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C-2 76合金螺旋波紋管高效換熱器的研發

點擊:1592 日期:[ 2014-04-26 22:00:55 ]
                              C-276合金螺旋波紋管高效換熱器的研發                                         劉豐 郭宏新 汪芳                             (江蘇中圣高科技產業有限公司南京211112)     摘要:本文介紹了C-276合金螺旋波紋換熱管的結構特點,傳熱性能,阻力特性、模擬計算、制造、腐 蝕試驗及螺旋波紋管高效換熱器在工程上的應用。     關鍵詞:C-276合金螺旋波紋管性能特性高效換熱器工程應用     1.概述     節約能源,保護環境,走可持續發展的道路,是目前世界發展的主旋律。早在20世紀70年代的石油危機時,美國等發達國家就開始積極研究和推廣高效傳熱裝備,這些高效節能技術在制冷、汽車以及 化工、石化、冶金等過程工業中的節約能源和保護環 境方面發揮了重要作用。在最近幾年世界原油價格居高不下的嚴峻情況下,節約能源、提高能量利用效率引起世界各國高度重視。我國的中長期科技發展 規劃把開發與研究化工、冶金等流程工業和交通運 輸業等主要高耗能領域的節能技術與裝備列為未來 15年優先解決的重點課題,特別是“十一五”期間國 家要求單位國內生產總值能源消耗降低20%。在化 工、制藥、石油化工等行業中,使用了大量的換熱設 備,隨著這些行業的不斷發展,為了提高能源的利用 率和使用壽命,對換熱器設備的要求越來越高,高效 換熱器不僅能夠降低主材消耗,而且能減少設備體 積及運行維護費用,進而降低產品成本,提高經濟效 益,特別是C-276合金高效換熱器,以獨特的耐腐蝕,不污染,換熱效率高,可靠性好等特點可廣泛應 用于氯堿加熱器,純堿工業冷凝器,醋酸工藝蒸發器等裝置中,其應用前景非常好。     我公司先后開發了螺旋波紋管、波紋管、內波外 螺紋管、T型槽管、翅片管、內凹槽管等特型管高效 換熱器。這幾種高效換熱器廣泛用于各企業的擴能 改造中,大大降低了設備投資,操作費用,為企業帶 來了可觀的經濟效益。本文結合我公司設計、生產和 推廣高效換熱器的經驗,介紹C-276合金特型管高 效換熱器在化工、石化等領域中的應用及其在節能 中的優勢。特別是C-276合金(N10276)對于不同 的化工環境有優越抗腐蝕能力,它是現代金屬材料 中最耐蝕的一種。主要耐濕氯、各種氧化性氯化物、 氯化鹽溶液、硫酸與氧化性鹽,在低溫與中溫鹽酸中 均有很好的耐蝕性能。因此,近三十年以來、在苛刻 的腐蝕環境中,如化工、石油化工、煙氣脫硫、紙漿和 造紙、環保等工業領域有著相當廣泛的應用。C-276 合金高效換熱器就以優良的耐腐蝕,實用性,強度 高,傳熱效率高,適應性大等優點,在醋酸、甲醛工業領域有非常大的應用價值。     2.結構特點     C-276合金螺旋波紋管換熱器保持了管殼式 換熱器使用溫度、壓力、流量、熱負荷的一般要求,設 計方法及加工技術成熟,另外可用在某種腐蝕介質 條件下不銹鋼與鋁、銅無法適用的場合,或可以用不 銹鋼或其他常用金屬材料,但腐蝕率高,使用壽命較 短,而使用C-276合金管耐腐蝕性好,可靠性高,壽 命長,經濟合理。C-276合金螺旋波紋管換熱器可 在保持管殼式換熱器殼體、管板、管箱、支撐件等結 構不變的條件下,采用螺旋波紋管換熱元件及局部 改進,達到冷熱兩側流體強化傳熱的目的。     