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蜂窩緊湊結構螺旋板換熱器的結構特點及優越性

點擊:1693 日期:[ 2014-04-26 21:53:56 ]
                  蜂窩緊湊結構螺旋板換熱器的結構特點及優越性                               宋虎堂   李培寧                          (華東理工大學,上海 200237)     摘 要:高效、緊湊換熱器是目前最有發展前途的新型換熱設備,綜合吸納了板式、板翅式及螺旋板換熱器的優點,開發出一種新型蜂窩緊湊結構螺旋板換熱器,詳細介紹了該換熱器的結構特點、優越性及應用場合,便于更好地推廣應用。     關鍵詞:螺旋板換熱器;緊湊結構;蜂窩式     中圖分類號:TQ051. 5;TQ050. 2  文獻標識碼:A  文章編號:1001-4837(2010)04-0013-03     1·引言     蜂窩緊湊結構螺旋板換熱器[1],它是采用和板式換熱器傳熱板相似的帶有壓槽(坑)的1 mm薄金屬板取代螺旋板換熱器的螺旋板,用薄板上密布的凹坑取代稀疏的定位柱,構成蜂窩巢狀內膽的新型蜂窩螺旋板換熱器。     該換熱器的結構綜合了板式、板翅式和螺旋板式3種換熱器的優點,擯棄其缺點,通過結構集成及優化而成。它是一種可用于高壓介質、結構緊湊、金屬消耗量低、傳熱高效、制造也不太復雜的高效緊湊換熱器。     2·蜂窩換熱器的結構特點     對板式、板翅式及螺旋板式等換熱器[2~6]的結構性能綜合分析可知,從承受介質壓力的能力看,板式、板翅式換熱器傳熱元件(板片)遠遠優于螺旋板換熱器的內件(螺旋板);螺旋板換熱器的筒狀外殼又遠遠優于板式換熱器的厚平板外殼;從內件的傳熱系數及單位傳熱面積金屬消耗量來看,板式、板翅式換熱器的內件遠優于螺旋板換熱器的內件;從2種換熱器介質流程、溫差及處理量等方面,螺旋板換熱器總體結構又優于板式、板翅式換熱器的總體結構。     在分析比較的基礎上,提出了這種新型結構換熱器———蜂窩緊湊螺旋板換熱器。該換熱器外部結構采用普通螺旋板式換熱器的圓筒體結構,內部用作傳熱面的螺旋板改用與板式換熱器傳熱板相似的具有壓槽(坑)的薄不銹鋼傳熱板卷制而成,構成一種宏觀上看起來是螺旋板換熱器,從傳熱面看卻是蜂窩(巢)狀緊湊結構,既像板式又像板翅式的緊湊式換熱器,其結構如圖1所示。                     該換熱器蜂窩螺旋板結構是改造繼承、移植和發展了板式換熱器的開槽技術,螺旋板面上可壓制出各式各樣的溝槽形狀及尺寸,既可壓制成人字型,又可壓制成圓柱臺、圓碟、長條型等[7]如圖2, 3所示。                     關于溝槽的形狀及尺寸,從強化傳熱的角度看,凹凸槽的優化設計已相當成熟,為提高板式換熱器傳熱系數,以瑞典阿法拉伐公司為代表的板式換熱器制造廠在壓槽型式優化方面已取得了大量科技成果,我國板式換熱器制造商也積累了很多實踐經驗,若將這些成果移植到文中提出的蜂窩緊湊結構螺旋板換熱器上,再加上螺旋通道的慣性離心力強化傳熱的作用,可創造出不比板式換熱器傳熱系數遜色的換熱器。                     該換熱器的傳熱板在高壓介質的作用下,通過密布的凹坑的凸出高度的支撐,相鄰兩板緊緊壓在一起,凹坑起了定距柱的作用,但此“定距柱”并不需要焊接,沖壓的數量也沒有限制。眾所周知,多支承平板承受均布載荷的介質壓力的能力與支撐點的間距的平方成反比,密布支撐點的薄板可以承受很高的介質壓力。多支撐點的凹坑將圓筒狀的內、外壓壓力容器轉化為以支撐點間距為尺寸的多腔體承壓結構,像板翅式換熱器的蜂巢中的一個個蜂窩,從而可以具有板翅式換熱器的結構緊湊、傳熱效率高的優點。螺旋板換熱器有足夠厚度的圓柱形外殼,承受內壓能力是很強的,將所有螺旋板包扎在一起,所以在支撐點處的凹坑與相鄰板之間并不需要焊接,從而克服了板翅式換熱器各板翅之間需要釬焊的缺點,大大減少了加工費用。在設備大型化方面也比板翅式換熱器及板式換熱器更為有利。     應該指出的是,為了保證層板之間相互的良好支撐,螺旋板面上的溝槽應按一定規律排布,防止一層板凹槽(坑)落入另一層板的凹坑中,宜使上、下兩板的凹坑(溝槽)在換熱器軸向上的位置相互錯開,或上下板凹槽(包括人字紋凹槽)的方向錯開。     蜂窩換熱器外殼結構,利用普通螺旋板換熱器的圓筒外殼結構,其設計制造技術已相當成熟。