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蝶环式高效换热器的开发应用点击：2577 日期：[ 2014-04-26 22:45:04 ] |
| 徐志强 摘 要 介绍了蝶环式高效换热器的结构设计特点、传热和压力降计算方法、设计应用及其较高的经济和社会效益。 关键词 硫酸 蝶环 传热 压力降 经济 1 前言 在有色冶炼烟气制酸和化工系统硫酸生产中,其转化工段用于高温三氧化硫气体与低温二氧化硫气体的热交换设备,均采用管壳列管式换热器,壳程采用圆缺式折流板。由于壳程气体在每块折流板处不可避免地形成较大的滞流区,降低了换热效率,增加了设备压力降。其次,壳程采用圆缺式折流板,壳程气体进出口方位严格地受折流板的数量、缺口方向和管束排列方向的限制,因而工艺配置必须增加管道长度,增大占地面积,系统压力降升高,工程造价加大。 鉴于上述原因,1993 年我院专业技术人员通过对国内外有关资料系统的分析研究,提出了“蝶环式高效换热器”的结构设计、传热和压力降计算方法,并通过工业试验、工程使用等科学方法进行验证,最终开发研制成功了新型“蝶环式高效换热器”,填补了国家空白,达到国际先进水平,并获部级科技进步二等奖。 本文对蝶环式高效换热器的结构设计特点、传热和压力降计算方法、设计应用及经济社会效益综述如下。 2 结构设计特点 蝶环式高效换热器,壳程折流板改用环形板和蝶形板,两板交替设置;传热管按同心变径圆等节距螺线形布置在管板上,中心区和沿壳体周边处不设传热管,留有一定的气体通道面积。壳程气体进入设备后,首先沿壳程圆周通道均匀分布,然后与管束错流进行热交换,随后集中于中心通道区,通过环板流向蝶形板。在蝶板的作用下,中心区域气体从管束中心错流流过管束进行第二次换热,尔后流向壳程圆周通道进行下一次热交换,直至完成换势负荷流出壳程,如图1 所示。 结构设计的重点是要充分考虑管束布置和气体流路的设置。分析换热器内部结构可以清楚地看出,壳程的流体通过壳程的流路主要有以下四条: A 流路:气体通过管束的错流流路; B 流路:气体通过壳内径与蝶形折流板外径之间的环形旁通流路; C 流路:气体通过环形折流板内径的圆形中心流路; D流路,气体通过壳内径与环形折流板外径之间的环形间隙和气体通过蝶、环形折流板上换热管外径与管孔之间的环形间隙,统称为泄漏流路。 在上述四条流路中,A 流路错流流路对传热是起决定性作用的,因而壳程气体雷诺数Re值是随A 流路的设计而确定。对A 流路的设计就是指传热管的排列方法,它是以为每根传热管都提供良好的换热条件为原则。对于“蝶环式高效换热器”设计,由于将圆缺式折流板改为蝶、环形,管束中心部位和其外圆周设有B、C 流路,气体通过A 流路时,随B、C 流路而改变流动方向,采用传统的排管方法已难以发挥蝶环形折流板的特殊优越性。因此开发出了新的排管方法。 B、C 流路是迫使气体在整个传热过程中,改变其流动方向的流路。它的主要功能是使流体均匀地错流通过管束,以提高传热效果。因此对B、C 流路的设计,既要考虑使气体流动通畅,分布均匀,又要尽量减少气体在B、C 流路中的压力降,以经济合理为原则进行设计。 D 流路泄漏流路对传热效果起着衰减作用。D 流路是换热器在制造、安装过程中必须留有的间隙。例如,为了便于穿管,蝶、环形折流板上的管孔直径应大于换热管外径;为便于环形板安装,则环形折流板的外径应小于壳体的内径。这些间隙的存在使气体通过管束时,少量气体从这些间隙泄漏,而不能进行热交换交换,产生短路。因此对D 流路设计,应严格控制在一定限度范围内,并尽量减小其面积。 