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波纹管式薄管板换热器的开发与设计点击：2146 日期：[ 2014-04-26 22:21:08 ] |
| 波纹管式薄管板换热器的开发与设计 滕 厚 鹏 (烨华焦化有限公司 山东临沂 276017) 摘要:分析了净化气水冷器存在传热效率低、极易失效等问题的原因,介绍了以薄管板、横纹槽管、波纹管、简易导流筒为特征的高效换热器的结构形式和有关参数的设计计算,对换热器运行效果进行了总结。 关键词:波纹管式薄管板换热器;水冷器;波纹管;薄管板;横纹槽管、开发 中图分类号:TQ051.5 文献标识码:A 文章编号:1004-8901(2007)03-0024-03 一般而言,换热设备约占化工装置设备投资的40%以上,其中以传统固定管板式换热器所占的比例最大,这类换热器普遍存在传热效率低、造价高、易失效等弊端,严重影响了化工生产装置的节能降耗和经济性。因此开发和使用新型高效换热器,以适应市场竞争的需要成为十分紧迫的任务。为满足净化气水冷器设备更新的需求,笔者主持开发设计了以薄管板、横纹槽管、波纹管、简易导流筒为特征的新型换热器,以下简要介绍。 1 原净化气水冷器概况 净化气水冷器的功能主要是降低净化气温度,从而保证净化气的温度、气体组成等,满足氢氮气压缩机四段进口工艺指标。净化气的成分为φ(H2)71%、φ(N2)23%、φ(CO)5%、(CO2)1%,混合气体平均分子量9.68,混合气体重度6.33kg/m3,混合气黏度为1.36×10-5N·s/m2,进净化气水冷器气体温度为100℃,出水冷器温度要求≤40℃。原折流板式厚管板净化气水冷器的主要设计参数见表1。 净化气水冷器为立式,设有外导流筒,考虑到冷却水水质较差,为便于排除污垢,安排水走管程,气走壳程。该换热器运行情况为:3台这种形式的换热器使用不到1年就出现内漏,最初表现为管板与换热管之间的焊缝裂纹,使用2年后,换热管开始穿孔内漏,一旦列管开始内漏,其发生内漏的时间间隔越来越短,频率越来越高。 由于净化气漏入管程后,随冷却水排入地沟,而原料气均为易燃易爆气体,设备的严重内漏成为极大的安全隐患。 2 净化气水冷器失效原因分析 2.1 管板与换热管焊缝开裂 笔者认为,净化气水冷器管板与换热管焊缝裂纹是由于温差交变应力和管束振动共同作用的结果。 该换热器管板为25#钢,其焊接性能较差,在焊接过程中存在焊接缺陷。由于壳体与换热管温差较大且未设膨胀节,仅靠2个外导流筒不能替代膨胀节补偿其膨胀差,换热管与管板焊接接头承受较大温差交变应力,加上管束振动的作用,最后导致缺陷迅速扩展,焊缝开裂。 2.2 换热管的穿孔泄漏 造成换热管穿孔的原因是由于壳程折流板设置不当,出现了管束振动,管子撞击折流板,在折流板处管子被磨蚀穿孔。车间现场工程技术人员证实,在净化气水冷器使用的过程中,只要贴近此设备,经常可以听到管束振动的声音。 2.3 换热器振动验算 2.3.1 折流板间的卡曼旋涡频率fv计算 fv=St·v/d0 式中,St为斯特罗哈准数,按排列角60°,换热管节径比S/d0=0.032/0.025=1.28时,查GB151-89图F1,St=0.8;v为折流板间气体的横流速度,按净化气量为25000m3/h,换热管管桥宽度为0.007m。650mm环形折流板处为管间最小自由截面,此处跨越的管子数量为52根,盘、环折流板的间距为0.8m。 v=[25000×373/(19×273)]/(3600×0.007×52×0.8)=1.71(m/s) fv=St·v/d0=0.8×1.71/0.025=54.7(Hz) 2.3.2 管子固有频率f1和f2 换热管材料的弹性模量: E=2.03×105(MPa) 换热管空管质量:mt=1.39(kg/m) 管内流体质量:mi=πd2iρi/4=3.14×0.022×1000/4=0.314(kg/m) 附加质量系数: 根据节径比S/d0=1.28,查GB151-89图F4,得M=2.65。 虚拟质量: m0=πd20·ρ0·M/4=3.14×0.0252×6.33×2.65/4=0.009(kg/m) 单位管长质量: m=mt+mi+m0=1.39+0.314+0.009=1.71(kg/m) 按GB151-89-F3.3.2,原换热器折流板中间跨距L=1.6m,端跨距L1=0.58(m) 已知k=L1/L=0.3625,n=8,查图F10、F11得,λ1=12,λ2=13。 