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安全型換熱器的研究與開發(fā)

文檔作者：高慧敏，張平，張誠忠文檔來源：湖北登峰換熱器有限公司		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時間： 2022年03月19日
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第39卷第6期
2010年11月
石油化工設(shè)備
PETR0一CHEMICAL EQUIPMENT
V01．39 NO．6
Nov．2O1O
文章編號：1000—7466(2010)06—0011一O4
安全型換熱器的研究與開發(fā)
高慧敏，張 平，張誠忠
(湖北登峰換熱器有限公司，湖北大冶435lOO)
摘要：針對多晶硅項(xiàng)目工藝流程中要求的安全型換熱器，按其制造過程對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了說明。結(jié)合
理論計(jì)算、數(shù)值分析及試驗(yàn)對雙管間隔絕層對換熱器傳熱的影響進(jìn)行了介紹，對安全型換熱器的研
發(fā)與應(yīng)用具有積極作用。
關(guān)鍵詞：換熱器；安全型；可靠性；研究；開發(fā)
中圖分類號：TQ 051．5；TE 965 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B
Research and Developm ent of Safety Heat Exchanger
GAO Hui-m in，ZHANG Ping，ZHANG Cheng-zhong
(Hubei Dengfeng Heat Exchanger Co．Ltd．，Daye 435 100，China)
Abstract：The construction of safety heat exchanger required in the process flow of polysilicon
project as per its manufacturing process was described．With theoretical calculation，numerical a—
nalysis and test，the effect of double—tube isolating layer to heat transfer was presented，and plays
a positive role in research，development and application of safety heat exchanger．
Key words：heat exchanger；safety；reliability；research；development
隨著新能源的發(fā)展需要，多晶硅項(xiàng)目蓬勃發(fā)展，
但其技術(shù)及工藝系統(tǒng)設(shè)備卻被國外或合資公司壟
斷，設(shè)備價(jià)格居高不下。多晶硅工藝系統(tǒng)中換熱器
所占比重較大，其安全可靠性極為重要。某單位對
2 500 t／a多晶硅項(xiàng)目進(jìn)行工藝革新，就大量引進(jìn)了
安全型換熱器。而國內(nèi)廠家由于對安全型換熱器認(rèn)
識不足且無行業(yè)業(yè)績，在競標(biāo)時常被拒之門外。為
此，對安全型換熱器進(jìn)行深入研究和開發(fā)，對打破其
工藝技術(shù)設(shè)備被國外壟斷的現(xiàn)狀具有重要意義。筆
者結(jié)合多年新型高可靠性雙管雙管板換熱器的研發(fā)
經(jīng)驗(yàn)，對安全型換熱器進(jìn)行了研發(fā)，文中簡要介紹相
關(guān)情況_1叫 。
1 結(jié)構(gòu)介紹
安全型換熱器是一種特別的雙管雙管板結(jié)構(gòu)換
熱器，雙管間存在隔絕層。在通常的管殼式換熱器制
造與應(yīng)用中，為保證換熱管與管板的連接強(qiáng)度和密封
性能，可采用各種連接方法，但這些方法都不能保證
絕對不漏。即使水壓試驗(yàn)、氣密性試驗(yàn)完全合格，但
在操作中由于介質(zhì)腐蝕、溫度、壓力的影響，特別是壓
力、溫度的波動或突然變化，往往使得換熱管與管板
連接處產(chǎn)生不同程度的泄漏。少量的泄漏在一般化
工工藝中是允許的，但在多晶硅生產(chǎn)工藝系統(tǒng)中，由
于存在物料TCS(SiHC13)、STC(SiC14)和DCS
(Sil C1 )，因此不允許管程和殼程的兩種流體混合
(另一側(cè)為蒸汽或冷卻水)。在這種工藝條件下，可以
考慮采用雙管雙管板結(jié)構(gòu)(其中固定管板換熱器最適
合)。其作用不是消除泄漏，而是防止殼程(或管程)
漏出的流體混進(jìn)管程(或殼程)，即利用雙管間及雙管
板間的隔離腔把管程與殼程介質(zhì)完全分隔開。
按制造工藝過程，典型固定管板式芯組、雙芯組
及安全型換熱器試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)示意分別見圖1～ 圖3。
固定管板式雙芯組是在圖1結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上增加了外管
