圓塊孔式石墨換熱器的應用及工藝計算探討

作者： 2013年07月22日 來源： 瀏覽量：
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1原材料（不透性石墨）對圓塊孔式石墨換熱器性能的影響不透性石墨具有耐腐蝕性好，熱導率高，使用溫度較高等優(yōu)點。但因所采用的石墨原材料(顆粒度、浸漬劑，石墨化程度等)不同影響了設(shè)備的使用壽命和安全性。1.1顆粒

1  原材料（不透性石墨）對圓塊孔式石墨換熱器性能的影響
    不透性石墨具有耐腐蝕性好，熱導率高，使用溫度較高等優(yōu)點。但因所采用的石墨原材料(顆粒度、浸漬劑，石墨化程度等)不同影響了設(shè)備的使用壽命和安全性。
1.1  顆粒大小
    構(gòu)成石墨母材的顆粒度越大，則材料體積密度越小，機械強度愈低。顆粒間的孔洞越大，鉆削孔時可能暴露更多通孔，孔隙率增高。為達到使用要求的致密性則浸漬劑的數(shù)量就會增多，影響浸漬質(zhì)量和不透性石墨的導熱性。密度大，則機械強度越大。所以，選用體積密度高（細顆粒、B級）的母材進行浸漬熱處理，所加工生產(chǎn)的設(shè)備質(zhì)量穩(wěn)定性和安全性高，使用效果好。
1.2  浸漬劑
    浸漬劑在石墨母材中填充空隙，浸漬劑種類的不同，將直接影響不透性石墨的耐腐蝕性。浸入量不同，則影響不透性石墨使用溫度和耐蝕程度。浸漬真空度大，加壓壓力高，可減少浸漬次數(shù)，換熱效果亦優(yōu)于傳統(tǒng)浸漬工藝（三遍浸漬、三遍熱處理）。
    因浸漬樹脂的耐腐蝕性能遠低于石墨本身的耐蝕性，所以浸入量越多，耐腐蝕越差，耐溫差急性更差，因此一般要求浸入量不得超過10%。酚醛樹脂浸漬不透性石墨可滿足該類設(shè)備使用要求。不透性石墨材料經(jīng)180∽300℃中溫處理，可以增大浸漬樹脂穩(wěn)定性，延長設(shè)備使用壽命。
1.3  石墨化程度
    石墨材料一般可分為半石墨化電極（再生電極）和石墨化電極兩大類。再生電極熱導率低于石墨化電極，不宜用作導熱材料。石墨化電極熱導率λ=100∽130w/m·k或更高，耐溫差急變性能優(yōu)于再生電極。石墨化程度直接影響了設(shè)備的換熱效果，國外全部為細顆粒化工專用石墨化材料。我國新頒布的國家標準《石墨制壓力容器》推薦使用接近國外標準的B級石墨材料。
2   圓塊孔式石墨換熱器結(jié)構(gòu)與特點
    圓塊孔式石墨換熱器為目前較先進，性能較優(yōu)越的一種石墨換熱器。圓柱體換熱塊采用標準單元塊，具有較高的結(jié)構(gòu)強度，本結(jié)構(gòu)不采用膠結(jié)劑而采用聚四氟乙烯O型圈密封介質(zhì)，加裝壓力彈簧作熱脹冷縮的自動補償機構(gòu)，采用短通道、增加再分配室以提高紊流效應等，因而本換熱器具有結(jié)構(gòu)強度高、耐溫耐壓性能強、抗沖擊性能好、傳熱效率高、使用壽命長并便于檢修的特點。本系列產(chǎn)品廣泛用作加熱器、冷卻器、冷凝器。
　  技術(shù)特性： 設(shè)計溫度：-20～200℃（可以提高到320℃）
設(shè)計壓力：常壓～0.6MPa（亦可根據(jù)用戶需要設(shè)計、制造0.6～2.4MPa壓力的本型產(chǎn)品） 規(guī)格：3～400平方米
3 石墨換熱器傳熱計算
石墨設(shè)備應用可分為液-液，液-氣換熱兩種形式。應用圓塊孔式石墨換熱器的兩種流體的流向為錯流和簡單折流。即：縱向沿一個方向流動，而橫向（冷卻水或冷凍鹽水）與縱向呈垂直的方向先沿一個方向流動，然后折回向相反方向流動，如此反復地作折流運動。
其平均溫度的計算必須乘以校正系數(shù)εΔt，εΔt>0.8合理，否則需調(diào)整工藝參數(shù)。
石墨換熱器傳熱系數(shù)計算，可參照下表二、表三中數(shù)據(jù)；介質(zhì)的垢層系數(shù)αd（w/m2·k）見表四。
石墨換熱器傳熱系數(shù)經(jīng)驗值         表二
序號 處 理 物 料 平均溫度℃ 換熱
形式 傳熱系數(shù)K w/(m2·k) 備     注
1 氯化氫氣體冷卻 100∽40 冷卻 34.89∽46.52 板式
2 氯化氫冷凝（97%HC1水冷） 75∽40 冷凝 34.89∽174.45 列管式
3 氯化氫冷凝（99%HC1鹽水冷） 40∽-15 冷凝 17.45∽34.89 列管式
4 鹽酸冷卻（21%HC1） 130∽25 冷卻 581.5∽930.4 列管、塊孔式
5 鹽酸冷卻（31%HC1） 80∽40 冷卻 348.9∽465.2 板式
6 列管式氣體冷卻器   34.89∽58.15  
石墨設(shè)備在氯系統(tǒng)中的應用實例             表三
序號 工  藝 設(shè)  備 使用工藝溫度℃ 工藝壓力MPa 傳熱系數(shù)K
w/(m2·k)
1 冷卻合成HC1氣體 冷卻器 400∽150 常壓 17.45∽69.78
2 氯乙烯餾出HC1氣體的
冷卻脫濕 冷凝器 70∽-15 0.01∽0.1 34.89∽174.45
介質(zhì)的垢層系數(shù)αd（w/m2·k）              表四
液體介質(zhì) 氣體介質(zhì)
鹽    酸    2907.5∽5815 HC1氣體            1918.95
冷凍鹽水           5815 不飽和氯化烴冷凝    2907.5∽5815
冷凍水             5815 C2氯化物            5815
一般的水   1860.8∽2907.5  
總傳熱系數(shù)的計算公式為：K=（αo-1+αi-1+∑αd-1+δ/λ）-1，式中：αo為管外（或服務(wù)側(cè)）的導熱系數(shù)；αi為管內(nèi)（或物料側(cè)）的導熱系數(shù)；αd為管內(nèi)、外（或換熱塊兩側(cè)）的垢層系數(shù)；δ/λ為石墨管（或換熱塊）材的熱阻。K值的大小決定石墨設(shè)備換熱效果的好壞，式中四項的最大值對K值的影響最大。
下面以山東濰坊某公司石墨冷卻器為例（工藝參數(shù)見表五），
工藝參數(shù)                 表五
用    途 二級石墨冷卻器 總換熱量 150000KJ/h
對數(shù)平均溫差，℃ 26.12 工藝側(cè) 操作溫度，℃ 0∽-14
服務(wù)側(cè) 操作溫度，℃ -35∽-32  操作壓力，MPa 0.043∽0.074  操作壓力，MPa 0.4∽0.3  允許壓力降，MPa 0.001  允許壓力降，MPa 0.1

