海上石油鉆井平臺用鈦制板式換熱器的設計與計算

牛忠俊，劉銀屏

（中國石油·遼河石油裝備制造總公司裝備研究院，遼寧盤錦 124010)

海上石油鉆井平臺用鈦制板式換熱器的設計與計算

牛忠俊，劉銀屏

（中國石油·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用鈦制板式換熱器的結構、特點及選型計算方法，分析了設計選型過程中的主要影響因素，并采用對數平均溫差法對應用實例進行計算分析。

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、緊湊的換熱設備，已經歷了上百年的發展歷史，廣泛應用于石油、化工、食品、冶金、機械及制冷等各個工業領域[1]。換熱器在海上石油鉆井裝置領域是必不可少的重要設備之一，如中央冷卻器、主機滑油冷卻器、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的核心設備。其冷卻介質一般為海水，含氯離子濃度大，腐蝕性強，通常采用鈦材作為換熱板片。本文以海上石油鉆井平臺用中央冷卻器設計輸入參數計算為例，討論鈦制板式換熱器的設計計算問題，為海上石油鉆井平臺用同類型鈦制板式換熱器的設計計算提供有益的借鑒。

1 鈦制板式換熱器的結構及特點

1.1 主要結構

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有丁腈橡膠、三元乙丙等，由于船舶冷卻系統中介質溫度一般不超過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、活動壓緊板、夾緊螺栓、上下導桿及支柱，通常采用碳素鋼，外涂防銹漆。

1.2 特點

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在5000W/(m2·K)。

1.2.2 占地面積小、重量輕 板式換熱器的結構非常緊湊，板片厚度僅為0.4～0.6mm，在相同換熱任務條件下，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、壽命長 在鈦制板式換熱器的定期維護過程中，僅需卸掉夾緊螺栓，松開板束，就可對板片進行清理。由于采用鈦板作為換熱板片，幾乎不會被海水腐蝕，而在極端環境下造成密封墊老化的現象，也可通過更換密封墊解決，極大減少了維護費用，海工用鈦制板式換熱器的使用壽命可認為與海上石油鉆井平臺同壽命。

2 鈦制板式換熱器的設計計算

2.1 設計計算方法及基本關聯公式[2]

首先根據熱平衡方程計算熱負荷、冷熱介質進出口溫度及流量，熱平衡方程為：

式中，mh為熱側介質的質量流量；

Cph為熱側介質的定壓比熱容；

T1、T2為熱側介質的進出口溫度；

mc為冷側介質的質量流量；

Cpc為冷側介質的定壓比熱容；

t1、t2為冷側介質的進出口溫度；

根據計算所得的熱、冷側介質進出口溫度，求出對數平均溫差，公式為：

擬定板間流速初值，板間流速通常取0.2～0.8m/s；

根據擬定的板間流速、板片流道當量直徑及介質的動力粘度，計算雷諾數，公式為[3]：

式中，d為板片流道的當量直徑；μ為介質的動力粘度。

根據努塞爾準則，計算對流給熱系數，公式如下：

式中，努塞爾數Nμ=CRemPrn；其中，C、m為常數；n的取值，熱介質為0.3，冷介質為0.4。

計算傳熱系數，公式為：

式中，Rh為熱側介質的污垢熱阻；

Rp為板片的污垢熱阻；

Rc為冷側介質的污垢熱阻。

根據以上計算結果，計算板式換熱器的理論換熱面積，公式為：

計算單組流程流道數n，公式如下：

式中，f為板片流道截面積。

計算實際換熱面積，公式如下：

式中，Np為流程數，此處取1；

S為單張板片的有效傳熱面接。

通過歐拉準則，計算壓降，公式[4]如下：

式中，歐拉數Eu=x·Rey，

其中x，y為常數

對上述計算過程所得結果進行反復校核，直至滿足實際使用條件為止。

2.2 工程實例

下面以某海上石油鉆井平臺中央冷卻器為例進行設計計算。

2.2.1 設計輸入 總熱負荷4000KW；淡水側出口溫度36℃，流量280m3/h，允許壓降0.03MPa；海水側進口溫度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，熱側與冷側介質的物性參數見表1。

2.2.2 計算結果 根據設計輸入及以上計算方法，板式換熱器的計算結果見表2。

3 結語

本文提出了鈦制板式換熱器熱、冷側介質進出口溫度、換熱器的實際換熱面積、換熱器進、出口壓降等的設計、計算公式和方法，為同類產品的設計計算提供參考。但在海上石油鉆井平臺用鈦制板式換熱器的具體設計過程中，熱負荷、介質進出口溫度、流量、允許壓降、板間流速、傳熱系數等眾多因素都會影響板式換熱器的實際換熱面積，需要通過反復的校核以使其達到最佳設計結果。

[1]楊崇麟.板式換熱器工程設計手冊[M].北京:機械工業出版社,1988.

[2]馬瑤珠,金躍波.板式換熱器在船舶輪機中的應用[J].浙江海洋學院學報(自然科學版),2005,(6):164-167.

[3]王海波.板式換熱器在船舶行業的應用[J].中國設備, 2010,(1):229-231.

[4]雷國慶,張志川.船舶用板式換熱器[J].石油化工設備, 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 文獻標設碼：A

1671-0142（2012）03-0076-03

牛忠俊（1975-）,男,遼寧新民人,工程師.

book=78,ebook=334

（責任編輯 劉 紅）