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C-2 76合金螺旋波纹管高效换热器的研发点击：2017 日期：[ 2014-04-26 22:00:55 ] |
| C-276合金螺旋波纹管高效换热器的研发 刘丰 郭宏新 汪芳 (江苏中圣高科技产业有限公司南京211112) 摘要：本文介绍了C-276合金螺旋波纹换热管的结构特点，传热性能，阻力特性、模拟计算、制造、腐 蚀试验及螺旋波纹管高效换热器在工程上的应用。 关键词：C-276合金螺旋波纹管性能特性高效换热器工程应用 1.概述 节约能源，保护环境，走可持续发展的道路，是目前世界发展的主旋律。早在20世纪70年代的石油危机时，美国等发达国家就开始积极研究和推广高效传热装备，这些高效节能技术在制冷、汽车以及 化工、石化、冶金等过程工业中的节约能源和保护环 境方面发挥了重要作用。在最近几年世界原油价格居高不下的严峻情况下，节约能源、提高能量利用效率引起世界各国高度重视。我国的中长期科技发展 规划把开发与研究化工、冶金等流程工业和交通运 输业等主要高耗能领域的节能技术与装备列为未来 15年优先解决的重点课题，特别是“十一五”期间国 家要求单位国内生产总值能源消耗降低20％。在化 工、制药、石油化工等行业中，使用了大量的换热设 备，随着这些行业的不断发展，为了提高能源的利用 率和使用寿命，对换热器设备的要求越来越高，高效 换热器不仅能够降低主材消耗，而且能减少设备体 积及运行维护费用，进而降低产品成本，提高经济效 益，特别是C-276合金高效换热器，以独特的耐腐蚀，不污染，换热效率高，可靠性好等特点可广泛应 用于氯碱加热器，纯碱工业冷凝器，醋酸工艺蒸发器等装置中，其应用前景非常好。 我公司先后开发了螺旋波纹管、波纹管、内波外 螺纹管、T型槽管、翅片管、内凹槽管等特型管高效 换热器。这几种高效换热器广泛用于各企业的扩能 改造中，大大降低了设备投资，操作费用，为企业带 来了可观的经济效益。本文结合我公司设计、生产和 推广高效换热器的经验，介绍C-276合金特型管高 效换热器在化工、石化等领域中的应用及其在节能 中的优势。特别是C-276合金（N10276）对于不同 的化工环境有优越抗腐蚀能力，它是现代金属材料 中最耐蚀的一种。主要耐湿氯、各种氧化性氯化物、 氯化盐溶液、硫酸与氧化性盐，在低温与中温盐酸中 均有很好的耐蚀性能。因此，近三十年以来、在苛刻 的腐蚀环境中，如化工、石油化工、烟气脱硫、纸浆和 造纸、环保等工业领域有着相当广泛的应用。C-276 合金高效换热器就以优良的耐腐蚀，实用性，强度 高，传热效率高，适应性大等优点，在醋酸、甲醛工业领域有非常大的应用价值。 2.结构特点 C-276合金螺旋波纹管换热器保持了管壳式 换热器使用温度、压力、流量、热负荷的一般要求，设 计方法及加工技术成熟，另外可用在某种腐蚀介质 条件下不锈钢与铝、铜无法适用的场合，或可以用不 锈钢或其他常用金属材料，但腐蚀率高，使用寿命较 短，而使用C-276合金管耐腐蚀性好，可靠性高，寿 命长，经济合理。C-276合金螺旋波纹管换热器可 在保持管壳式换热器壳体、管板、管箱、支撑件等结 构不变的条件下，采用螺旋波纹管换热元件及局部 改进，达到冷热两侧流体强化传热的目的。 C-276合金螺旋波纹管是在普通C-276合金 管的基础上，经过特殊滚轧工艺加工而成具有双面 环状螺旋波纹形槽道的强化传热管，经拉伸和强度 试验，抗拉强度＞690MPa，屈服强度＞283MPa，延伸 率＞40%；在压力达到60MPa，保压半小时，无泄漏， 无宏观永久变形发生。如图1所示。 换热基管的直径Φ10-Φ50mm，波峰与波谷间 距离0.2-1.8mm，壁厚0.5-3.0mm，波距3-22mm。 管内外壁存在波峰、波谷可有效提高紊流的脉 动性，改变流体流动状态，C-276合金螺旋波纹管 的两端保留原来光滑管表面，以便与管板的胀焊连 接性能，确保了换热器的结构强度及使用寿命。 3.传热性能 C-276合金螺旋波纹管作为换热器元件具有 以下优点：①表面光洁，无垢层，污垢系数（ξ）大大降 低。②强度高耐腐蚀性好，因而管壁可以比较薄，减 少导热热阻δ/λ。③管内外螺旋波纹形成的凹凸结 构，即波谷和波峰可有效提高管内外流体紊流的脉 动性，改变流体与管壁及流层之间的摩擦，减少层流 厚度，促进湍流，即使在流速低时，也能达到充分湍 流，增强对流换热，另外螺旋波纹结构对污垢有自清 理作用，因为污垢一般是沿着波峰边缘形成平行的 垢层，在运行时随温度变化，管子会膨胀和收缩，污垢与金属的热膨胀系数相差较大，加之流体的脉动 性，会阻止污垢生成。实现自动清理。 按传热学理论，在换热器中热量传递一般由管 内流体对管内壁对流放（吸）热，管内壁到管外壁的 纯导热过程，管外流体对管外壁吸（放）热过程，一般 传热过程可表示为： 热流体对流→管外壁导热→管内壁对流→冷流 体（壳程为热介质） 或冷流体对流→管外壁导热→管内壁对流→热 流体（管程为热介质） 换热量Q=KA△t 式中Q———传热量，kW； K———传热系数，kW/（m2·℃）； A———传热面积，m2； △t———传热温差，℃。 