淺析對于螺旋板殼式換熱器在氣體冷卻器上的應(yīng)用研究

周穎穎

摘 要：石油化工裝置中，換熱器屬于廣泛應(yīng)用的傳熱設(shè)備，其傳熱效率、設(shè)備、性能直接影響成本。本文主要研究螺旋板殼式換熱器在氣體冷卻器上的應(yīng)用，先借助名詞解釋，淺析其應(yīng)用，總結(jié)螺旋板殼式換熱器與常規(guī)換熱器之間的差異。

關(guān)鍵詞：螺旋板殼式換熱器;氣體冷卻器;應(yīng)用;計算

換熱器工藝設(shè)計一般是通過優(yōu)化傳熱計算、流動，提出最適宜的換熱器結(jié)構(gòu)，提供專業(yè)的機械機構(gòu)設(shè)計指導(dǎo)。常規(guī)換熱器傳熱系數(shù)、重量均差于螺旋板殼式換熱器，本文主要探討的是新型換熱器在氣體冷卻器上的應(yīng)用。

1 螺旋板殼式換熱器解釋

這類換熱器本身是將一組長方形平行排列，且將長方形的薄金屬板夾在支架上。相鄰板片之間設(shè)置有墊片（邊緣襯），壓緊之后能夠發(fā)揮密封的作用，通過調(diào)節(jié)墊片的厚度能夠調(diào)節(jié)流體通道[1]。冷流體、熱流體在板片左右兩側(cè)流過，借助金屬板片實現(xiàn)換熱。

傳統(tǒng)Ⅰ型螺旋板式換熱器、Ⅱ型螺旋板式換熱器、Ⅲ型螺旋板式換熱器存在著流體走螺旋道，無法選擇翅片形式，或引入傳熱技術(shù)措施，影響流道截面、流體處理量、流體速度等。其外形為扁圓柱，承載力較小，工作壓力在2.40MPa以內(nèi)，一旦設(shè)備結(jié)垢，只可選擇化學(xué)除垢措施。氣體體積流量較大，傳統(tǒng)設(shè)備無法適應(yīng)當(dāng)前換熱條件。在氣相一側(cè)設(shè)置翅片，能夠提升汽側(cè)的給熱系數(shù)。但由于傳統(tǒng)的換熱器無法增加翅片器件，本文研究選擇雙軸向流螺旋板殼式換熱器，為翅片器件安裝提供便捷。

這類換熱器的結(jié)構(gòu)較為緊湊，與常規(guī)換熱器相比，在同一單位體積內(nèi)傳熱面積較大，換熱器結(jié)構(gòu)較為緊湊，能夠為檢修與清洗提供便捷。

結(jié)合實際，該類換熱器具備以下優(yōu)點：①該結(jié)構(gòu)選擇的是多圈并聯(lián)的形式，即便是流道寬度b很小，隨著流通截面積的增加，處理量也會隨之增加;②流道寬度b1與流道寬度b2能夠?qū)崿F(xiàn)優(yōu)化設(shè)計（要依據(jù)流體體積流率、理化性質(zhì)兩方面入手），促使流道處于最佳工作狀態(tài);③這類換熱器流道寬度相對較小，流道內(nèi)還設(shè)置有距器件，很小流速下流體能夠?qū)崿F(xiàn)湍流，獲取最高的傳熱系數(shù)，此階段的壓力降并不大;④流道內(nèi)未設(shè)置死角，可選擇專門的翻滾式砂洗機，徹底將機械內(nèi)的污垢清除;⑤外殼為筒形，且相對細長，兩端設(shè)置有耐壓封頭，當(dāng)傳熱基板受到流體壓力時，可借助定距器件將壓力傳遞到外殼上，以此提升承壓能力;⑥流體為軸向流形象，在流道內(nèi)能夠便于設(shè)置翅片，擴展二次換熱面，彌補傳統(tǒng)螺旋板式換熱器缺陷;⑦兩端能夠拆卸，將封條位置的焊縫外露，為后期的維修與補焊奠定基礎(chǔ);⑧選擇模塊生產(chǎn)換熱單元，選擇串聯(lián)安裝、并聯(lián)安裝的形式，提升其擴散性。

2 螺旋板殼式換熱器在氣體冷卻器上的應(yīng)用淺析

本文主要依據(jù)換熱計算基本原理，借助專門的換熱計算軟件，對比分析本文提出的換熱器與常規(guī)換熱器在空氣冷卻器模型中的應(yīng)用。

2.1 對流傳熱計算基本原理

傳熱計算過程中，通過模擬相應(yīng)的工藝流程，可實現(xiàn)傳熱作業(yè)。依照能量守恒原理，開展相應(yīng)的計算。

換熱器熱負(fù)荷計算式： ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

換熱器冷熱流體進出口溫度計算式： ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

式子中Q—換熱器熱負(fù)荷，單位：KW;Wh —熱流體速率，單位：kg/s;Wc —冷流體速率，單位：kg/s;T1 —熱流體進口溫度，單位：℃;T2 —熱流體出口溫度，單位：℃;t2 —冷流體出口溫度，單位：℃;t1 —冷流體進口溫度，單位：℃;cph —熱流體定壓比熱容，單位：kJ（kg·℃）;cpc —冷流體定壓比熱容，單位：kJ（kg·℃）。

