安全型换热器的研究与开发

点击：1937 日期：[ 2014-04-26 21:40:01 ]

安全型换热器的研究与开发高慧敏,张　平,张诚忠 (湖北登峰换热器有限公司,湖北大冶　435100) 摘要:针对多晶硅项目工艺流程中要求的安全型换热器,按其制造过程对结构进行了说明。结合理论计算、数值分析及试验对双管间隔绝层对换热器传热的影响进行了介绍,对安全型换热器的研发与应用具有积极作用。关键词:换热器;安全型;可靠性;研究;开发中图分类号: TQ 051·5; TE 965　　　　文献标志码: B 文章编号: 1000-7466(2010)06-0011-04 随着新能源的发展需要,多晶硅项目蓬勃发展,但其技术及工艺系统设备却被国外或合资公司垄断,设备价格居高不下。多晶硅工艺系统中换热器所占比重较大,其安全可靠性极为重要。某单位对2 500 t/a多晶硅项目进行工艺革新,就大量引进了安全型换热器。而国内厂家由于对安全型换热器认识不足且无行业业绩,在竞标时常被拒之门外。为此,对安全型换热器进行深入研究和开发,对打破其工艺技术设备被国外垄断的现状具有重要意义。笔者结合多年新型高可靠性双管双管板换热器的研发经验,对安全型换热器进行了研发,文中简要介绍相关情况[1~10]。 1·结构介绍安全型换热器是一种特别的双管双管板结构换热器,双管间存在隔绝层。在通常的管壳式换热器制造与应用中,为保证换热管与管板的连接强度和密封性能,可采用各种连接方法,但这些方法都不能保证绝对不漏。即使水压试验、气密性试验完全合格,但在操作中由于介质腐蚀、温度、压力的影响,特别是压力、温度的波动或突然变化,往往使得换热管与管板连接处产生不同程度的泄漏。少量的泄漏在一般化工工艺中是允许的,但在多晶硅生产工艺系统中,由于存在物料TCS (SiHCl3)、STC(SiCl4)和DCS(SiH2Cl2),因此不允许管程和壳程的两种流体混合(另一侧为蒸汽或冷却水)。在这种工艺条件下,可以考虑采用双管双管板结构(其中固定管板换热器最适合)。其作用不是消除泄漏,而是防止壳程(或管程)漏出的流体混进管程(或壳程),即利用双管间及双管板间的隔离腔把管程与壳程介质完全分隔开。按制造工艺过程,典型固定管板式芯组、双芯组及安全型换热器试验件结构示意分别见图1~图3。固定管板式双芯组是在图1结构基础上增加了外管板、哈夫短节、放泄(气)(注入)口和内换热管组成的。安全型换热器试验件是在图2结构基础上增加了水盖、联接件组成的。 2·传热分析安全型换热器壳程与管程的换热方式与普通的管壳式换热器换热方式一致,文中不再进行分析,只重点分析内管、外管及形成的管间隙。由于安全型换热器长度达到5~8 m,为保证生产制造方便,内管外径与外管内径间不可避免存在间隙。根据管规格、材料选用、长度尺寸及热阻控制要求,笔者生产了不锈钢316L管材试验件,两种换热管配合间隙为0.2 mm。换热管截面示意见图4。图中ri为内管内半径,r1为内管外半径,r2为外管内半径,ro为外管外半径, mm;λ1、λ2、λ3分别为内管、管间隔绝层、外管的导热系数, W/(m·℃);αi为管内对流传热系数,αo为管外对流传热系数, W/(m2·℃);ti为内管内流体定性温度,twi为内管内壁的温度,tw1为内管外壁的温度,tw2为外管内壁的温度,two为外管外壁的温度,to为外管外流体定性温度,℃。 2.1　理论分析按传热学分析计算多层管壁热阻[1],在双管间分别填充空气、水和导热油作为不同的传热介质,并只考虑导热,以此来比较分析中间层热阻对换热器传热的影响。ri=14.0 mm、r1=16.8 mm、r2=17.0 mm以及ro=20.0 mm时的理论分析热阻值见表1。由表1可以看出,与单管管壁热阻相比,管间介质热阻不能忽略,在换热器的计算中有重要的影响。 2.2　数值分析[2~4] 数值分析计算边界条件为,内管内侧流体温度30℃,对流传热系数3 000 W/(m2·℃);外管外侧流体温度60℃,对流传热系数200 W/(m2·℃)。管壁、空气、导热油及水的导热系数分别为16.3、0.026、0.13及0.62 W/(m·℃)。不同工况下温度梯度数值分析结果见图5。图5表明,在管侧和壳侧换热相同的情况下,中间层介质的导热会明显影响管壁内外的温差。对于相同工况要求的换热器而言,将直接关系到换热面积的大小。 2.3　试验验证将图3所示试验件放置在热工试验平台上,管内通冷却水,壳侧通热水,分别按管间填充物为空气、水和导热油进行换热性能试验,并按文献[1,6进行工艺分析计算,结果见表2。由表2的计算数据可以看出,传热系数相当吻合,说明按理论计算的传热系数应用在产品中是可靠的。由于试验时首先按管间充水进行试验,后进行无填充介质的试验,管间湿表面产生蒸发现象,因而出现中间无填充介质时理论值与试验值偏差较大的情况。 3·安全可靠性分析从传热分析可见,安全型换热器并不是最高效的传热方式,但其在行业的特别应用却缘于其安全可靠性。无论是换热管与管板联接处泄漏,还是换热管中的局部腐蚀泄漏,采用安全型换热器都可以从结构上避免一侧介质进入另一侧,从而起到隔绝介质的作用,避免泄漏危害和对环境的污染。通过增加对两管间隔绝介质压力的监测,可以实时监测换热器的运行情况,达到预防事故发生的目的。从安全、可靠性上讲,安全型换热器满足了要求。当然对于两管间隔绝介质的选择是需要进一步研究的问题。 4·结语按制造过程对多晶硅项目工艺流程中要求的安全型换热器的结构进行了说明。通过理论计算、数值分析及试验对双管间隔绝层对换热器传热性能的影响进行了介绍,对安全型换热器的国产化研发与应用具有积极作用。参考文献: [1]　杨世铭.传热学(第二版)[M].北京:人民教育出版社,1987. [2]　吴　峰.管壳式换热器动态特性数值仿真[J].石油化工设备,2009,38(5):29-33. [3]　杨国义,陈志伟,侍吉清.局部区域布管固定管板热交换器应力的有限元分析[J].石油化工设备,2010,39(2):38-40. [4]　张朝晖.ANSYS热分析教程与实例解析[M].北京:中国铁道出版社,2007. [5]　李建国,白建军,向　凯.空冷式换热器翅片管腐蚀失效分析[J].石油化工设备,2008,37(增):73-75. [6]　刘　巍,梁龙虎,邓方义,等.冷换设备工艺计算手册[M].北京:中国石化出版社,2003. [7]　张志勋,齐广辉,周　坤,等.管壳式石墨换热器及其泄漏原因分析[J].石油化工设备,2010,39(2):92-95. [8]　刘　焘.套管换热器与翅片管换热器的动态分布参数仿真[D].上海:上海交通大学,2008. [9]　吴双应,马瑞杰,李友荣.换热器系统的能质传递有效度[J].石油化工设备,2009,38(1):47-52. [10]杨儒周,宫　兵,何　璟.板式换热器设计计算影响因素[J].石油化工设备,2009,38(增):19-21.(张编)

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