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湿式空冷器管束结构改进 |
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作者：茂名石油化工公司机械厂 刘传宝 |
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空冷式换热器(以下简称空冷器)是石油化工厂的一种重要换热设备，它具有运转费用低廉、使用寿命较长、节省能耗和减少环境污染等特点。为了适应石油化工厂的节能和减少环境污染这一技术改造的需要，体现当代先进技术水平，针对我公司在役湿式空冷器在运行中出现的腐蚀和结垢严重、热效率降低、能耗高以及制造中出现的问题，笔者以最新的设计标准为依据，参照国内外空冷器设计的新方案、新结构和新工艺，对湿式空冷器的管束结构进行了改进。
1翅片管
1.1形式
翅片管是空冷器用以传热的关键部件，它的好坏直接影响传热效率。据文［1］介绍，国外有些厂家，如美国的赫德森公司和法国的克鲁索-鲁瓦尔公司都不主张在湿式空冷器上使用单L型翅片管。认为直接喷水会加剧翅片和基管的电化学腐蚀程度，导致热阻增加，传热效率下降，空冷器寿命缩短。因此，笔者把用在湿式空冷器上的单L型翅片管(图1a)改为双金属型翅片管(图1b)，与前者相比，后者具有以下特点：①随着温度的变化，翅片的伸缩性可产生自清理作用。②积垢和层尘沿着翅外生成，不会产生L型缠绕翅片管根部填塞的现象。③翅片牢固，不易变形，可以用高压水或高压蒸汽清垢。④价格贵，一次性投资较高，但综合效益好。
图1改进前后翅片管形式及参数
由于双金属型翅片管的轧片管与基管紧密配合，完全克服了单L型翅片管由于对基管覆盖不严而造成的结垢和电化学腐蚀的缺点，显著提高了换热效率，延长了使用寿命。
1.2参数
(1)增大翅片管的螺距把翅片管的螺距从原2.3 mm增加到3.4 mm，这样虽使空冷器的换热面积减少，对管外膜热系数有些影响，但在换热面积富余量较大的情况下，适当增加翅片管的螺距，可以减少空气的阻力，使风机能耗下降，并且更易于清理污垢。
(2)增加翅片厚度翅片的厚度由原来的0.3 mm增至0.38/0.5 mm(梯形)，使翅片的刚性增加，在用蒸汽吹扫或高压水清洗时，翅片不易变形。
(3)增大翅片管的中心距，降低翅片的高度翅片管的中心距s由原来的62 mm增大到64 mm，翅片高度h由16 mm降低到12.5 mm，其排列形式见图2。这样翅片间的空隙由5 mm增加到14 mm，水可以喷至二、三排翅片管，提高了换热效果。同时可降低阻力降，并方便管束的吹扫和清洗。据文［1］介绍，在翅片高度不变的情况下，翅片管中心距s由62 mm增加到64 mm，管外阻力降低，以四排翅片管的湿式空冷器管束为例，管外阻力降由88.26 Pa/排降至82.37 Pa/排。
图2翅片管排列形式
2管箱坡口
管箱是空冷器管束的主要受压部件，国外主要参考ASME规范的规定对其进行设计制造，要求十分严格。我国GB/T 15386-94《空冷式换热器》要求矩形管箱的焊缝应焊透和全熔合，且应为双面焊或单面焊沿焊缝根部全长具有紧贴基体金属的垫板。由于矩形管箱结构特殊而难以进行双面焊，故一般允许采用单面焊，但必须保证其全焊透。文［2］推荐使用图3a的坡口形式，认为此坡口留有足够的间隙，垫板亦只是点焊在其上，变形微小，工艺简单，焊后熔合良好，质量稳定。但笔者在利用此坡口形式制造管箱的过程中发现，在垫板和基体金属之间常有夹渣现象，并且难以判断夹渣具体位置，影响了焊缝质量。因此将坡口改为图3b形式，先用氩弧焊打底，再用自动焊焊接，焊缝美观，无损检查合格率也高于图3a。经过一段时间的制造实践，发现裂纹大多数发生在氩弧焊打底层，这是因为管板或丝堵板与盖板的厚度差太大而引起的。经过多次探讨、研究和筛选，并经过焊接工艺评定，最后得到图3c所示的坡口形式。这种坡口不但加工简单，而且由于减小了管板或丝堵板与盖板的厚度差，避免了因厚度差而引起的焊缝裂纹。此坡口可直接采用自动焊焊接，大大提高了工作效率和焊缝外观质量，管箱焊缝全焊透且熔合良好。自使用以来，质量稳定，经无损检查，其Ⅰ级焊缝达99%以上。
图3管箱坡口形式的改进
3翅片管支撑件
文［4］介绍了一种如图4a所示的定距盒作为湿式空冷器管束翅片管的支撑件，认为用定距盒作为翅片管的支撑件可以使翅片管四周都受力，防止翅片管下垂。而事实上，由于定距盒的累积误差及锈蚀，使翅片管产生很大的挠度(最大可达30 mm)，会给管子与管板的胀口施加一个附加力，使管子与管板的胀口受到破坏，引起装置泄漏，效率下降，甚至会影响到装置的操作。经过研究探讨，笔者设计出了如图4b所示的翅片管支撑件，它吸收了定距盒使翅片管四周均受力的优点，最大下垂量仅为3 mm。该支撑件由支撑板和套筒组焊而成，并且用螺栓把支撑板固定在横梁上。加工时将支撑板上的 孔与管板一起钻孔，然后再扩钻至，这样可以保证支撑板孔与管板孔的同度轴，以减小穿管难度。套筒是由φ60mm×3.5mm的钢管加工而成，套筒的长度以支撑10个螺距的翅片为宜，太多会增加穿管难度，太少又起不到很好的支撑作用，一般取30 mm。翅片管支撑件是一种无法更换的结构，为了避免因其锈蚀而影响空冷器的操作，把支撑件材料由Q235-A.F改为18-8不锈钢。
图4改进前后翅片管支撑件
图4改进前后翅片管支撑件
4结语
我公司轻质车间所用的湿式空冷器管束，经过上述改进后于1996年2月投入使用，经过5个月的运行，即使在30 °C以上的高温天气，也没有发现由于冷却效果不好而引起安全阀起跳的现象，更没有发生泄漏事故。因为空冷器的冷却效果好，氨压机出口温度低，相应地出口压力也低，使氨压机的能耗降低12%，氨压机的维修次数也降低了1/3。说明空冷器管束的改进是成功的，提高了制造质量、传热效率及使用寿命，取得了较好的经济效益。
参考文献
[1]兰州石油机械研究所主编.换热器，下册.北京：烃加工出版社，1990.297～326
[2]谢伟升.空气冷却器结构设计的进展.石油化工设备，1990，19(5)：31～33
[3]萧前，沈育建.双金属翅片管整体轧制.化工炼油机械，1982，11(5)：38～40
[4]崔铭远，许新荣.新结构空冷器简介.化工炼油机械，1982，11(5)：42～43
[5]马义伟，刘纪福，钱辉广编著.空气冷却器.北京：化学工业出版社，1982.8～50(end)
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(4/1/2007) |
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