螺旋板式换热器.docx

螺旋板式换热器一、概述：螺旋板式换热器是一种高效换热器设备,适用汽汽、汽液、液液，对液传热。目前已广泛用于化工、石化、食品饮料、机械、集中供热、冶金、动力、船舶、造纸、纺织、医药、核工业和海水淡化及热电联产等工业领域，可满足各类冷却、加热、冷凝、浓缩、消毒和余热的回收等工艺的要求。螺旋板换热器的结构及换热原理决定了其具有结构紧凑、占地面积小、传热效率高、操作灵活性大、应用范围广、热损失小、安装和清洗方便等特点。两种介质的平均温差可以小至1，热回收效率可达99%以上。在相同压力损失情况下，螺旋板式换热器的传热是列管式换热器的35倍，占地面积为其1/3，金属耗量只有其2/3。因此，螺旋板式换热器是一种高效、节能、节约材料、节约投资的先进热交换设备。二、工作原理：螺旋板式换热器又称螺旋式换热器，是用薄金属板压制成具有一定波纹形状的换热板片，然后叠装，用夹板、螺栓紧固而成的一种换热器。工作流体在两块板片间形成的窄小而曲折的通道中流过。冷热流体依次通过流道，中间有一隔层板片将流体分开，并通过此板片进行换热。 如图，换热器由两块平行但其间焊有定距柱的金属板卷制而成, 由此构成一对同心且相邻的螺旋形流道, 流道截面为矩形。两种介质在其间的流动方式有: 1、均为螺旋形流动(全逆流) , 主要用于液体的加热及冷却过程（I型，见图9)；2、两种介质分别为螺旋流和轴向流(90错流) , 主要用于冷凝、气体冷却、热虹吸和重沸器（II型，见图10)；3、一种为介质螺旋流, 另一种为轴向与螺旋流的组合,主要用于蒸汽冷凝, 特别适用于冷凝液和非冷凝液需要低温冷却的场合。三、型式分类：1、I型：我国现在使用的螺旋板式换热器有三种基本的结构型式, 最普遍应用的为“I”型, 通常称为不可拆式，如图1。它的螺旋通道两端均为焊接密封, 不能进行机械清洗, 但由于它具备传热性能好、密封可靠、金属消耗量少、加工方便等优点, 所以在同类设备中推广最快。2、II型及其衍生“II” 型设备为可拆式, 如图2, 两螺旋通道分别为一端敞开, 一端为焊接密封。敞开的通道端用平板盖加像胶垫􀀂 或石棉橡胶垫 来密封, 这与“I”型设备相比，除了增加平板盖、垫片、法兰、紧固件外, 还需对螺旋通道的端面进行机械加工, 以保证平板盖的密封。也可将设备设计成一端为“I” 型, 而另一端为“II” 型, 如图3, 即一个螺旋通道的两端均为焊接密封, 另一个螺旋通道一端为焊接密封一端为敞开。选用“II” 型设备是为了要进行机械清洗, 但在实际操作中即使是把封头拆下来也很难进行机械清洗, 因为螺旋通道的间距很小, 并且通道内均布着定距柱􀀂或定距泡。“II”型设备比“I” 型设备金属消耗量高2540% , 加工工时高60%, 成本高60%以上。从密封性能来看“II” 型设备易产生外漏与短路。外漏系指介质漏到大气中来。短路是在平板盖有变形的情况下介质不在设备内旋转, 直接通过垫片与螺旋体端面的间隙由里圈跑到外圈（或反之） , 这样传热效果就受到影响。3、III型国内还生产过“ 皿” 型设备, 如图4。它是由4张钢板同时卷制而成, 一个螺旋通道的两端完全焊死, 而另一个通道的两端则全敞开。一种介质走螺旋通道而另一介质走轴向直道。它适用于纯蒸汽冷凝的条件。这种结构螺旋通道的进出口阻力很大, 并且内积存杂质不易吹出，所以推广很慢。四、 四种应用类型1、液体-液体作为最普遍的一种类型螺旋式换热器可以用于液体和液体。气体和气体以及气体和液体的热交换。