管式换热器尽管没有遭到强度破坏

　　螺旋板换热器的结构设计螺旋板换热器的结构设计 AResearchintotheStructuralDesignofthe SpiralHeatExchangers 机电部通用机械研究所 ?43?nissimpleforthestructttraltypesofthespiralheatexchangers,butifadesignerd~sirest0 knowwellabeutitsfeaturesallthetimeinmanyengineeringapplications,andcouldworkout thespiralheatexchangerswhichhavegoodperformances.itsnecessaryforhimtofurtherre— searchsomerelativeproblems.Thisarticlehasaprimarydiscussionabouttheproblemswhic dealwiththecommonandspecialstructuraldesignsofthespiralheatexchangers?sothatreaders mayberefertoit- 关键词:螺旋板换热器结构设计中心管螺旋通道定距柱 螺旋板换热器从总体上可分为可拆式和不 可拆式两大类.近年来,由于螺旋板换热器的应 用范围日益广泛,其结构型式和几何参数的变 化及一些特殊设计相继出现.本文对此作些探 螺旋板换热器一般结构设计问题1.1 基本型式及参数 国内普遍生产和使用的螺旋板换热器有I 型和型,近年遂测绘仿制了一种快卸可拆式结构.国外螺旋板换热器的基本结构型式 也大致如此.表l 列出了国内外螺旋板换热器的 部分几何和设计参数. 1.2 结构与制造检验 螺旋板换热器一旦能够满足使用工况的要 CPVTVo1.9N1l992 求,设计者就应根据可靠性及刚,强度等深入考 虑一些结构细节方面的问题.国内外在螺旋板 换热器结构细节方面存在着不容忽视的差异, 这与制造检验方法有着密切的联系 所列数据可见,国内外螺旋板换热器的中心管直径范围没有太大差 别.然而,若将中心管直径和螺旋板宽度作为一 个整体来考查,便不难发现其存在的潜在的差 异.瑞典阿法拉伐尔的螺旋板换热器中心 管直径为150mm时,螺旋板宽度为 lO00mm;国内的螺旋板换热器中心管直径为 160mm和200mm时,螺旋板宽度分别为 200mm和800mm(依据标准系列设计图) 螺旋板换热器中心管直径及其它与之有关 的零部件尺寸的确定,至少应综合考虑两方面 螺旋板换热器的结构设计项目名称国内国外 碳钢:l600 螺旋板宽度 mm150～1900 不锈钢:20Ol200 碳钢:3—4 螺旋板厚度 mm25 不锈钢 :23 碳钢:6—120 单台传热面积 m0.～200 不锈钢 11o0碳钢:6—18 螺旋通道间距 mill}30 不锈钢 :6l4 中心管直径roro160—30015300 螺旋体外径mm416002000 定距柱直径mm1O 一145—10 设计压力Mefl 推荐16;螺旋体准荐1.5; 直径小于~800 时:当换热器亩 设计压力可增到径较小时, 2.0;设计压力2.5 设计压力司 时必须慎重增至2.0; 设计压力 2.5 重,且经过必要的认司 过程 设计温度一d0一90 25o450 因素:中心隔板与螺旋板的焊接(亦可采用整 体结构型式),国内中心管结构型式见图1a;国 外中心管结构型式见图1b.显然,国内中心隔板 与螺旋板的焊接型式在制造工艺上限制了小中 心管直径与大螺旋板宽度的搭配,且无法检验 焊缝焊接质量.中心管两端面的接管,对螺旋 板换热而言t 中心管直径的大小是设计优劣的 项重要指标.中心管直径设计得较小,则螺旋板换热器单位体积里的传热面积便增加,亦即 结构更为紧凑.此外,由于每圈螺旋通道的曲径 半径的减小,传热也得到强化.