安全型換熱器的研究與開發

                               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,按其制造過程對結構進行了說明。結合理論計算、數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與應用具有積極作用。

    關鍵詞:換熱器;安全型;可靠性;研究;開發

    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

    隨著新能源的發展需要,多晶硅項目蓬勃發展,但其技術及工藝系統設備卻被國外或合資公司壟斷,設備價格居高不下。多晶硅工藝系統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。而國內廠家由于對安全型換熱器認識不足且無行業業績,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,對打破其工藝技術設備被國外壟斷的現狀具有重要意義。筆者結合多年新型高可靠性雙管雙管板換熱器的研發經驗,對安全型換熱器進行了研發,文中簡要介紹相關情況[1~10]。

    1·結構介紹

    安全型換熱器是一種特別的雙管雙管板結構換熱器,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,但在多晶硅生產工藝系統中,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構(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構示意分別見圖1~圖3。



    固定管板式雙芯組是在圖1結構基礎上增加了外管板、哈夫短節、放泄(氣)(注入)口和內換熱管組成的。安全型換熱器試驗件是在圖2結構基礎上增加了水蓋、聯接件組成的。

    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,為保證生產制造方便,內管外徑與外管內徑間不可避免存在間隙。根據管規格、材料選用、長度尺寸及熱阻控制要求,筆者生產了不銹鋼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為內管內半徑,r1為內管外半徑,r2為外管內半徑,ro為外管外半徑, mm;λ1、λ2、λ3分別為內管、管間隔絕層、外管的導熱系數, W/(m·℃);αi為管內對流傳熱系數,αo為管外對流傳熱系數, W/(m2·℃);ti為內管內流體定性溫度,twi為內管內壁的溫度,tw1為內管外壁的溫度,tw2為外管內壁的溫度,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,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,管間介質熱阻不能忽略,在換熱器的計算中有重要的影響。

    2.2　數值分析[2~4]

    數值分析計算邊界條件為,內管內側流體溫度30℃,對流傳熱系數3 000 W/(m2·℃);外管外側流體溫度60℃,對流傳熱系數200 W/(m2·℃)。管壁、空氣、導熱油及水的導熱系數分別為16.3、0.026、0.13及0.62 W/(m·℃)。不同工況下溫度梯度數值分析結果見圖5。

    圖5表明,在管側和殼側換熱相同的情況下,中間層介質的導熱會明顯影響管壁內外的溫差。對于相同工況要求的換熱器而言,將直接關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,管內通冷卻水,殼側通熱水,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,結果見表2。

               

    由表2的計算數據可以看出,傳熱系數相當吻合,說明按理論計算的傳熱系數應用在產品中是可靠的。由于試驗時首先按管間充水進行試驗,后進行無填充介質的試驗,管間濕表面產生蒸發現象,因而出現中間無填充介質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,但其在行業的特別應用卻緣于其安全可靠性。無論是換熱管與管板聯接處泄漏,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構上避免一側介質進入另一側,從而起到隔絕介質的作用,避免泄漏危害和對環境的污染。通過增加對兩管間隔絕介質壓力的監測,可以實時監測換熱器的運行情況,達到預防事故發生的目的。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的選擇是需要進一步研究的問題。

    4·結語

    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構進行了說明。通過理論計算、數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化研發與應用具有積極作用。

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