热侧液体从换热器中间的入口进入后进入后向侧边流出，冷侧液体从换热器旁边的入口进入后中间流出，由于逆流的缘故，两种液体产生了高效率的热交换。在低温差也可以有效应用。根据使用的不同可以分为立式和卧式或任何其他可能设定的方向。2、蒸发器或冷凝器这种类型适用于流体在真空或低压状态下的在沸器和蒸发器。其原理是可以扩大蒸发部分的横截面，降低高度。尽管体积大，氮气体的流速能得以适当保存，摩擦力及旋转压力损失被减至最小，也可以多台并联或串联使用。最合适于大量气体（在低压或真空状态下）及气体/气体或其他/液体混合物的冷凝处理。热侧液体从换热器上部的入口进入后垂直流向下部。冷的液体从换热器旁边的入口进入后通过螺旋通道向侧边上部流出，在通常情况下采用立式，但是根据用户的不同也可以采用其他形式。3、液体-蒸汽该类换热器的核心设计师为了均匀地将一种气体分布于敞开的螺旋通道内，在气体一侧的罩盖的宽法兰能防止气体通道的方向转向外侧，不冷凝的成分在流经较小的通道后冷却水一起形成逆流，在流过外部螺旋通道，冷却水进入主体的入口后流入中心，再通过底盖上的出口排放，可控低温流过外部螺旋通道，可控低温（局部）冷却当进行真空条件下的冷凝时能产生最佳效果。4、顶部冷凝器顶部冷凝器在蒸汽流入的入口连接部分大小可根据连接螺旋板式换热器仪器出口大小，无需其他排管作业的情况下可直接安装在各种塔装置和反应器的上端。五、 性能特点1、传热效率高（性能好）一般认为螺旋板式换热器的传热效率为列管式换热器的3倍。等截面单通道不存在流动死区，定距柱及螺旋通道对流动的扰动降低了流体的临界雷诺数，水-水换热时螺旋板式换热器的传热系数最大可达3000W/（K）。2、传热温差小螺旋板式换热器由两张卷制而成，形成了两个均匀的螺旋通道，两种传热介质可进行全逆流流动，大大增强了换热效果，即使两种小温差介质，也能达到理想的换热效果，进行余热回收，充分利用低温热能。3、不易结垢和堵塞无死角的单通道能使液体分布均匀并能使污垢减至最少，即使粘贴在内壁，也因流遗产生分离现象（自洁），流体的湍流、剪切，使化学清洗非常有效，因此含有淤泥的流体也可以使用。有自清刷能力，因其介质呈螺旋型流动，污垢不易沉积；清洗容易，可用蒸汽或碱液冲洗。若使用机械清洗，由于系统的短小，用高压水洗甚为有效。4、散热损失小热流体可以通过中心接管直接进入螺旋板式换热器的内部 ，且两侧螺旋通道端面易于采用保温措施，使换热器散发于环境的热损失很小。5、结构紧凑高性能的、紧凑型设计结构，单位体积的传热面积比管壳式换热器大得多，并能节省空间，降低安装成本。6、温差应力小若传热系数为定值，冷热流体温度沿螺旋板板长方向呈线性变化。由于螺旋通道为一整体，内部不存在温度的突变区，螺旋板的热胀冷缩量就被螺旋体的通道间隙均匀吸收、当冷热流体的温差达到200摄氏度左右，螺旋板式换热器仍然不需要设置热胀冷缩所需要的零部件。7、运行可靠性强不可拆式螺旋板式换热器螺旋通道的端面采用焊接密封，因而具有较高的密封性，保证两种工作介质不混合。8、阻力小在壳体上的接管采用切向结构，局部阻力小，由于螺旋通道的曲率是均匀的，液体在设备内流动没有大的转向，总的阻力小，因而可提高设计流速使之具备较高的传热能力。比较低的压力损失，处理大容量蒸汽或气体；介质走单通道，允许流速比其他换热器高。9、可多台组合使用单台设备不能满足使用要求时，可以多台组合使用，但组合时必须符合下列规定：并联组合、串联组合、设备和通道间距相同。混合组合：一个通道并联，一个通道串联。10、承压能力和直径受限制（弱点）螺旋体的设计既要保证承受内压时的强度，又要保证承受外压时的刚度。