T形翅片管卧式重沸器和蒸汽发生器性能研究及应用

T 形翅片管卧式重沸器和蒸汽发生器
性能研究及应用
郭宏新,刘　巍,梁龙虎
(洛阳石油化工工程公司,河南洛阳　471003)
　①
摘要:介绍T 形翅片管卧式重沸器和蒸汽发生器的研究开发过程和工程应用效果,包括T 形翅片管的结构特征、机加工技术研究、小试及工业试验、计算数模及使用范围、计算软件、设备系列图的开发,并介绍了T 形翅片管重沸器和蒸汽发生器在沸腾传热过程中的应用和取得的节能、节资效果,以及在装置扩能改造、解除瓶颈中发挥的作用。

关键词:T 形翅片管;重沸器;蒸汽发生器;沸腾传热;工程应用开发
中图分类号:T Q 021.3 文献标识码:A 文章编号:100529954(2004)0120013204
Development and application of T 2shaped finned tube reboiler and vapor generator
GU O H ong 2xin ,LIU Wei ,LIANG Long 2hu
(Luoyang Petrochemical Engineering C orporation of SI NOPEC ,Luoyang 471003,Henan Province ,China )Abstract :The development and application of T 2shaped finned tube reboiler and vapor generator were presented ,which covered T 2shaped tube structure characteristics ,machining technique study ,small and pilot 2scale test ,and the develop 2ment of s oftware and equipment series diagram.In addition ,the application of T 2shaped reboiler and vapor generator in process of boiling heat trans fer and its g ood performance in energy saving and cost saving as well as its function in plant revam ping and debottling were described.
K ey w ords :T 2shaped finned tube ;reboiler ;vapor generator ;boiling heat trans fer ;engineering application and devel 2
opment
重沸器一般用于分馏塔底以提供分馏所需要的热源,其设计对分馏塔的操作至关重要。

目前国内普遍采用的普通重沸器传热系数不高,因此,重沸器设备成了扩能改造的瓶颈。

自20世纪70年代以来,国外沸腾强化传热研究成果[1]主要有3个方面并实现了商品化:高温烧结表面多孔管(High Flux )、机械加工表面多孔管(Therm oexcel 2E )和T 形翅片管(G ewa 2T )。

其中T 形翅片管机械加工工艺简单,便于工业规模生产且成本较低,深受科研人员和企业界人士的青睐。

国内外20世纪80年代开展了铜制T 形翅片管在R12[2—3]和R113[4]介质下的沸腾传热研究,结果令人满意。

T 形翅片管在低
负荷下的沸腾传热系数是普通光管的2.5倍,高负荷下提高到3倍。

为了得到钢制T 形翅片管在有机工质下的管外沸腾传热性能,洛阳石化工程公司、华南理工大学和长岭炼油化工总厂设备研究所联合,经过近3年的研究开发,完成了钢制T 形翅片管的机械加工技术和设备、小试[5]及工业试验、计算数模及使用范围、计算软件、设备系列图的开发。

在此基础上,近几年来推广应用钢制T 形翅片管重沸器和蒸发器数十台,在石化企业扩能改造项目中发挥了积极的作用。

1　开发钢制T 形翅片管卧式重沸器和蒸汽发生器
①
作者简介:郭宏新(1962—
),男,化学工程硕士,高级工程师,从事化工过程系统工程和传热设备研究及软件开发工作,电话:(0379)4887620;E 2mail :guohx @ 。

第32卷第1期2004年2月
化　学　工　程
CHE MIC A L E NGI NEERI NG (CHI NA )
V ol.32N o.1
Feb.2004
1.1　钢制T 形翅片管的机加工技术开发
T 形翅片管是以光滑管为坯管,采用无切削的
滚轧工艺,靠坯管表层金属的塑性变形轧制而成,而管子的内表面可以保持不变或者加工成其他成形表面。

T 形翅片管加工过程控制参数是螺距和翅片
之间的开口度。

目前较为常用的螺距为1—3mm ,
开口度为0.1—0.4mm ,翅高为0.9—1.2mm 。

为筛选出适合于有机工质沸腾的T 形翅片管,本项目做了9种不同规格的T 形翅片管进行实验,几何尺寸详见表1。

表1　实验用T 形翅片管的几何参数
T ab.1　Parameters of T 2shape tubes in experiment
光　管
(5#钢管)
钢　制　T 形　翅　片　管
1#2#3#4#7#8#9#试件长度/mm
178.1
174.6168176.5179.3174.8175.2174.9螺　距/mm 1.6 1.6 1.6 1.6 1.0 1.3 1.6开口度/mm 0.3500.4000.3500.3500.2150.3840.271翅片高度/mm 1.0 1.0 1.0 1.0 1.1 1.1 1.1隧道宽度/mm
0.7
0.7
0.7
0.7
0.4
0.5
0.7
华南理工大学研制成钢制T 形翅片管滚轧机,对长2—15m 的换热管一次滚轧成形。

