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哈雷釬焊板式換熱器
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蝶環式高效換熱器的開發應用

點擊:2023 日期:[ 2014-04-26 22:45:04 ]
徐志強 摘 要 介紹了蝶環式高效換熱器的結構設計特點、傳熱和壓力降計算方法、設計應用及其較高的經濟和社會效益。 關鍵詞 硫酸 蝶環 傳熱 壓力降 經濟 1  前言   在有色冶煉煙氣制酸和化工系統硫酸生產中,其轉化工段用于高溫三氧化硫氣體與低溫二氧化硫氣體的熱交換設備,均采用管殼列管式換熱器,殼程采用圓缺式折流板。由于殼程氣體在每塊折流板處不可避免地形成較大的滯流區,降低了換熱效率,增加了設備壓力降。其次,殼程采用圓缺式折流板,殼程氣體進出口方位嚴格地受折流板的數量、缺口方向和管束排列方向的限制,因而工藝配置必須增加管道長度,增大占地面積,系統壓力降升高,工程造價加大。   鑒于上述原因,1993 年我院專業技術人員通過對國內外有關資料系統的分析研究,提出了“蝶環式高效換熱器”的結構設計、傳熱和壓力降計算方法,并通過工業試驗、工程使用等科學方法進行驗證,最終開發研制成功了新型“蝶環式高效換熱器”,填補了國家空白,達到國際先進水平,并獲部級科技進步二等獎。   本文對蝶環式高效換熱器的結構設計特點、傳熱和壓力降計算方法、設計應用及經濟社會效益綜述如下。 2  結構設計特點   蝶環式高效換熱器,殼程折流板改用環形板和蝶形板,兩板交替設置;傳熱管按同心變徑圓等節距螺線形布置在管板上,中心區和沿殼體周邊處不設傳熱管,留有一定的氣體通道面積。殼程氣體進入設備后,首先沿殼程圓周通道均勻分布,然后與管束錯流進行熱交換,隨后集中于中心通道區,通過環板流向蝶形板。在蝶板的作用下,中心區域氣體從管束中心錯流流過管束進行第二次換熱,爾后流向殼程圓周通道進行下一次熱交換,直至完成換勢負荷流出殼程,如圖1 所示。   結構設計的重點是要充分考慮管束布置和氣體流路的設置。分析換熱器內部結構可以清楚地看出,殼程的流體通過殼程的流路主要有以下四條: A 流路:氣體通過管束的錯流流路; B 流路:氣體通過殼內徑與蝶形折流板外徑之間的環形旁通流路; C 流路:氣體通過環形折流板內徑的圓形中心流路; D流路,氣體通過殼內徑與環形折流板外徑之間的環形間隙和氣體通過蝶、環形折流板上換熱管外徑與管孔之間的環形間隙,統稱為泄漏流路。   在上述四條流路中,A 流路錯流流路對傳熱是起決定性作用的,因而殼程氣體雷諾數Re值是隨A 流路的設計而確定。對A 流路的設計就是指傳熱管的排列方法,它是以為每根傳熱管都提供良好的換熱條件為原則。對于“蝶環式高效換熱器”設計,由于將圓缺式折流板改為蝶、環形,管束中心部位和其外圓周設有B、C 流路,氣體通過A 流路時,隨B、C 流路而改變流動方向,采用傳統的排管方法已難以發揮蝶環形折流板的特殊優越性。因此開發出了新的排管方法。   B、C 流路是迫使氣體在整個傳熱過程中,改變其流動方向的流路。它的主要功能是使流體均勻地錯流通過管束,以提高傳熱效果。因此對B、C 流路的設計,既要考慮使氣體流動通暢,分布均勻,又要盡量減少氣體在B、C 流路中的壓力降,以經濟合理為原則進行設計。   D 流路泄漏流路對傳熱效果起著衰減作用。D 流路是換熱器在制造、安裝過程中必須留有的間隙。例如,為了便于穿管,蝶、環形折流板上的管孔直徑應大于換熱管外徑;為便于環形板安裝,則環形折流板的外徑應小于殼體的內徑。這些間隙的存在使氣體通過管束時,少量氣體從這些間隙泄漏,而不能進行熱交換交換,產生短路。