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空心環管殼式換熱器工業化應用回顧

點擊:1507 日期:[ 2014-04-20 00:59:05 ]
       近10年來,空心環管殼式換熱器已在20多套硫酸生產系統中投入工業化應用,生產規模從年產25kt到400 kt ;單臺換熱面積從最小的115 m2至最大的4 100 m2。該換熱器可強化傳熱,避免殼程入口段管束的濕壁結垢,具有較好的抗酸蝕及抗氧化性能,設備制作并不困難。〔關鍵詞〕換熱器;應用;空心環;管殼式

  自1990年第一臺空心環管殼式換熱器在廣東樂昌市磷肥廠投運以來,近10年間,空心環管殼式換熱器已在20多套硫酸生產系統中投入工業化應用,生產規模從年產25 kt、30 kt、40 kt、60kt、80 kt、160 kt直至400 kt ;單臺換熱面積從最小的115 m2至最大的4 100 m2。1995年國家科委將此項目列入“九五”國家級科技成果重點推廣計劃項目(編號:96010301A) ,10年間該項目已為硫酸企業節能降耗及超產增效創造了巨大的經濟效益,深受硫酸工業用戶的歡迎。1996年11月在廣東鶴山市磷肥廠由中國硫酸工業協會主持的空心環管殼式換熱器工業應用技術鑒定結果表明,該種換熱器具有國際領先水平。

  從傳熱強化的特色上講,該種換熱器一是采用雙面強化傳熱的縮放型傳熱管,對管內外兩側氣體均有促進界面湍流、強化對流傳熱的作用,換熱器總傳熱系數最高可達30 W/ (m2·K) ,與傳統換熱器相比,可節省傳熱面積40 %~50 %;二是采用空心環管間支承結構,該支承方式軸向流道空隙率大,可達80 % ,故對軸向沖刷的流體形體阻力非常小,可使絕大部分殼程流體的壓降作用在強化傳熱管的粗糙傳熱界面上,用以促進界面上的對流傳熱,可充分發揮強化管的傳熱強化作用,在低流阻條件下獲得高的傳熱性能。對兩轉兩吸轉化系統而言,系統4臺換熱器(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ與Ⅳ)可替代傳統6臺換熱器(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲa +Ⅲb、Ⅳa+Ⅳb) ,氣體總壓降僅7 000 Pa左右,而且可長期維持低壓降運行,不易堵塞。與傳統換熱器相比,系統風機風壓可減少20 %~30 % ,一則在新系統中可選用風壓較低、投資較少的風機設備,二則在系統操作費用上可大幅降低風機電耗,減少硫酸的生產成本。

  從設備投資費用上講,與傳統換熱器相比,空心環管殼式換熱器具有很強的競爭力。以40 kt/a硫鐵礦制酸、兩轉兩吸流程換熱器投資為例:入口φ( SO2 )為815 % ,傳統換熱器所需面積約2 000 m2 ,換熱器重量約100 t ,按7 000元/ t計,總投資約70萬元。而空心環管殼式換熱器僅需傳熱面積約1 000 m2 ,換熱器重量約50 t ,按10 500元/ t計,總投資僅5215萬元,可節省1715萬元,占總投資的25 %。隨著強化管加工技術的成熟與完善、市場的擴大與產量的增加,強化管的價格在近年已逐步下降,適合了廣大硫酸企業的生產需求,也為加快我國硫酸工業換熱設備的更新換代提供了有利的條件。

