板翅式換熱器的設(shè)計(jì)

1、板翅式換熱器的設(shè)計(jì)Development of plate-fin heat exchangerJI Xun-da(Hangzhou Oxygen Plant Group Co. Ltd., Hangzhou 310004, China )Abstract： A technical development of developing, designing and manufacturing of plate-fin heat exchanger for petroleum and chemical engineering are described . The developmental su

2、cces of plate-fin heat exchanger of high-pressure increase s a complete ability of China Ds large p lant of petroleum and chemical engineer ing ,and the use of China Ds plate-fin heat exchanger in impoted units. The produc t has been exported to U.S.A.It marks the advanced technical level of China D

3、s pla te-fin heat exchanger in the world.Key words: plate-fin heat exchanger;calculation d esign; equal destribution of two phase-flowages; material ； manufactured隨著我國內(nèi)陸和沿海油田開發(fā)，進(jìn)入70年代以來，我國石油化學(xué)工業(yè)得到迅速發(fā)展，先后引進(jìn)多套乙烯和合成氨 大型裝置，因而這些裝置國產(chǎn)化也就提到議事日程，其中的板翅式換熱器冷箱是成套裝置國產(chǎn)化關(guān)鍵設(shè)備之一。乙烯深冷分離、合成氨氮洗和油田氣回收中的冷箱，是由多個(gè)板翅式換熱器用管道連

4、接并組裝在一起放入箱體內(nèi)， 以珠光砂填充作絕熱材料組裝而成。冷箱中板翅式換熱器大多在高壓、低溫工況下操作，介質(zhì)系含氫輕烴復(fù)雜混合物， 且為多股流、多組分的加熱、冷卻及部分冷凝與部分蒸發(fā)的相變換熱。因此，物性數(shù)據(jù)計(jì)算和傳熱性能計(jì)算都比較復(fù) 雜，其正確翅型選擇、流道排列及流體均布又直接影響傳熱計(jì)算。為此，1975年原機(jī)械部、化工部和石油部聯(lián)合組織 冷箱聯(lián)合攻關(guān)組，將板翅式換熱器傳熱計(jì)算方法研究列入國家七五科技攻關(guān)項(xiàng)目。20多年來，經(jīng)科研、設(shè)計(jì)及制造單 位努力，通過大量試驗(yàn)研究和模擬試驗(yàn)運(yùn)轉(zhuǎn)考核，開發(fā)了較為可行的設(shè)計(jì)計(jì)算程序。1985年蘭化設(shè)計(jì)院和蘭州石油機(jī) 械研究所引進(jìn)了英國傳熱和流體流動(dòng)學(xué)會(huì)(H

5、TFS)板翅式換熱器計(jì)算程序(MUSEI)。1992年杭氧集團(tuán)公司在引進(jìn)美國S.W 公司大型真空釬焊爐的同時(shí)引進(jìn)了板翅式換熱器設(shè)計(jì)計(jì)算程序，為石油化工板翅式換熱器的開發(fā)和引進(jìn)裝置國產(chǎn)化創(chuàng) 造了條件。1設(shè)計(jì)1.1熱力計(jì)算板翅式換熱器設(shè)計(jì)，主要包括設(shè)計(jì)計(jì)算和性能校核。設(shè)計(jì)計(jì)算是在一定的工藝參數(shù)條件下，計(jì)算換熱器所需傳熱 面積(或有效長度)。性能校核是在原設(shè)計(jì)工藝條件發(fā)生變化情況下，確定流體出口溫度是否滿足工藝要求。多股流板翅式換熱器傳熱計(jì)算是將幾股熱流體和冷液體分別擬合成相當(dāng)?shù)?股液體，把多股流換熱簡化成2股流 換熱，并按逐步熱平衡法進(jìn)行熱力計(jì)算。為使換熱器同一橫截面壁溫盡可能接近，防止可能產(chǎn)生的

