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螺旋板式换热器工作原理、​结构、特点​、设
时间: 2020-07-22 16:16 浏览次数:
螺旋板式换热器是一种结构紧凑、占地面积小的高效换热器设备,它由两块厚约2~6mm的金属板(通常为不锈钢材质)卷成一对同心圆的螺旋形流道,流道始于中心,终于边缘,中心处用隔

  螺旋板式换热器是一种结构紧凑、占地面积小的高效换热器设备,它由两块厚约2~6mm的金属板(通常为不锈钢材质)卷成一对同心圆的螺旋形流道,流道始于中心,终于边缘,中心处用隔板将两边流体隔开,甲、乙两流体在金属板两边的流道内逆流流动而实现了热交换。下面宇泉环保小编为大家介绍螺旋板式换热器工作原理、结构、特点、设计制造工序。

  国内螺旋板式换热器自上世纪五十年代(当时主要用于烧碱厂中的电解液加热和浓碱液冷却)以来,随着我国石化、钢铁、机械及加工制造的发展,如今已广泛应用于化工,石油,医药,机械,电力,轻工和纺织等领域。

  螺旋板式换热器工作原理

  螺旋板式换热器是由两张较长的钢板叠放在一起,在专用卷床上卷制而成的,如图1,每张板上均布地焊有定距柱(泡),它使两张板之间产生一定的间距,形成换热流道,定距柱(泡)起到支撑钢板抵抗流体压力的作用,也起到流体在换热流道中流动时增加湍流从而提高换热效率的作用。相邻两流道流过的两种流体温度不同,它们通过螺旋钢板进行传热,达到换热的目的。

​螺旋板式换热器工作原理

  两流道的间距根据流量的大小,选择流道中合适的流速,根据产生的压力降,确定流道的间距。两流道的间距可以相同,也可不同。流道间距不能太小,也不能太大,太小容易堵塞,太大不利于传热,在制造工艺结构上也难以实现,一般以8-30mm较为适宜。

  螺旋板式换热器结构型式与特点

  螺旋板式换热器主要由传热板、定距柱、连接管、头盖及衬垫等部件组成。我国使用的螺旋板式换热器,主要有三种型式:不可拆式(Ⅰ型)螺旋板换热器及可拆式(Ⅱ型、Ⅲ型)螺旋板换热器。

​螺旋板式换热器结构

  不可拆式Ⅰ型:如图2,它的螺旋通道两端均为密封焊,不能进行机械清洗,但它具有传热性能好、密封可靠、材料消耗少、加工方便等优点,同时由于它没有密封垫片,耐热温度较高,目前应用极为广泛。

​螺旋板式换热器工作原理、​结构、特点​、设计制造工序

  可拆式Ⅱ型:两通道分别为一端敞开,一端为密封焊接,敞开的通道端用平板盖加密封垫片来密封,如图3;也可以设计成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另一端为敞开,如图4。与Ⅰ型相比,采用Ⅱ型结构主要是为了便于清洗螺旋通道,但是加工成本比较高,且从密封性能看,Ⅱ型结构容易泄漏和短路。

  可拆式Ⅲ型:如图5,一个通道的两端焊接密封,另一个通道完全敞开;一种介质走螺旋通道,而另一种介质走轴向直道;这种结构的螺旋通道进出口阻力较大,适用范围较小,主要用于蒸汽冷凝。

  其他型式:根据特殊工艺需求,也可以专门设计成如多通道式等特殊结构的螺旋板式换热器。

  螺旋板式换热器的结构特点主要有以下几点:

  (1)传热性能好;

  (2)自清洁能力强、不易污塞;

  (3)散热损失小;

  (4)传热温差小,可精密控制温度;

  (5)温差应力小;

  (6)结构紧凑;

  (7)承压能力与容量有限;

  (8)检修难度大。

  螺旋板式换热器设计

  设计主要依据JB/T4751-2003《螺旋板式换热器》,适用于可拆和不可拆式。

  范围:摘录标准的适用范围如下:

​螺旋板式换热器特点

  上述类别的螺旋板式换热器在《固定式压力容器安全技术监察规程》中统一划分为第Ⅰ类。

  材料

  材料的选用原则、钢材标准、热处理状态及许用应力值应符合《压力容器》GB150.2-2011材料部分,包括了板材、锻件、管材、螺柱等。

  几何设计

  标准规定了中心隔板宽度、偏心距、有效换热面积、螺旋板圈数、螺旋体长轴外径等参数的设计,并在附录B中推荐了焊接结构形式。

​螺旋板式换热器工作原理、​结构、特点​、设计制造工序

  关于外壳的设计:外壳是主要受压元件,由于是螺旋形,设备的外圈必定存在两道角焊缝,如图6这种结构对低压情况来说简便易行。随着压力的提高,角焊缝结构就不是很可靠了,这时便采用两个半圆外圈板加连接板对接焊缝形式,如图7

  关于接管的设计:

  对于筒体上的接管有两种基本结构,一是切向接管,如图8;另外一种是垂直接管,如图9。

​螺旋板式换热器设计制造工序

  使用较多的是切向接管,在接管内用加强筋板支撑,这种结构的接管局部阻力小,且便于杂质从接管排出。对于半圆端板上的接管,有时工艺需要较大的接管而螺旋板式换热器的半圆端板略小,此时可以考虑把接管一部分跨到旁边的半圆端板,但是对装配和焊接有更高的要求。