在换热器传热温差和换热量不变情况下，提高传热系数，可有效减少传热面积，即缩小设备体积和重量。 传热系数K=1/(1/α1+ξ1+δ/λ+ξ2+1/α2), 如上所述，C-276合金螺旋波纹管作为换热元 件，可有效降低污垢热阻ξ1、ξ2，导热热阻δ/λ和提 高对流换热系数α1、α2，从而提高总传热系数K。 通过对比实验，C-276合金螺旋波纹管换热器 与光管换热器相比（图2），其传热系数K会提高 1.3-2.6倍，效果非常明显。 4.阻力特性 C-276合金螺旋波纹管的阻力特性受换热元 件的结构影响，波峰波谷引起流体脉动充分湍流而 强化传热的同时，与光管相比较，随波谷与波峰的间 距和波距的不同，其阻力增加1.15-2.3倍，壳程阻 力增加约1.3倍左右，与其他强化传热元件相比，阻力增加幅度比较小，换热系数增加显著。 5.数值模拟 受工艺条件的限制，大型换热器的传热和流动试验相对比较困难，用解析方法求解，要作出大量的简化假设，准确度较差。 数值模拟又称数值实验，它能很好解决这一难题，计算结果与工业考核基本一致，其准确度得到工 程技术人员的认可。我们采用fluent软件对螺旋波 纹管和光管的管内外传热和阻力性能作了模拟，如 图3、图4所示（略），工艺物性条件和进口流速条件均设定为一致。 由图3、图4可以看出当流体流过管内时，在凹 凸面的波峰与波谷间会产生速度、压力突变，从而破 坏层流底层，即使在较低的流速下也能达到湍流。正 是这种较大的扰动破坏了边界层热阻，实现了管内 强化传热。为大型换热器的试验和设计提供了充分 的理论基础。 6.制造质量控制 C-276合金螺旋波纹管用基管应符合SB622- N10276标准要求，除有常规的化学成分，力学性能 检验外，还应有材料晶粒度和耐腐蚀试验，并要求无 损检验和液压试验，C-276合金材料还应在1040℃ ~1150℃作固溶热处理，并随后快速淬冷。 C-276合金螺旋波纹管制造应在清洁车间或 在隔离的清洁区域中，工作人员应带清洁的白细布 手套操作，C-276合金材料应单独存放，避免嵌入 铁等渣质而使设备产生锈点，坡口应用打磨或刨切 等方法加工而不应用火焰切割。焊接时清理非常重 要，因为各种杂质、油污、锈迹、铅、硫、和其他低熔点 元素都可能引起严重的裂纹，焊接用的氩气露点低 于-50℃，不得用橡胶管作为氩气管道，焊接时的层 间温度控制小于90℃，一定防止过度热输入。C- 276合金（57Ni-16Cr-16Mo-5Fe-4W）中镍、铬、钼 和钨元素含量较高，具有面心立方晶格，密度8.89g／ cm2，是具有很多优异性能的耐蚀合金，对氧化性和 中等还原性腐蚀介质有很好的抵抗能力。具有优异 的抗应力腐蚀开裂能力和耐局部腐蚀的能力。C- 276合金中含有约16%的钼和4%的钨，大量的钼原 子和钨原子固溶于镍基奥氏体晶格中，使奥氏体处 于亚稳定状态。尽管C-276合金中有害元素炭、硫、 磷、硅很少，但在其宽广的敏化温度区中，σ相、P 相、μ相等金属间相很容易沿金界析出，造成C-276 合金原材料的晶间腐蚀敏感性，因此要对C-276合 金螺旋波纹管进行晶间腐蚀试验。 7.晶间腐蚀试验 根据江苏中圣高科技产业有限公司提供的 0.75"和1"C-276合金螺旋波纹管试样4根，由美 国哈氏合金国际公司（Haynes International,INC）对 其进行了晶间腐蚀试验和金相分析试验。腐蚀试验 介质为ASTM G-28A、ASTMG-28B和沸腾1%盐 酸，腐蚀率均小于美国哈氏合金国际公司质量控制 指标（表1，略）。金相分析完全符合C-276合金原 材料的显微结构（图5、图6，略）。 8.工程应用 C-276合金螺旋波纹管换热器在醋酸、甲醛工 业领域得到应用，如某厂甲醛项目改扩建中，管程介 质是甲醛、水等，材料是C-276合金，壳程介质是蒸 汽，材料是304S，自投用以来，运行结果表明，操作 平稳，在热负荷相同条件下，换热面积减少30％，各 项工艺指标达到了原设计指标，在节能改造中取得 了明显的经济效益。 9.结论 C-276合金螺旋波纹管换热器以其优良的耐腐蚀性，设备总重量轻，传热效率高，适应性大等优点，在各工业领域得到了广泛的应用。 9.1 C-276合金螺旋波纹管换热器与光管换热器相比，其传热系数可提高1.3-2.6倍，有效地多回收热量。 9.2 C-276合金螺旋波纹管换热器与光管换热器相比，其结构形式和外形尺寸完全相同，有较好互换性和适应性。 9.3 C-276合金换热器对耐湿氯、各种氧化性氯化物、氯化盐溶液、硫酸与氧化性盐溶液具有优异的耐 腐蚀性，使用寿命可达20年以上。 9.4 C-276合金螺旋波纹管换热器具有自清污垢作用，能使其保持长期的强化传热效果和操作周期。总之C-276合金换热器是很有推广应用价值的高效节能产品，近几年来应用领域不断扩大，表现出了广阔地发展前景。 参考文献（略） 作者简介 刘丰，江苏中圣高科技产业有限公司总工程师，教 授级高工。 |
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