尽管螺旋体的内部焊有很多定踞柱，提高了螺旋体的承压能力，但螺旋版的直径较大，厚度较小，每一圈均承受压力，当两通道的压差达到一定程度时（也即达到或接近临界压力时），螺旋板就会被压瘪而丧失稳定性。目前，各国生产的螺旋板式换热器的最高工作压力为4.0MPa。当设计压力超过1.6MPa时，螺旋体的最大直径也限于2000mm左右。11、检修难度大（弱点）螺旋板式换热器虽然不易泄漏，但对于不可拆螺旋板式换热器，由于结构上的限制，一旦产生泄漏就很难查找和维修，往往只能整台报废。因此对具有腐蚀性介质时，应选用耐腐蚀性能好的材料。六、主要设计参数：1.螺旋板式换热器的公称压力规定为0.6、1、1.6、2.5Mpa（即原6、10、16、25kg/cm）（系指单通道的最大工作压力）试验压力为工作压力的1.25倍。 2.螺旋板式换热器与介质接触部分的材质，碳素钢为Q235A、Q235B，不锈钢为SUS321、SUS304、316L。其它材质可根据用户要求选定。 3.允许工作温度：碳钢为-20-350，不锈钢为-20-3504.选用设备时，应通过适当的工艺计算，使设备通道内的液体达到湍流状态（一般液体速度0.5m/s；气体10m/s）5.设备可卧放或立放，但用于蒸汽冷凝时只能立放。6.用于烧碱行业必须进行整体热处理，以消除应力。7.当通道两侧流量值差较大时，可采用不等间距通道来优化工艺设计。七、现状与发展1、国内外发展现状最近几十年来螺旋板式换热器的发展很快，主要表现在：板式换热器的种类越来越多，技术性能越来越好，应用范围越来越广。据统计,在现代化学工业中所用换热器的投资大约占设备总投资的30%,在炼油厂中换热器占全部工艺设备的40%左右。上个世纪70年代初发生的世界性能源危机,有力地促进了传热强化技术的发展。进入21世纪后，大量的强化传热技术应用于工业装置，换热器产业在技术水平上获得了快速提升，板式换热器日渐崛起。如兰石换热设备公司板式换热器成功进入国内核电建设项目常规和核岛领域，并陆续将板式换热器用于大乙烯项目、钛白粉生产线等领域。现在国际上应用较多的螺旋板式换热器是一种高效节能的热交换设备。具有占地面积少、安装方便、价格便宜、传热效率高的优点。广泛应用于石油、化工、冶金、制药、食品加工、城市采暖等各行业。2、我国螺旋板式换热器的发展趋势在我国使用螺旋板式换热器是从五十年代开始，当时主要用于烧碱厂中的电解液加热和浓碱液冷却。六十年代，我国机械制造部门设计、制造了卷制螺旋板的专用卷床，使卷制的工效提高了几十倍，为推广应用螺旋板式换热器制造了良好的条件。自1968年第一机械工业部在苏州召开的螺旋板式和固定管板式换热器系列审查会议后，国内已有很多家制造厂生产了这种换热器，在我国得到了迅速的推广应用。随着全球能源形势的日趋紧张，常规能源的日益减少，节能降耗越来越受到人们的重视。我国明确提出，在“十一五”期间单位GDP能源消耗要比“十五”期末降低20，为此全国各行各业广泛开展了“节能降耗”工作。螺旋板式换热器在工业生产中是调节工艺介质温度以满足工艺需求以及回收余热以实现节能降耗的关键设备，其换热性能和动力消耗关系到生产效率和节能降耗水平，其重量和造价决定了整个生产系统的投资。因此，换热器的强化传热、降低流阻以及提高综合性能一直是国内科研人员和工程技术人员研究的热点，也取得了大量科研成果。目前，先进的热交换技术已在能源、动力、化工、石油、冶金、核能、制药、轻工、纺织及航空航天等领域得到广泛应用。