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防短路螺旋折流板管壳式换热器的设计思路点击：1924 日期：[ 2014-04-26 21:58:14 ] |
| 防短路螺旋折流板管壳式换热器的设计思路 孟兴芜 任春芳 宋小平 (中国五环化学工程公司,湖北武汉 430223) 摘要：分析了国内普通螺旋折流板换热器因短路漏流导致换热器换热效率下降的原因,阐述了改进型防短路螺旋折流板管壳式换热器的防振原理、设计思路和制造安装要点。 关键词：管壳式换热器;螺旋折流板;防短路振动;倾角模具 中图分类号：TQ051.5 文献标识码：A 文章编号：1004-8901(2008)03-0030-03 近年来,随着石油、化工工程项目向大型化发展,各类设备尺寸不断增大,设备投资已占项目总投资的20%,其中包括占设备质量40%的换热器。设备的放大效应引发许多新的问题。虽然使用数量最多的管壳式换热器不断受到各类新型换热器的挑战,但因其具有结构简单、耐高压、造价低等优势,仍广泛应用于我国石油、化工、发电等行业。为了提高管壳式换热器的换热效率、改善振动情况、降低阻力,专业人员在强化异形管及改变折流板形状方面进行了很多尝试,并取得了一定的成绩,防短路螺旋折流板换热器便是其中的1种,以下简要介绍。 螺旋折流板换热器的短路漏流问题20世纪70年代开发的螺旋折流板换热器以其壳程流体呈螺旋状流动、管束不易振动破坏、在相同换热面积下能够有效减少流体阻力等优点逐渐受到关注。理论上,螺旋折流板换热器壳程内介质呈螺旋流动模式,突破了传统垂直于壳体轴线的弓形折流板横向流多次折返的流动模式,减少了窗口区流体大角度折返的压头损失,为介质提高流速提供了可能。螺旋折流的流动方式使壳程横截面出现一个速度梯度场,这个速度梯度场将每根换热管都置于换热介质旋涡中。此旋涡的优势在于:①换热管表面边界层减薄、热阻降低,流场与温度场协同性较好;②螺旋通道内高速旋转的介质流有利于冲刷壳程内的颗粒物及沉淀物,消除了结垢严重的三角死区,显著降低了污垢的热阻,增加了有效换热面积;③通过选择合适的角度可得到均一的避开了管子激振频率的支撑长度,解决了管束振动损伤等问题。 自1997年抚顺石油二厂在国内首次应用螺旋折流板换热器以来,螺旋折流板换热器在化工炼油装置上得到迅速推广,先后有超过20家企业的几十套装置应用了上千台螺旋折流板换热器。应用结果表明,壳程采用螺旋折流板比采用垂直弓形折流板确实具有减少壳程流体压力降的效果,但对于壳程换热效率的提高却不十分明显,某些换热器,尤其是大直径换热器采用螺旋折流板后,其换热效率甚至不如弓形折流板。经过对不同直径壳体以及不同角度的螺旋折流板换热器进行的多次模拟实验表明,出现这种情况的主要原因是受到机械加工水平的限制,因为实现完全的连续螺旋折流的加工非常困难。传统的螺旋折流板由2块或4块平板搭接,布置成近似螺旋面,每块投影为360°/x的扇形折流板,与壳程轴线呈一定角度首尾相接依次摆放,相邻2块折流板的直边在顶部交错对接排列,2块相邻折流板间形成的三角形空间(见图1),容易导致沿折流板流动的介质形成短路漏流而偏离螺旋流动状态。 图1传统的螺旋折流板结构布置 短路漏流减少了理想通道的流量,尤其在大直径螺旋折流板管壳式换热器中,由于大量介质沿着2块相邻折流板间形成的三角形空间及缝隙短路流过,使主流道螺旋流减少,降低了介质流速,严重影响了换热效率。 新型防短路螺旋折流板管壳式换热器为了确保壳程换热效率的提高幅度,大连海特公司研发了1种新型防短路螺旋折流板,使壳程内介质以近似理想的螺旋流动模式通过壳体。 流体流动分析 新型防短路螺旋折流板在原扇形折流板的基础上将两侧直边同时加宽1排或2排管距宽度,相邻2块扇形板的直边以交叉重叠方式连接,在由同1排或2排换热管贯穿的情况下进行了流动模拟实验。实验结果表明,在扇形折流板在两侧直边同时加宽5~10mm时,短路现象仍然存在,直到加宽到1排至2排管距宽度时,壳程内介质才以近似理想的螺旋流动模式通过壳体,此时短路现象几乎杜绝。防短路螺旋折流板结构布置见图2。 图2新型防短路螺旋折流板结构布置 这种交叉重叠搭接的连接方式对流经管束的介质起到良好的引导作用,既减少了两相邻扇形折流板直边交叉形成三角形空间的短路现象,确保了换热效率的提高,又由于同1排或2排换热管穿过相邻的2块扇形板,强化了管束刚性,避免了象限间分离的趋势。