Development of plate.docx
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Developmentofplate
Developmentofplate-finheatexchanger
JIXun-da
(HangzhouOxygenPlantGroupCo.Ltd.,Hangzhou310004,China)
Abstract:
Atechnicaldevelopmentofdeveloping,designingandmanufacturingofplate-finheatexchangerforpetroleumandchemicalengineeringaredescribed.Thedevelopmentalsuccesofplate-finheatexchangerofhigh-pressureincreasesacompleteabilityofChinaslargeplantofpetroleumandchemicalengineering,andtheuseofChinasplate-finheatexchangerinimpotedunits.TheproducthasbeenexportedtoU.S.A.ItmarkstheadvancedtechnicallevelofChinasplate-finheatexchangerintheworld.
Keywords:
plate-finheatexchanger;calculationdesign;equaldestributionoftwophase-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
翅片拉伸强度
额定值/MPa
翅片拉伸强度
实测值/MPa
翅片爆破
压力值/MPa
最大允许工作
压力值/MPa
翅片材质
63.5D1505/5.75
137.9
145.0
39.5
7.51
3004+1100
63.5D1705/5.75
137.9
145.0
36.0
6.84
3004+1100
63.5J1604/32
137.9
141.0
28.5
5.57
3004+1100
63.5J1404/60
137.9
144.5
33.0
6.30
3004+1100
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CFD技术在板翅式换热器设计中
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关键词:
换热器传热
回顾了计算流体动力学(CFD)几年来的发展现状,并且介绍了计算流体动力学(CFD)技术应用的领域、CFD软件的一般结构以及各种商业软件的特点,同时阐明了CFD技术在板翅式换热器设计应用方面的优越性,并指出了我国在CFD技术研究领域与国际先进水平的差距及进一步开展CFD研究的方向。
关键词:
CFD技术 板翅式换热器 研究 应用
1 引言
CFD(ComputationalFluidDynamics,即计算流体动力学,简称CFD[1])是目前国际上一个强有力的研究领域,是进行传热、传质、动量传递及燃烧、多相流和化学反应研究的核心和重要技术,广泛应用于航天设计、汽车设计、生物医学工业、化工处理工业、涡轮机设计、半导体设计、HAVC&R等诸多工程领域,板翅式换热器设计是CFD技术应用的重要领域之一。
CFD在最近20年中得到飞速的发展,除了计算机硬件工业的发展给它提供了坚实的物质基础外,还主要因为无论分析的方法或实验的方法都有较大的限制,例如由于问题的复杂性,既无法作分析解,也因费用昂贵而无力进行实验确定,而CFD的方法正具有成本低和能模拟较复杂或较理想的过程等优点。
经过一定考核的CFD软件可以拓宽实验研究的范围,减少成本昂贵的实验工作量。
在给定的参数下用计算机对现象进行一次数值模拟相当于进行一次数值实验,历史上也曾有过首先由CFD数值模拟发现新现象而后由实验予以证实的例子。
CFD软件一般都能推出多种优化的物理模型[2],如定常和非定常流动、层流、紊流、不可压缩和可压缩流动、传热、化学反应等等。
对每一种物理问题的流动特点,都有适合它的数值解法,用户可对显式或隐式差分格式进行选择,以期在计算速度、稳定性和精度等方面达到最佳。
CFD软件之间可以方便地进行数值交换,并采用统一的前、后处理工具,这就省却了科研工作者在计算机方法、编程、前后处理等方面投入的重复、低效的劳动,而可以将主要精力和智慧用于物理问题本身的探索上。
2 CFD技术在板翅式换热器设计开发方面的优越性
