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安全型换热器的研究与开发

文档作者：高慧敏，张平，张诚忠文档来源：湖北登峰换热器有限公司		点击数：	更新时间： 2022年03月19日
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第39卷第6期
2010年11月
石油化工设备
PETR0一CHEMICAL EQUIPMENT
V01．39 NO．6
Nov．2O1O
文章编号：1000—7466(2010)06—0011一O4
安全型换热器的研究与开发
高慧敏，张 平，张诚忠
(湖北登峰换热器有限公司，湖北大冶435lOO)
摘要：针对多晶硅项目工艺流程中要求的安全型换热器，按其制造过程对结构进行了说明。结合
理论计算、数值分析及试验对双管间隔绝层对换热器传热的影响进行了介绍，对安全型换热器的研
发与应用具有积极作用。
关键词：换热器；安全型；可靠性；研究；开发
中图分类号：TQ 051．5；TE 965 文献标志码：B
Research and Developm ent of Safety Heat Exchanger
GAO Hui-m in，ZHANG Ping，ZHANG Cheng-zhong
(Hubei Dengfeng Heat Exchanger Co．Ltd．，Daye 435 100，China)
Abstract：The construction of safety heat exchanger required in the process flow of polysilicon
project as per its manufacturing process was described．With theoretical calculation，numerical a—
nalysis and test，the effect of double—tube isolating layer to heat transfer was presented，and plays
a positive role in research，development and application of safety heat exchanger．
Key words：heat exchanger；safety；reliability；research；development
随着新能源的发展需要，多晶硅项目蓬勃发展，
但其技术及工艺系统设备却被国外或合资公司垄
断，设备价格居高不下。多晶硅工艺系统中换热器
所占比重较大，其安全可靠性极为重要。某单位对
2 500 t／a多晶硅项目进行工艺革新，就大量引进了
安全型换热器。而国内厂家由于对安全型换热器认
识不足且无行业业绩，在竞标时常被拒之门外。为
此，对安全型换热器进行深入研究和开发，对打破其
工艺技术设备被国外垄断的现状具有重要意义。笔
者结合多年新型高可靠性双管双管板换热器的研发
经验，对安全型换热器进行了研发，文中简要介绍相
关情况_1叫 。
1 结构介绍
安全型换热器是一种特别的双管双管板结构换
热器，双管间存在隔绝层。在通常的管壳式换热器制
造与应用中，为保证换热管与管板的连接强度和密封
性能，可采用各种连接方法，但这些方法都不能保证
绝对不漏。即使水压试验、气密性试验完全合格，但
在操作中由于介质腐蚀、温度、压力的影响，特别是压
力、温度的波动或突然变化，往往使得换热管与管板
连接处产生不同程度的泄漏。少量的泄漏在一般化
工工艺中是允许的，但在多晶硅生产工艺系统中，由
于存在物料TCS(SiHC13)、STC(SiC14)和DCS
(Sil C1 )，因此不允许管程和壳程的两种流体混合
(另一侧为蒸汽或冷却水)。在这种工艺条件下，可以
考虑采用双管双管板结构(其中固定管板换热器最适
合)。其作用不是消除泄漏，而是防止壳程(或管程)
漏出的流体混进管程(或壳程)，即利用双管间及双管
板间的隔离腔把管程与壳程介质完全分隔开。
按制造工艺过程，典型固定管板式芯组、双芯组
及安全型换热器试验件结构示意分别见图1～ 图3。
固定管板式双芯组是在图1结构基础上增加了外管
板、哈夫短节、放泄(气)(注入)口和内换热管组成
收稿日期：2010—06—10
作者简介：高慧敏(1974一)，男，湖北天门人，工程师，学士，长期从事换热器及工艺设计工作。
石油化工设备 2010年第39卷
的。安全型换热器试验件是在图2结构基础上增加 了水盖、联接件组成的。
1 2 3 4 5 6 7
厂一n | ＼ - ．1
厂 1 、 m 一
、 I l T一一
瞳—H 早_ 詈翻 _ 啊_■ I 啊啊 嘲阿空曙暑±蛐_}!啊空
。 _ 。 _ ● 。 _ 。
_ _ I _
1．固定管板2．筒体3．外换热管4．隔板5．定距杆6．定距管1 7．定距管2
图1 典型固定管板式芯组结构
1．外管板 2．放泄(气)(注入)口 3．芯组 4．哈夫短节 5．内换热管
图2 固定管板式双芯组结构
l_水盖2．联接件3．垫片4．双芯组
图3 安全型换热器试验件结构
2 传热分析
安全型换热器壳程与管程的换热方式与普通的
管壳式换热器换热方式一致，文中不再进行分析，只
重点分析内管、外管及形成的管间隙。由于安全型
换热器长度达到5～8 rn，为保证生产制造方便，内
管外径与外管内径间不可避免存在间隙。根据管规
格、材料选用、长度尺寸及热阻控制要求，笔者生产
了不锈钢316L管材试验件，两种换热管配合间隙
为0．2 mm。换热管截面示意见图4。图中r；为内
管内半径，r。为内管外半径，r。为外管内半径，r。为
外管外半径，mm； 、 、 。分别为内管、管间隔绝
层、外管的导热系数，w／(m ·。C) 为管内对流传
热系数，a。为管外对流传热系数，w／(m。·℃)；ti
为内管内流体定性温度，t 为内管内壁的温度，t
为内管外壁的温度，t 。为外管内壁的温度，￡w。为外
管外壁的温度，t。为外管外流体定性温度，℃。
0
图4 换热管截面示图
第6期 高慧敏，等：安全型换热器的研究与开发
2．1 理论分析
按传热学分析计算多层管壁热阻口]，在双管间
分别填充空气、水和导热油作为不同的传热介质，并
只考虑导热，以此来比较分析中间层热阻对换热器
