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蜂窝紧凑结构螺旋板换热器的结构特点及优越性点击：2257 日期：[ 2014-04-26 21:53:56 ] |
| 蜂窝紧凑结构螺旋板换热器的结构特点及优越性 宋虎堂 李培宁 (华东理工大学,上海 200237) 摘 要：高效、紧凑换热器是目前最有发展前途的新型换热设备,综合吸纳了板式、板翅式及螺旋板换热器的优点,开发出一种新型蜂窝紧凑结构螺旋板换热器,详细介绍了该换热器的结构特点、优越性及应用场合,便于更好地推广应用。 关键词：螺旋板换热器;紧凑结构;蜂窝式 中图分类号：TQ051. 5;TQ050. 2 文献标识码：A 文章编号：1001-4837(2010)04-0013-03 1·引言 蜂窝紧凑结构螺旋板换热器[1],它是采用和板式换热器传热板相似的带有压槽(坑)的1 mm薄金属板取代螺旋板换热器的螺旋板,用薄板上密布的凹坑取代稀疏的定位柱,构成蜂窝巢状内胆的新型蜂窝螺旋板换热器。 该换热器的结构综合了板式、板翅式和螺旋板式3种换热器的优点,摈弃其缺点,通过结构集成及优化而成。它是一种可用于高压介质、结构紧凑、金属消耗量低、传热高效、制造也不太复杂的高效紧凑换热器。 2·蜂窝换热器的结构特点 对板式、板翅式及螺旋板式等换热器[2~6]的结构性能综合分析可知,从承受介质压力的能力看,板式、板翅式换热器传热元件(板片)远远优于螺旋板换热器的内件(螺旋板);螺旋板换热器的筒状外壳又远远优于板式换热器的厚平板外壳;从内件的传热系数及单位传热面积金属消耗量来看,板式、板翅式换热器的内件远优于螺旋板换热器的内件;从2种换热器介质流程、温差及处理量等方面,螺旋板换热器总体结构又优于板式、板翅式换热器的总体结构。 在分析比较的基础上,提出了这种新型结构换热器———蜂窝紧凑螺旋板换热器。该换热器外部结构采用普通螺旋板式换热器的圆筒体结构,内部用作传热面的螺旋板改用与板式换热器传热板相似的具有压槽(坑)的薄不锈钢传热板卷制而成,构成一种宏观上看起来是螺旋板换热器,从传热面看却是蜂窝(巢)状紧凑结构,既像板式又像板翅式的紧凑式换热器,其结构如图1所示。 该换热器蜂窝螺旋板结构是改造继承、移植和发展了板式换热器的开槽技术,螺旋板面上可压制出各式各样的沟槽形状及尺寸,既可压制成人字型,又可压制成圆柱台、圆碟、长条型等[7]如图2, 3所示。 关于沟槽的形状及尺寸,从强化传热的角度看,凹凸槽的优化设计已相当成熟,为提高板式换热器传热系数,以瑞典阿法拉伐公司为代表的板式换热器制造厂在压槽型式优化方面已取得了大量科技成果,我国板式换热器制造商也积累了很多实践经验,若将这些成果移植到文中提出的蜂窝紧凑结构螺旋板换热器上,再加上螺旋通道的惯性离心力强化传热的作用,可创造出不比板式换热器传热系数逊色的换热器。 该换热器的传热板在高压介质的作用下,通过密布的凹坑的凸出高度的支撑,相邻两板紧紧压在一起,凹坑起了定距柱的作用,但此“定距柱”并不需要焊接,冲压的数量也没有限制。众所周知,多支承平板承受均布载荷的介质压力的能力与支撑点的间距的平方成反比,密布支撑点的薄板可以承受很高的介质压力。多支撑点的凹坑将圆筒状的内、外压压力容器转化为以支撑点间距为尺寸的多腔体承压结构,像板翅式换热器的蜂巢中的一个个蜂窝,从而可以具有板翅式换热器的结构紧凑、传热效率高的优点。螺旋板换热器有足够厚度的圆柱形外壳,承受内压能力是很强的,将所有螺旋板包扎在一起,所以在支撑点处的凹坑与相邻板之间并不需要焊接,从而克服了板翅式换热器各板翅之间需要钎焊的缺点,大大减少了加工费用。在设备大型化方面也比板翅式换热器及板式换热器更为有利。 应该指出的是,为了保证层板之间相互的良好支撑,螺旋板面上的沟槽应按一定规律排布,防止一层板凹槽(坑)落入另一层板的凹坑中,宜使上、下两板的凹坑(沟槽)在换热器轴向上的位置相互错开,或上下板凹槽(包括人字纹凹槽)的方向错开。 蜂窝换热器外壳结构,利用普通螺旋板换热器的圆筒外壳结构,其设计制造技术已相当成熟。蜂窝换热器内部螺旋蜂窝板卷制成型与普通螺旋板换热器略有不同,要求板与板之间蜂窝紧贴在一起,形成蜂窝结构,如图4所示,其卷制成型技术可以借鉴卷板式多层高压容器制造技术经验[8],筒体外壳箍紧螺旋体,如同多层包扎容器的外层层板包紧内层一样。