板、哈夫短節(jié)、放泄(氣)(注入)口和內(nèi)換熱管組成
收稿日期：2010—06—10
作者簡介：高慧敏(1974一)，男，湖北天門人，工程師，學(xué)士，長期從事?lián)Q熱器及工藝設(shè)計(jì)工作。
石油化工設(shè)備 2010年第39卷
的。安全型換熱器試驗(yàn)件是在圖2結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上增加 了水蓋、聯(lián)接件組成的。
1 2 3 4 5 6 7
廠一n | ＼ - ．1
廠 1 、 m 一
、 I l T一一
瞳—H 早_ 詈翻 _ 啊_■ I 啊啊 嘲阿空曙暑±蛐_}!啊空
。 _ 。 _ ● 。 _ 。
_ _ I _
1．固定管板2．筒體3．外換熱管4．隔板5．定距桿6．定距管1 7．定距管2
圖1 典型固定管板式芯組結(jié)構(gòu)
1．外管板 2．放泄(氣)(注入)口 3．芯組 4．哈夫短節(jié) 5．內(nèi)換熱管
圖2 固定管板式雙芯組結(jié)構(gòu)
l_水蓋2．聯(lián)接件3．墊片4．雙芯組
圖3 安全型換熱器試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)
2 傳熱分析
安全型換熱器殼程與管程的換熱方式與普通的
管殼式換熱器換熱方式一致，文中不再進(jìn)行分析，只
重點(diǎn)分析內(nèi)管、外管及形成的管間隙。由于安全型
換熱器長度達(dá)到5～8 rn，為保證生產(chǎn)制造方便，內(nèi)
管外徑與外管內(nèi)徑間不可避免存在間隙。根據(jù)管規(guī)
格、材料選用、長度尺寸及熱阻控制要求，筆者生產(chǎn)
了不銹鋼316L管材試驗(yàn)件，兩種換熱管配合間隙
為0．2 mm。換熱管截面示意見圖4。圖中r；為內(nèi)
管內(nèi)半徑，r。為內(nèi)管外半徑，r。為外管內(nèi)半徑，r。為
外管外半徑，mm； 、 、 。分別為內(nèi)管、管間隔絕
層、外管的導(dǎo)熱系數(shù)，w／(m ·。C) 為管內(nèi)對流傳
熱系數(shù)，a。為管外對流傳熱系數(shù)，w／(m。·℃)；ti
為內(nèi)管內(nèi)流體定性溫度，t 為內(nèi)管內(nèi)壁的溫度，t
為內(nèi)管外壁的溫度，t 。為外管內(nèi)壁的溫度，￡w。為外
管外壁的溫度，t。為外管外流體定性溫度，℃。
0
圖4 換熱管截面示圖
第6期 高慧敏，等：安全型換熱器的研究與開發(fā)
2．1 理論分析
按傳熱學(xué)分析計(jì)算多層管壁熱阻口]，在雙管間
分別填充空氣、水和導(dǎo)熱油作為不同的傳熱介質(zhì)，并
只考慮導(dǎo)熱，以此來比較分析中間層熱阻對換熱器
傳熱的影響。 一14．0 mm、r1—16．8 mm、r2—
17．0 mm 以及 一20．0 mm 時的理論分析熱阻值
見表1。
表1 熱阻分析數(shù)值
導(dǎo)熱系數(shù) 項(xiàng) ／ 分析熱阻／ 總熱 阻／ 中間層熱阻
目
內(nèi)管
空氣
導(dǎo)熱油
水
外管
16．300
o．O26
o．13O
0．620
16．300
由表1可以看出，與單管管壁熱阻相比，管問
介質(zhì)熱阻不能忽略，在換熱器的計(jì)算中有重要的’
影響。
2．2 數(shù)值分析[2 ]
數(shù)值分析計(jì)算邊界條件為，內(nèi)管內(nèi)側(cè)流體溫度
3O℃ ，對流傳熱系數(shù)3 000 w／(m ·℃)；外管外側(cè)
流體溫度6O。C，對流傳熱系數(shù)200 w／(rn · 。C)。
管壁、空氣、導(dǎo)熱油及水的導(dǎo)熱系數(shù)分別為16．3、
0．026、0．13及0．62 w／(rn· ℃)。不同工況下溫
度梯度數(shù)值分析結(jié)果見圖5。
圖5表明，在管側(cè)和殼側(cè)換熱相同的情況下，中
間層介質(zhì)的導(dǎo)熱會明顯影響管壁內(nèi)外的溫差。對于
相同工況要求的換熱器而言，將直接關(guān)系到換熱面
積的大小。
一 - _ 30103 36 507 42 911 49 3l4 55 7l8
33 305 39 709 46 I】3 52 5l6 58 92
(a)中間層為空氣且無填充液
3l 683 34 048 36 414 38 779 4l 144
32 866 35 231 37 596 39 962 42 327
(b)中間層為導(dǎo)熱油
32l 36 33 345 34 554 35 763 36．972
32 74 33 949 35 l58 36 367 37 576
(c)中間層為水
圖5 不同工況下溫度梯度數(shù)值分析結(jié)果
2．3 試驗(yàn)驗(yàn)證
將圖3所示試驗(yàn)件放置在熱工試驗(yàn)平臺上，管
內(nèi)通冷卻水，殼側(cè)通熱水，分別按管間填充物為空
氣、水和導(dǎo)熱油進(jìn)行換熱性能試驗(yàn)，并按文獻(xiàn)[1，6]
進(jìn)行工藝分析計(jì)算，結(jié)果見表2。
表2 中間填充介質(zhì)不同時換熱性能試驗(yàn)
及分析計(jì)算結(jié)果
項(xiàng)目 中間填充介質(zhì)
水 無 導(dǎo)熱油
