螺旋板式热交换器的构造包括螺旋形传热板、隔板、头盖、连接管等基本部件(参阅图3.1),其具体结构将因型式不同而异,图3.1为一种可拆式的螺旋板式热交换器的结构简图。各种型式的螺旋板式热交换器均包含由两张厚约2~6mm的钢板卷制而成的一对同心圆的螺旋形流道,中心处的隔板将板片两侧流体隔开,冷、热两流体在板片两侧的流道内流动,通过螺旋板进行热交换。螺旋板一侧表面上有定距柱,它是为了保证流道的间距,也能起加强湍流和增加螺旋板刚度的作用。一般用直径为3~10mm的圆钢在卷板前预焊在钢板上而成。
螺旋板式热交换器可分别按流道的不同和螺旋体两端密封方法的不同来分类。但根据我国的行业标准,我国的螺旋板式热交换器是按可拆与不可拆来分的,今本书作者将其分为三种型式(图3.2为示意图,标准的图形可看国标):
图3.1 螺旋板式热交换器(可拆式)结构简图
1-定距柱;2-螺旋板;3-回转支座;4-头盖;5-垫片;6-切向接管
图3.2 螺旋板式热交换器的三种型式
图3.3 流道的密封
不可拆型(行业内称为Ⅰ型)[1]1:两流体均匀螺旋流动(图3.2(a)),通道两端全焊密封(图3.3(a)),为不可拆结构。通常是冷流体由外周边流向中心排出,热流体由中心流向外周排出,实现了纯逆流换热。常用于液-液热交换,由于受到通道断面的限制,只能用在流量不大的场合。也用于汽-液、气-汽流体的传热,还可用来加热和冷却高黏度液体。按国标,目前工作的公称压力在2.5MPa以下。
可拆式堵死型(行业内常称为Ⅱ型):流体的流动方式与Ⅰ型相同,但通道两端交错焊接(图3.3(b)),两端面的密封采用顶盖加垫片的结构,螺旋体可由两端分别进行机械清洗,故为可拆式堵死型,主要用于气-液及液-液的热交换,尤其适用于比较脏、易结垢的介质。按国标,工作的公称压力为1.0MPa以下。
可拆式贯通型(行业内常称为Ⅲ型):一侧流体螺旋流动,流体由周边转到中心,然后再转到另一周边流出。另一侧流体只作轴向流动,如,蒸汽由顶部端盖进入,经敞开通道向下轴向流动而被冷凝,凝液从底部排出(图3.2(c))。通道的密封结构为一个通道的两端焊接,另一通道的两端全敞开(图3.3(c)),实际上这是一种半可拆结构。由于它的轴向流通截面比螺旋通道的流通截面大得多,适用于两流体的体积流量相差大的情况,故常用作冷凝器等气-液热交换。允许的工作压力为1.6MPa。(www.xing528.com)
除此以外,还可以有一些特殊结构,如,一侧流体螺旋流动,另一侧为先轴向而后螺旋流动的结构,适用于蒸汽的冷凝冷却。我国产品在用于冷凝时,要求立式安装,国外已有用于某些特殊场合的水平放置的螺旋板式冷凝器。为了适应大流量工况的需要,我国已有厂家研制出四通道的螺旋板式热交换器。其中每种流体可以同时在两个流道内流动,使流量增大1倍,流道长度减小为原来的1/2,阻力也大为减小,已在酒精制造领域得到应用。
表3.1 螺旋板式热交换器的主要设计参数
从上述螺旋板式热交换器的流道结构可见,由于流体在螺旋形流道内的流动所产生的离心力,使流体在流道内外侧之间形成二次环流,增加了扰动,使流体在较低雷诺数下(Re=1400~1800,甚至为500时)就形成了湍流。并且因为流动阻力比管壳式小,流速可以提高(螺旋板式热交换器允许的设计流速,对液体一般为2m/s,对气体一般为20m/s),因而螺旋板式热交换器中传热系数K值可比管壳式提高0.5~1倍以上。一般,K=582~1163W/(m2·℃);水-水时,最大可达3000W/(m2·℃)。加之板间距较窄,使它的紧凑性达到100m2/m3,约为普通管壳式的2倍。在管壳式中,流体常要作180°的大转向流动,使得阻力增加很多。螺旋板式中的流动阻力主要产生在流体与螺旋板的摩擦上,流速的提高虽使得阻力增加,但传热效果也得到较好的改善,因而可以认为螺旋板式热交换器能更有效地利用流体的压力损失。由于螺旋板式热交换器往往具有两个较长的冷、热流体的流道,故有助于精密控制流体出口温度和有利于回收低温热能。在纯逆流情况下,两流体的出口端温差最小可达到3℃。螺旋板式热交换器对于污垢的沉积具有一定的“自洁”作用,因为流道是单一的,一旦流道某处沉积了污垢,该处的流通面积就减小,流体在该处的局部流速相应提高,使污垢较易被冲刷掉。
鉴于螺旋板式热交换器为单流道和卷制而成,所以它的单台容量和工作压力、温度都受到限制。工作压力不得超过1.0MPa~2.5MPa。工作温度一般小于250℃,特殊条件可达450℃。在单台设备不能满足使用要求时,可以多台组合使用。国外的螺旋板式换热器的最高工作压力为4.0MPa,表3.1所列为我国的螺旋板式换热器的主要设计参数。
根据我国国标GB/T28712.5—2012,螺旋板式换热器的型号表示法为与原行业标准JB/T4751—2003相同:
示例:a)不可拆换热器,材质为碳钢,设计压力1.6MPa,公称换热面积50m2,螺旋板板宽1.0m,公称直径1000mm,两个螺旋通道的通道间距分别为10mm和14mm,其型号为:
BLC1.6-50-1.0/1000-10/14
b)堵死型可拆换热器,材质为不锈钢,通道1设计压力0.6MPa,通道2设计压力1.6 MPa,公称换热面积50m2,螺旋板板宽1.0m,公称直径1200mm,两个螺旋通道的通道间距都为14mm,其型号为:
KLS0.6/1.6-50-1.0/1200-14-D
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