【摘 要】大型级间冷却器是指空气分离系统中各级压缩机之间用来冷却压缩后的气体的一种特殊的换热器，该换热器结构复杂，特殊" />
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级间冷却器国产化结构设计要点
2014年13期目录
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　　【摘 要】大型级间冷却器是指空气分离系统中各级压缩机之间用来冷却压缩后的气体的一种特殊的换热器，该换热器结构复杂，特殊，多年来国内大型空气分离系统中的大型压缩机级间冷却器95%采用进口的换热器，本文主要介绍引进欧洲某公司的级间冷却器技术，经过消化吸收，国产化后级间冷却器的结构设计要点。 中国论文网 /1/view-6236356.htm　　【关键词】级间冷却器；管束；换热管；板翅片；除沫器 　　1 级间冷却器应用介绍 　　级间冷却器就是空分系统中各级压缩机之间用来冷却气体的换热器。由于中国经济飞速发展，空气分离系统在中国钢铁、重化工、新能源、煤化工等行业大量应用，给换热性能极高的高效级间冷却器带来广阔市场，但95%国内市场由美国和欧洲产品所占有，2001年前后国内开始引进该换热器技术。作为换热器设计人员，有机会一开始就参与了级间冷却器国产化整个过程，现在该换热器经过消化、吸收，产品不仅大量占有国内市场，还大量出口到中东、东南亚、欧洲和南美。 　　2 级间冷却器 　　级间冷却器的介质通常为湿空气、干空气、N2等。设计压力通常在0.3MPa～7MPa，按《容规》划分属于一、二类压力容器。当介质为湿空气时，为了除去空气中水分，通常在空气出口侧安装不锈钢材质除沫器，除雾效果能达到95%以上，能较好满足系统对除湿方面的要求，安装有除沫器的级间冷却器是在结构上最为复杂的一种级间换热器，下面就以一台该类型的换热器为例介绍国产化过程中结构方面的要点。 　　2.1 技术参数 　　表1 　　2.2 级间冷却器基本结构（如图1） 　　这种换热器主要由前端管箱、后端管箱、除沫器、管束、壳体组件、弹簧支座、管束后端密封结构、管束上下密封结构、滑道、壳程隔板、进出口接管及其它附件组成. 　　2.3 典型结构设计介绍 　　2.3.1 轮子与滑道 　　在换热器的管束组件中，两侧墙的下边安装了8对轮子（根据换热器管束的长度可以调整轮子的对数）组件，通过调整垫片保证各轮子在同一水平面上，在壳体组件中，安装与管束长度相适应的轨道，其在壳体中安装的截面示意图如图2。 　　图2 轨道在壳体中安装示意图 　　在这种结构中，我们确保了轨道内表面高出大端板开孔内缘5mm，左右轨道间距大于管束宽度10mm，这种结构设计保证了管束顺利安装，同时又能使管束很容易的拉出壳体，极大的提高了管束的安装，维修效率.另一方面，解决了管束在壳体中的定位，使其能够承受高速气体对其的冲击力.当管束经过长期使用，换热效果降低时，可再做一台相同管束替换旧管束，壳体组件可以继续使用，为用户节约可观的成本.这种结构设计的优点是显而易见的，值得推广或借鉴。 　　2.3.2 板翅片 　　换热器中，主要的换热元件是换热管，级间换热器常用的换热管材料为CuNi10Fe，为了提高换热效率该级间换热器采用了板翅片技术，扩展了换热面积.板翅片的材料选用1200-0，适用的温度范围0～150℃，厚度0.2mm，翅片间距2mm.板翅片的示意图如图3。 　　在管束中，板翅片可以根据管束截面的大小冲裁成若干小片，完成管束的组装和管头的焊接工作后，对每根换热管进行液压胀，换热管在压力作用下，发生适量的不影响强度的变形，与板翅片的内缘紧密的贴合，从而达到最佳的传热效果。 　　图3 　　2.3.3 换热管与管板的连接 　　级间冷却器换热管与管板的连接通常采用两种方式：（1）强度胀接；（2）强度胀和强度焊接.由技术参数表中看出该台换热器的设计压力不超过4MPa ，采用的就是强度胀接，符合GB151.但用于后端的压缩机级间冷却器，其设计或工作压力常常高于4MPa，这时我们的管板采用的爆炸复合板，基材为：Q345R正火或者16Mn锻等材料，复层为BFe10-1-1等材料.其接点如图四.这种管头的焊接接点，要优于GB151[1]所规定的几种接点形式，经过公司大量的实践也证明这种接头的质量更为可靠和耐用，欧洲的客户对换热器的质量要求很高，要求设计压力较高的级间冷却均要采用这种接点形式。 　　图 4 　　2.3.4 密封结构 　　密封元件对级间换热器来说也是一个很关键的部件，尤其是级间冷却器的壳程的介质隔离.密封性能的好坏，对换热器的换热效率有很大的影响，应尽可能减少未冷却空气串漏到已冷缺的空气中（说明：级间冷却器壳程介质一般为湿空气，或者干空气，工程上可以允许有少量的气体串漏）.为了使管束在装配到壳体组件中即实现管束迎风面和出风面两侧介质的密封隔离，采用了非常独特的密封结构的设计。 　　图 5 　　图 6 　　（1）首先我们在壳体的上隔板和下隔板的适当位置安装有密封条的组合件，密封条组合件的中心线与管束上的密封板中心线重合见图五，密封条组合件的结构如图六，长度与换热器的管束匹配，换热器管束后端同样安装有密封条组合件，换热管束的上端面安装有宽100mm， SS304材质的密封板.