C-276合金螺旋波紋管是在普通C-276合金 管的基礎上,經過特殊滾軋工藝加工而成具有雙面 環狀螺旋波紋形槽道的強化傳熱管,經拉伸和強度 試驗,抗拉強度>690MPa,屈服強度>283MPa,延伸 率>40%;在壓力達到60MPa,保壓半小時,無泄漏, 無宏觀永久變形發生。如圖1所示。                           換熱基管的直徑Φ10-Φ50mm,波峰與波谷間 距離0.2-1.8mm,壁厚0.5-3.0mm,波距3-22mm。 管內外壁存在波峰、波谷可有效提高紊流的脈 動性,改變流體流動狀態,C-276合金螺旋波紋管 的兩端保留原來光滑管表面,以便與管板的脹焊連 接性能,確保了換熱器的結構強度及使用壽命。     3.傳熱性能     C-276合金螺旋波紋管作為換熱器元件具有 以下優點:①表面光潔,無垢層,污垢系數(ξ)大大降 低。②強度高耐腐蝕性好,因而管壁可以比較薄,減 少導熱熱阻δ/λ。③管內外螺旋波紋形成的凹凸結 構,即波谷和波峰可有效提高管內外流體紊流的脈 動性,改變流體與管壁及流層之間的摩擦,減少層流 厚度,促進湍流,即使在流速低時,也能達到充分湍 流,增強對流換熱,另外螺旋波紋結構對污垢有自清 理作用,因為污垢一般是沿著波峰邊緣形成平行的 垢層,在運行時隨溫度變化,管子會膨脹和收縮,污垢與金屬的熱膨脹系數相差較大,加之流體的脈動 性,會阻止污垢生成。實現自動清理。     按傳熱學理論,在換熱器中熱量傳遞一般由管 內流體對管內壁對流放(吸)熱,管內壁到管外壁的 純導熱過程,管外流體對管外壁吸(放)熱過程,一般 傳熱過程可表示為:     熱流體對流→管外壁導熱→管內壁對流→冷流 體(殼程為熱介質)     或冷流體對流→管外壁導熱→管內壁對流→熱 流體(管程為熱介質)     換熱量Q=KA△t     式中Q———傳熱量,kW;     K———傳熱系數,kW/(m2·℃);     A———傳熱面積,m2;     △t———傳熱溫差,℃。     在換熱器傳熱溫差和換熱量不變情況下,提高傳熱系數,可有效減少傳熱面積,即縮小設備體積和重量。     傳熱系數K=1/(1/α1+ξ1+δ/λ+ξ2+1/α2), 如上所述,C-276合金螺旋波紋管作為換熱元 件,可有效降低污垢熱阻ξ1、ξ2,導熱熱阻δ/λ和提 高對流換熱系數α1、α2,從而提高總傳熱系數K。 通過對比實驗,C-276合金螺旋波紋管換熱器 與光管換熱器相比(圖2),其傳熱系數K會提高 1.3-2.6倍,效果非常明顯。                           4.阻力特性     C-276合金螺旋波紋管的阻力特性受換熱元 件的結構影響,波峰波谷引起流體脈動充分湍流而 強化傳熱的同時,與光管相比較,隨波谷與波峰的間 距和波距的不同,其阻力增加1.15-2.3倍,殼程阻 力增加約1.3倍左右,與其他強化傳熱元件相比,阻力增加幅度比較小,換熱系數增加顯著。     5.數值模擬     受工藝條件的限制,大型換熱器的傳熱和流動試驗相對比較困難,用解析方法求解,要作出大量的簡化假設,準確度較差。     數值模擬又稱數值實驗,它能很好解決這一難題,計算結果與工業考核基本一致,其準確度得到工 程技術人員的認可。我們采用fluent軟件對螺旋波 紋管和光管的管內外傳熱和阻力性能作了模擬,如 圖3、圖4所示(略),工藝物性條件和進口流速條件均設定為一致。     由圖3、圖4可以看出當流體流過管內時,在凹 凸面的波峰與波谷間會產生速度、壓力突變,從而破 壞層流底層,即使在較低的流速下也能達到湍流。正 是這種較大的擾動破壞了邊界層熱阻,實現了管內 強化傳熱。