冷却器优化设计和制造控制

1、前言　　 冷却器在我国石油化工、炼油、冶金、轻工、制药、食品等行业应用极为普遍，占全部工艺设备投资的40-60%。近年来，能源与材料费用的不断增长，大大地推动了高效节能冷却器的发展。强化换热和优化结构，在科研和工业应用上展现出蓬勃生机。张家港市江南锅炉压力容器有限公司根据用户的要求，通过优化设计和多年来的经验总结，已在冷却器的设计制造上得到了新的发展。在这里介绍一些经验体会。2、强化传热　　 冷却器是利用一种工质加热或冷却另一种工质，换热管两侧的热阻大小，直接影响着冷却器的换热效果。传热强化仅需对放热系数小的一侧进行，使两侧放热系数接近。对两侧放热系数相近的情况，则就需对两侧同时强化。传热强化的方法，对换热管外主要是采用扩展表面和优化流体流动的方式。对管内主要采用异型管或管内加扰流件的方式。因此对不同的工艺工质，我们应采用不同的强化传热方法。下面介绍几种高效冷却器的特点和运用场合。2.1折流杆换热器　　折流杆换热器是以折流杆取代折流板，在管外改善流体的流动方式，减少折流板造成的流动死区和滞流区，并且使流体在折流杆后产生有效的“涡街”效应，从而达到强化传热的果，同时起到了降低流体阻力和消除换热管的震动造成的损伤、失效等作用。这种结构在液体介质粘度偏大的场合使用最佳。我们将石化炼油行业中原壳程为标准型式的浮头式换热器管束改为折流杆形式的管束后，达到了明显的强化换热效果。2.2波纹管换热器　　波纹管换热器是将换热管加工成内外均呈连续波纹曲线的波纹管，使管子的纵向截面成波形，由相切的大小圆弧构成，由于管内流体的流动截面不断变化，使流体的扰动增加而使传热强化。根据使用测试结果其管内放热系数可较光管提高3-4倍，同时壳程的换热系数也可得到一定程度的提高，使总放热系数提高1-2倍。目前我们已在许多热网换热器中应用。同时在原油加热器及压缩机冷凝器中均取得了良好的效果。之外波纹管换热管在解决管内结垢问题上起到明显的作用。2.3螺旋槽管换热器　　螺旋槽管换热器是将换热管表面加工成螺旋形的凹槽，在管内形成螺旋形凸肋的异型管。流体在管内流动时受螺旋槽的导引，靠近壁面的流体顺螺纹旋转，螺旋形的凸肋使流体产生周期性的扰动，这样可以使流体边界层减薄，并加剧流体的扰动，因而使传热强化。一般其管内放热系数为光管的1.5-2.5倍，总的放热系数可提高0.5-1倍。目前我们在工业锅炉和其它换热器设备中得到广泛应用。2.4螺旋翅片管和纵向翅片管换热器　　螺旋翅片管换热器是将换热管上螺旋缠绕高频焊接扁钢，纵向翅片管换热器是将换热管圆周上沿轴线方向、高频焊接U型翅片。两种冷却器都是通过增加管外侧受热面、改变流体流动的方式来强化传热。实验证明，小管径翅片管束的传热性能优于大管径管束，适当增加翅高和翅间距对传热有利，适当密排对传热有利。螺旋翅片管换热器主要用于流体横向冲刷的场合，纵向翅片管主要用于流体纵向冲刷的场合，同时起到大大缩小冷却器体积的作用。我们在空气预热器、热管换热器及锅炉上，采用了这类换热器，取得了明显的强化换热效果。2.5螺旋折流板换热器　　螺旋折流板换热器对传统折流板换热器进行了大胆的创新。采用与壳体轴线成某一角度状排列的螺旋板作为折流板。使介质在壳体内螺旋推进流动，实现了在较小泵功能消耗条件下较高的传热效果的效果。其特点有：具有较高的传热系数；壳侧流阻较小，无滞流区；不易污垢沉积。延长维修周期，减少维修费用。适用于较粘稠介质。2.6“T”管换热器　　“T”管换热器是采用一种T型截面的螺旋围绕翅片。这样布置产生一种沿管子外表面具有一窄缝的螺旋室，能使周围液体渗入所形成的室内。基于蒸发，气泡沿缝隙长度跑出，起着成核的位子作用，以增强沸腾。这种冷却器总的放热系数比习惯上的低翅片总的放热系数提高约30%，我们大量用于各种蒸发器和余热锅炉，取得了很好的强化换热效果。3、设计制造控制　　冷却器的使用寿命，取决于冷却器的设计、制造、检验和试验的控制。冷却器在不同的工艺使用场合，应有着不同的设计、制造、检验和试验的要求。下面我们讨论一些易出现影响质量的问题。3.1材料的影响　　 在冷却器的设计选材过程中，我们应根据不同的工艺介质特性，选用不同的材料，从而提高换热器的质量水平。如：在具有HCL和H2S应力腐蚀的场合，我们应该采用08Cr2ALMO这种材料；在具有SO2露点腐蚀的情况下我们应该采用ND来延缓腐蚀；在某些特殊的材料还可以采用不锈钢、耐热钢、钛材、锆材及双相不锈钢等，以起到沿长寿命的作用。3.2经济性的影响　　经济上的考虑也会影响 冷却器的质量和寿命。材料的不同，冷却器的价格也会有明显的区别，造成的产品质量寿命也不同。我们在一个工艺流程中首先要进行技术经济分析，对采用不同材料产生的经济效益作分析比较，从而可以得到最佳的选材方案。比如在氟化工、氯化工中设备采用钛及钛以上的材料可以大大延长寿命，但是从经济性来说还是采用普通碳钢材料定期更换更经济。3.3制造的影响　　换热器制造过程中最有争议的问题之一就是选择换热管与管板连接的结构。一般情况下，有三种类型的密封结构：胀接、密封焊、强度焊。从我们多年来制造换热器的实践证明，我们不能简单地认为某种密封结构最好，我们还应根据换热器的介质、工况等特点选择合理的密封结构，必要时还可采用密封焊加强度胀。强度焊加贴胀和强度焊加强度胀等形式。但是无论采用哪种结合形式，换热管的精度和管板的管孔尺寸的加工精度是直接影响结合质量的重要因素。因此选择合格可靠的换热管供应商和控制板管加工质量是制造的关键。同时在管子和管板的焊接和胀接过程中，我们应减少人为因素。采用全自动氩纸焊和电脑控制的胀接手段，确保每个接头都按要求标准制造，这样才能真正控制好换热器的质量，提高寿命。
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