根据上述壳程各流路的位置、功能和作用效果,结构设计的主要任务是管束设计,并建立蝶形折流板、环形折流板、壳体等构件的几何尺寸与管束的相对关系。 2. 1 管束设计 传热管在管板上的排列,常用的有同心圆排列和正三角形排列。采用同心圆排列的管束,部分传热相互重叠,因而当气体流入管束后,重叠的传热管处产生涡流,对传热不利。当采用正三角形排列时,如果气体进入管束方向与传热管排列方向一致,气体短路现象严重,不能形成错流流动。因此,管束自身对壳程进、出口方位有一定的限制。 鉴于上述管束排列存在的问题和采用了蝶、环形折流板,在应用计算机对传热管排列方法进行了大量的模拟工作后,最终开发出“同心变径圆等节距螺线形排列”新方法,使气体从任何角度流入管束,不会产生短路和涡流,管束中气体分布均匀,强化了A 流路的错流效果,减少了由于布管不均而造成的压力降损失,消除了管束对壳程进、出口方位的限定。使工艺配置紧凑,连接管道短、散热面积小、占地面积省、建设费用降低。这种方法设计的传热管排列方式是蝶环式换热器具有较高传热效率和经济效益的重要因素。 此外,在管束设计时,管束中心区和外侧圆周留有较合适的气体通道,使进入壳程的气体在流动过程中换向时,无价值的压力损耗降低。同时,由于管束中心有不布管区,加大了上、下管板的刚度。对于大直径的换热器,管板厚度减薄,易于进行刚度结构处理。 2. 2 中心流路尺寸Dt 的确定 尺寸Dt 系指管束内圈传热管的内切圆直径,可按下式计算确定: Dt = (Ws/πρs Vs) 0. 5 m (1) 式中 Dt 中心流路直径,m; Ws 壳程气体质量流速,kgPs ; ρs壳程气体密度,kgPm3 ; Vs 气体在中心流路的流速,mPs ; 2. 3 蝶形折流板几何尺寸的确定 蝶形折流板的形状为圆盘形,其外径D2 由管束设计确定: D2 = D4 + D0 + (0. 005 ～ 0. 015) m (2) 式中 D2 蝶形折流板外径,m; D4 管束外圈传热管外切圆直径,m; D0 传热管外径,m。 2. 4 环形折流板几何尺寸的确定 环形折流板的内径D1 是决定C 流路的结构尺寸,可按下式计算确定: D1 = Dt - (0. 01 ～ 0. 015) m (3) 环板的外径D3 确定B 流路通道面积,为了减少不必要的压力降损失,要求气体通过B 流路的流速与C 流路相等,即按等速原理设计。因此D3 按下式求得: D3 = Dt ( (D1 )2+( D2)2 ) 0. 5 m (4) 2. 5 D 流路设计尺寸的确定 D 流路是泄漏流路,是换热器在制造、安装过程中所需要的结构间隙,它由以下两部分组成。其一是壳体内径Ds 与环形折流板外径D3 之间的安装间隙;其二是蝶、环形折流板上的管孔与传热管外径的安装间隙。这两部分的结构尺寸的确定可按国家标准GB151 - 89《钢制管壳式换热器》的相关规定进行选取。 3 热与压力降计算 对蝶环工式高效换热器的结构研究,主要是针对壳程的结构进行了开发,管程结构则未作任何变动。因此,对管程部分的传热膜系数hi 和管程压力降ΔPi 的理论计算,均可采用已具有的合适的计算方法和经实践检验较为准确的计算公式进行计算。而壳程部分的ho 和ΔPs 的计算,目前国内尚无成熟的计算方法。在分析研究国内、外的有关资料的基础上,根据传热基础理论,针对壳程结构和流程设置状况,应用电子计算机,选用多种计算方法对壳程传热膜系数ho 、压力降ΔPS分别进行模拟计算,并对其结果进行分析比较。由于壳程存在泄漏流路D 和气体通道B、C ,它们对传热和压力降均有一定的影响,尤其对压力降的影响更为显著。