蜂窝紧凑结构螺旋板换热器.pdf

一种蜂窝紧凑结构螺旋板换热器，该换热器的内筒体[1]、外筒体[4]之间形成环形内腔，里面安装有换热机构，该换热机构由两层螺旋板[2]卷制而成，每层螺旋板[2]上间隔压有凹坑[16]，螺旋板[2]层与层之间由凹坑[16]支承形成冷、热介质通道[10]、[11]分别与冷、热介质进出口接通。本发明具备承受操作压力高、节能高效、制造难度小、成本低等优点。适合于石化、轻工、医药和食品等工业生产，特别是工作介质压力要求高的生产环境应用。

1、  一种蜂窝紧凑结构螺旋板换热器，其特征是该换热器的内筒体[1]、外筒体[4]之间形成环形内腔，里面安装有换热机构，该换热机构由两层螺旋板[2]卷制而成，每层螺旋板[2]上间隔压有凹坑[16]，螺旋板[2]层与层之间由凹坑[16]支承形成冷、热介质通道[10]、[11]分别与冷、热介质进出口接通。

2、  根据权利要求1所述的蜂窝紧凑结构螺旋板换热器，其特征是两层螺旋板[2]之间的凹坑[16]分别错开。

3、  根据权利要求1所述的蜂窝紧凑结构螺旋板换热器，其特征是内筒体[1]里由中间隔板[5]分隔开，两端有封板[14]，分别形成热介质进入室[6]和冷介质回流室[8]，热介质进入室[6]接热介质进口[7]，冷介质回流室[8]接冷介质出口[13]。

4、  根据权利要求1所述的蜂窝紧凑结构螺旋板换热器，其特征是环形内腔两端由嵌入两螺旋板[2]层间和螺旋板[2]与内筒体[1]、外筒体[4]间的钢根[15]焊接密封。