  從設備的抗垢、抗酸蝕及抗氧化方面看,由于換熱器采用了殼程環狀進出氣夾套結構,避免了傳統換熱器殼程入口段傳熱管濕壁結垢,而縮放管均采用抗高溫氧化的20g管,故比傳統換熱器具有較好的抗垢與抗酸蝕性能,同時也能長期耐高溫氧化,減少氧化脫皮。從理論上講,為何換熱器采用了殼程環狀進出氣夾套結構后,可避免殼程入口段管束的濕壁結垢?這需從管子內外兩側的氣體對流傳熱膜系數的變化上分析。由于傳統換熱器的殼程入口氣速很高,管外傳熱膜系數遠高于管內(光滑管)的傳熱膜系數,故使得入口段第一、二排管壁的金屬溫度貼近管外的冷氣體溫度(一般60℃左右) ,遠低于在常壓下水汽的蒸發溫度(100℃) ,故當轉化系統入口氣體含酸霧較多時,就會形成濕壁現象,酸泥粘在管壁上不易脫離,而且愈積愈多,在不太長的時間內就會出現入口堵塞、氣阻上升的現象,這是硫酸行業中普遍存在的棘手問題,也是造成管子酸蝕破壞的主要原因之一。而改用環套進出氣結構之后,殼程入口氣體經夾套沿殼程的周向環形進氣,氣速很低,管外的傳熱膜系數與管內(縮放管)的傳熱膜系數兩者相差不多,故可使氣體入口段管壁的金屬溫度居內外氣體溫度之中值,例如管外入口氣溫為60℃,管內出口氣溫為180℃,則兩者之中值為120℃,管壁金屬溫度高于100℃,酸霧打在管壁上很快就被蒸干,故不會出現入口管子的濕壁現象,酸泥也難于在管壁上粘附,很容易就被氣流帶走,因此空心環管殼式換熱器可長期維持低壓降操作,不受酸泥堵塞的影響,同時抗酸蝕的能力也大大提高,換熱器壽命得以延長。這一長期低壓降操作的現象,在廣東的樂昌、鶴山磷肥廠及其它各硫酸生產系統中都可直接觀察到。而從抗高溫氧化方面看,由于縮放管是采用優質的20 g管,抗高溫氧化性能較好,經冷軋加工后仍能保持良好的抗高溫氧化性能,1991年在廣東樂昌磷肥廠硫酸兩轉兩吸轉化系統投運的Ⅰ、Ⅱ換熱器,采用20 g縮放管,至今仍在正常運行,而且依然維持低壓降運行,這表明換熱管并未因高溫氧化脫皮而造成堵塞。而該廠1990年以前使用的Ⅰ、Ⅱ換熱器曾有嚴重的高溫氧化脫皮現象(僅使用2~3年) ,造成換熱器氣阻很高(達3 500 Pa)。

  關于換熱器及縮放管的制造問題,這是企業在選擇方案時最關心的問題之一。空心環管殼式換熱器采用空心環網板(見圖1)替代傳統的弓形折流板支承傳熱管束,從表面上看不易制作,但實際上當制作者掌握了加工的方法,其制作的難度并不高于普通弓形折流板,制作工時還不到折流板的一半。由于空心環管殼式換熱器是殼程軸流型的換熱器,殼程氣體從縱向沖刷管束,不存在弓形折流板對管孔與板周邊嚴格密封的問題,故制作起來周邊空隙可以適當放寬,容易制作。而且全部制作均為板金工制作,可依靠管板作模具,程序簡單且易于掌握。多家硫酸企業均自己制作這種換熱器,他們都感到制作并不困難,只是在做第一塊網板時需花點時間學習掌握一下加工方法,以后的加工速度就很快,也很順利,并沒有哪家企業認為這是一個制作難題。由于空心環支承物與傳熱管壁之間均留有大于1 mm的空隙,故在換熱器的組裝過程中穿管很容易,比傳統的折流板更易于組裝,許多企業加工后都有此體會。為什么選用空心環網板?這里有兩方面的原因:a1空心環網板在殼程周向流道的空隙率非常大,可達80 % ,故形體阻力非常小,這是選用它與強化管配合的主要原因; b1空心環的短管節的長度為30mm ,對ª51 mm×315 mm縮放管的凹面可以全部覆蓋,無論在殼程哪一軸向位置支承,都可與縮放管的凸肋面相接觸,故在機械支承強度上可保證絕對安全。對于縮放管,有人擔心軋制后管壁會減薄,影響傳熱管壽命,實際上,這種管經軋制后內外凹凸曲面是完全對稱分布的(見圖2) ,在厚度上沒有減薄,加工后的管件經剖開后作厚度測量,剖面上看不出有任何減薄,幾乎每一家用戶在應用前都提出這一問題,而實測的結果都使他們感到滿意。

 

  空心環管殼式換熱器技術作為國內創造的專利技術在技術性能上在國內外居領先地位,經10年來在硫酸工業的推廣應用已為企業與社會創造了巨大的經濟與社會效益,在節能、節材、增產與環保方面都作出了有益的貢獻。隨著該項技術的軟件設計與硬件制作不斷改進與完善,為企業增添的經濟效益也愈加顯著。而這一新技術的普及應用,有賴于硫酸行業技術人員對此技術的認識與了解,使之變為提高硫酸生產效率的有效手段。


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