对普通的钢制换热管,采用轴向送进的加工方法实现连续生产的要求。

T 形组合滚轧刀具包括:叠片式环形槽组合滚轧刀具和滚压轮。

滚轧机主要由调速电机、变速箱、3条万向连轴节带动组合刀具。

组合刀具的心轴根据加工T 形翅片的螺距,调整驱动轴的螺旋升角,连续加工制造。

1.2　钢制T 形翅片管沸腾传热研究
1990年10月至12月,以华南理工大学为主,课题组全体同志参加了对钢制T 形翅片管单管筛选(单管选用5#钢制光管、7#、8#、9#钢制T 形翅片管进行实验)和4根管管束沸腾传热实验。

对钢制T 形翅片管在有机溶剂(酒精)中的沸腾传热性能做了多种工况研究,提供了工业设计依据。

1.2.1　传热温差对T 形翅片管沸腾传热的影响
传热温差对T 形翅片管沸腾传热的影响见图1。

从图中可以看出:在相同热通量时,光管需要的传热温差是T 形翅片管的2—5倍,这说明在同
样的传热温差时,T 形翅片管更易于进入沸腾状态。

图1　传热温差对T 形翅片管沸腾传热的影响
Fig.1　E ffect of tem perature difference on
T 2shaped finned tube heat trans fer
1.2.2　不同T 形翅片管沸腾传热性能评价
在相同热通量下,T 形翅片管沸腾传热系数是
光管的1.6—4.42倍,而且达到相同热通量时,壁温过热度却远远低于光管。

在相同热通量时,各种管型传热速率的差异(光管的α比值=1.0)详见表2。

表2　相同热通量q 下沸腾传热系数α对比表
T ab.2　Heat trans fer coefficient αcomparision in the same heat flux q
热通量管型
低热通量(q =15152)中热通量(q =75758)
高热通量(q =121212)
αα比值
αα比值
αα比值
T
管9#6061.0 4.4211874.3 2.5815343.3 2.38#4443.4 3.2412950.0 2.8218676.7 2.87#3124.1 2.288008.2 1.7410949.6 1.64光管
5#
1371.2
1.00
4591.4
1.00
6660.0
1.0
・41・化学工程　2004年第32卷第1期
1.2.3　相同过热度下T形翅片管沸腾传热性能评价
在相同的过热度下,3种不同结构参数的T形翅片管热通量q、热通量比值、沸腾传热系数α、沸腾传热系数比值详见表3(以7#T管为基准,即7#T管的热通量比值=1.0;沸腾传热系数比值=1.0)。

从表3可以看出:虽然7#T形翅片管的螺距和开口度是最小的,但实验证明其性能是3种结构中几何尺寸中最差的。

证明适宜的开口度和螺距对传热性能影响最大。

本项目考虑9#T形翅片管传热速率高,又便于加工,因而确定它为工业实验用管,工业实验证明它是成功的。

表3　相同过热度下T形翅片管沸腾传热性能比较
T ab.3　Heat trans fer comparision in the same superheat
过热度/℃
7#8#9#
q q比值αα比值q q比值αα比值q q比值αα比值
3.099863108210743108
7.515020 1.03094 1.037576 2.57771 2.5140778 2.717771 2.51
6.025269 1.04278.0 1.082914 3.2814095 3.2957365 2.2714095 3.29
7.542510 1.05595 1.0108384 2.55
8.963353 1.06681 1.0161822 2.55
1.2.4　开口度对沸腾传热性能的影响
为证实开口度对沸腾传热的影响,本项目又做了用9#T形翅片管在相同螺距下,试件开口度分别为0.271mm和0.35mm时的沸腾传热实验。