板翅式换热器是一种高效、紧凑式换热器,随着加工工艺技术的发展,其应用范围不断扩展,目前广泛应用于空气分离、石油化工、天然气液化、合成氨等工业领域[3],其突出优点是结构紧凑、便于多股流布置、小温差和大温降换热。
传统的板翅式换热器设计一般仅依靠简单的理论及实验分析来确定板翅式换热器的结构形式,但是这需要大量的实验经费以及很长的实验周期,而且这样得到的结构形式并不能确保为最佳的方案,传统的板翅式换热器设计流程[4]如图1。
从传统设计流程图中可以看到在传统的板翅式换热器设计过程中,设计可行与否往往取决于试验,为保证性能稳定,就不得不进行大量试验,而且产品方案的筛选和优化是在设计、制造、测试部门之间进行大循环,由于牵涉的环节多,产品的开发周期长、费用高;对工程设计而言,往往需要进行方案选择、优化,但是由于板翅式换热器内流体流动与传热规律是十分复杂的[5],仅靠实验测试并不能最终达到开发新产品和精确设计的目的。
从上面所述不难看出,完全通过传统实验研究不能很好的达到板翅式换热器优化设计的目的。
因此,近年来国内外重点加强了设计制造方法学的研究,提出通过“数值试验”——计算流体力学(CFD)模拟计算,来评价、选择和优化设计方案,从而大幅度地减少实验室和实体试验研究工作量[6],而且获得的结果直观、快捷。
CFD设计流程图表明换热器的设计方案可以仅通过CFD计算结果就可以进行评估,并且由于CFD软件可以比较快捷、准确及直观的反映出流体在换热器中流动的过程,如速度场、压力场、温度场或浓度场的分布,因此很容易从对流场的分析中发现样品设计中存在的问题,及时的反馈并进行设计方案的改进,从而避免了浪费大量的人力、物力和时间。
而实验测量仅起到验证计算结果的目的,大大减少了时间和经费。
板翅式换热器的CFD优化设计可以在满足用户性能要求的前提下,具有最小的投资费用和运转费用。
优化设计包括翅型选择、流通布置、流体均布、温度场分布和纵向热传导的考虑等等。
在设计中,以局部热平衡偏差、允许阻力值、流道计算长度偏差为主要控制指标,进行流通排列分配,使设计更趋合理,对流体间温差小、温降大的低温热换器更为重要。
因此,CFD技术在板翅式换热器的优化设计方面体现了无比的优越性,是一个很大的飞跃,对今后板翅式换热器的研制具有深远的影响。
3 CFD软件的总体介绍
3.1CFD软件的一般结构
CFD软件的一般结构由前处理、求解器、后处理三部分组成,如图3所示。
前处理、求解器及后处理三大模块,各有其独特的作用,分别表示如下:
一般结构
前处理
a.几何模型
b.划分网格
求解器
a.确定CFD方法的控制方程
b.选择离散方法进行离散
c.选用数值计算方法
d.输入相关参数
后处理
速度场、温度场、压力场及其它参数的计算机可视化及动画处理
3.2商业软件介绍
自从1981年英国CHAM公司首先推出求解流动与传热问题的商业软件PHOENICS以来,迅速在国际软件产业中形成了通称为CFD软件的产业市场。
到今天,全世界至少已有50余种这样的流动与传热问题的商业软件,在促进CFD技术应用于工业实际中起了很大的作用。
下面介绍当今世界上应用较广的CFD商业软件。
(1)CFX
该软件采用有限容积法、拼片式块结构化网络,在非正交曲线坐标(适体坐标)系上进行离散,变量的布置采用同位网格方式。
对流项的离散格式包括一阶迎风、混合格式、QUICK、CONDIF、MUSCI及高阶迎风格式。
压力与速度的耦合关系采用SIMPLE系列算法(SIM2PLEC),代数方程求解的方法中包括线迭代、代数多重网络、ICCG、STONE强隐方法及块隐式(BIM)。
软件可计算不可压缩及可压缩流动、耦合传热问题、多相流、化学反应、气体燃烧等问题。
(2)FIDAP
这是英语FluidDynamicsAnalysisPackage的缩写,系于1983年由美国FluidDynam2icsInternationalInc.推出,是世界上第一个使用有限元法(FEM)的CFD软件。
可以接受如I-DEAS、PATRAN、ANSYS和ICEMCFD等著名生成网格的软件所产生的网格。
该软件可以计算可压缩及不可压缩流、层流与湍流、单相与两相流、牛顿流体及非牛顿流体的流动问题。
(3)FLUENT
这一软件由美国FLUENTInc.于1983年推出,是继PHOENICS软件之后的第二个投放市场的基于有限容积法的软件。
它包含有结构化及非结构化网格两个版本。
在结构化网格版本中有适体坐标的前处理软件,同时也可以纳入I-DEAS、PATRAN、ANSYS和ICEMCFD等著名生成网格的软件所产生的网格。
速度与压力耦合采用同位网格上的SIM2PLEC算法。
对流项差分格式纳入了一阶迎风、中心差分及QUICK等格式。
软件能计算可压缩及不可压缩流动、含有粒子的蒸发、燃烧过程、多组分介质的化学反应过程等问题。
(4)PHOENICS