因此,工程技术 人员在设计螺旋板抉热器时应设法缩小中心管 直径,千万不能因端面接管,换热介质流量等因 素而轻易地增大中心管直径. (2)螺旋体国内外在螺旋板换热器螺旋 体用料方法上有所不同.国内一般倾向采用卷 筒板.其原因有以下几方面:无对接焊缝可以 省去无损探伤等检验过程;晶间腐蚀容易发生在焊缝处;便于制造.对于传热面积较大的 螺旋板换热器,由于螺旋体受外压的稳定性随 直径增大而减小的矛盾较为突出,所以当螺旋 体用料为卷筒板时,必须沿螺旋板长度方向划 分几个区域,布置间距不同的定距柱.然而,目 前螺旋板换热器正逐步朝单台大型化的方向发 展,且工程技术人员也正设法将螺旋板换热器 用于压力2.5MPa 至3.0MPa 的场合,这些都给 用回厚度卷筒板制作螺旋体带来了新的难题 首先螺旋板换热器定距柱的小间距究竟 可以减小到什么程度?国内对设计压力2.5 MPa,螺旋体直径~o800 的螺旋板换热器,小 定距柱间距已降到50mm这样小的定距柱间 距,在点焊完定距柱后,整张螺旋板大面积地产 生弯曲变形.由于整张螺旋板不易用遇火的方 法来消除应力,且焊好定距柱的螺旋板也不宜 校平,这样自然影响了螺旋体的成型质量,尤其 是定距柱与螺旋板的贴合率大幅度下降.此外, 国内定距柱的两点点焊偶有咬边等焊接缺陷存 在,加之定距柱点焊附近热影响区的应力集中, 定距柱点焊处的应力状态极为复杂,试验研究 表明:定距柱附近首先达到屈服应力,参见图2 及表2.因此,进一步减小定距柱间距,从理论辅 制造二方面都存在严重问题. 其次螺旋板换热器的螺旋板厚度能否再增 加?目前国内碳钢螺旋板换热器螺旋板厚 度为4mm,不锈钢螺旋板换热器螺旋板厚 压力容器第9 压力容器表2(MFa) -l2&3 0367352.70.0875.3——205.3一l9.1 0.489.065.8—0 日96.5—251.5—21 45?度为3mm按此板厚规格制造的螺旋板换热器 已被人们称为铁疙瘩.固定管板列管式换热器 与螺旋板换热器在传热面积及重量方面的比较 结果见表3.显然,用增加卷筒板厚度的方法来 解决螺旋板换热器的承压和大型化阿题不宜作 为螺旋板换热器的发展方向. 综观螺旋板换热器螺旋板厚度及定距柱间 距二个方面,若要实现螺旋板换热器向单台大 型化及压力高参数的方向发展,则应根据螺旋 体受外压的特点,采用厚度不同的板料以横向 对接焊方式拼成整张螺旋板.国外大型螺旋板 换热器一般正是采用这一方法.因此,在实际制 造中,国内家不应过分回避螺旋板的横向对 接焊,而必须注意对接焊的质量,严格按检验程 传热面积重量设计压力名舜及代号 NMPa 巷GI 12l2ll0720列G一 1.6—4343l8420l,6 6一16105l0535970螺BLC1.620?0?8/700-10l838450 旋BIA~I,640-0.6/i200-l0.40.9185901.6 板BLCI6? lOO 一08/i600 一l0lOl?443000 序检验.此外,对接焊缝的余高应打磨,防止增 大螺旋通道中的流体阻力. 13 结构特点与扩太应用 螺旋板换热器早用于奶脂,浆液,油品等 粘度较高的液——液换热场合.半个多世纪以 来随着人们对其性能的全面深入的认识和开 发,螺旋板换热器的应用领域不断扩大在这过 程中所出现的有些问题很值得进一步探讨. (1)螺旋通道间距为了满足介质流量较 大场合的需要,螺旋通道有进一步增大的趋势. 国内在实际制造中,螺旋通道间距已高达 40mm.有关螺旋通道间距对螺旋板换热器在传 热,刚强度等方面的影响,国内的研究尚属空 自.螺旋板换热器较为突出的优点之一是结构 紧凑,而其较为突出的缺点之一是随着直径的 CPVTv01.9No.11992 增大,螺旋体受外压的稳定性减小螺旋通道间 距的增大正好导致不利的结果,即紧凑性降低, 螺旋体直径递增速率加大.