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三维肋管式换热设备在石油化工装置的应用点击：1948 日期：[ 2014-04-26 22:00:43 ] |
| 三维肋管式换热设备在石油化工装置的应用 张庆武 (中国石油化工股份有限公司荆门分公司,湖北荆门 448039) 摘要：介绍了三维肋管式换热设备的结构特点、制造以及在某润滑油加氢精制装置中的试用情况, 结合试用效果提出在石化行业推广使用的建议。 关键词：换热器;三维肋管;结构特点;应用 中图分类号：TQ 051.5 文献标志码：B 换热设备是石化行业广泛应用的一种设备,通过其进行热量交换以满足生产工艺的需要。据统计,换热设备在化工厂建设中约占总投资的20% 在装置检修中其检修工作量可超过60%[1],因此换热设备的研制开发备受重视。尤其在设备大型化、低能耗的发展趋势下,研制、开发和应用高效节能强化传热元件对企业节能具有重要意义。文中对三维肋管式换热设备的结构特点、制造及其在石油化工装置上的应用进行了简要叙述。 1 三维肋管单管结构特点 1.1 结构 三维肋管是一种新型的管内(外)侧强化传热元件,是对表面有针状、鳞状肋片的各种强化换热管件的总称,其热力性能优于目前已广泛用于各类换热器的螺纹管、二维内肋及波纹管等[2~8]。只要管材壁厚不小于0.8 mm,各种普通金属光管(包括铜、 铝、不锈钢等)都可以通过专用机床加工成三维内肋管、外肋管或内-外肋管。三维内肋管结构示意见图1,各种三维肋管单管样品见图2。 1.2 传热机理 三维肋管传热机理是,介质在流经翅高1~ 8 mm、0.5 mm×0.5 mm的针状肋后形成卡曼涡街 流动状态,这种流动促进了流体的湍流,三维肋的存在引起肋内加速,加速度的方向平行于热边界层,减少了边界层的厚度从而强化管内无相变传热。由于液体在翅上表面张力减小,液体疏导容易,液膜厚度减薄,因而强化了冷凝传热。 一般说来,三维肋管单相流体的对流传热系数可达光管的2.5~6倍,沸腾传热系数可达光管的 2~5倍,冷凝传热系数可达光管的3~5倍。强化管外冷凝膜系数最高可达光管的17倍(强化管内冷凝效果同样显著),强化管内冷凝膜系数可达光管的2~3倍,总传热系数至少提高35%,综合换热性能是其它强化换热元件不可比拟的。 1.3 特点 (1)扩大了单管的换热面积,但三维内肋管的当量直径变小。 (2)每个肋都是扰动源,增加了流动的紊动度, 同时也具有了自清洗作用。 (3)流体在肋间的近壁面加速,减薄了热边界层厚度。 (4)流体在管内做周期性振动,流体横向冲刷三维肋,流体与肋的传热系数增大。 (5)在加工三维肋的同时,管壁也被粗糙化,增强了换热效果。 2 三维肋管换热设备制造 2.1 三维肋管单管 使用三维肋管专用加工机床可对各种金属材质的圆管内(外)壁进行刻切加工,在圆管内(外)壁形成排列有序的针肋(或鱼鳞肋)及凹槽,构成三维内(外)肋管,且不改变管材的物理化学性质。 用于加工三维肋管的专用机床是一种新型机械加工设备,由主轴箱、床身、电控柜、进给机构和刀具组成。其中主轴箱体前后开有一个可穿过加工管子的通孔,主轴箱中控制往复运动的连杆机构包括左、右连杆,带动左、右连杆运动的轴分开成两段,这两段轴之间存在一定的距离。 专用机床具有加工范围大、加工效率高、结构简单及操作方便的特点。三维肋管的加工长度不受限制,可以按需要加工任意长。管径三维肋管加工范围为,内肋管内径6~100 mm,外肋管外径8~ 90 mm,肋宽0.5~3 mm,肋高0.5~5 mm,肋厚 0.2 mm,肋顺排时轴向肋间距1~5 mm,肋叉排时 轴向肋间距2~8 mm,肋螺旋排时轴向肋间距3~ 12 mm。 