蜂窩換熱器內部螺旋蜂窩板卷制成型與普通螺旋板換熱器略有不同,要求板與板之間蜂窩緊貼在一起,形成蜂窩結構,如圖4所示,其卷制成型技術可以借鑒卷板式多層高壓容器制造技術經驗[8],筒體外殼箍緊螺旋體,如同多層包扎容器的外層層板包緊內層一樣。所不同的是多層卷板式高壓容器要求卷緊的薄板是6 mm厚的單層平鋼板,而蜂窩螺旋板換熱器要求卷緊的螺旋板是兩層均有凹凸坑(槽)、厚度僅1 mm左右的不銹鋼薄板,螺旋體卷制過程[7]見圖5。該換熱器端部連接結構,可采用細圓鋼絲或方鋼條嵌入螺旋板端部的焊接密封結構(見圖1右側視圖),或采用板邊緣翻邊(彎曲)后再焊接的型式,卷制前,圓(方)鋼絲端部可先與螺旋板邊的端部點焊好,同步卷入螺旋體中,然后在螺旋體端部完成鋼絲與薄鋼板之間的密封焊。                     3·蜂窩螺旋板換熱器的優越性     (1)結構強度好。蜂窩螺旋板換熱器外部結構排除了板式換熱器的大平板、大螺栓連接結構不耐壓的缺點,吸納了普通螺旋板換熱器外殼的圓筒體結構,能承受較高壓力。內部結構上,它繼承了板式換熱器換熱板的窩槽結構及板翅式換熱器的內部蜂窩結構耐壓的優點,排除了普通螺旋板換熱器螺旋板因外壓失穩問題不能承受高壓的不足。即使板很薄,也能實現既耐壓又抗失穩的目的。     帶凹槽(坑)的傳熱薄板經卷制成型后,在板與板之間形成了一個個獨立的蜂窩“小室”單元,蜂窩單元數量很多,實質是將一個個大直徑的圓筒壓力殼化解為由短的圓柱殼及孔板板橋狀薄板組成的小壓力殼單元,這種小單元結構尺寸小,承壓能力大,剛度高,雖為薄板但耐高壓,蜂窩之間緊密接觸,形成一個整體,保持了結構的穩定。     (2)傳熱效率高。這種結構蜂窩螺旋板可以很薄,僅0. 8~1. 0 mm即可,薄板在厚度方向上的傳熱熱阻很小,可有效提高換熱器整體的傳熱效率;大量的蜂窩結構分布在整個換熱器內部,既增大了傳熱面積,又起到了擾流體的作用,致使流速增加,流向又不斷變化,流體滯流邊界層大大減薄,從而強化了傳熱。     (3)結構緊湊度高且鋼材消耗少。蜂窩緊湊螺旋板換熱器的板間距可降至3. 0~4. 0 mm,在相同換熱面積的條件下,與常規螺旋板換熱器相比體積可縮小幾倍,故緊湊度很高,設備所占空間很小。螺旋板中的蜂窩單元可承受很大強度,因此可選用薄板制造傳熱板,通常選用厚度0. 8~1. 0 mm的薄板即可,可大大節省鋼材,又沒有板式換熱器所需的機架,故該換熱器的重量很輕,單位體積重量和單位傳熱面積重量都可做得很小。     (4)制造成本低。由于內部蜂窩結構不需要焊接,且定型產品、沖壓模具可以重復利用,蜂窩板沖制可實現自動化、批量生產,提高生產效率,降低綜合制造成本,節省投資。     4·結語     筆者已對這種新型蜂窩緊湊結構螺旋板換熱器結構強度及傳熱性能進行了初步研究,并設計制造了一臺小型樣機進行了傳熱試驗[7],包括液—液、氣—液試驗,結果表明其在這2種試驗工況下的傳熱效果均很好。     由于該換熱器的結構強度好,傳熱效率高,可回收低位熱,同時結構緊湊、重量輕、成本低,可實現微型化和大型化,特別適用于需用貴重金屬制造的換熱器,能廣泛應用于石油化工、精細化工、醫藥衛生、電力能源、航空航天及日常生活等各行各業,對于當今世界推廣低碳經濟、廢熱回收利用、節能減排意義重大。因此,它是一種很有發展前景的熱交換設備,具有較大的推廣應用價值。 參考文獻: [1] 宋虎堂,李培寧.蜂窩緊湊結構螺旋板換熱器[P].中國專利: 200910039599. 9, 2009-10-08. [2] 凌祥,涂善東,陸衛權.板翅式換熱器的研究與應用進展[J].石油機械, 2000, 28(5): 54-58. [3] 楊崇麟.板式換熱器工程設計手冊[M].北京:機械工業出版社, 1998. [4] 張曉峰.淺談板式換熱器[ J].科技情報開發與經濟, 2009, 19(10): 223-225. [5] 陳遠瑜,王平.高效節能產品———螺旋板式換熱器的結構性能及其工業應用[ J].石油化工設備,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.蜂窩緊湊結構螺旋板換熱器[D].上海:華東理工大學, 2009. [8] 吳紅梅,朱國輝.繞帶式壓力容器大型化發展研究[J].石油化工設備, 1999, 28(6): 39-41. 作者簡介:宋虎堂(1963-),男,博士,教授級高級工程師,主要從事石油化工設備開發及應用研究,通訊地址:200237上海市梅隴路130號華東理工大學,  E -mai:lsonghutang88@ sina. com。
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