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繞管式換熱器的設計

點擊:1889 日期:[ 2014-04-26 21:35:47 ]
                           繞管式換熱器的設計                                 闞紅元               (中國石化集團寧波工程有限公司,浙江寧波,315103)     摘要:繞管式換熱器由于其結構緊湊、換熱效率高而被廣泛應用于空分和化肥等裝置中,近年來通過國內科研、設計和制造單位的努力,該類設備已實現國產化。本文著重就大化肥低溫甲醇洗單元繞管式換熱器的發展情況和設計特點進行敘述。     關鍵詞:低溫甲醇洗 繞管式 換熱器     1·概述     我國20世紀70年代末引進的大化肥裝置中采用德國林德公司低溫甲醇洗工藝單元中各有6臺繞管式換熱器;90年代初引進的德國魯奇公司低溫甲醇洗工藝單元中各有2臺繞管式換熱器。由于當時我國尚未掌握繞管式換熱器的設計和制造技術,這些引進的裝置中繞管式換熱器完全依賴國外進口,設備費用昂貴。并且隨著我國合成氨工業的發展,對低溫甲醇洗裝置的需求量增加,對現有裝置進行技術改造實現增產的要求也與日劇增,在此形勢下完成繞管式換熱器的國產化、系列化具有重要的意義。     繞管式換熱器的主要優點:①管程可采用多股物流與殼程的單股物流進行傳熱,可同時實現多個普通管式換熱器的功能;②適用于大負荷物流傳熱;③適用于高壓物流的傳熱。其缺點主要為檢修、清理困難,所以一般用于較清潔的工藝介質。繞管式換熱器按其結構特點分為兩類:管程單股物流流道型(稱為單股流繞管式換熱器),管程多股物流流道型(稱為多股流繞管式換熱器)。中國石化集團公司曾于“八·五”期間進行了單股流繞管式換熱器的研究開發,并在鎮海煉化股份有限公司的化肥裝置中進行了實驗模擬件的側線并網試驗,獲得成功。在此基礎上根據研究成果,進行了進一步工業應用試驗,并根據寧夏化工廠化肥裝置增產的要求進行了新換熱器的設計和制造,通過工業應用考核新換熱器完全滿足寧夏化工廠化肥裝置工藝和增產要求。     目前,經過國內科研、設計和制造單位許多年的研究和開發,已基本掌握了繞管式換熱器的工藝計算、設備設計和制造,實現了國產化。     2·工藝研究     采用工藝模擬試驗和計算機對比模擬計算是開展繞管式換熱器工藝研究的一種手段,通過試驗和計算建立物流傳熱和流動模型,為設備的設計奠定基礎,并通過工業應用試驗驗證和修正所建立的計算模型,使其工藝計算更加完善和優化。低溫甲醇洗裝置內繞管式換熱器的工藝研究主要包括以下幾部分內容:     1)低溫甲醇洗多組分物料物性數據收集和計算,建立物性數據庫,解決物性數據計算方法。     2)進行物流傳熱和阻力特性的研究和試驗,提供設計依據。     3)進行傳熱計算,確定不同結構、幾何參數對傳熱的影響。提供傳熱計算基礎數據及公式,確定傳熱系數和傳熱面積。進行熱—溫分析和溫層分析。     4)阻力計算,確定流動阻力和壓力損失。     5)進行結構數據計算,確定繞管束特性數據。包括各層管數、螺旋升角等。     6)管束振動分析,確定防止管束振動的措施。     林德低溫甲醇洗工藝中的6臺繞管式換熱器的主要工藝參數如表1、表2所示。     3·結構設計     圖1和圖2分別為典型單股流和多股流繞管式換熱器主體結構圖。主要由中心筒、繞管束、殼體、上下管板、導流裝置、防震裝置和管箱組成。                    20世紀70年代末引進的6臺繞管式換熱器的結構參數如表3和表4所示。                                   