因此,要正确地评价如此复杂流动的各种因素,精确地计算传热和压力降是相当困难的。为此,以B. E. short 和B. slipceuic 提出的壳程传热膜系数、压力降计算方法为基础,在对其未考虑的因素根据Bell 法和工业试验作相应的补充修正后,对传热膜系数和各流路压力降进行了较好地修正。经过工业试验与实际的验证,确定了传热膜系数ho 和压力降ΔPs 的理论计算方法。 3. 1 壳程传热膜系数ho 壳程传热膜系数ho 采用B. E. Short 公式: ho = 2. 08D0. 6e Re0. 6 Pr1P3 (λs/D0) (μs/μw) 0. 14WP(m2 ·℃) (5) 式中 De 修正的当量直径,m; Re 雷诺数; Pr 普朗特数; λs气体导热系数;WP(m2·℃) ; D0 传热管外径,m; μs 定性温度下流体粘度,Pa·s ; μw 管壁温度下流体粘度,Pa·s ; 3. 2 壳程压力降ΔPs 根据流路分析,壳程压力降ΔPs 应为进出口 压力降及各流路压力降之和,即: ΔPS = ΔPN + ΔPA + ΔPD + ΔPR Pa (6) 式中 ΔPN 气体进出口的压力降,Pa ; ΔPA 错流流路压力降,Pa ; ΔPD 气体通过蝶板的压力降,Pa ; ΔPR 气体通过环板的压力降,Pa 。 计和调整这些参数,达到换热器所要求的技术性能。由于其设计计算较为复杂,此处不再详述。 4 设计应用与效益 工程设计和实际使用证明,由于蝶环式高效换热器特殊的结构设计,使其与圆缺式换热器相比,传热效率提高了30 %～50 % ,传热面积减少20 %～38 % ,壳程压力降降低30 %～50 %。迄今为止,蝶环式高效换热器已在铜陵、大冶、沈阳、中条山、株洲等12 个大、中型冶炼厂硫酸单转单吸和双转双吸两个不同的生产流程中采用,共计67 台,其中31 台已在生产中运行。其传热系数在24. 8～32. 5WP(m·℃) 之间,壳程压力降在400～800Pa 的范围内。实际使用表明,设备运行稳定、工艺指标先进、热效率高、压力降小、操作弹性大,完全满足了生产需要。 1994 年铜陵第一冶炼厂硫酸车间首次采用2台蝶环式高效换热器,更换了原来使用的圆缺式换热器,不但解决了原换热器壳程积酸、设备腐蚀严重、寿命短的问题,而且传热面积由原4000m2降至1702m2 ,设备总重由152t 减至75t ,传热面积减少了57. 5 % ,节约投资近142 万元,仅为原造价的50. 7 % ,经济效益显著。 在大冶冶炼厂硫酸三系列和铜陵第二冶炼厂硫酸车间的新建、改造工程中,采用蝶环式高效换热器,总传热面积分别由16608m2 和7508m2 降至13740m2 和4670m2 ,减少了2868m2 和2838m2 ,节约投资约180 万元和170 万元。同时转化系统工艺配置更加紧凑,占地面积减少了10 %～20 % ,系统连接管道缩短,降低了系统总压力降,从而减少了工程建设费用,降低了生产成本。 沈阳冶炼厂和中条山冶炼厂改建工程中,硫酸转化系统引进了加拿大制造的新型转换器,鉴于其配套设备技术水平和工艺配置等技术原因,应同时引进其配套高效换热器。但在对国外提供的换热器技术资料分析研究后,工程采用了蝶环式高效换热器,替代国外产品,满足了工程需要,提高了转化系统总体技术水平,为国家节省了大量的外汇。 因此可见,蝶环式高效换热器降低了设备一次投资,节约了外汇,同时使我国硫酸转化系统装备技术水平与国际技术水平同步,具有较高的经济效益和社会效益。 |
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