  强度和稳定性校核

  螺旋板换热器操作时,其相邻两通道的压力往往是不相同的,两侧的压力差就是作用在螺旋板上的载荷。当螺旋板的曲率半径远大于定距柱的间距时,计算螺旋板的应力与位移问题就简化成一个有一系列点支撑的板的弯曲问题,再根据螺旋板的特点加以修正得出其强度和刚度计算公式。压力容器的通用强度计算软件SW6里并没有列入螺旋板结构,笔者根据标准及相关参考书,编制了excel版的强度校核程序,过程中有以下几点需要注意:

  (1)螺旋板:螺旋板同时受到内压和外压的作用,需要考虑其内压强度问题及外压稳定性问题。有定距柱支撑的螺旋板在凸面受压的情况下,当达到临界压力时,螺旋板将丧失稳定性。螺旋板失稳将产生如下不良后果:螺旋板通道局部变窄,甚至堵塞,阻力急剧上升;在内、外压反复作用下,螺旋板产生裂缝;螺旋板失稳的大变形波及换热器端部,使端面密封失效。螺旋板校核时的计算压力应取条件苛刻的工况,即可能出现的较大压差,除非能保证设备在整个过程中两通道的压差不大于一定数值,也可以将该数值作为计算压力。

  JB/T4751-2003标准中螺旋板的许用压力[p]计算公式为:1437481233113997.png,取两式中的较小值。公式中前一个考虑其外压情况,后一个考虑内压,R为螺旋体半径。前一个公式值得商榷,因为随着R值增大,会使得许用压力偏小,公式过于保守。实际上螺旋板上布满定距柱,起到加强作用,计算外压许用应力时应予以考虑。笔者认为,参照《换热器设计手册》(钱颂文),先计算螺旋板在定距柱加强作用下的绕度,当绕度大于0.8mm时(定距柱加强作用较小),再按标准公式计算螺旋板许用压力,如此较为妥当。

  (2)定距柱:可用定距泡代替定距柱,使用定距泡将使应力集中减小,应力分布较为均匀,其缺点是绕度较大、刚度较差。应注意定距柱的排列方式,典型的排列方式如图10,定距柱间距不易过大,减小间距能有效加强螺旋板,但是间距也不宜过小,否则给制造带来难度。

​螺旋板式换热器制造

  (3)内圈板与支撑环:一般内圈板厚度应不小于螺旋板厚度,必要时可以采用过渡段加厚的型式。内圈板受内压和外压的作用,校核外压时应考虑支撑环的惯性矩是否满足较小惯性矩要求从而起到加强作用减小计算外压长度。

  螺旋板式换热器制造:

  螺旋板式换热器的制造工序过程大致如下:放样、下料-拼接-无损检测-焊定距柱-卷制螺旋体-焊接螺旋通道-装配-金加工-总装-压力试验-后处理-成品出厂。

  在制造过程中,有以下几点值得注意:

  (1)螺旋板:螺旋板板面的缺陷如硬折波纹、镰刀弯,以及下料的板边(国内一般是气割)质量对对螺旋体的卷制有较大影响。拼板的对接焊缝应进行100%射线或超声检测,且必须采用全焊透结构,对接焊缝的余高应及时磨平,防止板面翘曲及使用中的应力腐蚀。

  (2)定距柱:定距柱一端应有1~2X45°的倒角很重要,因为定距柱数量很多且螺旋板板面不可能完全平整,定距柱与螺旋板点焊时难免有少数定距柱发生歪斜,其周边若没有倒角,很容易割伤螺旋板;定距柱高度偏差应为正偏差0~0.3mm,因为如果定距柱加工有负偏差存在,螺旋体卷制成形时,定距柱与螺旋体之间不能切实贴合,甚至有成排的定距柱没有支撑螺旋板,削弱了定距柱增强螺旋体强度和刚度的作用;由于螺旋板较薄,定距柱与螺旋板点焊时应特别注意控制焊接质量,保证螺旋体卷制时不脱落,要注意引弧和收弧时不要造成板面咬肉现象发生,且定距柱点焊完毕后一定要仔细检查缺陷,及时补救,以免造成设备完工后泄漏维修带来的麻烦。

  (3)圆钢:螺旋板式换热器端面密封用圆钢一般都是几根圆钢衔接来填充一个螺旋通道,圆钢硬折处应校直,表面的浮锈应清除;圆钢直径大于14mm时,其刚性较大,螺旋体卷制过程中内圈与胎膜贴合不好,此时圆钢始端的退火长度以大于500mm为宜;圆钢也可用板条替代。

  (4)中心隔板:中心隔板的尺寸小了会影响与螺旋板的焊接质量,大了会增大介质流动的局部阻力,其宽度的允许偏差应严格控制,一般0-1mm;中心隔板与螺旋板的连接处是螺旋板式换热器的重要安全隐患,无法返修,因此一定要控制好其焊接质量,为了消除加载和卸载的周期性作用对焊缝的损坏,可采用改进型的中心隔板结构,如图11。

​螺旋板式换热器原理

  (5)支撑环:支撑环与内圈板(中心管)的紧密贴合,起到加强内圈板强度与刚度的作用,为了保证它们之间的贴合,支撑环半径根据内圈板(中心管)的实测内径制作,有条件时应将支撑环与内圈板完全焊牢。

  我国螺旋板式换热器无论从材料、工艺、结构还是设计理论(包括强度、传热、流体流动)上,国外都有我们值得学习和借鉴的地方,比如:

  (1)采用导热系数大、膨胀系数小的焊接性能更优异的螺旋板材料;

  (2)改进制造工艺,采用定距柱接触焊、定距柱磷酸锌处理、定距柱焊接性能评定、螺旋板自动翻遍工艺、配置高度自动化生产线等;

  (3)采用新型改进结构,如改进的中心隔板、切向接管与径向接管等结构;

  (4)创新螺旋板式换热器设计,使之应用于更加广泛的领域。

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