所不同的是多层卷板式高压容器要求卷紧的薄板是6 mm厚的单层平钢板,而蜂窝螺旋板换热器要求卷紧的螺旋板是两层均有凹凸坑(槽)、厚度仅1 mm左右的不锈钢薄板,螺旋体卷制过程[7]见图5。该换热器端部连接结构,可采用细圆钢丝或方钢条嵌入螺旋板端部的焊接密封结构(见图1右侧视图),或采用板边缘翻边(弯曲)后再焊接的型式,卷制前,圆(方)钢丝端部可先与螺旋板边的端部点焊好,同步卷入螺旋体中,然后在螺旋体端部完成钢丝与薄钢板之间的密封焊。 3·蜂窝螺旋板换热器的优越性 (1)结构强度好。蜂窝螺旋板换热器外部结构排除了板式换热器的大平板、大螺栓连接结构不耐压的缺点,吸纳了普通螺旋板换热器外壳的圆筒体结构,能承受较高压力。内部结构上,它继承了板式换热器换热板的窝槽结构及板翅式换热器的内部蜂窝结构耐压的优点,排除了普通螺旋板换热器螺旋板因外压失稳问题不能承受高压的不足。即使板很薄,也能实现既耐压又抗失稳的目的。 带凹槽(坑)的传热薄板经卷制成型后,在板与板之间形成了一个个独立的蜂窝“小室”单元,蜂窝单元数量很多,实质是将一个个大直径的圆筒压力壳化解为由短的圆柱壳及孔板板桥状薄板组成的小压力壳单元,这种小单元结构尺寸小,承压能力大,刚度高,虽为薄板但耐高压,蜂窝之间紧密接触,形成一个整体,保持了结构的稳定。 (2)传热效率高。这种结构蜂窝螺旋板可以很薄,仅0. 8~1. 0 mm即可,薄板在厚度方向上的传热热阻很小,可有效提高换热器整体的传热效率;大量的蜂窝结构分布在整个换热器内部,既增大了传热面积,又起到了扰流体的作用,致使流速增加,流向又不断变化,流体滞流边界层大大减薄,从而强化了传热。 (3)结构紧凑度高且钢材消耗少。蜂窝紧凑螺旋板换热器的板间距可降至3. 0~4. 0 mm,在相同换热面积的条件下,与常规螺旋板换热器相比体积可缩小几倍,故紧凑度很高,设备所占空间很小。螺旋板中的蜂窝单元可承受很大强度,因此可选用薄板制造传热板,通常选用厚度0. 8~1. 0 mm的薄板即可,可大大节省钢材,又没有板式换热器所需的机架,故该换热器的重量很轻,单位体积重量和单位传热面积重量都可做得很小。 (4)制造成本低。由于内部蜂窝结构不需要焊接,且定型产品、冲压模具可以重复利用,蜂窝板冲制可实现自动化、批量生产,提高生产效率,降低综合制造成本,节省投资。 4·结语 笔者已对这种新型蜂窝紧凑结构螺旋板换热器结构强度及传热性能进行了初步研究,并设计制造了一台小型样机进行了传热试验[7],包括液—液、气—液试验,结果表明其在这2种试验工况下的传热效果均很好。 由于该换热器的结构强度好,传热效率高,可回收低位热,同时结构紧凑、重量轻、成本低,可实现微型化和大型化,特别适用于需用贵重金属制造的换热器,能广泛应用于石油化工、精细化工、医药卫生、电力能源、航空航天及日常生活等各行各业,对于当今世界推广低碳经济、废热回收利用、节能减排意义重大。因此,它是一种很有发展前景的热交换设备,具有较大的推广应用价值。 参考文献： [1] 宋虎堂,李培宁.蜂窝紧凑结构螺旋板换热器[P].中国专利: 200910039599. 9, 2009-10-08. [2] 凌祥,涂善东,陆卫权.板翅式换热器的研究与应用进展[J].石油机械, 2000, 28(5): 54-58. [3] 杨崇麟.板式换热器工程设计手册[M].北京:机械工业出版社, 1998. [4] 张晓峰.浅谈板式换热器[ J].科技情报开发与经济, 2009, 19(10): 223-225. [5] 陈远瑜,王平.高效节能产品———螺旋板式换热器的结构性能及其工业应用[ J].石油化工设备,1990, 19(1): 38-40. [6] Guide to CompactHeatExchanger[EB/OL]. http: //www. hw. ac. uk/mecWWW/hexag/CHX. pd,f 2009-10-12. [7] 宋虎堂.蜂窝紧凑结构螺旋板换热器[D].上海:华东理工大学, 2009. [8] 吴红梅,朱国辉.绕带式压力容器大型化发展研究[J].石油化工设备, 1999, 28(6): 39-41. 作者简介:宋虎堂(1963-),男,博士,教授级高级工程师,主要从事石油化工设备开发及应用研究,通讯地址:200237上海市梅陇路130号华东理工大学, E -mai:lsonghutang88@ sina. com。 |
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