行無填充介質(zhì)的試驗(yàn)，管間濕表面產(chǎn)生蒸發(fā)現(xiàn)象，因
而出現(xiàn)中間無填充介質(zhì)時理論值與試驗(yàn)值偏差較大
的情況。
3 安全可靠性分析
從傳熱分析可見，安全型換熱器并不是最高效
的傳熱方式，但其在行業(yè)的特別應(yīng)用卻緣于其安全
可靠性。無論是換熱管與管板聯(lián)接處泄漏，還是換
熱管中的局部腐蝕泄漏，采用安全型換熱器都可以
從結(jié)構(gòu)上避免一側(cè)介質(zhì)進(jìn)入另一側(cè)，從而起到隔絕
介質(zhì)的作用，避免泄漏危害和對環(huán)境的污染。通過
增加對兩管間隔絕介質(zhì)壓力的監(jiān)測，可以實(shí)時監(jiān)測
換熱器的運(yùn)行情況，達(dá)到預(yù)防事故發(fā)生的目的。從
安全、可靠性上講，安全型換熱器滿足了要求。當(dāng)然
對于兩管間隔絕介質(zhì)的選擇是需要進(jìn)一步研究的
問題。
4 結(jié)語
由表2的計(jì)算數(shù)據(jù)可以看出，傳熱系數(shù)相當(dāng)吻
合，說明按理論計(jì)算的傳熱系數(shù)應(yīng)用在產(chǎn)品中是可 按制造過程對多晶硅項(xiàng)目工藝流程中要求的安
靠的。由于試驗(yàn)時首先按管間充水進(jìn)行試驗(yàn)，后進(jìn) 全型換熱器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了說明。通過理論計(jì)算、數(shù)
1 O 3
4 9 8
5 5 6
6 6 7
3 1 O
7 1 4
4 1 0
O O O
O 0 0
■ ● ● 0 O O
5 9 8 1 7
9 3 8 8 O
4 9 9 0 l
5 4 4 6 6
1 2 0 9 9
1 5 9 1 0
O 4 O O O
O 0 O 0 O
0 O 0 0 O
● ● ● ■ ■
O O O 0 O
第39卷第6期
2010年l1月
石油化工設(shè)備
PETR0一CHEMICAL EQUIPMENT
Vo1．39 NO．6
NOV．2010
文章編號：1000-7466(2010)06—0014—06
300系列奧氏體不銹鋼在油田H2 S—CO2一CI一環(huán)境下
耐蝕性研究
郭志軍，周建軍，王克棟
(甘肅藍(lán)科石化高新裝備股份有限公司，甘肅蘭州 730070)
摘要：通過u型彎曲恒應(yīng)變應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)、點(diǎn)蝕試驗(yàn)和模擬介質(zhì)的全面腐蝕試驗(yàn)系統(tǒng)地研究了
300系列奧氏體不銹鋼材料在油氣田高含H。S-CO 一C1一環(huán)境下的腐蝕特性，分析了在該工況條件
下奧氏體不銹鋼作為壓力容器用材的適用性和適用范圍。
關(guān)鍵詞：奧氏體不銹鋼；壓力容器；H S-CO 一C1一腐蝕；油田；選材
中圖分類號：TH 49 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A
Study of 300 Series Austenitic Stainless Steels on Oil Field
in H2 S—CO2-CI— Environment Anti—c0rr0si0n
GUO Zhi-jun，Z HOU Jian-jun，WANG Ke-dong
(Lanpec Technologies Limited，Lanzhou 730070，China)
Abstract：Using U—Bend Stress corrosion，pitting and intergraded corrosion，laboratory immer—
sion corrosion testing．The mechanism of the 300 series austenitic stainless steels corrosion used
to pressure vesse1 in high H2 S—C02一C1一corrosion environment has been studied ，and material se—
lection and corrosion control in this condition are provided．
Key words： austenitic stainless steels；pressure vessel； H2 S—CO2一C1一corrosion； oilfield；ma—
teria1 se1ectjon
值分析及試驗(yàn)對雙管間隔絕層對換熱器傳熱性能的
影響進(jìn)行了介紹，對安全型換熱器的國產(chǎn)化研發(fā)與
應(yīng)用具有積極作用。
參考文獻(xiàn)：
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素EJ]．石油化工設(shè)備，2009，38(增)：19-21．
(張編)
收稿日期：2010—05—27
作者簡介：郭志軍(1964一)，男，湖南益陽人，教授級高級工程師，學(xué)士，長期從事金屬腐蝕與防護(hù)和失效分析工作。

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