因此對D 流路設計,應嚴格控制在一定限度范圍內,并盡量減小其面積。   根據上述殼程各流路的位置、功能和作用效果,結構設計的主要任務是管束設計,并建立蝶形折流板、環形折流板、殼體等構件的幾何尺寸與管束的相對關系。 2. 1  管束設計   傳熱管在管板上的排列,常用的有同心圓排列和正三角形排列。采用同心圓排列的管束,部分傳熱相互重疊,因而當氣體流入管束后,重疊的傳熱管處產生渦流,對傳熱不利。當采用正三角形排列時,如果氣體進入管束方向與傳熱管排列方向一致,氣體短路現象嚴重,不能形成錯流流動。因此,管束自身對殼程進、出口方位有一定的限制。   鑒于上述管束排列存在的問題和采用了蝶、環形折流板,在應用計算機對傳熱管排列方法進行了大量的模擬工作后,最終開發出“同心變徑圓等節距螺線形排列”新方法,使氣體從任何角度流入管束,不會產生短路和渦流,管束中氣體分布均勻,強化了A 流路的錯流效果,減少了由于布管不均而造成的壓力降損失,消除了管束對殼程進、出口方位的限定。使工藝配置緊湊,連接管道短、散熱面積小、占地面積省、建設費用降低。這種方法設計的傳熱管排列方式是蝶環式換熱器具有較高傳熱效率和經濟效益的重要因素。   此外,在管束設計時,管束中心區和外側圓周留有較合適的氣體通道,使進入殼程的氣體在流動過程中換向時,無價值的壓力損耗降低。同時,由于管束中心有不布管區,加大了上、下管板的剛度。對于大直徑的換熱器,管板厚度減薄,易于進行剛度結構處理。 2. 2  中心流路尺寸Dt 的確定 尺寸Dt 系指管束內圈傳熱管的內切圓直徑,可按下式計算確定: Dt = (Ws/πρs Vs) 0. 5  m (1) 式中 Dt 中心流路直徑,m; Ws 殼程氣體質量流速,kgPs ; ρs殼程氣體密度,kgPm3 ; Vs 氣體在中心流路的流速,mPs ; 2. 3  蝶形折流板幾何尺寸的確定 蝶形折流板的形狀為圓盤形,其外徑D2 由管束設計確定: D2 = D4 + D0 + (0. 005 ~ 0. 015)  m (2) 式中 D2 蝶形折流板外徑,m; D4 管束外圈傳熱管外切圓直徑,m; D0 傳熱管外徑,m。 2. 4  環形折流板幾何尺寸的確定 環形折流板的內徑D1 是決定C 流路的結構尺寸,可按下式計算確定: D1 = Dt - (0. 01 ~ 0. 015)  m (3)   環板的外徑D3 確定B 流路通道面積,為了減少不必要的壓力降損失,要求氣體通過B 流路的流速與C 流路相等,即按等速原理設計。因此D3 按下式求得: D3 = Dt ( (D1 )2+( D2)2 ) 0. 5  m (4) 2. 5  D 流路設計尺寸的確定   D 流路是泄漏流路,是換熱器在制造、安裝過程中所需要的結構間隙,它由以下兩部分組成。其一是殼體內徑Ds 與環形折流板外徑D3 之間的安裝間隙;其二是蝶、環形折流板上的管孔與傳熱管外徑的安裝間隙。這兩部分的結構尺寸的確定可按國家標準GB151 - 89《鋼制管殼式換熱器》的相關規定進行選取。 3  熱與壓力降計算   對蝶環工式高效換熱器的結構研究,主要是針對殼程的結構進行了開發,管程結構則未作任何變動。因此,對管程部分的傳熱膜系數hi 和管程壓力降ΔPi 的理論計算,均可采用已具有的合適的計算方法和經實踐檢驗較為準確的計算公式進行計算。而殼程部分的ho 和ΔPs 的計算,目前國內尚無成熟的計算方法。在分析研究國內、外的有關資料的基礎上,根據傳熱基礎理論,針對殼程結構和流程設置狀況,應用電子計算機,選用多種計算方法對殼程傳熱膜系數ho 、壓力降ΔPS分別進行模擬計算,并對其結果進行分析比較。