雙管束冷卻器的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)

摘 要：雙管束換熱器是針對(duì)特殊行業(yè)要求出氣溫度過(guò)低的要求，結(jié)合我公司的技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的、填補(bǔ)我公司產(chǎn)品空白的一種新型換熱器，隨著雙管束換熱器的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)成功，有效的提升我公司在換熱器產(chǎn)品市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力，也為用戶節(jié)約成本和占地空間。

關(guān)鍵詞：雙管束 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 深冷水

中圖分類號(hào)：TQ051.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-3973（2013）011-046-02

1 設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的出發(fā)點(diǎn)

由于醫(yī)藥等特殊行業(yè)需要把空氣冷卻到25℃或更低的溫度，這就需要把高溫的氣體冷卻下來(lái)，總所周知需要冷卻的溫度越低，需要的冷卻水的溫度就要越低，而這種深冷水的價(jià)格很高，無(wú)形中就增添了用戶的運(yùn)行成本，也造成了水資源的浪費(fèi)，為了節(jié)約用水和降低運(yùn)營(yíng)成本，一般都用一個(gè)氣體冷卻器采用常溫的循環(huán)水把高溫氣體降到40℃左右，然后再加個(gè)氣體冷卻器采用深冷水把氣溫再降到低溫狀態(tài)，這就達(dá)到了節(jié)約運(yùn)營(yíng)成本的目的。但這樣也會(huì)是整個(gè)機(jī)組的流程更加復(fù)雜，也多加了個(gè)設(shè)備和多占用了很大的空間，并且也加大了設(shè)備的采購(gòu)成本。介于這種原因，我們就研發(fā)了這種雙管束換熱器，把2個(gè)氣體冷卻器的融合到一起，用一個(gè)氣體冷卻器把高溫氣體降到低，并且盡量的少用深冷水。

我公司與山東魯抗醫(yī)藥股份有限公司簽訂空分機(jī)組項(xiàng)目時(shí)，用戶提出這個(gè)能否把2個(gè)氣體冷卻器融合到一起的問(wèn)題，而我方以前沒(méi)有這種換熱器，用戶只好采用了2個(gè)冷卻器才達(dá)到了工藝要求的溫度。經(jīng)過(guò)此事為了滿足用戶的需求和市場(chǎng)的需要，我們經(jīng)過(guò)認(rèn)真的研究和探討研發(fā)出這種雙管束冷卻器從而填補(bǔ)我公司在此項(xiàng)目上的空白。

我這次設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的雙管束冷卻器為：由換熱管為復(fù)合翅片管的管束、殼體與管箱等組成，管程介質(zhì)為冷流體、殼程介質(zhì)為熱流體。

2 設(shè)計(jì)的步驟

我廠曾經(jīng)為醫(yī)藥公司設(shè)計(jì)過(guò)水煤氣壓縮機(jī)組，我以此機(jī)組的參數(shù)作為設(shè)計(jì)依據(jù)，設(shè)計(jì)一種新型的雙管束冷卻分離器組合設(shè)備。

壓縮機(jī)組的參數(shù)：質(zhì)量流量為75000 Nm3/h，機(jī)組進(jìn)口氣體壓力為0.1 MPaA，機(jī)組進(jìn)口氣體溫度為39℃，機(jī)組出口（即冷卻器進(jìn)口）壓力為0.42MPaA，機(jī)組出口（冷卻器進(jìn)口）溫度為127℃，冷卻器允許壓力損失為0.006 MPaA，介質(zhì)為空氣，濕度90%，分子量為28.95。

2.1 熱力計(jì)算

傳熱采用成熟的計(jì)算軟件DGK和HTRI，該軟件能夠計(jì)算多種形式的冷卻器。做此冷卻器計(jì)算時(shí)需要把傳熱計(jì)算分成了2個(gè)部分，先計(jì)算把高溫氣體127℃冷卻到一個(gè)適當(dāng)?shù)臏囟?0℃，然后在計(jì)算用深冷水把冷卻后氣體40℃冷到更低溫的溫度25℃，以這種方式節(jié)約了運(yùn)行成本和設(shè)備的投入成本。

經(jīng)過(guò)傳熱計(jì)算確定方案，同時(shí)確定了換熱管的規(guī)格、數(shù)量、殼體的直徑、水程布置、以及換熱面積和壓力損失等參數(shù)（見(jiàn)表1、表2），從而為設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

2.2 強(qiáng)度計(jì)算

強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，殼體、管箱的計(jì)算基本同于一般的復(fù)合管式換熱器是一樣的，相對(duì)而言，在計(jì)算水箱時(shí)，要按循環(huán)水和深冷水中水壓最大的進(jìn)行計(jì)算和設(shè)計(jì)。如果循環(huán)水和深冷水的水壓相差太大，還應(yīng)該考慮下增大水箱中隔板的厚度。筒體、封頭等主要受壓件，利用SW6強(qiáng)度軟件計(jì)算。