6、溫度交叉和熱量內(nèi) 部損耗，在計(jì)算中必須對(duì)每一條通道作周密考慮。若通道排列不當(dāng)，易造成局部熱量不平衡及換熱器效率下降，將無 法用純粹增加換熱面積的方法來補(bǔ)償，這已被實(shí)踐證明。所以在設(shè)計(jì)過程中，通過對(duì)不同流道排列情況下傳熱計(jì)算， 以局部熱平衡偏差、允許阻力值和流道計(jì)算長度偏差為主要控制指標(biāo)，達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)目的。1.2強(qiáng)度設(shè)計(jì)由于板翅式換熱器芯體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，釬焊縫的檢查受到結(jié)構(gòu)限制，不可能采用X射線無損檢查，也不可能作強(qiáng)度核 算。美國鍋爐及壓力容器規(guī)范ASME第伽卷第一分冊(cè)規(guī)定，凡容器或容器部件的強(qiáng)度難以準(zhǔn)確計(jì)算以保證安全時(shí)，其最 大許用工作壓力可采用試件的爆破壓力來確定。我公司采用美國ASENSE軟件

7、包，通過有限元應(yīng)力分析，確定以翅片、 封條、隔板全尺寸的300mmX300mm3層流道的模擬試樣爆破壓力來決定最大許用工作壓力。規(guī)定試樣爆破壓力值應(yīng)不 低于設(shè)計(jì)壓力的5倍，且以翅片拉伸斷裂為合格。其最大許用工作壓力(設(shè)計(jì)壓力)按下式確定：可見翅片材料實(shí)測(cè)拉伸強(qiáng)度越高，所得的最大許用工作壓力則越低。為得到翅片最大許用工作壓力，翅片材料作 退火處理，使拉伸強(qiáng)度達(dá)到或接近最小值。不同材料翅片最大許用工作壓力值見表1，翅片規(guī)格說明見圖1。表1翅片最大許用工作壓力值翅片規(guī)格翅片拉伸強(qiáng)度 額定值/MPa翅片拉伸強(qiáng)度 實(shí)測(cè)值/MPa翅片爆破 壓力值/MPa最大允許工作 壓力值/MPa翅片材質(zhì)63.5D150

8、5/5.75137.9145.039.57.513004+110063.5D1705/5.75137.9145.036.06.843004+110063.5J1604/32137.9141.028.55.573004+110063.5J1404/60137.9144.533.06.303004+110063.5D1505/5.7596.598.025.04.92300363.5D1705/5.7596.5101.624.04.56300350D1002/5.7596.5123.018.02.86300350J14025/3296.5123.014.02.203003圖1翅片規(guī)格說明1.3結(jié)構(gòu)設(shè)

9、計(jì)石油化工板翅式換熱器多數(shù)是多股流多組分流體換熱，流體在板束流道中的均勻分配是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中1個(gè)重要問 題，它直接影響換熱器性能。特別是對(duì)多組分兩相流混合物，如果流體在流道中分布不均勻，使沸騰、冷凝在不同的 氣液平衡條件下進(jìn)行，放熱系數(shù)就會(huì)大不相同。若嚴(yán)重偏離設(shè)計(jì)工況，將會(huì)使傳熱性能大為惡化，所以在兩相流換熱 器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，對(duì)此必須引起足夠重視。流體進(jìn)口中液體的體積百分率在總量的5%95%時(shí)，為使氣液兩相流體在流道中充分混合并均布，必須將氣液兩 相先分離后，再分別送入換熱器進(jìn)行熱交換，并可根據(jù)不同工況和操作特牲，選擇不同的均布結(jié)構(gòu)形式。最常用的結(jié) 構(gòu)形式有：在板束通道內(nèi)布置一穿過封條的多孔噴射管，

