板翅式换热器的设计 - 图文

板翅式换热器的设计

Development of plate-fin heat exchanger

JI 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 succes of plate-fin heat exchanger of high-pressure increase s a complete ability of Chinas large plant of petroleum and chemical engineer ing ,and the use of Chinas 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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；manufacture▲ 随着我国内陆和沿海油田开发，进入70年代以来，我国石油化学工业得到迅速发展，先后引进多套乙烯和合成氨大型装置，因而这些装置国产化也就提到议事日程，其中的板翅式换热器冷箱是成套装置国产化关键设备之一。 乙烯深冷分离、合成氨氮洗和油田气回收中的冷箱，是由多个板翅式换热器用管道连接并组装在一起放入箱体内，以珠光砂填充作绝热材料组装而成。冷箱中板翅式换热器大多在高压、低温工况下操作，介质系含氢轻烃复杂混合物，且为多股流、多组分的加热、冷却及部分冷凝与部分蒸发的相变换热。因此，物性数据计算和传热性能计算都比较复杂，其正确翅型选择、流道排列及流体均布又直接影响传热计算。为此，1975年原机械部、化工部和石油部联合组织冷箱联合攻关组，将板翅式换热器传热计算方法研究列入国家七五科技攻关项目。20多年来，经科研、设计及制造单位努力，通过大量试验研究和模拟试验运转考核，开发了较为可行的设计计算程序。1985年兰化设计院和兰州石油机械研究所引进了英国传热和流体流动学会(HTFS)板翅式换热器计算程序(MUSEI)。1992年杭氧集团公司在引进美国S.W公司大型真空钎焊炉的同时引进了板翅式换热器设计计算程序，为石油化工板翅式换热器的开发和引进装置国产化创造了条件。 1 设计 1.1 热力计算

板翅式换热器设计，主要包括设计计算和性能校核。设计计算是在一定的工艺参数条件下，计算换热器所需传热面积(或有效长度)。性能校核是在原设计工艺条件发生变化情况下，确定流体出口温度是否满足工艺要求。 多股流板翅式换热器传热计算是将几股热流体和冷液体分别拟合成相当的2股液体，把多股流换热简化成2股流换热，并按逐步热平衡法进行热力计算。为使换热器同一横截面壁温尽可能接近，防止可能产生的温度交叉和热量内部损耗，在计算中必须对每一条通道作周密考虑。若通道排列不当，易造成局部热量不平衡及换热器效率下降，将无法用纯粹增加换热面积的方法来补偿，这已被实践证明。所以在设计过程中，通过对不同流道排列情况下传热计算，以局部热平衡偏差、允许阻力值和流道计算长度偏差为主要控制指标，达到优化设计目的。 1.2 强度设计

由于板翅式换热器芯体结构复杂，钎焊缝的检查受到结构限制，不可能采用X射线无损检查，也不可能作强度核算。美国锅炉及压力容器规范ASME第Ⅷ卷第一分册规定，凡容器或容器部件的强度难以准确计算以保证安全时，其最大许用工作压力可采用试件的爆破压力来确定。我公司采用美国ASENSE软件包，通过有限元应力分析，确定以翅片、封条、隔板全尺寸的300mm×300mm3层流道的模拟试样爆破压力来决定最大许用工作压力。规定试样爆破压力值应不低于设计压力的5倍，且以翅片拉伸断裂为合格。其最大许用工作压力(设计压力)按下式确定：

可见翅片材料实测拉伸强度越高，所得的最大许用工作压力则越低。为得到翅片最大许用工作压力，翅片材料作退火处理，使拉伸强度达到或接近最小值。不同材料翅片最大许用工作压力值见表1，翅片规格说明见图1。