表4 给出了螺旋通道 间距对螺旋板换热器紧凑性及螺旋体直径的影 50m..的条件下.不等通道间距(:20,bz一40) 的螺旋板换热器比等通道闯距一2O)的螺旋 板换热器的体积增大44,这点应引起设计者 的重视此外,传热面积仅有50m的螺旋板换热 器.其螺旋体的直径已高达1508mm,可见大螺 旋通道问距极不利于螺旋板换热器的单台大型 化.因此,国内有必要对螺旋通道间距大干 30ram的螺旋板换热器传热性能及刚强度方面 作试验研究,尤其是对小螺旋通道间距的交错 流型的螺旋板换热器的传热性能与大螺旋通道 螺旋板按热器的结构设计通道间距螺旋板公称直径直径差值基本参数直径比率体积比率 不等通道:中心管直径d 一300mmb=20l81508 螺旋板厚度d 一4mm一4024】1.2144 螺旋板宽度W一1000mm等通道:205】267 传热面积F 一50m6—20 间距的全逆流型螺旋板换热器的传热性能作仔 细的比较分析,其结果对指导螺旋板换热器设 计很有必要. (2)用于高温场合的螺旋板换热器国内 外对螺旋板换热器设计温度上,下限的规定相 差较大主要原因可归结如下:近年来国内对 螺板换热器在高,低温场合的应用和研究不够; 国内螺旋板换热器大多数为不可拆式;国 内螺旋板材质不够稳定;国内的制造设较 为简陋. 由于不可拆式螺旋板换热器的螺旋通道完 全焊牢,因而螺旋体中的螺旋板并不具钟表 发条那样的功能.换言之,若相邻螺旋板之间存 在着过大的温差,则温差应力必然会引起螺旋 板换热器的破坏.国内在70 年代用于合成氨塔 中的螺旋板换热器便发生过温差应力,导致螺 事实上在众多的应用场合,螺旋板换热器却极少碰到因温差应力而I 起螺旋体端面焊缝 破坏的现象,且惯常的设计也没有从结构上考 虑温差应力的补偿(如固定管板列管换热器中 的膨胀节)这一特殊现象值得探讨在螺旋板 冷,热介质温度螺旋板温度近似值三圈板中相邻板的温度基本参数 中心管直径d=200ram螺旋扳厚度5—4mm 螺旋板宽度W一800mmA:240AZ 板l20. 螺旋通道间距b=8mmB:4lBA 板:l40520.5 传热面积F 一27mC:244CB 板:142.5 螺旋板圈数N=23 *假设环境温度为DC 换热器中,当传热系数K 在整个传热面上为某 定值时,则玲,热介质的温度沿螺旋板长度方向按线性变化.据此可清楚地分析螺旋板换热 器能够成功地用于高温场合的原因,参见图4 所剖析的螺旋板换热器曾用在山东胜利炼油.螺旋板换热器适宜用于高温场 合的另一因素在于螺旋板高度一般小于 1600mm,这样轴向热膨胀补偿的要求不高.因 此对于用于高温场合的螺旋板换热器,设计时 晟好保证任何相邻圈的螺旋板温差能控制在 50以内,且螺旋体高度小于l000mm.国内外 压力容器第9 两种换热介质压差较大场合的螺旋板换热器,应在两张螺旋板上按不同的定距柱密度来布置 定距柱,即将高,低压螺旋通道加以区分,使螺旋板换热器的结构设计既合理又可靠. 螺旋板换热器使用结果表明:国内将螺旋板换热器温度上限定为250是保守的. 螺旋板换热器特殊结构设计螺旋板换热器在结构,制造和运行诸方面 的综合优点,使该类换热器在实际应用中所需 的结构型式远超出现有的狭小范围. 2.1 一螺旋通道无定距柱 苏联机械制造标准-~3378--62 曾规定: 钢制螺旋板换热器的计算压力:有定距柱为0. 3,0.6MPa,{无定距柱为0.3 加_Ja.现行苏联标 准IX~-T12067--80 则规定:钢制螺旋板换热 器,换热面积10～100m,工作压力1_0MPa. 显然,从标准的角度出发苏联已否定了无定距 柱计算压力为0.3MPa 的说法. 国内对含纤维的介质,当工作压力0.3 胁时,也曾经推荐过无定距柱螺旋板换热 器.此外,部分80 年代以后的国内外技术资料仍 介绍无定距柱螺旋板换热器.1984 国内某测试过无定距柱螺旋板换热器.结果表明:流阻并不随介质流量的增大而稳定上 升,而是忽大忽小,甚至同量竟会测得不同 的流阻值;传热不稳定.