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新型U形管换热器的结构特点及应用

点击:2212 日期:[ 2014-04-26 22:21:24 ]
                                新型U形管换热器的结构特点及应用                                        1.贺运初  2.潘树林 (1.湖南金信化工有限责任公司,湖南冷水江 417506;2.广西大学,广西南宁 530004)     摘要:阐述了新型U形管换热器的结构特点,介绍了该种换热器在粗甲醇系统的应用情况。工业应用结果表明,新型U形管换热器具有结构紧凑、防振和防垢性能好、传热效率高以及安全可靠等优点,值得大力推广应用。     关键词:U形管换热器;结构;优点;工业应用     中图分类号:TE965;TQ051.5    文献标志码:B     高压换热器的结构类型主要有螺纹锁紧环换热器、Ω环高压换热器、套管式换热器和U形管换热器等形式。螺纹锁紧环换热器具有结构复杂、金属耗量大、机加工配合件多、造价高及检修工作量大的缺点。Ω环高压换热器具有Ω环加工难度大及检修不方便的缺点。套管式换热器具有在同样换热面积时所需空间大、单位传热面积的价格高、一般只适用于传热面积较小的场合的缺点。而U形管换热器具有结构简单紧凑、在高压工况下金属耗量最小等优点[1]。因此,在高压工况下,U形管换热器比螺纹锁紧环换热器、Ω环高压换热器及套管式换热器的用量大。文中介绍一种在2006年取得专利权的高效、安全、可靠的新型U形管换热器(ZL200520111265.5)。     1 结构特点     新型U形管换热器的结构见图1,主要由管箱、管板、清洗接口、换热管、筒体、管间支承件和支座等组成。在流体流量较大、所需换热面积较大的情况下,换热机组可由图1所示换热器串联或并联组成,或串、并联混合联接组成。此种换热器主要特点是将换热器的筒体和换热管均设计成U形,换热管的两端分别固定在2块管板上,在U形换热管的弯管段设置折流杆或弹簧等管间支承件,在筒体上设置供壳程清洗、排污用的接口。     与普通U形管换热器相比,新型U形管换热器具有下列优点:①换热器的筒体与换热管均为U形,与换热管垂直方向的管束中心处无较大空隙,壳程流体不易走短路或形成流体流动死区,管间不易结垢。②在U形换热管的弯曲段设置了折流杆或弹簧、波网、空心环等管间支承件,可降低管束振动,强化换热管弯曲段的传热。③将U形换热管的两端分别固定在两块管板上,减小了管板直径和厚度,更为重要的作用是降低了管板与换热管焊接时的拘束应力及管子与管板间的焊接残余应力,提高了换热器的安全可靠性。④在筒体上设置了供壳程清洗用的清洗接口,使壳程清洗较方便。     2 应用实例     2.1 粗甲醇水冷器简介     某化肥企业联醇装置中的粗甲醇水冷器的工艺条件如下:管程介质为半水煤气经中温变换、脱碳后含有3%~7%CO和0.5%~1%CO2的净化气,标准状态下体积流量约为10×104m/h3,进口温度不大于95℃,出口温度不大于40℃,进气压力不大于12.5MPa;壳程介质为冷却水,进水温度不大于35℃,进水压力不大于0.38MPa,水冷器的循环水进出口压差不大于0.2MPa。该水冷器原由2台240m2的管间支承件为折流板的普通U形管换热器串联组成,于2000年1月投入系统运行,投产初期基本能满足生产要求,但在运行大约1a后出现了下列问题:①管子与管板间焊缝多处开裂,且补焊不久又重新开裂。②多根换热管被磨损甚至穿孔,不得不多次堵管。③壳程结垢较严重,且清洗不方便。④传热效率低,高温季节水冷器的气体出口温度高达50℃,导致分离器出口气体的醇含量偏高,每天损失约2.5t的粗甲醇。     经过分析认为,该设备出现上述问题的主要原因有以下3点:①管子与管板之间的连接采用了先胀后焊工艺,焊接时胀管过程中遗留于缝隙中的油污在高温下生成气体并受热膨胀而从焊缝面逸出,严重影响焊缝质量[1,2],且管子与管板间焊缝未进行消除应力退火处理。②U形管的弯管段无管间支承件,导致较大的流体流动诱发振动,造成换热管与折流板间的撞击与磨损[2,3]。③壳程流体走短路,存在流动死区。     2.2 改造措施     (1)整体结构改为新型U形管换热器 即采用4台换热面积为120m2的换热器串、并联混合联接组成。     (2)管间支承件改用折流杆 用以解决多根换热管被磨损和壳程结垢严重的问题。折流杆可以使壳侧流体在整个壳程断面内以比较均匀的速度平行于管子轴向流动,消除管束产生流体诱导振动的根源和壳程内严重的滞流区域,产生由支撑杆引起的流体卡曼旋涡分离和折流圈引发的文丘里效应,以防止管束振动,达到减少壳侧污垢、强化壳程传热及降低壳侧压降的目的[3]。     (3)壳程进出口处设置了外导流筒 为防止冷却水冲刷壳程进口处的换热管段并造成侵蚀及振动,减小了壳程进出口接管与管板间的介质停滞区而增加换热管的有效换热长度,从而避免因导流筒占据壳程空间而减少管板上的排管数。     (4)换热管与管板的连接工艺改为先焊后胀 换热管与管板的连接方式采用强度焊加贴胀,以提高连接处的抗疲劳性能,消除应力腐蚀和间隙腐蚀。换热管与管板的连接工艺由先胀后焊改为先焊后胀,并对管子与管板间焊缝进行消除应力退火处理,以保证管子与管板间连接结构的可靠性。     2.3 改造效果     新型U形管换热器于2002年11月投入系统运行,一直运行良好,至今尚能完全满足工艺要求,且未曾出现换热管与管板间连接结构失效的情况。新、老粗甲醇水冷器在各自投入系统运行2 5a后的换热效果对比情况见表1。     3 结语     新型U形管换热器具有结构简单紧凑、金属耗量小、热补偿性能好、壳程流体不易走短路、管间不易结垢、防振性能好、壳程污垢清洗较方便及传热效率较高的显著特点,在高压工况下的经济性、可靠性和安全性比其它类型的换热器高得多,值得大力推广应用。     参考文献:     [1] 秦叔经,叶文邦,戴季煌,等.化工设备设计全书———换热器[M].北京:化学工业出版社,2003:5 11,75 77.     [2] 聂清德.化工设备设计[M].北京:化学工业出版社,1991:111 122.     [3] 钱颂文.换热器设计手册[M].北京:化学工业出版社,2003:9 10,192 208.(许编)
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