特種材料螺旋折流板高效換熱器的研究

發(fā)布時間：2010-1-13 瀏覽：5415

      目前我國的石油化工、化工、精細化工、電力等行業(yè)使用的管殼式換熱器多為弓形折流板。弓形折流板使流體介質(zhì)在換熱器殼程內(nèi)橫向流動,導(dǎo)致介質(zhì)阻力降大,易積垢,換熱效率低,還可能誘導(dǎo)換熱管振動等問題。

　　鈦、鋯波紋管的研發(fā)成功,解決了腐蝕問題,提高了傳熱效率,具有較強的自清污垢能力、伸縮性和很好的補償能力,適用于多種場合[1~3]。

　　螺旋折流板使流體在殼體內(nèi)呈螺旋狀流動,增強流體的縱向混合,并斜向沖刷管束使流體沿螺旋板方向流動,沒有死區(qū),不易積垢,抗振性能好等優(yōu)點。特別適用于高粘度,流動性差的介質(zhì)。

　　特種材料螺旋折流板高效換熱器經(jīng)理論分析、模型建立、流場、溫度場分析計算、試制和應(yīng)用表明,具有壓降小、換熱效率高、運行費用低、增產(chǎn)節(jié)能效果顯著等特點,已在上海石化、金陵石化、揚子石化等企業(yè)的乙烯、醋酸、PTA等裝置上成功推廣使用。

　　1.結(jié)構(gòu)特點

　　特種材料螺旋折流板高效換熱器結(jié)構(gòu)見圖1,主要由管箱、管束、殼體構(gòu)成。管箱材料采用16MnR+TA2(或ZIR702)襯里,管板材料采用TA9+ 16MnII復(fù)合板或ZIR705板,波紋管材料采用TA2或ZIR702,殼體材料采用16 MnR,螺旋折流板材料采用0Cr18Ni9,除殼程法蘭外其余均采用16 MnR (II)+TA2(或ZIR702)襯環(huán)結(jié)構(gòu)。

　　螺旋折流板換熱器的折流板由若干塊1/4殼體橫截面的扇形折流板自進口處向出口處呈螺旋狀組裝形成的。每相鄰的4片組成一組,如圖2所示。殼程中的介質(zhì)既不象弓形折流板換熱器中橫向流,也不象折流桿換熱器中的縱向流,而是圍繞換熱器管束中心軸呈螺旋狀向前流動,其殼程介質(zhì)流動示意見圖3。這種結(jié)構(gòu)較大幅度地降低了殼程壓力降,減少了換熱器管束的振動,減少了污垢熱阻,提高了管、殼程介質(zhì)的傳熱效率。這種換熱器的管束換熱管為波紋管可使螺旋折流板換熱器的傳熱效率及負荷大幅度上升。它既可用于易結(jié)垢的介質(zhì),也適用于高粘原油和渣油等介質(zhì)。

　　2.設(shè)計制造特點

　　鈦、鋯及其合金的耐腐蝕性優(yōu)于不銹鋼、鎳和鎳合金,具有優(yōu)良的力學(xué)性能和工藝性能[1]。鈦、鋯是活潑的金屬,在空氣中能迅速產(chǎn)生一層致密的氧化層,這使得鈦、鋯與它的合金具有抗蝕性。鈦、鋯螺旋波紋管[2~3]是在普通光滑管的基礎(chǔ)上,經(jīng)過特殊滾工藝加工而成的具有雙面螺旋波紋形槽道的強化傳熱管如圖4所示,經(jīng)水壓試驗,在壓力達到6.4 MPa,保壓半小時,無泄漏。強度和拉力試驗表明,抗拉強度Rm為475 MPa,屈服強度ReL為345 MPa,伸長率A%為27,都遠遠大于標準規(guī)定值,金相分析表明無宏觀永久變形發(fā)生。

　　換熱基管的直徑為Φ10~Φ51 mm,波峰與波谷間距離為0.2~1.8 mm,壁厚為0.5~3.0 mm,波距為1.5~15 mm。管內(nèi)外壁存在波峰、波谷可有效提高紊流的脈動性,強化了傳熱,鈦、鋯制螺旋波紋管的兩端保留原來光滑管表面,以便與管板的脹焊連接,可確保換熱器的結(jié)構(gòu)強度及使用壽命。其傳熱性能見圖5,阻力特性詳見文獻[4]。

　　螺旋折流板的螺旋角和折流板交錯量是決定殼側(cè)傳熱系數(shù)和壓降的重要參數(shù),這兩個參數(shù)確定折流板的間距[5]。相鄰扇形折流板之間的三角區(qū)示意見圖6。國外研究機構(gòu)是在連續(xù)搭接的螺旋折流板換熱器上所做的實驗。其計算結(jié)果是針對相鄰折流板連續(xù)搭接方式計算出來的,即折流板間距等于螺距,此時旁路三角區(qū)最大,導(dǎo)致較大的縱向的旁路流,使殼程流速較小,計算所得的傳熱系數(shù)和壓降較低。我們研制的螺旋折流板搭接方式是交錯搭接,折流板間距小于螺距,旁路三角區(qū)變小,旁路流減少,速度增加,傳熱系數(shù)增加。我們通過研究,對交錯搭接的螺旋折流板換熱器傳熱系數(shù)和壓降進行修正。

