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氟塑料換熱器工藝設計若干問題探討

點擊:2521 日期:[ 2014-04-26 22:14:10 ]
                          氟塑料換熱器工藝設計若干問題探討                                       王岳衡                     (汕頭海洋(集團)公司  廣東 汕頭 515041)     [摘要]由于氟塑料與金屬材料在物化性質方面的差異,使得氟塑料換熱器在工藝和結構設計方面與金屬換熱器不盡相同。     本文提出氟塑料換熱器工藝(液-液狀態的熱交換)設計的一般原則,分析了影響氟塑料換熱器傳熱系數的因素,通過實踐對如何確 定和提高傳熱系數提出解決方法。     [關健詞]氟塑料;換熱器     氟塑料換熱器是一種新型且可以在較高工作溫度和壓力條件下仍具有耐強腐蝕性能的換熱器。國內對氟塑料換熱器的研究應用起步較晚。1973 年由原鄭州工學院和原錦西化工廠研制開發的“聚四氟乙烯(F-4)管板限脹施壓加熱焊接”和“聚全氟乙丙(Fs-46)金屬溶芯脹一次熔合法”工藝,解決了氟塑料管子與管板連接時的冷流性、難焊接、難熔融加工三個關鍵技術問題后,使氟塑料換熱器的制造與使用成為現實。目前氟塑料換熱器憑借其優異的性能為眾多行業重視及應用。由于氟塑料與金屬材料在物化性質方面的差異,使得氟塑料換熱器在工藝設計方面也與金屬換熱器不盡相同。                     表 1 氟塑料換熱器與金屬換熱器之比較 順序          項目                氟塑料換熱器       金屬換熱器 1          耐腐蝕性能                 優良            一般 2        工作溫度與壓力           范圍有限制       范圍較寬  3           阻力降                   較大             一般 4              結垢                  不易             容易 5              體積                  小                大 6              重量                  輕                重 7       單位體積內提供的傳熱面積     大                小     國內制作氟塑料換熱器換熱管束與管板的材質有聚四氟乙烯和聚全氟乙丙烯兩種。將氟塑料換熱管束和氟塑料管板(與氟塑料或其他材質的折流板、隔板、固定限位環等)組裝以形成冷、熱流體相隔開的結構稱之為換熱元件。     1 氟塑料換熱器工藝(液-液狀態熱交換)設計的一般原則       (1)一般情況下選擇加工性能良好的聚全氟乙丙烯作為換熱管的材質。當對工作溫度或壓力有高要求且傳熱面積不大和流體有強腐蝕性的情況下采用聚四氟乙烯作為換熱管的材質。   (2)一般情況下腐蝕性流體選擇管程。   (3)注意工作壓力與溫度的關聯和限制,在相同的條件下小直徑換熱管的工作壓力大過大直徑換熱管的工作壓力,極限工作壓力取決于冷、熱流體的最高工作溫度。   (4)當管程為腐蝕性流體且混濁或帶有固體顆粒時,不宜采用小管徑或 U 型或盤管沉浸式結構。   (5)在設計槽、釜、塔用 U 型或盤管或其他沉浸式氟塑料換熱器時,容易使設計者疏忽的是:沒有認真地考慮和采取措施去防止整體的換熱器(如作為冷卻器應用于氯油塔頂中,其管程為水,帶支承骨架的盤管沉浸式換熱器的材質全部為氟塑料)或換熱管束(如作為 U 型沉浸式冷卻器應用于取代鑄鐵排管冷卻 98%~93%循環硫酸中,其管程為水,氟塑料換熱元件)在工作時浮起的問題。造成浮起的原因之一是當換熱器的所有部件材質由氟塑料(或有部分材質為非金屬部件)組成可能因其本身自重或組裝強度不夠而散架以致在工作中浮起;原因之二 是當冷、熱流體的密度相差較大而造成浮起。其后果都會使整體的換熱器或換熱管束向上浮起,且懸浮在液體中或在液面上飄來飄去影響熱交換。浮起的后果還會使部分處在相關部件折緣處的換熱管過度彎曲,亦可能造成換熱管折癟或折爆。對槽、釜、塔采用過長的換熱管束也應要求制作成同心編織結構而盡量不采用松散結構。所以,設計者應重視浮起問題,重要的是必須采取相應的措施防范。     (6)在管殼式換熱器殼程流體進口管處需設置防沖板,以防止流體沖刷破壞換熱管束,殼程流體出口管處設可拆裝的非金屬材質的分流檔板或與換熱管束有接觸的表面襯軟性材料,以防止出現虹吸現象而破壞換熱管束。殼程流體出口管處如設置弓形折流板或隔板則要求其間距要小,同時弓形折流板的弓形 缺口與出口管不宜同方向。    (7)管程流體進入各種形式的換熱器之前,若條件許可均應經過過濾裝置。    (8)一般情況下采用無縫鋼管作為管殼式換熱器的殼體,管殼式換熱器安裝后其軸線與地面應有∠3°的傾斜角以有利檢修。    (9)當金屬或非金屬材質的槽、釜、塔或殼體制作完畢后,凡與換熱管束有接觸的表面要求光滑無殘留的焊渣(瘤)與尖銳凸起之物,要求接觸部件折緣處倒大園角。對金屬的槽、釜、塔或殼體,推薦采用防腐蝕襯里,以防止和減緩當換熱管可能遭破壞時泄漏的腐蝕性流體對器壁的腐蝕。要求在殼程或管程的出口處設置取樣口供取樣分析確定換熱管有否遭到破壞。     2 傳熱系數的討論    以選擇聚四氟乙烯管殼式換熱器為例:    傳熱系數計算式:                          從傳熱系數計算式可以看出:當不考慮管壁污垢的影響時,管壁熱阻就決定了傳熱系數的極限,即不論采用何種辦法來強化管壁兩側流體的對流給熱并使之為最理想狀態,其傳熱系數最終由管壁的厚度決定。實際上人們在設計和使用氟塑料換熱器時還會綜合考慮其他影響氟塑料換熱器傳熱系數的因素,諸如工藝條件、結構型式、換熱管徑大小、換熱管內外管壁是否光滑、流體種類與流速狀態、流體是否混濁或有無沉積物或有無固體顆粒、熱交換時有無攪拌等。      因此,在某些工藝條件允許的情況,下盡量減小的管壁厚度是提高傳熱系數的有效方法。這也就是某些廠家愿意選擇小管徑、薄管壁的氟塑料管作為換熱管的重要原因。氟塑料換熱器的換熱管束采用小管徑、薄管壁與金屬換熱器相比較其單位體積具有更多的熱交換面積,這樣尚能彌補氟塑料本身導熱系數低所帶來的缺陷。      金屬換熱器的初始傳熱系數比氟塑料換熱器的傳熱系數大,但金屬換熱器隨著使用時間的延續,其換熱管束的污垢層厚度逐漸增加而使傳熱系數逐漸降低。氟塑料換熱管壁表面光滑且不易結垢,工作時在流體溫度變化的作用下換熱管束易沿軸向和徑向方向頻繁伸縮,其結果可除去污垢有利熱交換。眾所周知判定一臺換熱器傳熱效果的好壞并不取決于初始的傳熱系數,而氟塑料換熱器的傳熱系數則基本恒定。事實上也有事例證明在使用一段時間后,兩種材質的換熱器其傳熱系數相比有可能相差無幾。所以保證氟塑料換熱管束表面的相對干凈是穩定傳熱能力必不可少的條件之一。       聚四氟乙烯的導熱系數 λ 僅為 0.19 W/(m·℃)按性質屬絕熱材料。