实验结果表明:在相同过热度下,开口度小的T形翅片管的热通量约为开口度大的3倍以上。

说明开口度对传热的影响是主要的,存在着一个最佳的开口度值。

1.2.5　管子排列对沸腾传热性能的影响
为考察管子排列对沸腾传热的影响,本项目又做了用9#T形翅片管4根以正三角形排列时的沸腾传热实验。

实验结果表明:管子排列对传热的影响不明显,因而单管试验结果可以用于管束沸腾传热计算。

1.2.6　钢制T形翅片管沸腾传热研究结论
(1)钢制T形翅片管在工业酒精中沸腾有明显的强化效果,一般比光滑管的沸腾传热系数提高2. 0—5.0倍。

(2)在试验热负荷范围内,未发现T形翅片管对工业酒精沸腾产生滞后现象。

(3)在T形通道内进行的高效液膜蒸发和大量进出通道的液体内循环是T形翅片管传热强化的机理所在。

(4)管子排列对传热的影响不明显,因而单管试验结果可以用于管束沸腾传热计算。

1.3　钢制T形翅片管重沸器工业试验研究
在钢制T形翅片管沸腾传热研究试验数据的基础上,得到了钢制T形翅片管沸腾传热机理关联式。

经与长岭炼油化工总厂协商,最终选定该厂烷基化车间脱丙烷塔的塔底重沸器作为工业试验台位,计算结果表明:在换取1280kW热量时,仅需75m2的面积。

考虑安全余量,选用了90m2的换热面积,共有192根T管。

该台位原设备型号为: F LB700213524022。

改用T管后节省了45m2的面积,占33.3%。

工试设备投运半年后,中国石化总公司发展部邀请清华大学彭晓峰副教授和巴陵石化公司设计院周庆生高工作为检测代表同项目组对该台工试设备进行工业试验考核,结果见表4。

从表4可以看出:在相同的热负荷下,T形翅片管重沸器总传热系数比光管重沸器提高1.0—1.5倍。

可以大量节省传热面积,获得较好的经济效益。

工试结果表明:工试数据是完全可信的,用工试数据来评价和效验小试T管关联式结果是可靠的;工试证明原设计指标已完全达到和超过,设计方法和计算关联式已基本满足工业设计要求;T管重沸器仅管型变化,对生产现场的改造和扩能改造极为有利,可大幅度减少设备费用,推广应用前景广阔。

・
5
1
・
郭宏新等　T形翅片管卧式重沸器和蒸汽发生器性能研究及应用
表4　钢制T形翅片管重沸器工业试验主要结果
T ab.4　Result of industry scale research of T2shaped reboiler
热负荷总传热系数/(W・m-2・K-1)低热负荷(Q=1450kW)中热负荷(Q=1500kW)高热负荷(Q=1700kW)组　数%①组　数%组　数%
387.0—400.0212.50
400.0—450.01168.75
450.0—500.0318.75758.33
500.0—540.0541.67
540.0—590.07100
平均总传热系数/(W・m-2・K-1)432.5(T管)493.8(T管)577.0(T管) 190.5(光管)225.6(光管)229.8(光管)
T管重沸器设计Q=1280kW 总传热系数387.3W/(m2・K) ①　指总传热系数在某范围的数与全部数据数之比。

1.4　钢制T形翅片管重沸器及蒸发器工艺计算方法及工程软件开发
1.4.1　工艺计算方法
在T形翅片管传热机理研究的基础上得到了T 形翅片管的国外传热机理关联式,用关联式对管束试验数据进行了关联,误差在±25%以内,基本可以满足工程设计要求。

通过用工业试验和已投入使用的其他T形翅片管重沸器的标定数据校核,对T 形翅片管传热计算关联式进行局部修改,修改后的关联式对不同操作介质在T形翅片管管外沸腾传热计算相当吻合。

1.4.2　钢制T形翅片管重沸器及蒸发器工程软件开发
为了便于推广应用钢制T形翅片管重沸器及蒸发器,根据修改后的沸腾传热计算关联式和洛阳石油化工工程公司开发的T形翅片管重沸器系列图的设备参数,由洛阳石油化工工程公司开发出T形翅片管重沸器及蒸发器设计工程软件。

该软件不仅可以计算重沸器或蒸发器的传热与压降性能,还可以计算重沸器的安装高度。

适用于管内有相变或单相流动、管外沸腾传热的工况。

1.5　钢制T形翅片管重沸器通用图系列开发
为了便于钢制T形翅片管重沸器及蒸发器的选型和加工制造,洛阳石油化工工程公司编制了公司标准《钢制T形翅片管重沸器通用图系列》。

该标准和T形翅片管重沸器和蒸发器技术配套,大大方便了T形翅片管重沸器和蒸发器的设计和制造。

使这项技术在石化企业的扩能改造中迅速发挥积极作用。

2　钢制T形翅片管重沸器蒸发器应用
洛阳石油化工工程公司等单位开发的钢制T形翅片管重沸器及蒸发器技术目前已经在国内炼厂得到广泛应用,累计达数十台。

应用结果均达到或高于设计要求,起到了强化沸腾传热、操作平稳的效果,特别是在传热温差较低(小于20℃)时,该产品的优势更为明显。

T形翅片管重沸器及蒸发器技术的应用为企业节能和节资作出贡献。

参考文献:
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6
1
・化学工程　2004年第32卷第1期。