安全型換熱器的研究與開(kāi)發(fā)

                              安全型換熱器的研究與開(kāi)發(fā)

                               高慧敏,張　平,張誠(chéng)忠

                    (湖北登峰換熱器有限公司,湖北大冶　435100)

    摘要:針對(duì)多晶硅項(xiàng)目工藝流程中要求的安全型換熱器,按其制造過(guò)程對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了說(shuō)明。結(jié)合理論計(jì)算、數(shù)值分析及試驗(yàn)對(duì)雙管間隔絕層對(duì)換熱器傳熱的影響進(jìn)行了介紹,對(duì)安全型換熱器的研發(fā)與應(yīng)用具有積極作用。

    關(guān)鍵詞:換熱器;安全型;可靠性;研究;開(kāi)發(fā)

    中圖分類號(hào): TQ 051·5; TE 965　　　　文獻(xiàn)標(biāo)志碼: B

    文章編號(hào): 1000-7466(2010)06-0011-04

    隨著新能源的發(fā)展需要,多晶硅項(xiàng)目蓬勃發(fā)展,但其技術(shù)及工藝系統(tǒng)設(shè)備卻被國(guó)外或合資公司壟斷,設(shè)備價(jià)格居高不下。多晶硅工藝系統(tǒng)中換熱器所占比重較大,其安全可靠性極為重要。某單位對(duì)2 500 t/a多晶硅項(xiàng)目進(jìn)行工藝革新,就大量引進(jìn)了安全型換熱器。而國(guó)內(nèi)廠家由于對(duì)安全型換熱器認(rèn)識(shí)不足且無(wú)行業(yè)業(yè)績(jī),在競(jìng)標(biāo)時(shí)常被拒之門外。為此,對(duì)安全型換熱器進(jìn)行深入研究和開(kāi)發(fā),對(duì)打破其工藝技術(shù)設(shè)備被國(guó)外壟斷的現(xiàn)狀具有重要意義。筆者結(jié)合多年新型高可靠性雙管雙管板換熱器的研發(fā)經(jīng)驗(yàn),對(duì)安全型換熱器進(jìn)行了研發(fā),文中簡(jiǎn)要介紹相關(guān)情況[1~10]。

    1·結(jié)構(gòu)介紹

    安全型換熱器是一種特別的雙管雙管板結(jié)構(gòu)換熱器,雙管間存在隔絕層。在通常的管殼式換熱器制造與應(yīng)用中,為保證換熱管與管板的連接強(qiáng)度和密封性能,可采用各種連接方法,但這些方法都不能保證絕對(duì)不漏。即使水壓試驗(yàn)、氣密性試驗(yàn)完全合格,但在操作中由于介質(zhì)腐蝕、溫度、壓力的影響,特別是壓力、溫度的波動(dòng)或突然變化,往往使得換熱管與管板連接處產(chǎn)生不同程度的泄漏。少量的泄漏在一般化工工藝中是允許的,但在多晶硅生產(chǎn)工藝系統(tǒng)中,由于存在物料TCS (SiHCl3)、STC(SiCl4)和DCS(SiH2Cl2),因此不允許管程和殼程的兩種流體混合(另一側(cè)為蒸汽或冷卻水)。在這種工藝條件下,可以考慮采用雙管雙管板結(jié)構(gòu)(其中固定管板換熱器最適合)。其作用不是消除泄漏,而是防止殼程(或管程)漏出的流體混進(jìn)管程(或殼程),即利用雙管間及雙管板間的隔離腔把管程與殼程介質(zhì)完全分隔開(kāi)。按制造工藝過(guò)程,典型固定管板式芯組、雙芯組及安全型換熱器試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)示意分別見(jiàn)圖1~圖3。



    固定管板式雙芯組是在圖1結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上增加了外管板、哈夫短節(jié)、放泄(氣)(注入)口和內(nèi)換熱管組成的。安全型換熱器試驗(yàn)件是在圖2結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上增加了水蓋、聯(lián)接件組成的。

    2·傳熱分析

    安全型換熱器殼程與管程的換熱方式與普通的管殼式換熱器換熱方式一致,文中不再進(jìn)行分析,只重點(diǎn)分析內(nèi)管、外管及形成的管間隙。由于安全型換熱器長(zhǎng)度達(dá)到5~8 m,為保證生產(chǎn)制造方便,內(nèi)管外徑與外管內(nèi)徑間不可避免存在間隙。根據(jù)管規(guī)格、材料選用、長(zhǎng)度尺寸及熱阻控制要求,筆者生產(chǎn)了不銹鋼316L管材試驗(yàn)件,兩種換熱管配合間隙為0.2 mm。換熱管截面示意見(jiàn)圖4。圖中ri為內(nèi)管內(nèi)半徑,r1為內(nèi)管外半徑,r2為外管內(nèi)半徑,ro為外管外半徑, mm;λ1、λ2、λ3分別為內(nèi)管、管間隔絕層、外管的導(dǎo)熱系數(shù), W/(m·℃);αi為管內(nèi)對(duì)流傳熱系數(shù),αo為管外對(duì)流傳熱系數(shù), W/(m2·℃);ti為內(nèi)管內(nèi)流體定性溫度,twi為內(nèi)管內(nèi)壁的溫度,tw1為內(nèi)管外壁的溫度,tw2為外管內(nèi)壁的溫度,two為外管外壁的溫度,to為外管外流體定性溫度,℃。

