牛忠俊,劉銀屏
(中國(guó)石油·遼河石油裝備制造總公司裝備研究院,遼寧盤錦 124010)
海上石油鉆井平臺(tái)用鈦制板式換熱器的設(shè)計(jì)與計(jì)算
牛忠俊,劉銀屏
(中國(guó)石油·遼河石油裝備制造總公司裝備研究院,遼寧盤錦 124010)
文章介紹了海上石油鉆井平臺(tái)用鈦制板式換熱器的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)及選型計(jì)算方法,分析了設(shè)計(jì)選型過(guò)程中的主要影響因素,并采用對(duì)數(shù)平均溫差法對(duì)應(yīng)用實(shí)例進(jìn)行計(jì)算分析。
換熱器;板式換熱器;鈦制板式換熱器
板式換熱器是一種高效、緊湊的換熱設(shè)備,已經(jīng)歷了上百年的發(fā)展歷史,廣泛應(yīng)用于石油、化工、食品、冶金、機(jī)械及制冷等各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域[1]。換熱器在海上石油鉆井裝置領(lǐng)域是必不可少的重要設(shè)備之一,如中央冷卻器、主機(jī)滑油冷卻器、缸套水冷卻器均已采用板式換熱器逐步取代管殼式換熱器,成為海工用冷卻系統(tǒng)的核心設(shè)備。其冷卻介質(zhì)一般為海水,含氯離子濃度大,腐蝕性強(qiáng),通常采用鈦材作為換熱板片。本文以海上石油鉆井平臺(tái)用中央冷卻器設(shè)計(jì)輸入?yún)?shù)計(jì)算為例,討論鈦制板式換熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算問(wèn)題,為海上石油鉆井平臺(tái)用同類型鈦制板式換熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算提供有益的借鑒。
鈦制板式換熱器主要由鈦制波紋板片、橡膠密封墊片及框架組成。
1.1.1 板片板片采用0.4~0.6mm TA1板材一次沖壓成型,通常為人字形波紋板片。
1.1.2 橡膠密封墊 板式換熱器常用的橡膠密封墊材質(zhì)有丁腈橡膠、三元乙丙等,由于船舶冷卻系統(tǒng)中介質(zhì)溫度一般不超過(guò)100℃,通常采用丁腈橡膠作為密封墊材料。
1.1.3 框架 板式換熱器框架包括固定壓緊板、活動(dòng)壓緊板、夾緊螺栓、上下導(dǎo)桿及支柱,通常采用碳素鋼,外涂防銹漆。
1.2.1 傳熱效率高 人字形波紋板片分為大角度(波紋夾角為120°)和小角度(波紋夾角為60°)板片。大角度人字形波紋可提高流體的湍流程度,其換熱效率可達(dá)管殼式換熱器的5倍以上;小角度人字形波紋允許流體有較高的流速,壓力損失小,其傳熱效率達(dá)管殼式換熱器的3倍左右。在相同的工況條件下,鈦制板式換熱器的綜合傳熱系數(shù)在5000W/(m2·K)。
1.2.2 占地面積小、重量輕 板式換熱器的結(jié)構(gòu)非常緊湊,板片厚度僅為0.4~0.6mm,在相同換熱任務(wù)條件下,板式換熱器的占地面積約為管殼式換熱器的1/5~1/10,重量約為管殼式換熱器的1/5。
1.2.3 易維護(hù)、壽命長(zhǎng) 在鈦制板式換熱器的定期維護(hù)過(guò)程中,僅需卸掉夾緊螺栓,松開(kāi)板束,就可對(duì)板片進(jìn)行清理。由于采用鈦板作為換熱板片,幾乎不會(huì)被海水腐蝕,而在極端環(huán)境下造成密封墊老化的現(xiàn)象,也可通過(guò)更換密封墊解決,極大減少了維護(hù)費(fèi)用,海工用鈦制板式換熱器的使用壽命可認(rèn)為與海上石油鉆井平臺(tái)同壽命。
首先根據(jù)熱平衡方程計(jì)算熱負(fù)荷、冷熱介質(zhì)進(jìn)出口溫度及流量,熱平衡方程為:
式中,mh為熱側(cè)介質(zhì)的質(zhì)量流量;
Cph為熱側(cè)介質(zhì)的定壓比熱容;
T1、T2為熱側(cè)介質(zhì)的進(jìn)出口溫度;
mc為冷側(cè)介質(zhì)的質(zhì)量流量;
Cpc為冷側(cè)介質(zhì)的定壓比熱容;
t1、t2為冷側(cè)介質(zhì)的進(jìn)出口溫度;
根據(jù)計(jì)算所得的熱、冷側(cè)介質(zhì)進(jìn)出口溫度,求出對(duì)數(shù)平均溫差,公式為:
擬定板間流速初值,板間流速通常取0.2~0.8m/s;
根據(jù)擬定的板間流速、板片流道當(dāng)量直徑及介質(zhì)的動(dòng)力粘度,計(jì)算雷諾數(shù),公式為[3]:
式中,d為板片流道的當(dāng)量直徑;μ為介質(zhì)的動(dòng)力粘度。
根據(jù)努塞爾準(zhǔn)則,計(jì)算對(duì)流給熱系數(shù),公式如下:
式中,努塞爾數(shù)Nμ=CRemPrn;其中,C、m為常數(shù);n的取值,熱介質(zhì)為0.3,冷介質(zhì)為0.4。
計(jì)算傳熱系數(shù),公式為:
式中,Rh為熱側(cè)介質(zhì)的污垢熱阻;
Rp為板片的污垢熱阻;
Rc為冷側(cè)介質(zhì)的污垢熱阻。
根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果,計(jì)算板式換熱器的理論換熱面積,公式為:
計(jì)算單組流程流道數(shù)n,公式如下:
式中,f為板片流道截面積。
計(jì)算實(shí)際換熱面積,公式如下:
式中,Np為流程數(shù),此處取1;
S為單張板片的有效傳熱面接。
通過(guò)歐拉準(zhǔn)則,計(jì)算壓降,公式[4]如下:
式中,歐拉數(shù)Eu=x·Rey,
其中x,y為常數(shù)
對(duì)上述計(jì)算過(guò)程所得結(jié)果進(jìn)行反復(fù)校核,直至滿足實(shí)際使用條件為止。
下面以某海上石油鉆井平臺(tái)中央冷卻器為例進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。
2.2.1 設(shè)計(jì)輸入 總熱負(fù)荷4000KW;淡水側(cè)出口溫度36℃,流量280m3/h,允許壓降0.03MPa;海水側(cè)進(jìn)口溫度32℃,流量300m3/h,允許壓降0.06MPa。板片材料為TA1鈦板,密封墊片材料為丁腈橡膠,熱側(cè)與冷側(cè)介質(zhì)的物性參數(shù)見(jiàn)表1。
2.2.2 計(jì)算結(jié)果 根據(jù)設(shè)計(jì)輸入及以上計(jì)算方法,板式換熱器的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。
本文提出了鈦制板式換熱器熱、冷側(cè)介質(zhì)進(jìn)出口溫度、換熱器的實(shí)際換熱面積、換熱器進(jìn)、出口壓降等的設(shè)計(jì)、計(jì)算公式和方法,為同類產(chǎn)品的設(shè)計(jì)計(jì)算提供參考。但在海上石油鉆井平臺(tái)用鈦制板式換熱器的具體設(shè)計(jì)過(guò)程中,熱負(fù)荷、介質(zhì)進(jìn)出口溫度、流量、允許壓降、板間流速、傳熱系數(shù)等眾多因素都會(huì)影響板式換熱器的實(shí)際換熱面積,需要通過(guò)反復(fù)的校核以使其達(dá)到最佳設(shè)計(jì)結(jié)果。
[1]楊崇麟.板式換熱器工程設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1988.
[2]馬瑤珠,金躍波.板式換熱器在船舶輪機(jī)中的應(yīng)用[J].浙江海洋學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2005,(6):164-167.
[3]王海波.板式換熱器在船舶行業(yè)的應(yīng)用[J].中國(guó)設(shè)備, 2010,(1):229-231.
[4]雷國(guó)慶,張志川.船舶用板式換熱器[J].石油化工設(shè)備, 2002,(4):89-90.
Design and Calculation of SeaOilRig Titanium Plate Heat Exchanger
NIU Zhong-jun,LIN Yin-pin
(ChinaOil,LiaoheOilFacilityCompanyResearchInstitute,PanjinLiaoning124010,China)
This article introduces the structure,features and calculation of titanium plate heatexchanger.The factors in design processareanalyzed and logarithmicmean temperature differencemethod isused to calculate theapplication example in thisarticle.
heatexchanger;plate heatexchanger;titanium plateheatexchanger
TE965 文獻(xiàn)標(biāo)設(shè)碼:A
1671-0142(2012)03-0076-03
牛忠?。?975-),男,遼寧新民人,工程師.
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(責(zé)任編輯 劉 紅)