f1=35.2·λ1·[E(d40-d4i)/m·L4]1/2=35.2×12×[2.03×105×(0.0254-0.024)/1.71×1.64]1/2=27.3(Hz) f2=35.2·λ2·[E(d40-d4i)/m·L4]1/2=35.2×13×[2.03×105×(0.0254-0.024)/1.71×1.64]1/2=29.6(Hz) 2.3.3 振动判别 按照GB151-89附录F振动判据一:“当卡曼旋涡频率fv与管子最低固有频率fn之比大于0.5时,就可能发生振动”。 可见:fv/f1=54.7/27.3=2>0.5 fv/f2=54.7/29.6=1.85>0.5 结论:此换热器有可能发生管束振动。 3 新型高效换热器的结构设计 针对原换热器存在的问题,参考国内外换热器开发设计的最新成果与经验,根据用户重新提出的设计条件,新净化气水冷器设计气量为35000m3/h,设计压力2.0MPa。新旧换热器结构对比见图1和图2。 (1)管壳程介质的选择 因该公司一次冷却水质较差,为便于清污除垢,仍安排水走管程,但将单管程改为双管程,以增加管内流速,减少污垢的沉积,提高管内传热系数。 (2)管束支撑方式 由于新净化气水冷器壳程设计气量大幅增加,显然,折流板支撑方式已不适用。波纹管换热器能够有效地减轻诱导振动,减少管束的磨损,延长设备的使用寿命。同时,在同样负荷条件下,因波纹管换热器管间为纵向流,壳程阻力损失比管间为横向流的普通管壳式换热器减少30%左右。 (3)薄管板 薄管板换热器在国外已大量使用,国内也已发布了行业标准。对于采用波纹管支撑的换热器,由于波纹管的固定作用好,管束振动小,采用薄管板更为可靠。为避免法兰力矩对管板的影响且便于制造,本设计采用薄管板焊入式,材质为0Cr18Ni9。 (4)简易导流筒 导流筒是波纹管换热器必备的部件,不仅可以实现进、出气均布,而且可以在一定程度上消除进出口处管束因气体流速过高而产生的冲刷磨损。传统的外导流筒与壳体对接,属受压元件。这种结构既复杂,成本又高,且有一定的制作难度。本设计将管束的拉杆放在最外圈,利用折流环所占的环隙空间设置δ=3mm的简易导流筒,既简单又经济。 (5)材质选择 用户要求新换热器设计寿命为15年,并提出换热管与壳体均使用不锈钢。我们考虑,壳体不存在振动磨损,只要留有足够腐蚀裕量,完全可以采用碳钢(16MnR)。同时,利用不锈钢和碳钢线膨胀系数的差别,温度较高的壳程用碳钢,温度较低的管程用不锈钢,就可在很大程度上避免管、壳程膨胀差所引起的温差应力,从而避免设置膨胀节,既满足了用户的使用要求,又巧妙地降低了设备制造成本。 (6)换热管采用波纹管 波纹管不仅可以强化传热,而且其抗垢性能又高于光滑管,已广泛应用于锅炉、炼油、石油化工设备。波纹管的传热强化主要是由流动方式起决定作用:①波纹管对近壁的流动起限制作用,使管内外流体产生局部2次流;②波纹管的形体阻力使边界层分离。波纹管的纹路越深,则传热效果越好。与光管相比,波纹管的传热效果最高可为光管的2倍以上。目前,波纹管的加工工艺已比较成熟,可在普通车床上使用特制的挤压模具1次轧制成功。 4 新型高效换热器有关参数设计计算 4.1 换热面积的确定 波纹管换热器换热面积的确定,目前还没有完全适用的计算方法,笔者采用的是经验法,即在已知热负荷和流量相同的普通管壳式净化气水冷器的换热面积后,按式F杆=(50%～60%)F板计算。 F板=35000/25000×355=497(m2) F杆=497×0.6=298.2(m2),经圆整取300m2。 4.2 壳程流速W及雷诺数Re计算 (1)壳程气体穿越折流栅的流速W 4.3 薄管板的计算 由于波纹管的固定作用较好,管束的振动大为降低,该水冷器的使用条件为中压且温度不高,完全符合德国AD规范和我国原化工部颁标准规定的薄管板的适用范围与使用条件。 由上式可见,按AD规范理论所计算的管板厚度很小,本设计按国内外薄管板设计常用厚度取管板厚度为16mm。 5 结语 (1)以波纹管、薄管板、横纹槽管、简易导流筒为特征的换热器,具有高效、节能、不易结垢的优点,彻底消除了流体诱导振动对换热器的破坏,设备使用寿命大幅提高。 (2)第1台新型净化气水冷器于1998年8月投入运行,水冷器气体出口温度比原换热器下降了10℃,至今未发生内漏和管束振动现象,达到了预期的效果。 (3)1999年该公司又使用了2台采用新型结构的净化气水冷器,均达到令人满意的效果。相信这一类新型的换热器将在更多的工业领域得到应用。 参考文献: [1] 黄文亚.化工装备技术[J].1996(1):21-24. [2] 薛建设,等.中氮肥[J].1995(4):6-10. [3] 薛大年译.德国AD压力容器规范[S],1990. [4] GB150-1989.钢制管壳式换热器[S].修改稿日期:2007-03-20 |
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