為大型換熱器的試驗和設計提供了充分 的理論基礎。     6.制造質量控制     C-276合金螺旋波紋管用基管應符合SB622- N10276標準要求,除有常規的化學成分,力學性能 檢驗外,還應有材料晶粒度和耐腐蝕試驗,并要求無 損檢驗和液壓試驗,C-276合金材料還應在1040℃ ~1150℃作固溶熱處理,并隨后快速淬冷。     C-276合金螺旋波紋管制造應在清潔車間或 在隔離的清潔區域中,工作人員應帶清潔的白細布 手套操作,C-276合金材料應單獨存放,避免嵌入 鐵等渣質而使設備產生銹點,坡口應用打磨或刨切 等方法加工而不應用火焰切割。焊接時清理非常重 要,因為各種雜質、油污、銹跡、鉛、硫、和其他低熔點 元素都可能引起嚴重的裂紋,焊接用的氬氣露點低 于-50℃,不得用橡膠管作為氬氣管道,焊接時的層 間溫度控制小于90℃,一定防止過度熱輸入。C- 276合金(57Ni-16Cr-16Mo-5Fe-4W)中鎳、鉻、鉬 和鎢元素含量較高,具有面心立方晶格,密度8.89g/ cm2,是具有很多優異性能的耐蝕合金,對氧化性和 中等還原性腐蝕介質有很好的抵抗能力。具有優異 的抗應力腐蝕開裂能力和耐局部腐蝕的能力。C- 276合金中含有約16%的鉬和4%的鎢,大量的鉬原 子和鎢原子固溶于鎳基奧氏體晶格中,使奧氏體處 于亞穩定狀態。盡管C-276合金中有害元素炭、硫、 磷、硅很少,但在其寬廣的敏化溫度區中,σ相、P 相、μ相等金屬間相很容易沿金界析出,造成C-276 合金原材料的晶間腐蝕敏感性,因此要對C-276合 金螺旋波紋管進行晶間腐蝕試驗。     7.晶間腐蝕試驗     根據江蘇中圣高科技產業有限公司提供的 0.75"和1"C-276合金螺旋波紋管試樣4根,由美 國哈氏合金國際公司(Haynes International,INC)對 其進行了晶間腐蝕試驗和金相分析試驗。腐蝕試驗 介質為ASTM G-28A、ASTMG-28B和沸騰1%鹽 酸,腐蝕率均小于美國哈氏合金國際公司質量控制 指標(表1,略)。金相分析完全符合C-276合金原 材料的顯微結構(圖5、圖6,略)。     8.工程應用     C-276合金螺旋波紋管換熱器在醋酸、甲醛工 業領域得到應用,如某廠甲醛項目改擴建中,管程介 質是甲醛、水等,材料是C-276合金,殼程介質是蒸 汽,材料是304S,自投用以來,運行結果表明,操作 平穩,在熱負荷相同條件下,換熱面積減少30%,各 項工藝指標達到了原設計指標,在節能改造中取得 了明顯的經濟效益。     9.結論     C-276合金螺旋波紋管換熱器以其優良的耐腐蝕性,設備總重量輕,傳熱效率高,適應性大等優點,在各工業領域得到了廣泛的應用。     9.1 C-276合金螺旋波紋管換熱器與光管換熱器相比,其傳熱系數可提高1.3-2.6倍,有效地多回收熱量。     9.2 C-276合金螺旋波紋管換熱器與光管換熱器相比,其結構形式和外形尺寸完全相同,有較好互換性和適應性。     9.3 C-276合金換熱器對耐濕氯、各種氧化性氯化物、氯化鹽溶液、硫酸與氧化性鹽溶液具有優異的耐 腐蝕性,使用壽命可達20年以上。     9.4 C-276合金螺旋波紋管換熱器具有自清污垢作用,能使其保持長期的強化傳熱效果和操作周期。總之C-276合金換熱器是很有推廣應用價值的高效節能產品,近幾年來應用領域不斷擴大,表現出了廣闊地發展前景。     參考文獻(略)      作者簡介 劉豐,江蘇中圣高科技產業有限公司總工程師,教 授級高工。 
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