但人們為什么仍要選擇氟塑料作為換熱器換熱管束的材質呢?這主要是從氟塑料具有耐強腐蝕性能、維修簡單和換熱器壽命長等方面考慮的。此時對傳熱系數的要求則是放在第二位。其實在流體具有強腐蝕性和較高溫與壓力的工藝條件下,使用氟塑料換熱器更能顯示其優異的性能(如將換熱面積為240m2的氟塑料換熱器用于硫酸濃度由 93%稀釋至 63%~70%,酸溫由<160℃冷卻至 70~92℃的熱交換過程,在這種苛刻的操作條件下,換熱器的壽命長達若干年)。       國內目前聚四氟乙烯換熱器常用的換熱管外徑為 6mm,管壁厚度為 0.5mm。倘若不考慮管壁污垢的影響和此時管內外傳熱膜系數取極限值。管壁厚度為 0.5mm 時聚四氟乙烯換熱器的極限傳熱系數值 K=380W/(m2·℃)(=λ/δ=0.19/0.0005)。       按經驗筆者建議設計者在進行氟塑料換熱器設計時其傳熱系數的取值,按以下步驟初步擬定:依工藝條件和氟塑料換熱器制造廠家情況,選擇氟塑料換熱管尺寸及管壁厚度;將管壁厚度帶入傳熱系數計算式即求得極限傳熱系數;取小于 1/2 的極限傳熱系數值作為計算氟塑料換熱器傳熱面積的傳熱系數。                                       為了便于設計,人們提出用傳熱因子計算傳熱膜系數繼而進行傳熱系數計算的概念。通過做不同管徑與流速的流體力學試驗,得出傳熱因子與雷諾數的關聯圖[1],亦建立傳熱因子與傳熱膜系數關系式。       從 J-Re 圖 1 可看出雷諾數對傳熱因子的影響,它與金屬換熱器設計的不同之處,就在于當雷諾數不是很大時就可以得到較為理想的傳熱因子。從 J-Re 圖 1 上還可看出當雷諾數增大時傳熱因子有下降的趨勢,這說明熱交換時流體的冷卻或加熱需要有一定的時間,所以在氟塑料換熱器設計時如何選擇管程流體的流速是設計者應注意的問題。       根據經驗筆者建議:一般情況下管程流體以選擇低流速為宜,其值為金屬換熱器管程流體流速的 1/4~1/6。氟塑料換熱元件的兩端管板在換熱器內雖經固定,但其換熱管束不像金屬換熱器的管束具有很好的剛性。在管、殼程流體流速的作用下,換熱管束仍會產生沿軸向和徑向方向的振動從而使流體更加激烈湍動,從而減少液膜熱阻以提高傳熱系數。適宜的流速還可使流體中帶有的固體顆粒保持懸浮狀態,以防形成污垢和堵管       對于氟塑料管殼式換熱器來說,按傳熱因子法計算和按經驗擬定的傳熱系數與實測所得傳熱系數基本苻合。     3 結論      氟塑料換熱器的設計與制造在國內前者尚沒形成系統的規范,設計者一般是憑借制造廠家的介紹選擇氟塑料換熱器的傳熱系數或換熱面積。后者達不到美國杜邦公司 “蜂窩狀”結構的制造水平。雖某些制造廠家訂有企業標準,但國內開發的兩種氟塑料管板與管子連接工藝與國外的制造工藝相比,雖具有工裝簡單,操作容易和工藝流程短等優點,但勞動生產率低,工藝操作難以機械化、管板材料消耗多,使得氟塑料換熱器價格高昂,影響其推廣應用。盡管目前氟塑料換熱器設計與制造與國外水平相比存在以上差距,但國產氟塑料換熱器在苛刻的化工單元操作條件下,滿足設計和生產要求且好用,這已是不爭的事實,其潛在的能力更為人們重視。所以對氟塑料換熱器的設計與制造都有待于人們更深層次的研究與開發。     參考文獻     [1]董其伍.氟塑料換熱器設計與計算[A].第十屆化工部設備設計技術中心站會議交流資料[C].鄭州:鄭州工學院,1981.19-20.
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