繞管式換熱器的結構尺寸主要取決于繞管束的結構尺寸,繞管束中心筒在制造中起支承作用,因而要求有一定的強度和剛度,中心筒的外徑由換熱管的最小彎曲半徑決定。管束由多層螺旋纏繞的換熱管組構成,每層換熱管以相反的方向纏繞,每層換熱管用墊條隔開,墊條厚度由工藝計算的流體通道要求確定,并采用異型墊條控制換熱管的螺旋升角。在設計盤管時同一層使用相同長度的管子繞制,在同一管程的流道上管子應均勻布置。在多股物流時,各個通道本身應有相同的管長,同時可根據工藝要求選擇各通道管子的長度,這樣就大大地增加了調整各股物流傳熱面積的適應性和靈活性。     繞管束繞制完成后用薄鋼板夾套捆扎包緊,由此夾套還起到導流作用,夾套與設備殼體間應保持一定的間隙。設備殼體的直徑和高度取決于繞管束的外徑和高度。上下管板及管箱的尺寸以管孔的排列、管程的程數和工藝流通面積而定。圖3為單股流繞管換熱器的繞管束的典型結構示意圖。                    圖3中的定位銷用于在制造過程中固定上、下中心筒,使中心筒不能上下竄動,管束制造完成后拔出定位銷,去除中心筒對上、下管板的剛性支承作用。     繞管式換熱器的結構設計還包括中心筒、夾套和墊條(特別是異型墊條)等結構元件的設計及中心筒與管板間、換熱管與管板間、殼體與管板間等連接部位的焊接結構設計。這些部件和部位的設計可采用多種方案,選擇何種方案則取決于換熱器的操作條件、介質特性和管束結構特點,還應根據所設計的換熱器的具體條件進行分析后而確定。     4 ·強度計算     除了殼體、管箱、換熱管等受壓部件要按照GB150、GB151進行常規強度計算外,繞管式換熱器不同于一般管殼式換熱器主要是中心筒的剛性和強度計算、管板的強度計算。作為繞管束的骨架,中心筒在繞制過程中需要承受管束重量和繞管機的拉力等載荷,并且不能出現撓曲。繞管試驗證明,如果不能將中心筒的撓曲控制在一定的范圍內,所繞出的管層外形不是均勻的圓型,而是呈多角型,這將嚴重影響下一層管子的繞制和換熱器的工藝應用狀態。因此對于中心筒的剛性和強度進行分析計算是十分必要的。中心筒的力學模型需要根據繞管機的轉速、拉力和對管束的支承情況確定,其強度滿足結構件強度要求,撓度范圍控制在使最后一層繞管的外形不出現較大偏差為宜。     對于一般管殼式換熱器中的固定管板式換熱器,通常管板的計算考慮換熱管對管板的支承作用和熱膨脹引起的管—殼膨脹差;對于“U”型管類換熱器由于換熱管一端不固定,可自由膨脹,其管板計算不考慮換熱管對管板的支承作用和管—殼膨脹差。繞管式換熱器的管板受力狀態介于二者之間,由于繞管束具有一定的彈性,既會在殼體內伸縮吸收一定的熱膨脹和約束力,也會對管板起到一定的支承作用。繞管束對于管板有多少支承和約束(考慮熱膨脹時)是進行管板計算的關鍵。對于低溫甲醇洗單元的繞管式換熱器而言多數是按照不考慮換熱管的支承和約束來考慮的,這種方法顯然不能反映管板的實際受力情況。為了繞管式換熱器的發展和在工業領域里大量應用,有必要對繞管式換熱器管板進行多方案力學分析,建立適合的力學模型和計算公式,使管板設計優化,從而大量節省管板鍛件材料,降低設備費用。     5·結語     本文就國內繞管換熱器的發展和設計特點進行了說明,目的在于使國內相關工業領域內更多的相關從業人員,對這類換熱器有更加深刻的了解,從而推動繞管式換熱器的應用和進一步的開發、研究,從而解決設計和制造過程中廣泛出現的問題,使繞管式換熱器的設計和制造能夠規范化、標準化。
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