安全型換熱器的研究與開發(fā)

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

                               高慧敏,張　平,張誠忠

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

    摘要:針對多晶硅項目工藝流程中要求的安全型換熱器,按其制造過程對結(jié)構(gòu)進行了說明。結(jié)合理論計算、數(shù)值分析及試驗對雙管間隔絕層對換熱器傳熱的影響進行了介紹,對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;開發(fā)

    中圖分類號: TQ 051·5; TE 965　　　　文獻標志碼: B

    文章編號: 1000-7466(2010)06-0011-04

    隨著新能源的發(fā)展需要,多晶硅項目蓬勃發(fā)展,但其技術(shù)及工藝系統(tǒng)設(shè)備卻被國外或合資公司壟斷,設(shè)備價格居高不下。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2 500 t/a多晶硅項目進行工藝革新,就大量引進了安全型換熱器。而國內(nèi)廠家由于對安全型換熱器認識不足且無行業(yè)業(yè)績,在競標時常被拒之門外。為此,對安全型換熱器進行深入研究和開發(fā),對打破其工藝技術(shù)設(shè)備被國外壟斷的現(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,對安全型換熱器進行了研發(fā),文中簡要介紹相關(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不漏。即使水壓試驗、氣密性試驗完全合格,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。按制造工藝過程,典型固定管板式芯組、雙芯組及安全型換熱器試驗件結(jié)構(gòu)示意分別見圖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,文中不再進行分析,只重點分析內(nèi)管、外管及形成的管間隙。由于安全型換熱器長度達到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、長度尺寸及熱阻控制要求,筆者生產(chǎn)了不銹鋼316L管材試驗件,兩種換熱管配合間隙為0.2 mm。換熱管截面示意見圖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、外管的導熱系數(shù), W/(m·℃);αi為管內(nèi)對流傳熱系數(shù),αo為管外對流傳熱系數(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

    按傳熱學分析計算多層管壁熱阻[1],在雙管間分別填充空氣、水和導熱油作為不同的傳熱介質(zhì),并只考慮導熱,以此來比較分析中間層熱阻對換熱器傳熱的影響。ri=14.0 mm、r1=16.8 mm、r2=17.0 mm以及ro=20.0 mm時的理論分析熱阻值見表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,在換熱器的計算中有重要的影響。

    2.2　數(shù)值分析[2~4]

    數(shù)值分析計算邊界條件為,內(nèi)管內(nèi)側(cè)流體溫度30℃,對流傳熱系數(shù)3 000 W/(m2·℃);外管外側(cè)流體溫度60℃,對流傳熱系數(shù)200 W/(m2·℃)。管壁、空氣、導熱油及水的導熱系數(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)的導熱會明顯影響管壁內(nèi)外的溫差。對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　試驗驗證

    將圖3所示試驗件放置在熱工試驗平臺上,管內(nèi)通冷卻水,殼側(cè)通熱水,分別按管間填充物為空氣、水和導熱油進行換熱性能試驗,并按文獻[1,6進行工藝分析計算,結(jié)果見表2。

               

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

    3·安全可靠性分析

    從傳熱分析可見,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,避免泄漏危害和對環(huán)境的污染。通過增加對兩管間隔絕介質(zhì)壓力的監(jiān)測,可以實時監(jiān)測換熱器的運行情況,達到預(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。當然對于兩管間隔絕介質(zhì)的選擇是需要進一步研究的問題。

    4·結(jié)語

    按制造過程對多晶硅項目工藝流程中要求的安全型換熱器的結(jié)構(gòu)進行了說明。通過理論計算、數(shù)值分析及試驗對雙管間隔絕層對換熱器傳熱性能的影響進行了介紹,對安全型換熱器的國產(chǎn)化研發(fā)與應(yīng)用具有積極作用。

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