總傳熱系數(shù)K是評價換熱器性能的核心參數(shù)，是計算換熱器傳熱的基本數(shù)據(jù)。換熱器類型、傳熱操作條件、換熱操作流程等因素均會影響K數(shù)值，K值本身的變動范圍較大。

2.2在干氣冷卻器上的應(yīng)用

目前比較常用的螺旋板式換熱器為可拆卸耐壓多程雙軸向流螺旋板殼式換熱器，其能夠在一定程度上避免出現(xiàn)傳統(tǒng)螺旋板式換熱器的缺陷。其在干氣冷卻器上應(yīng)用具有較好的作用和效果。本文主要以楊子石油化工股份有限公司的干氣冷卻器進行了研究。

初步設(shè)計該公司的氣體脫硫裝置干氣冷卻器的工藝參數(shù)：其總熱負(fù)荷為169kW;換熱的面積為145㎡。入口的溫度設(shè)置為50℃，螺旋板殼中使用的介質(zhì)為干氣，出口的溫度控制在40℃左右，壓力位0.8MPa;管道中的介質(zhì)位冷卻水，冷卻水的流量位14505kg/h，入口的溫度和出口的溫度分別控制在33℃和43℃。

本方案設(shè)置3個安裝方案，1為初步設(shè)計方案、2為原設(shè)計方案、3為改進設(shè)計方案對比三種方案的結(jié)構(gòu)參數(shù)。最終結(jié)果表明方案3的換熱面積為方案1的33.0%，就操作重量，方案3為方案1的47.0%，說明方案3可顯著降低設(shè)備成本與建設(shè)成本。觀察方案實時記錄，方案3與方案1對比，其熱負(fù)荷增加了48%，傳熱總系數(shù)K大于10.19倍。平均溫度差只有3.14℃，若溫度差為7℃，則K值會逐步增高。通過對比實時記錄能夠得知，進口溫度為56.5℃，出口溫度為36.9℃，表明本換熱器的能效較高。

通過相關(guān)的實驗可以知道：安裝方式不同，其換熱面積也存在一定的區(qū)別，因此需要相關(guān)工作人員在實際工作的過程中，選擇合適的安裝方法，有效將設(shè)備的購置成本和土建造價成本有效降低;并且安裝方式不同，所承受的熱荷載也由一定的差別，通過對比干氣進出口的溫度可以了解到該螺旋板殼式換熱器具有較高的能效。

通過將該類螺旋板殼式換熱器與管殼式換熱器進行對比可以知道，該換熱器的體積重量比管殼式換熱器的體積重量少一半，并且不需要預(yù)留一定的換熱器抽芯位置，能夠減少一定量的平面面積，且該換熱器主要采用了密集的定距板，將受外壓的水側(cè)基板的穩(wěn)定性不斷提高，帶來了更大的經(jīng)濟效益，具有較高的應(yīng)用價值和應(yīng)用前景。

3問題討論

①在初步實踐基礎(chǔ)上，要逐步將應(yīng)用領(lǐng)域擴大，逐步將溫度參數(shù)、面積參數(shù)、壓力參數(shù)等數(shù)值提升，并強化傳熱理論、強度理論、流體流動理論研究;②要深入研究兩側(cè)流道的翅片，結(jié)合實際逐步強化，并強化翅片加工工藝研究，為液相側(cè)翅片應(yīng)用奠定基礎(chǔ)，提供便捷，實現(xiàn)其緊湊性的提升;③由于中間隔板兩側(cè)的壓力差較大，為提升填料密封性、可靠性，可選擇槽面密封結(jié)構(gòu)+平板式封頭方案。如此，不僅可增加埋頭螺栓應(yīng)用數(shù)量，還可為流體進入管處直接目測泄漏點提供便捷。

4 結(jié)束語

綜上所述，通過對比分析能夠得知，常規(guī)管殼式換熱器的傳熱系數(shù)為13.2，選擇本文提出的這類新型的換熱器，其傳熱系數(shù)為158.8，在同等條件下，能夠提升傳熱系數(shù)，減少換熱面積，以此實現(xiàn)換熱效率的增加。本文分析結(jié)果表明，常規(guī)換熱器設(shè)備重量為110t，本文體現(xiàn)出的換熱器重量為60t，這類換熱器的重量較輕，可節(jié)省制造成本。經(jīng)過分析、計算，本文這類新型的換熱器可滿足當(dāng)前安裝要求，以此保障使用效果。

參考文獻：

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