對氣液傳熱主要取決于氣相側(cè)傳熱系數(shù)（一般小于102數(shù)量級），與選擇石墨管還是換熱塊關(guān)系不大（δ/λ≈0，10-4數(shù)量級）。氣相側(cè)傳熱系數(shù)采用列管式與圓塊孔式因結(jié)構(gòu)不同，換熱效果亦不同。
    工藝設(shè)計基礎(chǔ)：設(shè)備數(shù)據(jù)如下：規(guī)格型號 YKC10-18/16-170II  換熱塊規(guī)格
Φ1000×350 縱向孔數(shù)據(jù) 665-Φ18   橫向（服務(wù)側(cè)）冷卻面積，m2 168.36（孔道）
縱向（工藝側(cè)）換熱面積，m2 169.08（孔道）
平均換熱面積，m2 168.72（孔道）
我公司YKC型石墨換熱器開發(fā)達到新的高度
     近幾年來，YKC型石墨換熱器設(shè)備在化工物料濃縮、鋼板酸洗等行業(yè)應用更加廣泛。YKC型石墨換熱器具有操作壓力較高，單元換熱塊換熱面積利用率高，維修成本較YKA型設(shè)備低等優(yōu)點。
    自我公司生產(chǎn)了第一臺YKC80-20/16-90㎡設(shè)備以來，先后生產(chǎn)了立式（臥式）YKC30-120系列多臺。其中，YKC120系列190，250㎡設(shè)備為我廠開發(fā)的最新產(chǎn)品。
    我廠YKC型換熱設(shè)備中換熱塊的加工采用專用的深孔鉆床，鉆頭定位精度高，一次可打透長度800mm，對鉆時同心度小于0.5mm。
    YKC設(shè)備的開發(fā)及加工成功，既滿足了市場需求，又為我廠增加一個創(chuàng)匯的好項目。
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