蜂窝紧凑结构螺旋板换热器
技术领域
本发明涉及一种换热器，具体说是一种蜂窝紧凑结构螺旋板换热器。
技术背景
换热器作为一种不同介质间热交换的通用工艺设备，广泛应用于工业生产和日常生活中，其性能的每一份提高都会带来极其巨大的经济与社会效益。近20年来，在世界各国科学家的共同努力下，换热器及相关技术迅速发展，特别是具备换热效率高和体积小等优点的高效紧凑式换热器的研制取得了令人鼓舞的进步。但与此同时，即使是同属于节能高效紧凑式的各类换热器，都既具备自身优点，又存在一定的缺点，如何设计和制造一种吸纳它们优点，克服其缺点的一类新型换热器，是本领域技术人员追求的目标。
紧凑型换热器主要有板式换热器、螺旋板式换热器及板翅式换热器。
板式换热器是由一组不锈钢制长方形薄板片及加紧支架组成的。板式换热器的核心部件是冲压成凹凸波纹状的换热板片，由多块压制成型凸凹板片叠合在一起组成的曲折多变的流道，不仅增加了传热面积且有效地使流体产生湍流，降低了液膜的热阻；板片用0.6～0.8mm的薄板制造，既节约了金属材料、又降低了壁面的热阻，因而板式换热器单位传热面的重量很轻，总传热系数很高，约为常规管式换热器的3.5倍；两相邻板片间的周边用垫片密封，组装灵活、拆装方便，有利于维修和清洗，但这种换热器垫片带来严重的缺点，受密封垫材料性能的限制，操作压力和操作温度不能过高。因而出现了板间周边焊接连接取代垫圈密封的板式换热器，但是允许的工作压力也是有限的，因为板式换热器的板片组是用长螺杆连接的两块矩形大平板夹持的，在高压下，大尺寸矩形平板所需厚度及螺杆所需尺寸是不经济的，因而板式换热器一般仅用于压力在1.6MPa以下且处理量较小的情况。
螺旋板换热器是由两张间隔一定的平行薄板卷制而成。两张厚3～6mm的金属板形成两个同心螺旋型通道，两板之间焊有定距柱以维持通道间距，在螺旋板两侧焊有盖板，冷热流体分别通过两条通道，通过薄板进行换热。两流体为逆流操作，平均温差大，有利于螺旋板换热器充分回收余热。
螺旋板换热器允许选用较高的流速，流体由于惯性离心力的作用，在较低的雷诺数下即达到湍流，故传热系数也不低，不易结垢和堵塞，因而螺旋通道两侧大多采用焊接密封的不可拆结构。与板式换热器相比，流体流动不需多次转折，阻力降较低，易于大型化，可以采用碳钢制造。但和板式换热器一样，介质压力不宜过高。螺旋板的板片是部分受内压、部分受外压的壳体，在高压介质内侧的螺旋板承受的是外压，为避免有限厚度的螺旋板外压失稳的最高工作压力是有限的，尤其是在较大直径的时候，因此，一般只用于内压不高于2MPa的场合。
板翘式换热器是用翅片、隔板、封条等薄金属片组成的紧凑结构的换热器芯部，置于具有能使冷热流体相互隔离的进出口通道的外壳中的换热器。翅片、隔板间采用钎焊连接，换热器的芯部很像蜂巢的蜂窝结构。蜂窝尺寸不大，可以承受高达5MPa的工作压力。翅片、隔板的厚度可以很薄，结构十分紧凑，每立方米的设备可以提供2500～4370m²的传热面积，单位传热面的重量可以达到普通管式换热器的十分之一。传热系数比列管式换热器高几倍或几十倍。
但缺点是：结构较复杂，加工成型技术要求高，需专用加工设备，且造价高，不能大型化，两流体流动方向也不是全逆流，影响了对数平均温差大小。
发明内容
本发明的目的是提供一种结构较简单紧凑、加工成型方便、造价低，兼具板式换热器、螺旋板式换热器及板翅式换热器的优点的蜂窝紧凑结构螺旋板换热器。
本发明提供的蜂窝紧凑结构螺旋板换热器，该换热器的内筒体、外筒体之间形成环形内腔，里面安装有换热机构，该换热机构由两层螺旋板卷制而成，每层螺旋板上间隔压有凹坑，螺旋板层与层之间由凹坑支承形成冷、热介质通道分别与冷、热介质进出口接通。
两层螺旋板之间的凹坑分别错开。
内筒体里由中间隔板分隔开，两端有封板，分别形成热介质进入室和冷介质回流室，热介质进入室接热介质进口，冷介质回流室接冷介质出口。
环形内腔两端由嵌入两螺旋板层间和螺旋板与内筒体、外筒体间的钢根焊接密封。
本发明具有结构强度好、传热效率高、结构紧凑度高、等价低廉等特点，因而具备承受操作压力高、节能高效、制造难度小、成本低等优点。更加适合于石化、轻工、医药和食品等工业生产，特别是工作介质压力要求高的生产环境应用。
附图说明
图1是本发明的结构图；
图2是图1的俯视图；
图3是本发明的螺旋板的展开图；
图4是图3的剖视图；
图5是图1的A部分的剖视图；
图6是图1的B部分的剖视图；
图7是图2的C部分的剖视图；
图8是图2的D部分的剖视图。
具体实施方式
参照图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8，本发明提供的蜂窝紧凑结构螺旋板换热器，该换热器的内筒体1、外筒体4之间形成环形内腔，里面安装有换热机构，该换热机构由两层螺旋板2卷制而成，螺旋板2采用不锈钢板，板厚0.5～1.0mm，每层螺旋板2上间隔压有凹坑16，其展开图见图7、图8。螺旋板2层与层之间由凹坑16支承形成冷、热介质通道10、11分别与冷、热介质进出口接通。