表1 翅片最大许用工作压力值

翅片规格 63.5D1505/5.75 63.5D1705/5.75 63.5J1604/32 63.5J1404/60 63.5D1505/5.75 63.5D1705/5.75 50D1002/5.75 50J14025/32 翅片拉伸强度 额定值/MPa 137.9 137.9 137.9 137.9 96.5 96.5 96.5 96.5 翅片拉伸强度 实测值/MPa 145.0 145.0 141.0 144.5 98.0 101.6 123.0 123.0 翅片爆破 压力值/MPa 39.5 36.0 28.5 33.0 25.0 24.0 18.0 14.0 最大允许工作 压力值/MPa 7.51 6.84 5.57 6.30 4.92 4.56 2.86 2.20 翅片材质 3004+1100 3004+1100 3004+1100 3004+1100 3003 3003 3003 3003 图1 翅片规格说明 1.3 结构设计 石油化工板翅式换热器多数是多股流多组分流体换热，流体在板束流道中的均匀分配是结构设计中1个重要问题，它直接影响换热器性能。特别是对多组分两相流混合物，如果流体在流道中分布不均匀，使沸腾、冷凝在不同的气液平衡条件下进行，放热系数就会大不相同。若严重偏离设计工况，将会使传热性能大为恶化，所以在两相流换热器结构设计中，对此必须引起足够重视。 流体进口中液体的体积百分率在总量的5%～95%时，为使气液两相流体在流道中充分混合并均布，必须将气液两相先分离后，再分别送入换热器进行热交换，并可根据不同工况和操作特牲，选择不同的均布结构形式。最常用的结构形式有：①在板束通道内布置一穿过封条的多孔喷射管，液体直接喷入通道，随气相均匀进入板束。②在板束中设一流向与气流方向相垂直的横流翅片。③封头中加一多孔网板。④封头中设喷管，液体从喷管喷出，并随气相带走。 为使液体在气相中得到均布，使气液两相均匀进入换热器换热，结构设计上必须满足气流速度大于气液夹带速度最小值，即vg＞vs。 式中，vs为横截面上的蒸汽速度，m/s；ρL为液体密度，ρv为蒸汽密度,kg/m；k为气液夹带值，最小值为0.6，安全值1.0。 2 材料与制造 乙烯冷箱、合成氨氮洗设备和油田气回收装置等石化行业中的板翅式换热器，工作压力和温度都高，对铝材选用提出了新的要求。 2.1 材料 板翅式换热器所能承受的最大许用工作压力取决于板束的设计和选用的材料。一般来说，板翅式换热器常用材料为3003，隔板为厚0.8～1.2mm的3003，且包复厚度为8%～12%的4004钎料复合板。对于高压换热器，在设计压力高于5.0MPa时，翅片选用0.5mm的3004及包复厚度10%的1100的复合铝箔，抗拉强度可比3003提高40%～50%，达到140MPa左右，隔板也增厚到1.6～2.0mm，为提高钎缝强度，考虑到较高压力通道所需的钎料合金比低压通道要多，除隔板本身10%钎料包复层外，还需再敷设0.05～0.08mm的4047共晶钎料薄片，较多的合金钎料有利于形成良好的焊角。 必须指出的是，当用户要求产品应符合ASME规范时，制造厂应根据ASME第Ⅱ卷材料D篇性能，用第Ⅱ卷材料B篇非铁基材料和C篇焊条、焊丝及填充金属材料。在工作温度高于90℃时，按ASME规范要求，应对钎焊容器作高温下工艺评定试验。ASME高压板翅式换热器用主要材料见表2。 表2 ASME高压换热器主要材料 部件 翅片 隔板 材料牌号 3003，3004+1100 3003+4004 标准 ASTMB209M ASTMB209M 33003+4004+(4047) 封条 侧板 封头 接管 法兰 2.2 制造 钎焊温度是决定产品质量的关键，它由钎料最大程度充分液化并流动的高温和减小隔板及翅片变形危险的低温二者综合考虑而定。根据钎料化学成分的不同，钎料熔化温度也不同，一般应高于钎料的固相线，但低于液相线，通常为590～605℃，在该温度下钎料的熔化、流动性和湿润性处于最佳状态。 真空钎焊炉的真空度是影响产品质量的主要原因之一，它有效降低炉内氧分压，破除组件表面的氧化膜，并使组件在高真空下不再重新氧化。