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多層不銹鋼波紋管換熱器的研制與運行測試點擊：2026 日期：[ 2014-04-26 22:44:57 ] |
| 王 中 (黑龍江工程學院) 引 言 V換熱器是國內外天然氣輸送生產中廣泛使用的石油機械設備。我國自1990年以來,開發研制薄壁不銹鋼波紋管,用以制作換熱器的管束,其顯著特點是效率高,質量輕,防結垢,耐腐蝕,消應力,減振動,該項技術已日臻成熟。但是,單層薄壁無縫不銹鋼波紋管因“點腐蝕”而容易發生滲漏,這就不同程度地制約了其推廣應用。 據生產記錄,大慶天然氣公司二大隊薩南輸氣站2Ｄ12壓縮機每年夏季生產連鎖停機大約20次,其中間換熱器管束為普通列管式,管程為 10ｍｍ銅管,易結垢堵塞,致使水流不暢,換熱效率下降。換熱器銅管束安裝在碳鋼板上,兩者電位不同,在冷卻水作用下,發生電化學作用,產生點腐蝕而泄漏。二級氣缸入口天然氣溫度過高,使二級排氣閥的使用壽命大大縮短,常出現閥片斷裂和彈簧松弛等損壞現象。為徹底解決上述一系列生產難題,課題組研制開發了多層不銹鋼波紋管換熱器,應用于薩南輸氣站2Ｄ12壓縮機組,效果很好。 技 術 分 析 1 原理 波紋管管內流動分為等直徑流速型式和弧型流速型式,由于流速和壓力周期性變化,形成內壁的渦旋流極大地破壞了邊界層和污垢層的厚度,因此多層不銹鋼波紋管比直管的換熱系數明顯增大。通過實驗得到了波紋管內、外側換熱準則方程。管內側換熱系數αｉ=0 07895λｉｄｅＲｅｉ0 8134Ｐｒｉ0 4 管外側換熱系數αｏ=0 3286λｏｄｅＲｅｏ0 609Ｐｒｏ0 4式中 λｉ、λｏ———波紋管內、外側的導熱系數,Ｗ/(ｍ2•℃);?。洌濉墚斄恐睆?ｍｍ;?。遥澹?、Ｒｅｏ———管內、外側流體雷諾數;?。校颍?、Ｐｒｏ———管內、外側流體普朗特數。 2 結構設計 多層不銹鋼波紋管的波峰與波谷之間的高度約為10ｍｍ,冷熱流體流動時會產生強烈擾動,使流體的流動達到湍流狀態。管壁設計成超薄型(0 5～0 8ｍｍ),能減少熱阻,提高換熱效率。波峰與波谷可增強軸向伸縮能力,有效地減小溫差應力,使波紋管管束適應大幅度溫度變化。波紋管表面曲率大,運行過程中的徑向膨脹和軸向伸縮使管內壁的結垢層易脫落,具有獨特的防垢和自動除垢性能。 3 制造工藝 采用厚度δ=0 4～0 5ｍｍ的特種不銹鋼板材,卷成外徑Ｄ=20～34ｍｍ的直管(直徑相差0 8～1 0ｍｍ),將焊縫均分錯開,套裝組合,經特殊工藝凸起脹擠波型,使管體成為多層的、互為緊配合的一體波紋管。以總傳熱系數達最高值為目標函數,采用優化分析方法,經計算機整理,得出新型多層不銹鋼波紋管最佳設計波峰、波距等參數,如圖1所示。 設計與運行測試 1 總體設計方案 根據ＭＢ基爾比切夫和ＡＡ古赫曼的第三相似定理,采用熱模擬法實驗研究[2],取得了相關技術數據,據此執行如下的總體設計方案:(1)波紋管換熱器的管束為波紋管,管程采用軸向折流板;(2)波紋管換熱器在運行中,要析出冷凝液,應考慮冷凝液的排放,即天然氣出口位置盡可能低,管程折流板開適當的排液孔。(3)為了不改變壓縮機、冷卻水管線與中間冷卻器原接口位置,波紋管換熱器的管程、殼程進出口位置應以現場安裝尺寸為準[3]。設計條件:天然氣進口溫度100～110℃;天然氣出口溫度35～40℃;天然氣流量4200ｍ3/ｈ;冷卻水進口溫度40～45℃;冷卻水流量不大于45ｍ3/ｈ。設計結果:設計壓力1 0ＭＰａ;設計溫度150℃;工作壓力0 4ＭＰａ;換熱面積45ｍ2;管程數2;波紋換熱管 732ｍｍ×0 8ｍｍ×2110ｍｍ;材質0Ｇｒｌ8Ｎｉ9,數量204根。 2 運行測試 將安裝波紋管的換熱器(1號機)與普通列管式換熱器(2號機)分別進行了運行測試,測試條件見表1,測試結果見表2。 分別計算2種機型的換熱量,結果如下:2號機換熱面積Ａ1=58ｍ2,1號機換熱面積Ａ2=45ｍ2;2號機換熱量 ｑｉ=5648ｋＪ/ｈ,1號機換熱量 Ｑｉ=9100ｋＪ/ｈ;換熱量比率( Ｑｉ- ｑｉ)/ ｑｉ≈61%。這說明波紋管換熱器的換熱效率比列管換熱器的高約61%]。 |
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