防污染的自消应力高纯度气体低温换热器的设计
责任编辑：chineselng 浏览：2189次 时间： 2008-04-05 18:33:48
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摘要:防污染的自消应力高纯度气体低温换热器的设计陈树军汪荣顺石玉美(上海交通大学制冷和低温工程研究所上海200240)摘要:该设计解决了低温工程与低温技术等领域所使用的高纯度气体介质换热的要求,具有显著的经济效益和社会效益。其换热器是由四个管壳式热交换器串联组合..
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防污染的自消应力高纯度气体低温换热器的设计 陈树军 汪荣顺 石玉美 (上海交通大学制冷和低温工程研究所 上海200240) 摘要:该设计解决了低温工程与低温技术等领域所使用的高纯度气体介质换热的要求,具有显著的经济效益和社会效益。其换热器是由四个管壳式热交换器串联组合而成,壳体呈窄矩形,换热管采用U形换热管,四个管壳式热交换器呈方阵置放在低温换热器筒体内。低温换热器采用的材料是0Cr18Ni9/304,该种材料的透气性小、耐磨损、抗腐蚀能力强和性能稳定,防止了气体被污染。另外在低温下,考虑了材料的热胀冷缩所产生的应力,使应力能够自行消除,提高了它的密封性能,最终使低温换热器密封性能好,防止了气体被污染,保证了气体的高纯度。 关键词:低温换热器;防污染;高纯度气体;管壳式换热器;自消应力 1 引言 反映当今世界高科技水平的微电子产品,正以高性能、低成本为目标,高速度地向着高密度、高集成度发展。与此同时,相应的高纯、高洁净气体及其管路的输配系统,变得十分需要和更加重要,对气体中杂质含量的要求更加严格。如微电子生产工艺气体、过氧化氢及氟化氢中铁的污染,1996年与1989年的实际状况进行比较[1],发现在短短的几年时间,要求控制值由低于10ppb一跃变为低于10ppt;对气体中微粒径的限定也更加严格,不得大于0.01μm。面对这种工艺技术水平的提高,促使气体供应及其管路系统的洁净技术需要大大的改善才能满足使用要求。为了应对高纯、高洁净气体输配系统技术的发展和快速更新的挑战,提高洁净技术的应用水平,改善管理系统污染控制体系,发展和制定相适应的气体检测标准,规范实验室或在线计侧、分析的运作程序和方法等,已成为当务之急。特别是随着科技和经济的不断进步,在国防、航空航天、医学等科学研究领域,对低温气体纯度的要求越来越高。如上海市科委重大项目:AMS-02低温地面支持设备(CGSE)系统研究,CGSE系统是在发射前对超导磁体完成冷却、测试和超流氦加注的重要系统。此套系统将完成AMS-02超导磁体从环境温度到1.8K的冷却以及注满超流氦的全过程,其中300-80K受控冷却系统是AMS-02探测器的CGSE系统中的重要子系统,其主要作用是实现AMS-02磁体从常温(约300K)到接近液氮温度(约80K)的冷却。该子系统所用的介质就是常温氦气,使用低温换热器将其冷却到液氮温度,该套系统所要求的介质纯度较高,达到99.999%,所以低温换热器必须保证能够防污染。另外,低温下材料的热胀冷缩产生了较大的应力,破坏了它的密封性能,最终导致换热器内气体的纯度降低。正是在这样的背景条件下,作者设计了一种防污染的自消应力高纯度气体低温换热器。 2 防污染的自消应力高纯度气体低温换热器的设计原理 换热器在生产中应用很广,它是实现传热过程的基本设备。它的类型很多,其中以管壳式换热器应用最为广泛。它具有单位体积传热面积大、传热效果好、结构简单、制造材料范围广、操作弹性较大等优点[2]。它的基本型式有固定管版式、填料函式、浮头式和U形管式[3]。换热器的使用场合、使用目的、换热介质物性等因素的不同,决定了管壳式换热器的结构型式。固定管板式换热器结构简单、紧凑、造价低,每根换热管可以单独清洗和更换,在结构尺寸相同的条件下,与浮头式和U形管式换热器相比,换热面积最大[4]。由于固定管板式换热器的壳程清洗困难和适应热膨胀能力差,决定了固定管板式换热器适用于换热介质清洁,壳程压力不高,换热介质温差不大的场合。浮头式换热器由于管束的热膨胀不受壳体的约束,而且可拆卸抽出管束,检修更换换热管、清理管束和壳程污垢方便,因此,浮头式换热器应用广泛,在油田储运集输系统中,60%～70%的换热器为浮头式换热器。填料函式换热器的管板仅有一段与壳体固定,另一端采用填料函密封,它的管束可自由膨胀,所以管壳之间不会产生热应力,且管程和壳程都能清洗,结构较浮头式简单,造价较低,加工制造方便,材料消耗较少。