要求真空炉真空度在1×10Pa以上，否则就难于保证钎焊质量。真空钎焊炉的主要技术特性，见表3。 表3 真空钎焊炉技术特性 性能参数 炉腔尺寸(直径×长度)/mm×mm 有效加热区(宽×高×长)×mm 最大工件尺寸(宽×高×长)×mm 最大质量(工作+夹具)/kg 最高炉温/℃ 加热功率/kW 真空度/Pa 温度偏差/℃ 操作方式 炉子生产厂商 设备投产时间/a 生产能力/ta 我国板翅式换热器在压力等级和品种规格上已形成较为完整系列，产品质量和制造技术已接近世界先进国家同期水平。具体表现为：①无熔剂真空钎焊替代了盐浴浸渍钎焊，新技术的采用不仅大为降低生产成本，且避免了对大气和环境污染，提高了产品质量。②通过对引进技术消化、吸收，突破了高压板翅式换热器制造技术，8.0MPa高压板翅式换热器的开发和研究成功，为我国发展大型石化成套装置创造了条件。 3 结语 自70年代初我国板翅式换热器开发成功以来，先后为上海高桥化工厂和兰化公司303厂生产了乙烯换热器和11.5万t/a成套乙烯冷箱等石油化工板翅式换热器。进入90年代后，石油化工板翅式换热器生产得到较快发展，按美国ASME规范设计制造的40多台高压换热器已出口美国和加拿大等国，为扬子石化、胜利油田、辽河油田、南京化肥厂及山西化肥厂等单位生产的用于乙烯换热器(备件)、油田回收、合成氨尾气回收，天然气回收与液化等各类换热器更多。现在我国板翅式换热器最高设计压力8.0MPa，最大芯体尺寸5800mm×1100mm×1200mm和6000mm×1100mm×900mm，质量达6500kg。产品质量和制造技术达到和接近世界先进水平。①高压板翅式换热器的开发，提高了我国自行设计与制造大型石化成套装置能力，为石油化学工业发展创造了条件，有显著社会效益和经济.-1-43003 3003+4004 3003+4004+(4047) 5083，5454 5083，5454，6061 6061 ASTMB221M ASTMB209M ASTMB209M ASTMB241M ASTMB247M 杭氧集团公司 3000×6 635 1600×2000×6200 1200×1200×6000 14000 800 1440 8×10 ±5 手动 PV/T 1993 300 -4四川空分设备厂 - 1580×1990×6620 1250×1250×6300 14600 800 1416 1×10 ±4 手动或自动 兰州真空设备厂 1994 300 -3开封空分设备厂 - 1580×1990×6620 1250×1250×6300 14600 800 1416 1×10 ±4 手动或自动 兰州真空设备厂 1996 350 -3效益。②我国引进大型合成氨和大型乙烯成套装备有30多套台，运转近20年，已到了需要更换备件和设备改造时间，其中高压板翅式换热器近500t，若以国产设备替代进口，可为国家节省大量外汇。③杭氧集团公司与美国南温特公司(S.W)签订有板翅式换热器销售协议，按ASME规范设计生产，由英国劳氏船级社检验，美国锅炉与压力容器检验师总部NB注册，已有40多台产品出口国外，开始步入工业最发达的美国市场，它说明我国技术水平已进入世界先进行列。

作者简介：嵇训达(1940-)，男(汉族)，浙江湖州人，1964年毕业于浙江大学化工系化工机器 及设备专业，高级工程师，从事热交换设备试验研究与产品设计工作。

作者单位：嵇训达（杭州制氧机集团有限公司， 浙江 杭州 310004） 参考文献：

［1］赵明生总编.机械工程手册(第二版)，通用设备卷，第6篇，气 体分离与液化设备［M］.北京：机械工业出版社，1997.

［2］嵇训达.8.0 Mpa高压铝制板翅式换热器的开发［J］.杭氧科技，1995， (4)：1-4. ［3］陈钟颀.低温工程中常用换热器的一些发展动态［J］.深冷技术，1984， (1)：7-12. ［4］王松汉，嵇训达，胡礼林.板翅式换热器［M］.北京：化学工业出版社， 1984.

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