内筒体1里由中间隔板5分隔开，两端有封板14，分别形成热介质进入室6和冷介质回流室8，热介质进入室6接热介质进口7，冷介质回流室8接冷介质出口13。冷介质进口3开在外筒体4侧面，经冷介质通道10、冷介质回流室8接通冷介质出口13；热介质进口7经热介质进入室6、热介质通道11接通开在外筒体4侧面的热介质出口，热介质出口有两个，其中一个为不凝器出口9，另一个为冷凝液出口12。
环形内腔两端由嵌入两螺旋板层2间和螺旋板2与内筒体1、外筒体4间的钢根15焊接密封。
本发明中将换热面的螺旋板改用与板式换热器传热板相似但有本质区别的的具有凹坑的薄不锈钢板，边成型边卷制，层间间隙正好等于凹坑16深度，这样各带凹坑16的不锈钢薄板紧紧地卷在一起，构成一种宏观上看起来是个螺旋板换热器，而从微观上(传热单元)角度看是一个蜂窝状紧凑结构，既象板式又象板翅式的紧凑式换热器。
本发明中的内、外筒体、封板、中间隔板的结构及制造与普通螺旋板换热器没有任何差异，最好均采用不锈钢材料制造。
换热器传热面间的密封采用固定式螺旋板换热器常用的端部圆钢焊密封结构。
工作原理：提供冷、热两种流体进行热交换的场所，冷流体通过换热设备获得热量，而热流体则给出热量。蜂窝紧凑结构螺旋板换热器的主要传热元件是具有压坑16的薄不锈钢板，流体在压坑16的薄不锈钢板卷制的板间流道中通过，在流速的作用下激起强烈的湍流。实验证明，当Re数到达200时，板间流体就已处于湍流状态。由传热学原理可知，当流体为湍流时，很容易破坏流体的边界层，大大减少热阻，从而有效地强化传热。
本发明由于这种新型蜂窝螺旋板换热器外部结构排除了板式换热器的大平板、大螺栓连接结构不耐压的缺点，吸纳了普通螺旋板换热器外壳的圆筒体结构能承受高内压的优点，结构强度好，能承受较高压力。
内部结构上，它继承了板式换热器换热板的窝槽结构及板翅式换热器的内部蜂窝结构耐压的优点，排除了普通螺旋板换热器螺旋板因外压失稳问题引起的不能承受高压的缺点。正是这种均布于蜂窝换热器中大量密集的蜂窝单元，改善了螺旋板的受力状态，大大提高了螺旋板的强度。即使板很薄，也能实现既耐压又抗失稳的内部结构强度好的优点。
本发明由于这种结构蜂窝螺旋板可以很薄，仅0.5～1.0mm，薄板在厚度方向上的传热热阻很小，可有效提高换热器整体的传热效率。
这种密密麻麻的蜂窝结构分布在整个换热器内部，接触点密，既增大了传热面积，又使两种传热介质充分接触换热。
流体流经凹坑16改善了流体的流动状态，经与凹坑16接触、碰撞后改变流向及流速，产生扰流，强化传热。
流体流经螺旋通道保持了沿螺旋通道的光滑、平稳流动，流体没有急转弯和传热“死角”。
这种蜂窝结构换热器板间距小，可达3.0～4.0mm，两种流体在流道内充分接触，中间流体少，同时，小的螺旋板间距使流道流速增大，可接近板式换热器传热系数。
本发明由于这种蜂窝螺旋板换热器吸取了板式换热器流道可以很狭窄的优点，由常规的螺旋板换热器流道宽10mm以上，可以降至4.0mm左右，在同样换热面积下，体积可以缩小几倍，因此紧凑度也相应增加几倍。另外，它克服了板式换热器及板翅式换热器长方体结构的不足，通过缠绕卷制成圆筒形，可以做到传热面积很大，但占空间很小，结构紧凑度高。
这种蜂窝换热器的强度并不仅仅取决于螺旋板厚度，结构形式的改变使换热器强度大大提高，如前所述，螺旋板中的蜂窝单元可以承受很大的强度，因此板厚可选用薄板，节省材料，重量轻，单位体积重量和单位传热面积重量都可做得很小。发明者建议，螺旋板厚通常选用0.8～1.0mm即可。若选择螺旋板材过分薄对工业应用意义不大，太薄材料吨单价费用反而高。
这种换热器内部蜂窝结构不需要焊接，比板翅式换热器优越，它克服了焊接因素对换热器制造质量带来的影响；且定型产品、成品模具可以重复利用，冲压效率高，组织批量生产，可提高生产效率，综合制造成本小，节省投资。
蜂窝紧凑结构螺旋板换热器的发明，实现结构轻巧、紧凑、高效、可承受高压、省材及造价低等优点。
本发明的螺旋板卷制成型与普通螺旋板换热器不同，要求板与板之间相互紧贴在一起相互支承，以形成蜂窝结构。即使大型设备制造应该也没有太大的难度。我国在卷板式高压容器制造技术上已积累了多年的经验，大型蜂窝螺旋板换热器螺旋板卷制成型可以借鉴卷板式高压容器制造技术的经验，不同的是卷板式高压容器要求卷紧的薄板是几个毫米厚的单层平钢板，而蜂窝螺旋板换热器要求卷紧的螺旋板是两层有凹凸坑的厚仅1mm左右的不锈钢薄板而已。如果说板间距为5mm，则每两层板卷一圈，直径将增大20mm，无凹坑的薄板段的弹性变形足以满足直径变化的卷制要求。