这是世界上第一个投放市场的CFD商业软件,可以算是CFD商用软件的鼻祖。
这一软件中所采用的一些基本算法,如SIMPLE方法、混合格式等,正是由该软件创始人DBSpalding及其合作者SVPatankar等所提出的,对以后开发的商业软件有较大的影响。
近年来,PHOENICS软件在功能上与方法方面做了较大的改进,包括纳入拼片式多网格及细密网格嵌入技术,同位网格及非结构化网格技术;在湍流模型方面开发了通用的零方程、低Reynoldsk-E模型、RNGk-E模型等。
应用这一软件可计算大量的实际工作问题,其中包括:
城市污染预测、叶轮中的流动、管道流动。
(5)STAR-CD
这一软件名称是英语SimulationofTurbulentFlowinArbitraryRegion的缩写,连字符后的CD是开发商ComputationalDynamicsLtd的简称。
这是基于有限容积法的一个通用软件。
在网格生成方面,采用非结构化网格,单元的形态可以有六面体、四面体、三角形截面的棱柱体、金字塔形的锥体及六种形状的其它多面体。
应用这一软件可以计算稳态与非稳态流动、牛顿流及非牛顿流体的流动、多孔介质中的流动、亚音速及超音速流动,并且这一软件在世界汽车工业中应用的十分广泛。
4 我国板翅式换热器CFD研究的发展方向
自1993年西欧共同体解除了PHOENICS商业软件对中国的禁运,我国各高校及研究所陆续引进各种CFD商业软件并且对CFD技术在板翅式换热器的优化设计应用的研究已取得了很大的进步,其中西安交通大学制冷系率先从国外引进CFD商业软件并且结合数值计算理论知识对软件加以完善。
经过多年不断努力,已成功的将CFD技术应用到板翅式换热器的优化设计、涡轮叶片设计、制冷低温等多方面领域,但是由于起步晚的原因,我国CFD技术与发达国家还有很大的差距。
我国CFD技术在板翅式换热器的优化设计应用的研究方面还有大量工作要做,主要表现在以下几个方面:
(1)继续加强前处理几何模型建立的功能;
(2)继续加强复杂形面网格划分的技术;(3)继续加强数值求解理论算法的改进;(4)继续加强计算结果可视化技术;(5)继续加强CFD软件在解决板翅式换热器内部复杂流动与换热的功能。
5 结论
综上所述,CFD技术有着极其广泛的应用前景,对我国的现代化建设和社会的持续发展有着不可忽视的影响。
21世纪的CFD技术是现代计算流体动力学发展的深化和继续,随着CFD技术在板翅式换热器设计开发中越来越广泛的应用,对其进行的研究与工程实际需求还相差较远,还需将理论分析、实验研究、CFD数值模拟三者紧密的结合起来以相互补充,这是研究板翅式换热器问题的理想而有效的手段。
可以预期,随着计算机工业和数值方法的进一步发展,CFD技术将会发挥其越来越大的作用。
SMGK型换热器
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关键词:
换热器传热
介绍了SMGK型换热器的开发和应用情况。
该换热器采用了静态混合器、折流杆和带导流板传热夹套3项强化传热技术,提高了传热系数,并在合成氨厂作为变换热交换器试用成功。
关键词 静态混合器 折流杆换热器 导流板 热交换器
在目前的石油和化工生产中,管壳式换热器应用得较为广泛。
为了满足工业生产不断发展和扩大的需要,研究开发传热效率高、结构可靠的新型管壳式换热器具有十分重要的意义。
自1981年以来,笔者相继开发出了SMK型、SMK2Ⅱ型和SMGK型系列管壳式换热器,本文主要介绍SMGK型换热器的开发及其应用情况。
1 SMGK型换热器的结构设计特点
SMGK型换热器的结构如图1所示。
这是在合成氨厂作为变换热交换器使用的SMGK型换热器,它主要由静态混合元件、换热管束、折流杆构成的折流圈、壳体和带导流板的夹套组成。
变换气走壳程、半水煤气走夹套和管内。
SMGK型换热器的主要结构特点有以下几方面:
a.GK型静态混合元件(图2)强化了管内传热,提高了管内传热膜系数(如图3所示,安装GK型元件的换热管的传热系数是空管的两倍左右);
b.采用了折流杆这种新型的支撑管子结构,改善了壳程流体的流动状况[1];
c.采用带导流板的传热夹套,提高了夹套内的传热膜系数;
d.壳程流体的进出口采用外夹套形式,在壳体上开了一些周向分布的孔,以减轻流体对管子的冲刷和腐蚀,延长了管子的使用寿命。
2 SMGK型换热器在合成氨厂的应用
中牟县化肥厂的合成氨能力是年产4万t,其变换工段的热交换器是传统的列管式换热器,管内走半水煤气,管间走变换气。
在使用过程中,这种换热器由于半水煤气中的H2S、CO2与水蒸气作用形成弱酸,弱酸对管束产生腐蚀,加上半水煤气进口气体对管束产生的冲刷磨损,使靠近管板的管束腐蚀严重,设备寿命减短,其寿命长的仅为一年。