2.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是此次設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，尤其是管箱、管束、分離器的設(shè)計(jì)，見(jiàn)圖1、圖2、圖3。

（1）此冷卻器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)（見(jiàn)圖3）：介質(zhì)氣體在換熱管的外部走殼程，管程是冷卻水。換熱管采用雙金屬?gòu)?fù)合管。分離裝置采用絲網(wǎng)式，安裝在殼體的出氣側(cè)；管束采用長(zhǎng)方形框架結(jié)構(gòu)，管束的上下側(cè)板間布置有多個(gè)支撐架，使管束緊湊并形成一體，在下側(cè)板上含有滑輪方便管束與殼體的裝配；冷卻器設(shè)有前、后2個(gè)水箱，前水箱上設(shè)有2個(gè)進(jìn)水口和2個(gè)出水口，并采用下進(jìn)水上出水的形式，前后水箱都有隔板使水箱形成多個(gè)水程；氣冷殼體內(nèi)部設(shè)有隔板，密封條安裝在隔板上達(dá)到封閉的效果和防止短路，這樣的氣體就都全部通過(guò)管束，達(dá)到設(shè)計(jì)的冷卻效果。

設(shè)計(jì)時(shí)難點(diǎn)是管板的管孔分布，在設(shè)計(jì)管板的時(shí)候還要考慮到水箱的隔板位置（見(jiàn)圖1），前管箱設(shè)有3個(gè)隔板，后水箱設(shè)有2個(gè)隔板，所以要考慮管板的管孔布置，布置一定要合理，這樣才能使水箱有空間放置隔板、2個(gè)進(jìn)出水口和2個(gè)出水口。

（2）介質(zhì)流動(dòng)方式。氣體從進(jìn)氣管進(jìn)入殼體首先通過(guò)上隔板折流改變氣流的方向，使氣體從管束的側(cè)邊橫通過(guò)管束。首先氣體先經(jīng)過(guò)流有循環(huán)水的管束使介質(zhì)氣體的溫度降低到一定的程度，然后溫度降低的介質(zhì)氣體再經(jīng)過(guò)流有深冷水的管束使氣體達(dá)到流程所需的溫度。當(dāng)氣體被冷卻時(shí)，介質(zhì)氣體中的水蒸汽達(dá)到飽和狀態(tài)，有冷凝水夾帶在介質(zhì)氣體中，凝結(jié)水隨著介質(zhì)氣體通過(guò)管束后碰到除沫網(wǎng)分離出來(lái)流到殼體底部，通過(guò)輸水閥冷凝水再由排出殼體，介質(zhì)氣體通過(guò)分離后的成為干燥氣體進(jìn)入工藝流程。

（3）分離裝置。

1）采用絲網(wǎng)式除沫器，絲網(wǎng)除沫器的液泛氣速（即絲網(wǎng)除沫器操作中的極限氣速）按下式計(jì)算：

式中：、-液滴和進(jìn)口氣體的密度，kg/m3

K-氣體過(guò)濾網(wǎng)常數(shù)（網(wǎng)型SP時(shí)，K=0.201；網(wǎng)型HP時(shí)，K=0.233；網(wǎng)型DP時(shí)，K=0.198；網(wǎng)型HR時(shí)，K=0.222）

絲網(wǎng)除沫器的操作氣速ug=0.5～0.8uf，m/s

2）處理氣體所流通的直徑D1按下式計(jì)算：

式中：Q-氣體的處理流量 m3；ug-操作氣速 m/s；D-處理氣體所需的流通直徑 m。

3）通過(guò)流通直徑D就能算出面積 ，由于氣冷殼體內(nèi)的除沫網(wǎng)是矩形的就可以確定除沫網(wǎng)的長(zhǎng)和寬。

3 經(jīng)濟(jì)性分析

（1）但單獨(dú)使用深冷水冷卻高溫氣體時(shí)，需要430t/h深冷水（18℃-26℃）這樣的運(yùn)行成本太高了，用戶的長(zhǎng)期效益就會(huì)收到很大的影響。

（2）如果用兩臺(tái)設(shè)備實(shí)現(xiàn)把高溫氣體冷到低溫，設(shè)備的采購(gòu)成本也要增加很多，兩臺(tái)的設(shè)備的價(jià)錢要比一臺(tái)設(shè)備高的很多，并且一臺(tái)設(shè)備的使用空間也比2臺(tái)設(shè)備要小。

所以，此新型的換熱器會(huì)在制藥等需要低溫氣體的行業(yè)有很高的競(jìng)爭(zhēng)力。

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