四万”空分设备高压绕管式换热器的设计与应用
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“四万”空分设备高压绕管式换热器的设计与应用

开封空分集团有限公司 牛玉振 王晓芳
  
  　　高压绕管式换热器是工业装置中的重要设备，由于其结构紧凑、传热效率高、能承受高压、可实现多股流换热、具有很好的热补偿能力等优点，在大化肥装置、空气分离、天然气液化、煤气化、乙烯工程及核工业领域得到广泛的应用。迄今还无法用其它任何一种换热器所替代。
　　其结构特点是换热管以一定的角度盘绕在中心筒上，每层有不同数量的管子平行地一起缠绕，随着层次由里向外，每层同时绕的管子数目也相应增加，所有层中每根盘管的长度基本相同。相邻两层管子的盘绕方向相反，层间以垫条隔开，垫条的厚度决定管层间隙构成壳侧通道，通道大小应均匀。中心管用无缝管或有缝钢管。其一端或二端支承在筒体上，以承受盘管的重量。盘管束绕好后套装在筒壳内。为防止气流在筒壳与管束的空隙间短路，盘管束外通常装有一个薄板焊成的整流筒。
　　另外，换热管的盘绕角一般为5～20度。绕管式换热器的特点是结构紧凑，单位换热面积大，热损小，承压能力高。一般高压流体在管内流动。换热管大部分呈盘绕状，盘绕角较小，故管内、管外的清扫很困难，所以管内、管外不适于走不洁的流体。
　　绕管式换热器结构计算主要内容有：确定盘管层数及每一层缠绕的管数和盘绕圈数；确定换热管大小和每层管子的轴向间隙及每一层管子的盘绕长度。确定每层盘管的中心直径和盘管的高度，及每层垫条的厚度。
　　结构形式的选择除考虑制造、工艺外，一般还应考虑使两种换热流体的流向按逆流布置或混合流布置，高压流体和液体一般在管内流动，低压气体应有尽量小的阻力损失。管径应符合产品的规格或现有管料情况，过大的管内径，要减少管数，增加管长及换热器的重量和外型尺寸，管径减小可使换热器紧凑、经济。但管径过小会使制造困难，并使集气器的外形尺寸增大。目前，深冷装置换热器常用管子的外径d0=7～10mm，管壁厚则由管内流体的工作压力及盘管时不损坏管子为原则而决定，一般壁厚大于1mm。
　　确定传热管直径d0的原则：在保证盘管时不压扁或不折裂管子的前提下，尽量选用较小的管子。
　　中心管的选取首先应考虑管径及芯体长度以保证设备的制造。由于中心管还起支承盘管重量的作用，故应考虑有足够的强度和刚度。
　　管数的确定即是管内流速的选择。选择流速大时，换热效率好，管数和换热面积可减少，但管长和阻力将增大。
　　管子在管板上的排列可按正三角形排列，也可按同心圆排列。为便于换热管管簇的装配和包扎，对于气体通过管间时不发生集态变化的换热器，管子在管板上的排列按同心圆排列较为方便。管板上的管间距t根据公式计算，一般选取t=1.25d0。
　　该两台设备氧绕管总的传热面积达2953M2筒体尺寸为Φ1490×45m2，总长21.8M，重88T，污氮绕管总的传热面积达3221M2，筒体尺寸为Φ1540×20，设备总长达到28M，重量达68吨。　　由于绕管体较长，在结构上采用两段绕管体串联，制作上难度较大。为保证进度，我公司新设计了一台先进的加工制造设备，在技术人员和工人的共同努力下，完成了该两台设备的制造任务，在结构设计和制造质量上取得了成功。这二台高压绕管式换热器在用户开车取得了成功。我们在空分设备化工装置高压绕管换热器的设计及制造成功，及在装置上的成功运行，标志着我国完全有能力实现大型多股流绕管换热器的国产化。为大型内压缩流程空分设备的国产化又创造了一个必要条件。
  

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