3、所面临的问题我国目前的最好水平与国外的差距仍然很大，同时又面临以下问题：（1）如何进一步提高承压能力如何进一步提高螺旋板式换热器的承压能力，以使应用范围更为广泛。提高承压能力的途径可采用增加螺旋板厚度、增加定距柱的数目或提高板材的强度（亦即选用质量较好有一定塑性且强度高的钢材）。但如采用增加板厚的方法，则势必要求提高卷板机的能力，这样消耗的功率相应增加，还会给制造工艺带来困难，并使成本提高。目前提高其承受能力的办法主要以改进结构和选用较好的材料。（2）焊接问题因为奥氏体不锈钢的导热系数较小，而膨胀系数大，在焊接的过程中，如果工艺不当会产生较大的变形，引起较大的法兰平面度，不是加工余量大就是余量不足造成报废。因为焊接中焊缝较长，对焊接的工艺要求很高，否则会造成泄漏。（3）不易检修螺旋板式换热器不易检修，尤其是内部板出现问题时极难修理.有些厂把设备两端焊缝全部车掉.重新将板展平补焊后再卷制.这样做消耗的工时太大.因选用螺旋板式换热器防腐是十分重要的。这对螺旋板式换热器的发展造成了很大的局限性。（4）污垢对传热系数的影响目前国内对螺旋板式换热器的垢层热阻还没有成熟的计算公式，在设计计算时，需要先选一垢层热阻（或选一污垢系数），需参照管壳式换热器的污垢系数，选取略小于管壳式换热器的污垢系数的数据，但这样做无疑增大了螺旋板式换热器的设计误差，造成质量性能上的下降。（5）质量亟待提高根据国家对螺旋板式换热器进行的统检结果看,我国螺旋板式换热器与当前国内实际需要和国外产品相比,差距不小,产品质量亟待提高。企业的产品质量意识淡薄，由于市场对螺旋板式换热器的需求量增大,带动了生产企业的发展,尤其是小型个体、私营企业数量猛增，这一供需的变化势必使一些企业不能保证换热器的质量问题。六、实物实例：苏州金星通用机械厂专业生产“超大型、高清洁”的不可拆式和可拆式螺旋板式换热器，适用于碳钢、不锈钢、钛材等各种材料的螺旋板式换热器。企业拥于一支集四十余年开发经验的队伍，技术力量雄厚，质量保证体系健全，测试手段完善，曾为宝钢做过替代进口的螺旋板式换热器和四通道螺旋板式换热器，现在为了适应市场需要，开发了大型螺旋板生产线，同时保证用户特殊的高清洁要求，无焊渣，能生产板宽2米直径2.5米的大型螺旋板换热器。 设备有纵剪、扳边、压鼓或螺柱焊、通道旋转自动焊。自动翻遍，端面焊接可以进行翻转。螺旋板式换热器通过多年实践使用证明，的确是一种高效换热设备，它适用于化工、石油、溶剂、医药、食品、 轻工、纺织、冶金、轧钢、焦化等行业中应用。螺旋板式换热器生产按JB/T4751-2003螺旋板式换热器标准设计、制造。螺旋板通道采用扳边氩弧焊，“定距柱”焊接工艺为电容蓄电接触器碰焊点提高了内在和外表的质量。参考文献：1 吴金星，韩东方，曹海亮等高效换热器及其节能应用化学工业出版社:213-218.2 史美中，王中铮. 热交换器原理与设计（第4版）. 东南大学出版社，2009:113-120.3 国家经济贸易委员会编.螺旋板式换热器标准JB/T4751-2003.锅炉压力容器标准化技术委员会出版，2003.034 支浩，汤慧萍，朱纪磊. 换热器的研究发展现状. 化工进展，2009(28)：338-342.5 中国石化总公司上海高桥石油化工公司炼油厂,钱伯章. 非管壳式节能换热器及其应用(二). 节能，1996（4）：20-23.6 方书起，祝春进，吴勇，牛青川，等. 强化传热技术与新型高效换热器研究进展. 化工机械，2004(4)：249-253.7 解毅，孙立伟，邵德明，等. 可拆式板式换热器在换热站的应用. 辽宁化工，2008：410-412.8 百度图片（呃）