国 内在 70年代 用于合成 氨塔 中的

　　螺旋板换热器的结构设计 A R esear ch into the S tr u c tu r al D esig n o f th e S p ir al H ea t E x ch an g ers 机 电部通用 机械研究所 顾 永干 43 ni s sim pl e for th e stru ctttr al ty pes o f th e spi ra l hea t e x c ha ng er s ， but i f a des i gne r d ~si r es t0 kn ow well ab e ut i ts fea tures all the time in man y en gineering application s ，and could work out t he spir a l he a t ex c ha ng er s w hi ch ha v e g ood per f or ma n ces ． i ts nec e ssa r y f or hi m to f ur ther r e se a r ch som e re l ati v e pr obl e ms． T hi s a r ti cl e ha s a pr i ma r y d iscu ssi on about the pr oble m s w h ic h de a l w i th th e com mon an d spe cia l str uct ur a l desi g ns of t h e spi r a l he a t e x c ha n ge r s so tha t re a de r s m a y be r ef e r to i t - 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 讨 。 1螺旋板换热器一般结构设 计问题 1． 1国内普遍生产和使用的螺旋板换热器有 I 型、 I 型和 Ⅲ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 基 本 型 式 及参 数 C P V T V o 1．9 N “1 l 9 9 2 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 ( 1) 中心管从表 1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 阿法拉伐尔公 司的螺旋 板换热器 中心 管 直 径 为 150mm 时 ， 螺 旋 板 大 宽 度 为 l O00mm； 国 内的螺旋 板换 热 器 中心管 直 径 为 160mm 和 200mm 时 ， 螺 旋 板 大宽 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 维普资讯 表 螺 旋板换 热器的 结构设计 项目名称 国 内 国外 碳钢 ： 不锈钢l 600 l 2 00 螺旋 板宽度mm 150～1900 ：2 0 O 碳钢 ： 34 不锈钢螺旋 板厚度mm 2 5 ：2 3 碳钢 ： 6 120 不锈钢单 台传热 面积m 0． ～ 200 ：1 1o0 碳钢 ： 6 18 不锈钢螺 旋通道 间距mill }30 ：6 l 4 中心管直 径 roro 160 300 15 300 螺旋体 外径 mm 4 1600 2000 定距 柱直 径 mm 1O 一 14 5 10 设计 压力 Mef l 推荐 1 6； 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时应 慎 重 ， 且 经过 必要 的认 司 过程 设计 温度 ℃ 一 d0 25 o 一90 450 因素： ① 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 。 ② 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 ： ①无对接焊缝可以 一图 l 省 去无 损探伤等检 验过 程 ； ② 晶间腐蚀 容易发 生在焊缝 处 ； ③ 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 ~ o 800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 大螺旋板厚 压力容器第9卷第 1期 维普资讯 母2 压 力 容 器 表2( MFa ) - l 2 ＆ 3 压 l - ％ 0 3 67 3 52 ． 7 0． 0 8 7 5． 3 205． 3 一 l 9 ． 1 0 ． 4 89 ．0 6 5．8 0 日 9 6．5 2 5 1．5 2 1 4 5 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 N 设计压 力 M P a 名舜及代 号 巷 G I一1 2 l 2 l l 0 72 0 列 管 G Ⅱ一1． 6 43 43 l 8420 l、 6 6 ■ 一 1 6 105 l 05 35970 螺 BLC1． 6 20 0 8／ 700- 10 l 8 3 8450 旋 板 BIA~I、 6 40-0． 6／ i 200-l 0 。 BLC I 640． 9 18590 1． 6 lOO一 0 8 ／ i 600一 l 0 l Ol 4 43000 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 。 1 3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， 大螺 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 为了满 足介质流 量较 C P V T v 0 1．9 N o．1 1 99 2 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 响。 表 4 中的 体积 比率 指 出 ； 在 换热 面积 F 一 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 板换 热器的体 积增大 44 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 30r a m 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 一2O) 的螺旋 ， 这 点应 引起 设计者 维普资讯 袁 4 螺旋 板按热器 的结构设 计 通道 间距 螺 旋板 圈数 公称 直径 直径差值 基本参数 直径 比率 体积 比率 不等通道 ： b = 20 一40 中心 管直径 d 一 300mm 螺旋 板厚 度 d一 4mm l 8 1508 24】 1． 2 1 44 螺旋 板宽度 W 一 1000mm 传热 面积 F一50m 等通道 ： 620 20 5 】 267 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 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 ： ①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 ； ② 国内螺旋 板换热 器大多 数为不 可拆式 ； ③ 国 内螺旋 板材质 不够 稳定 ； ④ 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 。 螺旋 板换热器便 发 生过 温差 应力 ， 导致螺 表5 国 内 旋体端 面焊缝产生裂纹 的事例 ， 参 见图3。 图3 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 = 200r a m 螺旋扳厚 度 5 4mm 螺旋板宽 度 W 一 800mm 螺旋 通道 间距 b = 8mm 传热 面积 F 一 27m A ： 240 B ： 4l C ： 244 AZ 板 l 20 。 BA 板 ： l 40 5 CB 板 ： 142． 5 20． 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和 表 5。 图4和表5所剖析的螺旋 板换热器 曾用在 山 一东 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l 000mm。 国 内外 压力容 器第9卷 第 1期 - 维普资讯 ■ 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 。 z l圭 }4 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 。 @ ～ 国 ～ 2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 -~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 I X ~-T 12067- - 80则 规 定 ： 钢 制 螺 旋 板 换 热 器 ， 换热 面积 1 0～ 1 00m ， 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年我所 曾给 国内某测试过 无定距柱螺旋板 换热器 。 结 果 表 明 ： ①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 ； ③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 3378- - 62曾规 定 ： C P V T V o 1．9 N o．1 199 2 图5 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 题 。 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 I羹 气 ^ l 净 羹 掖 m n 图6 概述如下 ： ① 摆脱 了螺旋板 宽度的限制 ， 使螺旋 维普资讯 板换热 器能获得 良好的长径 比 ； ②可有 多种 冷 却 蒸汽 的介质 ， 能够 综 合利 用热 能 ； ③ 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。 ． 图7 3结柬语 。 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 1 螺 旋板 式 热 交换 器 日刊《 燃 料 与燃 烧 》 ， 1988 ； 25 ( 4 ) ： 2 48 2 52 2． Spi ral Pla te H eat E xc h ang er Claem ica l A ge of India 19 8 O； 3 1 ( 9 ) 3 ． S om e C olls iderations on H e a t T r ans fe r in S pira l P late H e a t E xchangers．Chem E ng Stzienc~ 1997j 7( 1 a nd 2 ) 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 螺旋板换 热器几 何设计 计算． 压力容器 ． 1989； 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 螺旋板 式换热器 使用试验 ， 通用 机械研 究所 ． 1972 ( 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 16T 卜 0． 2／ - 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