              

    2.1　理論分析

    按傳熱學(xué)分析計(jì)算多層管壁熱阻[1],在雙管間分別填充空氣、水和導(dǎo)熱油作為不同的傳熱介質(zhì),并只考慮導(dǎo)熱,以此來(lái)比較分析中間層熱阻對(duì)換熱器傳熱的影響。ri=14.0 mm、r1=16.8 mm、r2=17.0 mm以及ro=20.0 mm時(shí)的理論分析熱阻值見(jiàn)表1。

              

    由表1可以看出,與單管管壁熱阻相比,管間介質(zhì)熱阻不能忽略,在換熱器的計(jì)算中有重要的影響。

    2.2　數(shù)值分析[2~4]

    數(shù)值分析計(jì)算邊界條件為,內(nèi)管內(nèi)側(cè)流體溫度30℃,對(duì)流傳熱系數(shù)3 000 W/(m2·℃);外管外側(cè)流體溫度60℃,對(duì)流傳熱系數(shù)200 W/(m2·℃)。管壁、空氣、導(dǎo)熱油及水的導(dǎo)熱系數(shù)分別為16.3、0.026、0.13及0.62 W/(m·℃)。不同工況下溫度梯度數(shù)值分析結(jié)果見(jiàn)圖5。

    圖5表明,在管側(cè)和殼側(cè)換熱相同的情況下,中間層介質(zhì)的導(dǎo)熱會(huì)明顯影響管壁內(nèi)外的溫差。對(duì)于相同工況要求的換熱器而言,將直接關(guān)系到換熱面積的大小。

 

    2.3　試驗(yàn)驗(yàn)證

    將圖3所示試驗(yàn)件放置在熱工試驗(yàn)平臺(tái)上,管內(nèi)通冷卻水,殼側(cè)通熱水,分別按管間填充物為空氣、水和導(dǎo)熱油進(jìn)行換熱性能試驗(yàn),并按文獻(xiàn)[1,6進(jìn)行工藝分析計(jì)算,結(jié)果見(jiàn)表2。

               

    由表2的計(jì)算數(shù)據(jù)可以看出,傳熱系數(shù)相當(dāng)吻合,說(shuō)明按理論計(jì)算的傳熱系數(shù)應(yīng)用在產(chǎn)品中是可靠的。由于試驗(yàn)時(shí)首先按管間充水進(jìn)行試驗(yàn),后進(jìn)行無(wú)填充介質(zhì)的試驗(yàn),管間濕表面產(chǎn)生蒸發(fā)現(xiàn)象,因而出現(xiàn)中間無(wú)填充介質(zhì)時(shí)理論值與試驗(yàn)值偏差較大的情況。

    3·安全可靠性分析

    從傳熱分析可見(jiàn),安全型換熱器并不是最高效的傳熱方式,但其在行業(yè)的特別應(yīng)用卻緣于其安全可靠性。無(wú)論是換熱管與管板聯(lián)接處泄漏,還是換熱管中的局部腐蝕泄漏,采用安全型換熱器都可以從結(jié)構(gòu)上避免一側(cè)介質(zhì)進(jìn)入另一側(cè),從而起到隔絕介質(zhì)的作用,避免泄漏危害和對(duì)環(huán)境的污染。通過(guò)增加對(duì)兩管間隔絕介質(zhì)壓力的監(jiān)測(cè),可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)換熱器的運(yùn)行情況,達(dá)到預(yù)防事故發(fā)生的目的。從安全、可靠性上講,安全型換熱器滿足了要求。當(dāng)然對(duì)于兩管間隔絕介質(zhì)的選擇是需要進(jìn)一步研究的問(wèn)題。

    4·結(jié)語(yǔ)

    按制造過(guò)程對(duì)多晶硅項(xiàng)目工藝流程中要求的安全型換熱器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了說(shuō)明。通過(guò)理論計(jì)算、數(shù)值分析及試驗(yàn)對(duì)雙管間隔絕層對(duì)換熱器傳熱性能的影響進(jìn)行了介紹,對(duì)安全型換熱器的國(guó)產(chǎn)化研發(fā)與應(yīng)用具有積極作用。

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