由于殼程存在泄漏流路D 和氣體通道B、C ,它們對傳熱和壓力降均有一定的影響,尤其對壓力降的影響更為顯著。因此,要正確地評價如此復雜流動的各種因素,精確地計算傳熱和壓力降是相當困難的。為此,以B. E. short 和B. slipceuic 提出的殼程傳熱膜系數、壓力降計算方法為基礎,在對其未考慮的因素根據Bell 法和工業試驗作相應的補充修正后,對傳熱膜系數和各流路壓力降進行了較好地修正。經過工業試驗與實際的驗證,確定了傳熱膜系數ho 和壓力降ΔPs 的理論計算方法。 3. 1  殼程傳熱膜系數ho 殼程傳熱膜系數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 修正的當量直徑,m; Re 雷諾數; Pr 普朗特數; λs氣體導熱系數;WP(m2·℃) ; D0 傳熱管外徑,m; μs 定性溫度下流體粘度,Pa·s ; μw 管壁溫度下流體粘度,Pa·s ; 3. 2  殼程壓力降ΔPs 根據流路分析,殼程壓力降ΔPs 應為進出口 壓力降及各流路壓力降之和,即: ΔPS = ΔPN + ΔPA + ΔPD + ΔPR  Pa (6) 式中 ΔPN 氣體進出口的壓力降,Pa ; ΔPA 錯流流路壓力降,Pa ; ΔPD 氣體通過蝶板的壓力降,Pa ; ΔPR 氣體通過環板的壓力降,Pa 。 計和調整這些參數,達到換熱器所要求的技術性能。由于其設計計算較為復雜,此處不再詳述。 4  設計應用與效益   工程設計和實際使用證明,由于蝶環式高效換熱器特殊的結構設計,使其與圓缺式換熱器相比,傳熱效率提高了30 %~50 % ,傳熱面積減少20 %~38 % ,殼程壓力降降低30 %~50 %。迄今為止,蝶環式高效換熱器已在銅陵、大冶、沈陽、中條山、株洲等12 個大、中型冶煉廠硫酸單轉單吸和雙轉雙吸兩個不同的生產流程中采用,共計67 臺,其中31 臺已在生產中運行。其傳熱系數在24. 8~32. 5WP(m·℃) 之間,殼程壓力降在400~800Pa 的范圍內。實際使用表明,設備運行穩定、工藝指標先進、熱效率高、壓力降小、操作彈性大,完全滿足了生產需要。 1994 年銅陵第一冶煉廠硫酸車間首次采用2臺蝶環式高效換熱器,更換了原來使用的圓缺式換熱器,不但解決了原換熱器殼程積酸、設備腐蝕嚴重、壽命短的問題,而且傳熱面積由原4000m2降至1702m2 ,設備總重由152t 減至75t ,傳熱面積減少了57. 5 % ,節約投資近142 萬元,僅為原造價的50. 7 % ,經濟效益顯著。   在大冶冶煉廠硫酸三系列和銅陵第二冶煉廠硫酸車間的新建、改造工程中,采用蝶環式高效換熱器,總傳熱面積分別由16608m2 和7508m2 降至13740m2 和4670m2 ,減少了2868m2 和2838m2 ,節約投資約180 萬元和170 萬元。同時轉化系統工藝配置更加緊湊,占地面積減少了10 %~20 % ,系統連接管道縮短,降低了系統總壓力降,從而減少了工程建設費用,降低了生產成本。 沈陽冶煉廠和中條山冶煉廠改建工程中,硫酸轉化系統引進了加拿大制造的新型轉換器,鑒于其配套設備技術水平和工藝配置等技術原因,應同時引進其配套高效換熱器。但在對國外提供的換熱器技術資料分析研究后,工程采用了蝶環式高效換熱器,替代國外產品,滿足了工程需要,提高了轉化系統總體技術水平,為國家節省了大量的外匯。   因此可見,蝶環式高效換熱器降低了設備一次投資,節約了外匯,同時使我國硫酸轉化系統裝備技術水平與國際技術水平同步,具有較高的經濟效益和社會效益。  
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