　　(1)殼程速度校正:

　　u=aQ/A

　　A=Lb cosθD/2(1-d/pt)

　　式中u是螺旋通道內(nèi)的平均流速,a是對旁路流的修正,Q是體積流量,A是螺旋通道截面積,Lb是螺旋折流板間距,θ是螺旋角,D是殼體直徑,d是換熱管外徑,pt是管間距。

　　(2)殼程傳熱系數(shù)校正:

　　hs=b1b2hsi

　　式中hsi是折流板連續(xù)搭接時的殼程傳熱系數(shù),b1、b2是修正系數(shù),它們是交錯比Lb/Ls、θ、u的函數(shù),螺距Ls=πDtgθ。

　　(3)殼程管束壓降校正:

　　ΔPs=c1c2ΔPsi

　　式中c1、c2是校正系數(shù),它是交錯比Lb/Ls、θ、u的函數(shù)。

　　系數(shù)a、bi、ci是通過對投入生產(chǎn)運行的螺旋折流板換熱器運行數(shù)據(jù)、模擬計算和實驗數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)所得。用這種方法計算所得的傳熱系數(shù)和壓降能滿足設(shè)計精度要求。在相同螺旋角時,交錯搭接的總傳熱系數(shù)比連續(xù)搭接大15%以上,有較大的操作彈性和較長的連續(xù)運行周期,完全滿足設(shè)計要求。實驗結(jié)果表明,折流板的傾角θ越小,流體流動切向分量越大,有利于橫向沖刷換熱管,減少邊界層,增強流體脈動,同時產(chǎn)生二次流,增加流體的擾動,強化傳熱。一般情況下,流體流動速度小時,折流板的傾角θ相應(yīng)小。

　　鈦、鋯螺旋折流板高效換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造除遵循GB151標準和技術(shù)條件外,還應(yīng)按其專用技術(shù)要求設(shè)計制造。鈦、鋯波紋管是采用Φ19×1.5鈦、鋯高級換熱管,經(jīng)特殊工藝加工而成的內(nèi)外表面均有波紋的高效換熱管。換熱管應(yīng)符合GB/T3625及ASTMB523標準的要求,同時要求管材的供應(yīng)狀態(tài)為退火,表面不得有劃痕、碰傷,裂紋等缺陷存在,按批抽樣進行拉力、壓扁和擴口等力學(xué)性能試驗,全部進行渦流檢驗或液壓試驗[6~7]。管板質(zhì)量要符合《GB8547-1987鈦-鋼復(fù)合板》中的B1級的規(guī)定,鈦復(fù)層與鋼材的貼合率要求盡可能的高,復(fù)層的厚度為3~12 mm。鈦+鋼襯里結(jié)構(gòu)與鈦+鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)中由于鈦材與鋼材之間沒有形成連接強度,不承受載荷,設(shè)備的載荷應(yīng)由鋼材全部承受,鈦材只能起到耐腐蝕的作用。在強度設(shè)計時,鈦材的厚度一般不計入強度計算。鈦與鋼在結(jié)構(gòu)設(shè)計時,應(yīng)嚴格避免兩者之間焊接結(jié)構(gòu)型式。由于鐵等其它金屬熔于鈦焊縫中會形成硬而脆的金屬間化合物,會極大地降低焊縫的塑性,同時還會降低鈦的耐腐蝕性能,因此鈦不能直接熔焊在鋼材上。

　　換熱管與管板采用強度焊加貼脹連接。由于鈦材的塑性偏低、屈強比高。強度焊不僅承受了強度,另外還起到部分密封的作用。這樣就使得管子與管板的配合間隙要求較小,鈦管的脹接變形量小。螺旋折流板制作時,需制作專用加工工具。由于鉆頭無法在斜面上準確定位,為了保證加工精度,避免折流板多次劃線,需要制作模板。螺旋折流板換熱器的管束結(jié)構(gòu)特殊,管束的外直徑尺寸不易控制,其外圓周長允許上偏差為8 mm,下偏差為0。扇形折流板與殼體橫截面成一定的傾斜角,因此,不能按照弓形折流板的排列方式進行點焊。需根據(jù)圖樣所示的傾斜角度在平臺上先焊好定位板,然后依次將折流板放在定位板上,用卡具壓緊后沿周邊點焊固定。每鉆完一組折流板后,需對折流板的開孔孔徑、孔間距進行檢查,以保證折流板的尺寸符合要求。折流板加工完畢后應(yīng)將折流板開孔處及四周的毛刺打磨干凈。螺旋折流板換熱器制造的關(guān)鍵在于控制好扇形折流板的加工質(zhì)量。在布管時,盡可能相互對稱布置。對于U形管束,中間的換熱管盡可能不要跨象限交叉布置。管板、支撐板、換熱管和拉桿的加工方法均與普通管殼式換熱器相同。