10、液體直接噴入通道，隨氣相均勻進(jìn)入板束。在板束中設(shè) 一流向與氣流方向相垂直的橫流翅片。封頭中加一多孔網(wǎng)板。封頭中設(shè)噴管，液體從噴管噴出，并隨氣相帶走。為使液體在氣相中得到均布，使氣液兩相均勻進(jìn)入換熱器換熱，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上必須滿足氣流速度大于氣液夾帶速度 最小值，即vgvs。式中，vs為橫截面上的蒸汽速度，m/s； P L為液體密度，P v為蒸汽密度,kg/m3； k為氣液夾帶值，最小值為0.6，安 全值1.0。2材料與制造乙烯冷箱、合成氨氮洗設(shè)備和油田氣回收裝置等石化行業(yè)中的板翅式換熱器，工作壓力和溫度都高，對(duì)鋁材選用 提出了新的要求。2.1材料板翅式換熱器所能承受的最大許用工作壓力取決于板束的設(shè)計(jì)

11、和選用的材料。一般來說，板翅式換熱器常用材料 為3003，隔板為厚0.81.2mm的3003，且包復(fù)厚度為8%12%的4004釬料復(fù)合板。對(duì)于高壓換熱器，在設(shè)計(jì)壓力 高于5.0MPa時(shí)，翅片選用0.5mm的3004及包復(fù)厚度10%的1100的復(fù)合鋁箔，抗拉強(qiáng)度可比3003提高40%50%，達(dá) 到140MPa左右，隔板也增厚到1.62.0mm，為提高釬縫強(qiáng)度，考慮到較高壓力通道所需的釬料合金比低壓通道要多， 除隔板本身10%釬料包復(fù)層外，還需再敷設(shè)0.050.08mm的4047共晶釬料薄片，較多的合金釬料有利于形成良好的 焊角。必須指出的是，當(dāng)用戶要求產(chǎn)品應(yīng)符合ASME規(guī)范時(shí)，制造廠應(yīng)根據(jù)ASM

12、E第II卷材料D篇性能，用第II卷材料B 篇非鐵基材料和C篇焊條、焊絲及填充金屬材料。在工作溫度高于90C時(shí)，按ASME規(guī)范要求，應(yīng)對(duì)釬焊容器作高溫 下工藝評(píng)定試驗(yàn)。ASME高壓板翅式換熱器用主要材料見表2。表2 ASME高壓換熱器主要材料部件材料牌號(hào)標(biāo)準(zhǔn)翅片3003， 3004+1100ASTMB209M1隔板3003+4004ASTMB209M3003+4004+(4047)封條3003ASTMB221M側(cè)板3003+40043003+4004+(4047)ASTMB209M封頭5083， 5454ASTMB209M接管5083， 5454， 6061ASTMB241M法蘭6061ASTM

13、B247M2.2制造釬焊溫度是決定產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵，它由釬料最大程度充分液化并流動(dòng)的高溫和減小隔板及翅片變形危險(xiǎn)的低溫二 者綜合考慮而定。根據(jù)釬料化學(xué)成分的不同，釬料熔化溫度也不同，一般應(yīng)高于釬料的固相線，但低于液相線，通常 為590605C，在該溫度下釬料的熔化、流動(dòng)性和濕潤性處于最佳狀態(tài)。真空釬焊爐的真空度是影響產(chǎn)品質(zhì)量的主要原因之一，它有效降低爐內(nèi)氧分壓，破除組件表面的氧化膜，并使組 件在高真空下不再重新氧化。要求真空爐真空度在1 X10-4Pa以上，否則就難于保證釬焊質(zhì)量。真空釬焊爐的主要技 術(shù)特性，見表3。表3真空釬焊爐技術(shù)特性性能參數(shù)杭氧集團(tuán)公司四川空分設(shè)備廠開封空分設(shè)備廠爐腔尺寸（

