螺旋纏繞管式換熱器的研發與應用

1螺旋綁繞管式換熱器螺旋管旋轉檢測器最早由德國林德公司制造。1895年，德國林德公司生產了這種螺旋管換熱器。20世紀70年代末，中國在大型農業環氨裝置中引入了低溫甲醇洗脫液裝置（液體氧和液體氨），該裝置也廣泛應用于大型空氣分離裝置中。但是我國當時沒有完全掌握螺旋纏繞管式換熱器的設計和制造工藝,不得不依賴國外進口,設備費用極其昂貴。目前國內企業對螺旋纏繞管式換熱器進行了研究開發,并結合國內壓力容器標準以及制藥、食品、石油、化工、冶金、電力和紡織等行業的實際應用狀況,推出了適合國內企業需求的螺旋纏繞管式換熱器,并在市場應用中獲得成功。螺旋纏繞管式換熱器具有換熱效率高、能耗少、運行費用省、結垢傾向低、占用空間小等性能優勢,在向大型化發展的過程中,實現了微型化的實際生產應用,并且在各個生產領域引起了廣泛的關注。2表型螺旋滾轉換器結構及換熱機分析2.1繞管束和殼體的安裝螺旋纏繞管式換熱器主要由纏繞管芯體、殼體以及中心管組成。詳細結構組成見圖1。螺旋纏繞管式換熱器的結構尺寸主要由纏繞管束所決定,而纏繞管束是由多層螺旋纏繞換熱管組成,在設計螺旋纏繞管時控制螺旋升角的大小以確保每一根螺旋纏繞管具有相同的長度,并且相鄰兩層的螺旋纏繞管的纏繞方向相反,在同一層上螺旋纏繞管的布置均勻。殼體的直徑和高度取決于纏繞管束的外徑和高度以及工藝計算所需的流通面積。中心管的外徑由最內一層螺旋纏繞管的彎曲半徑以及工藝計算所需的流體通道所決定,在使用過程中起到分流導流的作用,使流體分布均勻,防止短流現象的出現。2.2螺旋綁繞管的設計螺旋纏繞管內的流體在彎曲通道內受到離心力的作用在流道的橫截面上形成二次流(如圖2所示)。螺旋管的幾何形狀產生的離心力在流動截面上形成一對對稱的漩渦,與主流疊加流體在螺旋管內形成螺旋運動,從而大大增加了換熱效果,同時,二次流的沖刷使污垢不易沉淀。螺旋纏繞管式換熱器的殼側螺旋纏繞管纏繞方向逐層相反,纏繞角與縱向間距設計制造均勻,且管長相同。因此,隨著螺旋纏繞管纏繞直徑的增加,各層螺旋纏繞管的數量也相應增加。這些螺旋纏繞管組成管芯,在殼側所形成的流道隨圓周方向位置的不同而變化,相鄰兩個盤管呈直列、錯列的變化(見圖3),則流道構成變成為由螺旋纏繞管布置為直列、錯列組合排列時的管外流動。3原理和制造過程的控制3.1計算機仿真模擬分析3.1.1CFD(computationalfluiddynamics)計算流體力學在螺旋纏繞式換熱器的設計制造過程中,運用CFD方法建立理論模型,通過數值方法對通過螺旋纏繞式換熱器的流體流動狀態以及傳熱和傳質過程進行計算機仿真模擬分析,并且得到與實測相近的結果。3.1.2FEM(FiniteElementMethod)有限元法對螺旋纏繞管式換熱器中的壓力脈動、高流速和管壁結構振動等因素引起的管徑強烈振動和噪聲進行了數值分析,明確了換熱器的結構型式及流道布置。3.2制造工藝控制管式換熱器的特殊結構,要求在制造過程中必須從制造開始到結束全過程進行控制,在不同的工藝制造過程中有不同的控制要求。3.2.1合理使層間距度螺旋纏繞管制造過程的控制直接影響到螺旋纏繞管式換熱器換熱效率的高低以及結垢傾向。因此,在生產制造過程中必須使層間距管間距適度,均勻分布纏繞管束,保持合理的流通面積,以消除窄間隙死角,防止流體堵塞。螺旋纏繞管式換熱器采用冷纏繞成型自動化裝備,解決了不銹鋼管壁薄成型難度大,極易癟管的問題,確保了精準的層間距和管間距。3.2.2螺旋不同固定管束焊接管口泄露是螺旋纏繞管式換熱器最常出現的問題,螺旋纏繞管束通常管徑小而薄,焊接極容易出現缺陷。螺旋纏繞管式換熱器采用自動化焊接,確保每一焊接處的寬度和熔深,以及焊縫的均勻飽滿。4用螺旋綁繞管式換熱器回收低熔點物料螺旋纏繞管式換熱器的高效、環保、節能以及安全的技術優勢,在各個行業得到了廣泛應用。煙臺某化學制品有限公司應用工況:多種不同物料的常壓蒸餾冷凝回收。選用螺旋纏繞管式換熱器代替了原來的螺旋式玻璃換熱器,單位時間內冷凝液的回收量是原來的2.5倍,大大提升了生產效率,降低了運營成本。螺旋纏繞管式換熱器相對于玻璃換熱器更易于安裝和后期的維護,同時避免了玻璃換熱器對溫差及壓力的敏感性,不容易發生破裂及爆炸事件,安全可靠,提高了生產的穩定性。煙臺某食品有限公司應用工況:利用飽和蒸汽加熱稀酸稀堿對生產設備進行清洗。該公司以前使用了進口的板式換熱器6m2,在生產過程中由于高溫高壓的原因使該換熱器在使用一段時間后膠條出現外脹現象。現在改為采用3m2的螺旋纏繞管式換熱器,改變了傳統循環升溫方式,實現了CIP在線清洗的即時升溫,提高了生產效率,降低了運行成本。并且用0.3MPa飽和蒸汽代替了原來的0.4MPa飽和蒸汽,為企業節省了近25%的蒸汽制作成本,一年累計節省蒸汽費用十幾萬元。廣東某生化有限公司應用工況:常壓回收二氯甲烷等低沸點物料。由于低沸點物料的冷凝難度較大,需要采用大量冷凍鹽水才能保證正常運行,但生產制冷費用較高。使用螺旋纏繞管式換熱器,利用循環水來完成物料的相變過程,再利用原有設備冷凍鹽水進行過冷收集。此方案超過了原系統的使用效果,并節省了80%制冷費用,溶劑回收率提高2%。在降低運行成本的基礎上,又降低了原材料成本。該工況在夏季應用仍有出色效果,體現了優良的高效節能優勢。5高等職業在化學、機電、傳統設備工藝的改造中發揮著日益大的作用螺旋纏繞管式換熱器是一種新型高效換熱器,隨著設計制造技術的發展,生產工藝的成熟,我國正逐步進入產業化發展階段。其應用領域日趨廣泛,在化學、石油化學、發電、冶金、食品、制藥等連續處理物料的過程工業以及傳統設備工藝的改造中發揮著越