　　3.鈦、鋯螺旋折流板高效換熱器的特性

　　3.1傳熱系數(shù)高

　　在同樣操作條件下,利用旋轉(zhuǎn)流動和高效換熱管實現(xiàn)增強換熱,降低殼程阻力損失,鈦、鋯螺旋折流板高效換熱器比弓形折流板換熱器的傳熱面積可減少30%~35%,傳熱系數(shù)是弓形折流板換熱器的1.33~1.84倍。

　　3.2介質(zhì)不易沉積和結(jié)垢

　　由于不存在流動死區(qū),在提高傳熱系數(shù)的同時,可減少污垢沉積。浮頭式換熱器運行周期一般為1~2年,更換為螺旋折流板換熱器使用3年后檢修時,管束結(jié)垢仍不明顯,延長了使用和維修周期,減少了相應(yīng)的檢修維護費用。

　　3.3壓降低,能耗少

　　弓形折流板垂直于換熱管束,介質(zhì)流動方向改變大,產(chǎn)生的壓力損失也大,這是弓形折流板換熱器能耗大、壓力降大的主要原因。螺旋折流板換熱器中的介質(zhì)在殼體內(nèi)連續(xù)螺旋狀流動,沒有急劇的流向改變,因此,殼程介質(zhì)壓力降較小,可減少能耗。

　　3.4改造費用少

　　螺旋折流板高效換熱器與傳統(tǒng)換熱器的區(qū)別僅限于折流板和換熱管的結(jié)構(gòu)不同,管束和殼體的配合尺寸都不變,如需管束更新,不需要更換殼體,也不需要改變配管安裝位置,只需將更新后的管束插入原換熱器殼體中,可節(jié)省大量檢修改造費用。

　　3.5抗振動性能好

　　螺旋折流板換熱器殼程流體與管子軸向有一角度,減小了流體對管子的直接沖擊,螺旋折流板的連續(xù)支撐減小了管束跨距,使管子和流體產(chǎn)生的振動頻率差距加大,避免了共振。因此,螺旋折流板換熱器有良好的抗振性能。

　　3.6適用范圍廣

　　螺旋折流板換熱器具有流道流程長、單一彎曲的特點。流體在螺旋型流道中流動產(chǎn)生的離心力能增加流體擾動,及時破壞高粘度液體在管子上形成的液膜,對沉淀型污垢有自潔作用,適合各種介質(zhì)在殼程內(nèi)運行。

　　4.應(yīng)用實例

　　某石化公司原塔釜液換熱器采用傳統(tǒng)管殼式換熱器,換熱管為光管,折流板為弓形折流板。熱流體進出口溫度分別為156℃和110℃,冷流體的進口溫度為20℃,冷、熱流體總質(zhì)量流量約為46 000 kg/h,表1為原設(shè)備設(shè)計操作參數(shù)。為了增加熱負荷,在保持外形結(jié)構(gòu)尺寸不變的情況下,選用螺旋折流板與波紋管結(jié)構(gòu)高效換熱器,表2為改造后設(shè)備的設(shè)計操作參數(shù)。

　　以上數(shù)據(jù)表明,在保持原來工藝與外形結(jié)構(gòu)尺寸不變的情況下,采用螺旋折流板高效換熱器后單位壓降下殼程的傳熱系數(shù)比采用弓形折流板換熱器提高了2倍,殼程阻力降低了49%,總傳熱系數(shù)增加了30%。換句話來說,在相同的殼程傳熱系數(shù)下殼程的阻力將小于弓形折流板換熱器的阻力,同時殼程的流量相對要大于弓形折流板換熱器殼程的流量,有利于系統(tǒng)裝置的擴能改造。

　　5.結(jié)論

　　鈦、鋯螺旋折流板高效換熱器與弓形折流板換熱器相比,傳熱性能較弓形折流板換熱器提高20%~80%,殼程阻力降低50%~100%,在保持工藝參數(shù)與操作條件相似的情況下,有利于舊設(shè)備的增產(chǎn)節(jié)能改造。

　　螺旋折流板高效換熱器不僅可以采用波紋管作為換熱管,還可以根據(jù)不同的介質(zhì)與工藝選用其它專利特型管,材料可選用碳鋼、不銹鋼、銅、鎳、鈦、鋯及其合金等,同樣可以大幅度提高螺旋折流板高效換熱器的傳熱效率和負荷,充分發(fā)揮其更大的性能。