2.2 三维肋管折流板 三维内肋管式换热器的折流板与普通换热设备的折流板制造方法相同。但由于外肋管和内-外肋管结构特殊,其折流板必须是分片式,因此先机加工然后切割成3~4片,穿入肋管后再焊接在一起构成1块整体折流板。焊接时应当尽可能多焊一些,以保证折流板的强度,同时也可以减少折流板本身的内漏。 3 应用实例及效果 根据某企业的实际情况,决定在润滑油加氢精制装置中冷却效果不是很好的新氢压缩机配套设备———中间二级冷却器(位号冷102)以及润滑油半成品出装置冷却器(位号冷203)上进行三维肋管式 换热管束的试用。这2台冷却器由于冷却面积不足,夏季经常需要在壳体上喷淋大量的冷水以降低介质温度,既浪费水也严重影响现场工作环境。因此,决定在不更换壳体的情况下应用三维肋管式换 热管束。冷102为进口设备,型号为LKV-30/366, 壳程介质为氢气,壳程体积流量7 600 m3/h(标准状态下),管程介质为循环水。冷却器冷203的型号为 FRH700-130-16-4Ⅱ,壳程介质为循环水,管程介质为润滑油半成品,管程质量流量18 t/h。2台设备换热管均为正三角形排列。2台冷却器的有关技术参数见表1。 以冷却器冷102为例,在冷却器壳体没有改变的情况下,用82根Φ19 mm×2 mm的不锈钢三维外肋管替代142根Φ12 mm×3 mm的铜管。若按 Φ19 mm×2 mm光管计算,改造后的换热面积只是改造前换热面积的91%。而按照Φ19 mm×2 mm 的不锈钢三维外肋管计算,加肋后的换热面积是改造前换热面积的190%,换热面积几乎扩大了一倍。改造后的氢气最大流速是改造前氢气最大流速的147%,流速几乎扩大了50%;改造后水流通截面积是改造前水流通截面积的360%,流通截面积几乎扩大了2.5倍。设备运行的实践也证明,三维肋管式冷却器投用后效果非常好,完全达到了预期目标。 4 结语 三维肋管式换热设备在润滑油加氢精制装置中的成功应用说明其具有很大的优势,随着节能减排的实施,笔者建议在石化行业中积极推广使用三维肋管,尤其是在以下情况:①工艺介质比较清洁的场所。②扩能改造项目中换热面积不足需更新冷换设备时,可采用肋管式芯子,既能满足工艺需要,也可以节约资金。③安装位置受空间限制的场所,在同等换热面积的情况下,三维肋管式换热器占地比普通列管式换热器占地小得多。 参考文献: [1] 《化工厂机械手册》编辑委员会.化工厂机械手册,化工设备的维护检修分册[M].北京:化学工业出版社,1989. [2] 贺运初,潘树林.新型U形管换热器的结构特点及应用[J].石油化工设备,2007,36(1):75-77. [3] 汪光胜,周建新.板壳式换热器在歧化装置中的选用[J].石油化工设备,2008,37(5):86-87. [4] 周建新,宋秉棠,陈韶范,等.钛板壳式换热器及其在常压塔顶的应用[J].石油化工设备,2006,35(4):46-47. [5] 赵文阁,韩新春.套管式列管换热器[J].石油化工设备,2008, 37(增):62-64. [6] 陈俊.板翅式换热器在天然气处理装置中的应用与故障诊断 [J].石油化工设备,2008,37(2):64-67. [7] 魏超,周丽纯.热管换热器应用中热管问题分析及对策[J]. 石油化工设备,2007,36(3):87-90. [8] 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):67-69. (张编) |
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