这些现象都说明了螺 旋通道在操作状态下始终处于弹性变形状态, 尽管没有遭到强度破坏,但已不能满足正常使 用工况对抉热器的一般要求.困此,对无定距柱 螺旋板换热器的设计,制造及使用必须慎重. 对于介质含纤维的场合.推荐采用这种无 定距柱的螺旋板换热器,即在其中的一条螺旋 通道中,甩扁钢取代原来的定距柱,按给定的间 隔固定在螺旋板上,参见图5.进一步将这种结 构的螺旋板换热器结构加以引伸,则对于用在 CPVTVo1.9No.11992 2.2多层叠置型螺旋板换热器 螺旋板换热器用于蒸汽冷凝处理量大的场 合,若采用两螺旋通道全逆流流动形式确有困 难,有时甚至难以实现.困此.工程技术人员需 从交错流型螺旋板换热器人手来解决这一问 由于螺旋板换热器的螺旋板宽度受到很大的限制,单台设的长径比较小.对于蒸汽冷凝 量很大的场合,虽好将螺旋板抉热器制成二级 以上的叠置结构,参见图6.这种结构的优点可 板换热器能获得良好的长径比;可有多种冷却蒸汽的介质,能够综合利用热能;不同级 中,蒸汽流动形式可以改变,特别有利于有过冷 要求的蒸汽冷凝.. 2.3 整张板卷制的螺旋板换热器 在中心管结构的叙述中已提及用整张板来 卷制螺旋板换热器,其出发点是为了获得小直 径中心管的螺旋体.在实际换热场合,某些设 装置往往要求两种换热介质不能相互混 合,如电气和制冷装置等.对于有这种要求的使 用场合,螺旋板显示了的结构特点,即用整 张板卷制螺旋体,这样换热器内部不存在任何 引发换热介质相互渗漏的结构.参见图7. 虽然各种换热器都因某些使用场合的特殊需要或由于特别适宜某些工况条件而得以发 展,但就多数使用场合而言,往往有几种类型的 换热器可以互换.因此,熟悉各类换热设,无 疑可使工程技术人员在设计和选用换热器时, 考虑得更为全面和合理另一方面,能否针对使 用工况的要求,设计好某类换热器,则是推广应 用该类换热器的先决条件.螺旋板换热器在结 构及零部件形状等方面并不复杂,但设计制造 者若要始终把握住螺旋板换热器的结构特点, 摒弃为使用而使用的偏面做法,在各种合宜的 场合用好螺旋板换热器,则应对上述所提各有 关问题作进一步的探讨. 参考文献 螺旋板式热交换器日刊《燃料与燃烧》,1988;25(4):248—252 2.SpiralPlateHeatExchangerClaemicalAgeofIndia 198O;31(9) 3.SomeCollsiderationsonHeatTransferinSpiralPlate HeatExchangers.ChemEngStzienc~1997j7(1and2) 4.螺旋板式换热器型式与基本参敷,报批稿,通用机 械研究所内部资料 5.螺旋板换热器几何设计计算.压力容器.1989;6 6.螺旋板换热器强度刚度的实验研究,南京化工学 院,通用机械研究所.苏州化工机械 7.螺旋板式换热器使用试验,通用机械研究所.1972 8.(日)高教热交换器数据手册编委会.高效热交换器 敷据手册.机械工业出版社 916T 卜0.2/--6 螺旋板挟热器传热与流动特性 试验,通用机械研究所内部资料 1j-1wadateT.Pre~ureVesselTechnology.1CPVT9.VesselTechnology,TransofAS/dE,1981{193:(3) 1988;217.包行方.自增强残余应力的衰减对在投高压聚乙 l5.王印培等.高压聚乙烯反应管再次自增强前后材烯反应管安全性的影响.石油化 工设技术, 科的断裂韧性待发表1999i11:1 16-FordSH,WatsonEtt.andCrc~slandBJ.ofpessare18. 朱瑞东,潘秉智等.石油化工设 ,199016
以上信息由泰州市恒鑫换热设备有限公司整理编辑，了解更多管式换热器,板式冷却器信息请访问http://www.tzxhrq.com