但由于填料密封处易于泄漏,故壳程压力不能过高,也不宜用于易挥发、易燃、易爆、有毒的场合。U形管式换热器仅有一个管板,管子的两端均固定于同一管板上。这类换热器的特点是管束可以自由伸缩,不会因管壳之间的温差而产生热应力,热补偿性能好;管程至少为双管程,流程较长,流速较高,传热性能较好;承压能力强;密封性能好;管束可以从壳体内抽出,便于检修和清洗,且结构简单,造价便宜[3]。对于换热器换热介质工作压力高,管、壳程介质密封要求严的场合,为确保换热器管、壳程的密封,换热器管束的设计一般采用U形管。因此,本文选用U形管管壳式换热器。 为防止管路系统的污染,《规范》按着气体的纯度、干燥度,把气体管路分为几个层次(见表1～2)[1]。仅从保持管道内气体纯度、干燥度出发,对管材提出了这样要求还是不够的,因为除去纯度、干燥度的影响因素外,洁净度的控制也是不可忽视的。对洁净度的控制,应由生产工艺专门提出,或与工艺使用空间的洁净度等级保持一致,防止气体中污染物粒子对产品质量、产品成品率造成影响,甚至作不出合格产品。污染物粒子源来自两个方面:一是粘附在管壁上的微粒,二是因磨损或腐蚀等原因管壁产生的微粒[5]。因此,管材的选取应恪守下列原则:管材的透气性小;管材内表面吸附、解析气体的作用小;管材含杂质少;管材耐磨损、抗腐蚀能力强;焊接时性能稳定,组织不发生变化;价位应当合理。对于不同材质的换热器,其透气性能是不同的,如果管材本身透气性较大,而我们不恰当地作了选用,那么,无论采取任何处理手段去除污染,都将是无济于事的。由表3可见,对于防止大气中氧的渗透,不锈钢管和铜管最佳。两种管材在气体输配过程中对微尘粒子的分配状况测定结果(表4)说明:不锈钢管优于铜管的耐磨性能,所以,在气流冲刷下产生的金属粉尘相对较少[1]。不锈钢的强度、耐蚀损性能都比铜材好,允许最大流速远大于铜材,因此最多采用。但应注意防止产生氯离子应力腐蚀开裂。尽管铜材的导热系数比不锈钢大得多,但管壁热阻在热阻总值中所占分额很小,因而对传热系数的影响很不显著[6]。所以,该低温换热器采用的材料是0Cr18Ni9/304,并应对换热管和壳体内壁采用电抛光处理。 该低温换热器的筒体直径为D510×5mm,管子直径为D10×1.5mm。为保证氦气在流动过程中不发生啸叫,气体平均流速u≤15m/s。管内气体的质量流量G=0.002kg/s,平均温度T=219.5K,平均压力P=282500Pa,由此可以查出管内氦气的密度ρ=0.6185kg/m3。采用错排方式,根据流速公式可以算出所需的最小管子数:  管子的数量要多些,但是由于受筒体尺寸的限制,管子也不能无限制的多。所以,该低温换热器选用38根U形换热管[7]。多管程、多壳程在热力学方面有许多优点,但是受流体允许的最大压力降的限制或其它的限制,使得壳程的串联数目也不能太多[8]。因此,换热管被平均分成两组,呈方阵布置在低温换热器筒体内。另外,为了提高换热器的换热性能,在换热管外设置了窄矩形壳体,使冷热气体换热更加充分。于是,该低温换热器包含了四个管壳式热交换器,它们相互串联连接。管壳式热交换器的壳体呈窄矩形,半圆形的上封头和窄矩形壳体上端均分别与管板焊接在一起。通常,换热管的排列方式有等边三角形、正方形和同心圆排列等,对于壳程介质不易结垢或可用化学方法清洗污垢的介质,采用三角形排列可使换热器的外径减小15%[4],对于需要机械清洗的管束,管子排列应采用正方形;对于小于300mm的换热器,为使管束排列紧凑,可采用同心圆排列。为使低温换热器的外径减小,换热管采用正三角形排列。 为了减小漏热,该低温换热器的绝热结构采用双面镀铝涤纶薄膜或铝箔与隔热纸一一间隔组合而成。为了防止管板焊接变形和管壳式换热器窄矩形壳体受压,在管板周边开有若干小孔,使得低温换热器上封头内和低温换热器筒体之间的压差为零。该低温换热器的U形换热管与支撑板是不焊的,并且各矩形窄通道管壳式热交换器也没有下封头。由于低温下的热胀冷缩效果较显著,这样的布置使得U形换热管能够自由伸缩,使产生的温差应力自行消除,减小了因此而产生的管束和壳体变形。该低温换热器的支撑板与低温换热器筒体内壁之间留有空隙,支撑板能够随着管壳式热交换器矩形壳体的热胀冷缩而发生上下移动,也能使产生的应力自行消除,最终使管壳式换热器的壳体密封性能好,防止了气体被污染。 |
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