14、直徑X長度）/mmXmm3000X6 635-有效加熱區(qū)（寬X高X長）Xmm1600X2000X62001580X 1990X66201580X1990X6620最大工件尺寸（寬X 高 X長）Xmm1200X1200X60001250X 1250X63001250X 1250X6300最大質(zhì)量（工作+夾具）/kg140001460014600最高爐溫/C800800800加熱功率/kW144014161416真空度/Pa8X10-41X10-31X10-3溫度偏差/C544操作方式手動(dòng)手動(dòng)或自動(dòng)手動(dòng)或自動(dòng)爐子生產(chǎn)廠商PV/T蘭州真空設(shè)備廠蘭州真空設(shè)備廠設(shè)備投產(chǎn)時(shí)間/a199319941996生

15、產(chǎn)能力/t.a-1300300350我國板翅式換熱器在壓力等級(jí)和品種規(guī)格上已形成較為完整系列，產(chǎn)品質(zhì)量和制造技術(shù)已接近世界先進(jìn)國家同 期水平。具體表現(xiàn)為：無熔劑真空釬焊替代了鹽浴浸漬釬焊，新技術(shù)的采用不僅大為降低生產(chǎn)成本，且避免了對(duì) 大氣和環(huán)境污染，提高了產(chǎn)品質(zhì)量。通過對(duì)引進(jìn)技術(shù)消化、吸收，突破了高壓板翅式換熱器制造技術(shù)，8.0MPa高 壓板翅式換熱器的開發(fā)和研究成功，為我國發(fā)展大型石化成套裝置創(chuàng)造了條件。3結(jié)語自70年代初我國板翅式換熱器開發(fā)成功以來，先后為上海高橋化工廠和蘭化公司303廠生產(chǎn)了乙烯換熱器和 11.5萬t/a成套乙烯冷箱等石油化工板翅式換熱器。進(jìn)入90年代后，石油化工板翅式換

16、熱器生產(chǎn)得到較快發(fā)展，按 美國ASME規(guī)范設(shè)計(jì)制造的40多臺(tái)高壓換熱器已出口美國和加拿大等國，為揚(yáng)子石化、勝利油田、遼河油田、南京 化肥廠及山西化肥廠等單位生產(chǎn)的用于乙烯換熱器（備件）、油田回收、合成氨尾氣回收，天然氣回收與液化等各類 換熱器更多?，F(xiàn)在我國板翅式換熱器最高設(shè)計(jì)壓力8.0MPa，最大芯體尺寸5800mmX1100mmX1200mm和 6000mmX1100mmX900mm，質(zhì)量達(dá)6500kg。產(chǎn)品質(zhì)量和制造技術(shù)達(dá)到和接近世界先進(jìn)水平。高壓板翅式換熱器的開 發(fā)，提高了我國自行設(shè)計(jì)與制造大型石化成套裝置能力，為石油化學(xué)工業(yè)發(fā)展創(chuàng)造了條件，有顯著社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì) 效益。我國引進(jìn)大型合成氨和大型乙烯成套裝備有30多套臺(tái)，運(yùn)轉(zhuǎn)近20年，已到了需要更換備件和設(shè)備改造時(shí) 間，其中高壓板翅式換熱器近500t，若以國產(chǎn)設(shè)備替代進(jìn)口，可為國家節(jié)省大量外匯。杭氧集團(tuán)公司與美國南溫 特公司（S.W）簽訂有板翅式換熱器銷售協(xié)議，按ASME規(guī)范設(shè)計(jì)生產(chǎn)，由英國勞氏船級(jí)社檢驗(yàn)，美國鍋爐與壓力容器 檢驗(yàn)師總部NB注冊(cè)，已有40多臺(tái)產(chǎn)品出口國外，開始步入工業(yè)最發(fā)達(dá)的美國市場(chǎng)，它說明我國技術(shù)水平已進(jìn)入世 界先進(jìn)行列。作者簡介：嵇訓(xùn)達(dá)（1940-），男（漢族），浙江湖州人，1964年畢業(yè)于浙