传热的影响。 一14．0 mm、r1—16．8 mm、r2—
17．0 mm 以及 一20．0 mm 时的理论分析热阻值
见表1。
表1 热阻分析数值
导热系数 项 ／ 分析热阻／ 总热 阻／ 中间层热阻
目
内管
空气
导热油
水
外管
16．300
o．O26
o．13O
0．620
16．300
由表1可以看出，与单管管壁热阻相比，管问
介质热阻不能忽略，在换热器的计算中有重要的’
影响。
2．2 数值分析[2 ]
数值分析计算边界条件为，内管内侧流体温度
3O℃ ，对流传热系数3 000 w／(m ·℃)；外管外侧
流体温度6O。C，对流传热系数200 w／(rn · 。C)。
管壁、空气、导热油及水的导热系数分别为16．3、
0．026、0．13及0．62 w／(rn· ℃)。不同工况下温
度梯度数值分析结果见图5。
图5表明，在管侧和壳侧换热相同的情况下，中
间层介质的导热会明显影响管壁内外的温差。对于
相同工况要求的换热器而言，将直接关系到换热面
积的大小。
一 - _ 30103 36 507 42 911 49 3l4 55 7l8
33 305 39 709 46 I】3 52 5l6 58 92
(a)中间层为空气且无填充液
3l 683 34 048 36 414 38 779 4l 144
32 866 35 231 37 596 39 962 42 327
(b)中间层为导热油
32l 36 33 345 34 554 35 763 36．972
32 74 33 949 35 l58 36 367 37 576
(c)中间层为水
图5 不同工况下温度梯度数值分析结果
2．3 试验验证
将图3所示试验件放置在热工试验平台上，管
内通冷却水，壳侧通热水，分别按管间填充物为空
气、水和导热油进行换热性能试验，并按文献[1，6]
进行工艺分析计算，结果见表2。
表2 中间填充介质不同时换热性能试验
及分析计算结果
项目 中间填充介质
水 无 导热油
行无填充介质的试验，管间湿表面产生蒸发现象，因
而出现中间无填充介质时理论值与试验值偏差较大
的情况。
3 安全可靠性分析
从传热分析可见，安全型换热器并不是最高效
的传热方式，但其在行业的特别应用却缘于其安全
可靠性。无论是换热管与管板联接处泄漏，还是换
热管中的局部腐蚀泄漏，采用安全型换热器都可以
从结构上避免一侧介质进入另一侧，从而起到隔绝
介质的作用，避免泄漏危害和对环境的污染。通过
增加对两管间隔绝介质压力的监测，可以实时监测
换热器的运行情况，达到预防事故发生的目的。从
安全、可靠性上讲，安全型换热器满足了要求。当然
对于两管间隔绝介质的选择是需要进一步研究的
问题。
4 结语
由表2的计算数据可以看出，传热系数相当吻
合，说明按理论计算的传热系数应用在产品中是可 按制造过程对多晶硅项目工艺流程中要求的安
靠的。由于试验时首先按管间充水进行试验，后进 全型换热器的结构进行了说明。通过理论计算、数
1 O 3
4 9 8
5 5 6
6 6 7
3 1 O
7 1 4
4 1 0
O O O
O 0 0
■ ● ● 0 O O
5 9 8 1 7
9 3 8 8 O
4 9 9 0 l
5 4 4 6 6
1 2 0 9 9
1 5 9 1 0
O 4 O O O
O 0 O 0 O
0 O 0 0 O
● ● ● ■ ■
O O O 0 O
第39卷第6期
2010年l1月
石油化工设备
PETR0一CHEMICAL EQUIPMENT
Vo1．39 NO．6
NOV．2010
文章编号：1000-7466(2010)06—0014—06
300系列奥氏体不锈钢在油田H2 S—CO2一CI一环境下
耐蚀性研究
郭志军，周建军，王克栋
(甘肃蓝科石化高新装备股份有限公司，甘肃兰州 730070)
摘要：通过u型弯曲恒应变应力腐蚀试验、点蚀试验和模拟介质的全面腐蚀试验系统地研究了
300系列奥氏体不锈钢材料在油气田高含H。S-CO 一C1一环境下的腐蚀特性，分析了在该工况条件
下奥氏体不锈钢作为压力容器用材的适用性和适用范围。
关键词：奥氏体不锈钢；压力容器；H S-CO 一C1一腐蚀；油田；选材
中图分类号：TH 49 文献标志码：A
Study of 300 Series Austenitic Stainless Steels on Oil Field
in H2 S—CO2-CI— Environment Anti—c0rr0si0n
GUO Zhi-jun，Z HOU Jian-jun，WANG Ke-dong
(Lanpec Technologies Limited，Lanzhou 730070，China)
Abstract：Using U—Bend Stress corrosion，pitting and intergraded corrosion，laboratory immer—
sion corrosion testing．The mechanism of the 300 series austenitic stainless steels corrosion used
to pressure vesse1 in high H2 S—C02一C1一corrosion environment has been studied ，and material se—
lection and corrosion control in this condition are provided．
Key words： austenitic stainless steels；pressure vessel； H2 S—CO2一C1一corrosion； oilfield；ma—
teria1 se1ectjon
值分析及试验对双管间隔绝层对换热器传热性能的
影响进行了介绍，对安全型换热器的国产化研发与
应用具有积极作用。
参考文献：
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(张编)
收稿日期：2010—05—27
作者简介：郭志军(1964一)，男，湖南益阳人，教授级高级工程师，学士，长期从事金属腐蚀与防护和失效分析工作。

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