同时,半水煤气中的油污和水的硬度产生的结垢还易造成管子的堵塞。
中牟县化肥厂1993年对变换热交换器进行了改造,改成了中心管式换热器,半水煤气的进出口接管也稍有改变,改造后的设备腐蚀状况有所缓解,但没有完全解决腐蚀问题。
1995年5月,该厂采用SMGK型换热器作为变换换热器后,解决了管子腐蚀和堵塞的问题。
SGMK型换热器在设计和使用过程中,还有针对性地采取了一些措施:
a.在工艺上,采用430℃变换气走壳程,来加热半水煤气,使半水煤气在夹套内的温度由130℃升高到160℃左右,然后进入管束,在管束内由160℃升到310℃,来满足生产的需要。
采用这种工艺,可使半水煤气进入换热管束的温度在弱酸的露点之上,减轻了半水煤气对管子进口处的腐蚀;
b.在选材上,在半水煤气进入换热管束的进口端加一段不锈钢管,进一步防止半水煤气与水蒸气产生的弱酸腐蚀管子,提高管子的使用寿命;c.为了减轻换热管的堵塞,在半水煤气进入换热管之前滤去其中的煤焦油和杂质,减轻换热管的堵塞和腐蚀。
SMGK型换热器作为变换热交换器在中牟县化肥厂投运以来,各项指标均达到了生产要求,运行平稳正常,满足了生产的要求。
笔者将SMGK型换热器与普通管壳式换热器的使用情况进行了对比(表1)。
从表1可知,与普通管壳式换热器相比,SMGK型换热器在使用过程中,具有一些显著的优点:
a.高效性。
SMGK型换热器的总传热系数K提高了50%以上,在生产能力相同甚至扩大的情况下,传热面积减少。
b.节能。
由于总传热系数提高,传热面积减少,换热管长缩短,阻力下降,总流体阻力ΔP下降20%,传热综合性能指标K/ΔP提高了180%。
c.节汽效果显著。
采用SMGK型换热器后,半水煤气的温度可以达到350℃,能满足生产的需求,添加的蒸汽就可以减少,据分析每吨合成氨节气在400kg以上,半年累计节汽约7万t。
d.操作稳定和操作弹性大。
在系统气量变化达40%以上时,换热器管壳的进出口温度在仪表上看不出变化。
e.管子耐腐蚀和防堵性能好,使用周期长,维修费用低。
f.设备寿命长。
SMGK型换热器的使用寿命是普通管壳式换热器的3倍以上,在中牟化肥厂,SMGK型换热器自1995年投运以来,至今仍在使用。
g.用材省、造价低。
SMGK型换热器可以节省价格比较高的换热管材料,设备造价可降低一半或更多,设备投资减少。
3 结束语
SMGK型换热器由于采用了静态混合器技术、折流杆技术和带螺旋导流板的夹套结构,在合成氨厂作为变换热交换器使用时又采用了合理的工艺方案,该设备在使用后,运行良好,不仅克服了普通换热器存在的问题,而且还表现出高效、节能、经济、节材、操作稳定和使用寿命长的优点,带来了很可观的直接和间接经济效益。
SMGK型换热器是一种新型高效的换热设备,具有广泛的应用前景。
HastelloyC-276材料在板式换热器
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关键词:
换热器
板式换热器是以波纹板为换热元件的高效换热器,由于其较高的传热系数,一般可达3000~5000W/m2·K(介质为水—水),比列管式换热器约高2~4倍。
同时还具有结构紧凑、体积小、重量轻、节省材料、零件通用性大、操作灵活、拆洗方便、安全可靠等优点。
因此,板式换热器目前已广泛用于食品、酿造、机械、冶金、电力、化工等行业,越来越受到各行各业的青睐。
如何开发更加广阔的市场,始终是摆在板换设备制造商面前的课题,近年来,许多实力较强的板式换热器制造厂纷纷着眼于特殊行业用板式换热器市场。
在酸行业中,经大量市场调查,我们发现一种超低碳型镍钼铬系镍基耐蚀材料——哈氏C-276,在充氧或有氧化剂存在的还原性酸以及在有氯离子、氟离子存在的氧化性酸中,具有独特的耐蚀性。
该合金在湿氧、亚硫酸、醋酸、甲酸、次氯酸盐和强氧化性盐的介质中,也具有优异的耐蚀性,同时具有优良的耐点蚀、耐均匀腐蚀、耐晶间腐蚀性能。
根据该材料上述的各项优点,我们对Hastelloyc-276D017mm板材在板式换热器中的应用进行了研制。
1 材料的主要性能与测试
将该材料取样到国家认可的进出口商品理化检测中心进行化学成份和力学性能方面的测试。
1.1 化学成份
化学成份详见表1所示,其中还列出有关标准值。
其中标准值是按ASME技术条件SB—575UNSN10276的规定。
1.2 力学性能
常温力学性能见表2所示,其中还列出了有关标准值。
表2中的标准值按ASME技术条件
SB—575UNSN10276的规定。
从表2中可看出该材料屈强比约015,杯突值14,同时综合考虑其他性能,该板的冷成形性较好,适合于板片冷压成形,故可对其做进一步的
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