的聚酯直接紡絲為例，配10條生產線，每線48個紡絲位，每12位為 1 個單元。采用？95的噴絲板，10頭，位距1 350 mm.

根據公式（1）、公式（2）及公式（3），以一個單元為基準進行計算。保溫箱采用巖棉保溫，外表面溫度50 ℃，環境溫度35 ℃；聯合傳熱系數K = 28；每單元 4 個箱體，每個箱體尺寸4 200 mm × 680 mm × 780 mm，總表面積約52 m2，計算出Q1 = 21.8 kW。噴絲板表面溫度約280 ℃，環境溫度35 ℃；聯合傳熱系數K = 41.4；單個噴絲板面積7.85×10-3 m2，噴絲板的總表面積約 1 m2，計算出Q2 = 9.5 kW，故總Qfs = Q1 + Q2 = 31.3 kW，考慮到部分管道及蒸發器本體的散熱，取系數1.25，所以一臺蒸發器總散熱量約為39 kW。因此10條線紡絲40臺蒸發器所需要的總熱量大約為1 560 kW。

3.1 電加熱換熱系統

采用電加熱形式的熱媒系統，每線需配置80 kW熱媒蒸發器 4 臺，故40臺熱媒蒸發器就可滿足要求（圖 4）。

3.2 一次熱媒換熱系統（圖 5）

采用一次熱媒加熱的熱媒系統，根據換熱公式Q = mC（T1-T2） （5）m = ρV （6）

式中：Q — 傳熱量（kJ）；m — 質量（kg）；ρ — 熱媒密度（kg/m3）；V — 熱媒體積（m3）；C — 熱媒比熱容（kJ/（kg？℃））；T1 — 熱媒進口溫度（℃）；T2 — 熱媒出口溫度（℃）。

3.4 兩種熱媒系統運行成本比較

對一次熱媒換熱系統，使用煤作為燃料，要提供1 560 kW的紡絲用熱量及712 kW管道損失熱量，按煙煤5 000 kcal/kg，煤爐效率為75%，需要煤的量約為0.519 3 t/h。以當地煤600元/t計，則煤成本約為311元/h，具體的費用見表2。

對于電加熱系統，要提供1 560 kW的總熱量，一年消耗的電量為1 247萬kW？h電，一年的總電費為873萬元，具體的費用見表 2。

由表 1 可見，使用一次熱媒換熱蒸發器初投資成本雖然比電加熱換熱蒸發器費用高出42.6%，但絕對值僅僅相差145萬元；通過表 2 可見，一次熱媒換熱蒸發器運行成本只有電加熱換熱蒸發器運行費用的46%。計算表明，使用一次熱媒換熱蒸發器比電加熱蒸發器的加熱系統能夠明顯降低運行成本。

4 結束語

當今社會，企業要生存，節能降耗永遠是不變的話題。在聚酯直接紡絲中，通過技術升級，聚合裝置的一次熱媒系統完全能夠滿足紡絲對加熱的要求。對于紡絲系統的加熱，一次熱媒換熱蒸發器比電加熱蒸發器運行成本能節省50%以上。在聚酯直接紡絲中，應大力推薦使用此方案。對聚合裝置一次熱媒的充分利用，真正實現了節能降耗、節約成本的宗旨。

參考文獻

[1] 周全忠，沈瑋.化纖廠節能降耗新方法[J].紡織信息周刊，2005，375（33）：16.

[2] 郭大生，王文科.聚酯纖維科學與工程[M].北京：中國紡織科學出版社，2001.