由图六可知，密封条的压缩量为15毫米，密封条组合件的安装位置可根据管束的高度和密封条的压缩量确定。 　　（2）其次，壳体的后端隔板安装有可调节的密封板组件，具体的结构如图七，这个密封板的组件在壳体轴向上的可调节的范围为30mm，这样能保证管束的顺利装配。 　　（3）最后在密封条的材质选择上，我们选用的是316Ti（国内牌号：0Cr18Ni12Mo2Ti）板片材料，厚度为：0.25mm，该材料具有良好的延展性，弹塑性，耐腐蚀性。冲压后，四片渐次叠加如图六的形状.经过大量的级间冷却器生产使用证明了该密封条能够与管束上的密封板紧密的贴合，密封性能非常优异。 　　图7 　　综合上面的几点，我们的级间冷却器在密封的结构设计上有其独特的方面，它能保证管束在推进壳体的同时，实现了管束的上表面，下表面，和后端部分同时密封.而且持久耐用，确保了换热器的质量。
　　2.3.5 丝网除沫器及管束在换热器设备中偏心的结构设计。 　　（1）丝网除沫器的面积与厚度 　　当级间冷却器壳程为湿空气时，为了除去空气中的水份，需要在管束的出气侧安装丝网除沫器.其厚度一般为100mm，所需的面积由换热器选型给定，在实际的工程设计中，我们在软件选定的除沫器面积的基础上再放大1.3倍，即放出了30%的floodarea（溢出面积）。 　　（2）丝网的密度与钢丝直径 　　对丝网的直径也作出要求，一般选准直径0.28mm不锈钢丝做为原材料. 丝网的密度：象本例中级间冷却器，其壳程设计压力较低，只有0.4MPa，正常选用密度为80KG/M3的丝网就可以满足要求，随着设计压力的提高，丝网的密度也要相应的增加，根据经验的积累，做出以下的选择原则： 　　表2 　　（3）除沫器和管束位置偏心的结构设计 　　为了提高除湿的效果和便于安装， 丝网除沫器在通常情况下其长度和管束的长度相等.管束在壳体中的位置特意放在偏离壳体中心线的位置，见图1，为除沫器留出足够的空间，偏心的距离由丝网除沫器的大小和管束的大小两个因素确定，一般在60～120mm左右就能够满足要求. 除沫器的安装通常倾斜15°便于凝结的小液滴顺利汇集，通过换热器壳体的排污接口排走，具有一定流速的潮湿空气对碳素钢有较大的腐蚀性，因此，对丝网除沫器的的材质，内外框架和丝网都采用不锈钢.内外框架在制造完成后均应进行酸洗钝化除理，提高耐腐蚀性.一台介质为湿空气的级间冷却器通常需要面积几平方甚至二十平方左右的除沫器，在设计上为了便于安装，我们按照下图的原则，把除沫器做成模块，模块的总面积不超过2平方米，这样在大型的换热器中，除沫器都是由若干模块组成，非常有利于工人在空间不是很大的换热器壳体内组装。 　　图8 　　2.3.6 前后水箱设计 　　从图一中我们可以看到水侧的前后水箱都采用方形水箱.水箱的设计的关键点在于水箱深度SS和SF的计算确定.管板与水箱平盖间的间隙即为水箱的深度，如图9。 　　图9 水箱与管束的示意图 　　SF的确定： 　　SF >= 1.5 * NT * Fti / （z * L）mm [2] 　　NT： 换热管总数 　　Fti：一根换热管的内横截面积mm2 　　Z：水侧的程数 　　L：方形水箱的内部长度（竖直方向）mm 　　Ss的确定： 　　Ss>= SF 且 Ss>=dNi/3 　　dNi： 水接管的内径mm 　　如果SS和SF的尺寸设计的不合理，就有可能导致冷却介质的通流量不够，或者压降增大，都可能严重影响换热器的换热效果. 所以SS和SF的尺寸设计要确保正确.另外，水箱通常焊接有分程隔板，按GB151的规定，水箱要进行焊后消除应力热处理，因此，水箱上的密封面一定要在热处理后进行机加工，并需留有足够的加工余量，一般的加工余量为5mm。 　　2.3.7 水接管的优化位 　　对换热器来说，冷热两流体逆向流是比较好的一种换热方式，因此，水进口管N1尽量设计在壳程侧出气口一侧，如图10，以求达到最佳的换热效果.进水口N1尽可能接近管箱的下边缘，N2出水口尽可能的接近管箱的上边缘，同时在管箱如图九的位置设置放空口和排污口，以方便在设备运行前尽可能的放掉设备中的空气，有空气的存在会导致换热效果下降，增加噪音和震动，不利于设备最佳运行.设备在停止运行的时候，尽可能的放空冷却水.同时在分程隔板的上下两侧也应开出直径6mm的孔，用来排水和放空。 　　图10 冷热介质走向及水接管优化位置示意图 　　3 总结 　　级间冷却器是一种结构非常新颖复杂的换热器，是高效的换热器，在制造上也有一定难度.在国内开始生产也不过几年的时间，以上几个方面都是在这几年从事级间冷却器国产化结构设计中的体会，也是级间冷却器结构设计中的几个很关键的地方，当设计人员熟练的掌握了这些设计以后，对级间换热器的设计就会得心应手，减少设计错误提高设计的水平会有一定的帮助。 　　【参考文献】 　　[1]GB151-1999 管壳式换热器[S]. 　　[2]瑞士卡莱瑞佛换热器公司级间换热器产品设计手册[S]. 　　[责任编辑：张涛]
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