重叠部分的螺旋折流板结构具有良好的防振作用。 防短路螺旋折流板换热器采用的改进型螺旋折流板,基本解决了普通螺旋折流板换热器存在的严重短路问题。2006年大连金鼎化机厂采用大连海特公司的这一专利技术,为上海卡博特化工厂制作了4台螺旋折流板管壳式换热器,效果均很好。 振动分析 管壳式换热器流体诱导振动的问题已越来越引起设计人员的重视。壳程流体流动是引起和维持换热管振动的激振能源。换热管是换热器中的细长形弹性元件,壳程流体流动破坏了换热管的平衡位置,使其发生振动。流体诱导振动可分为2大类:①平行于管子轴线的流体诱导振动(简称纵向流诱振);②垂直于管子轴线的流体诱导振动(简称横向流诱振)。一般情况下,纵向流诱振引起的振动振幅小,危害性也不大,除非在其流速远远高于正常流速的场合下,才需要考虑纵向流诱振的影响,而横向流诱振则不同,即使在正常流速下,也会使换热器产生严重破坏。 防短路螺旋折流板与壳程流体呈横向流状态的垂直弓形折流板不同,防短路螺旋折流板换热器壳程介质是以螺旋状态流动的。因此,按螺旋推进状态排列的扇形折流板间固定的螺距是该换热器的主要特征。由于螺旋流平稳的流形具有较小压力降的特点,这一优势使防短路螺旋折流板换热器在未超过允许压力降情况下增加流速成为可能。减小螺距,增加流速,使防短路螺旋折流板在强化换热的同时,降低了壳程流体流动引起换热管激振的诱因。 通常螺旋折流板换热器折流板间距仅为对应垂直弓形板换热器折流板间距的1/3左右。根据上述公式计算,防短路螺旋折流板换热器换热管最低固有频率约为垂直弓形板(切割25%)换热器换热管固有频率的9倍。 根据螺旋折流板换热器壳体介质流动状态分析,介质在壳体中呈巨大的旋涡流状态,而旋涡的物理特性为旋涡中心部的流速远大于边缘部分。1台理想的螺旋折流板管壳式换热器中心区域的换热效果好于其他部位的原因也在于此。中心区域流速大意味着此处是振动破坏的最大危险点,也就是最需要补强的部分。防短路螺旋折流板重叠部分恰好位于此处。由于重叠部位的支撑距离缩短近1/2,同时又增加了管束的整体刚度,故大幅提高了管束中心区域的固有振动频率,充分体现了防短路螺旋折流板的防振优势。 设计技术 如前所述,因受到机械加工水平的限制,实现完全连续螺旋折流板的加工非常困难。防短路螺旋折流板设计是在投影圆截面上相邻的扇形平板之间相互重叠,使倾斜一定角度的扇形平板能够达到连续螺旋的效果。这种扇形平板的制造、加工是可行的。螺旋折流板的螺距、折流板的倾角由传热计算结果确定。螺旋折流板的每块扇形板水平投影尺寸,即扇形折流板的水平投影的管孔直径及公差、管孔间距及公差以及扇形折流板的厚度等,均可按照管壳式换热器国家标准GB151中5.9节的要求进行设计。折流板上拉杆数量依据GB151中5.10节的要求,每块扇形折流板至少应有3根拉杆,在相邻折流板的重叠部位有1排或2排管子,拉杆主要设置在重叠部位。以1/4扇形平板为例(见图4),既可增强管束的刚性,又可起到良好的防振作用。 图3扇形折流板投影示意 制造技术 由于螺旋折流板的扇形平板是倾斜安装的,故螺旋折流板加工及管束组装难度大于普通垂直弓形折流板,但经过工厂最初调试,掌握一定经验和技术后,可大幅提高加工螺旋折流板的速度和质量。加工的关键是有角度的螺旋折流板钻孔必须采用特制的倾角模具,且倾角模具要求有一定的精度。钻头的角度需要由试验来确定,以便降低管孔的偏差,提高钻孔的质量和速度。为了保证螺旋折流板的同心度及螺距,对定距管两端面的倾斜角度也要求加工准确,每块扇形折流板组装后应保证螺距相等、倾斜角相等。只有保证每块螺旋折流板的管孔的同心度,才能提高管束的组装速度和制造精度。 结语 设计选用螺旋折流板换热器时,为了确保较大幅度提高换热效率,达到良好的抗振效果,可选用防短路螺旋折流板换热器的设计思路。特大直径换热器和立式换热器选用螺旋折流板结构时,更应该强化防短路设计。目前,国内已有多家制造厂掌握了螺旋折流板换热器的制造技术,相信防短路螺旋折流的设计思路将会得到越来越广泛地应用。 |
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