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螺旋管式換熱器

螺旋管式換熱器是由一組或多組纏繞成螺旋狀的管子置于殼體之中制成的。他的特點是結構緊湊、傳熱面積比直管大,溫差應力小,但管內的清洗較困難,可用于較高粘度的流體加熱或冷卻。
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介紹
螺旋管式換熱器是在1895由德國林德公司研發出來,被用作一種空氣流化設備投入化工生產。在此基礎上,英國的漢普森研發出了蛇形管式的螺旋繞管式換熱器。林德型螺旋繞管式換熱器中的換熱管是兩根蛇形纏繞的同心管。在換熱過程中,高壓空氣(熱流體)走內管,而低壓空氣(冷流體)則從內外管之間的縫隙逆向通過。這種結構雖然保證流體是逆流換熱,但由于兩流程中存在較多的氣流死區影響了換熱效果,從而總的傳熱效率還是很低。  漢普森型螺旋繞管式換熱器的制造是先將多根換熱管制成盤管,然后將管盤疊落在中心圓管上。管盤中的換熱管由內向外呈螺旋纏繞。在換熱過程中,高壓的熱空氣從上向下通過螺旋狀的管程,而低壓冷空氣則由下往上通過殼程,兩股氣流在縱向是逆向流動,同時兩股氣流在盤管內橫向交叉通過。這樣的流道設計使換熱器同時具有了較高的橫向流傳熱系數和良好的逆流換熱效果,因此這種換熱器也被稱為橫向逆流換熱器。螺旋繞管式換熱器研發過程中,在換熱管的形式上也推陳出新,已開發出了許多形式各異的新型螺旋繞管式換熱器。如前蘇聯就開發設計出了變形翅片管螺旋繞管式冷凝蒸發器、非釬焊繞絲翅片管螺旋換熱器以及按統計學均等原理制得的螺旋繞管式換熱器等。我國的西安交通大學也推出了V形槽螺旋繞管式換熱器。 
結構
如圖為螺旋管式換熱器平面圖,它是把許多傳熱管卷成同心螺旋狀,固定在蓋板和殼體底板之間構成的。各傳熱管的兩端分別與一根入口管和一根出口管連接。傳熱管無間隙地重疊在一起,其上、下端分別與蓋板和殼底板固緊。傳熱管螺旋間距保持一定,為使殼側流道保持一定,應在螺旋之間加隔板。 傳熱管可以用碳鋼、銅、銅合金、不銹鋼、鎳、鎳合金等材料制成。除光滑管外,還可以用低翅片管作傳熱管。殼體采用鑄鐵、青銅碳鋼或不銹鋼制造。傳熱管用焊接、釬焊等方法與入口管和出口管連接。 
優缺點
螺旋管式換熱器與管殼式換熱器相比,具有如下優點: (1)當流量小或者所需傳熱面積小的時候適用; (2)因螺旋管中的滯流傳熱系數大于直管的,所以可用于高粘流體的加熱或冷卻; (3)螺旋管式換熱器中的流動可認為是逆流流動; (4)因傳熱管呈蛇形盤管狀,具有彈簧作用,所以沒有熱應力造成的破壞漏失; (5)緊湊,安裝容易。 缺點: (1)當傳熱管與人口管和出口管連接處產生漏失時,修理困難; (2)用機械方法清洗管內側很困難(殼側可以用水噴嘴噴射清洗,而管內側必須用化學處理清洗); (3)當用不銹鋼管作傳熱管時,如果傳熱管長度大于某一限度,則為了保持殼側流道均勻,必須加隔板,從而使殼側流體壓力損失增大。 雖然螺旋管式換熱器的造價比同樣傳熱面積的管殼式換熱器高,可是,因為傳熱系數大,容易維修,所以被廣泛使用。
應用及發展趨勢
螺旋繞管式換熱器的應用及其發展趨勢總的來說,螺旋繞管式換熱器因其具有特殊的管形,獨特的結構以及對制造選材范圍廣等優點,故被應用于下列情形:需實現不同管殼程介質之間傳熱的情形;以小溫差傳遞大熱量的情形;低溫、高壓的操作條件。除此之外,對那些工作環境嚴苛、腐蝕介質需采用特殊材質的大型工業裝置以及對流道的順暢度要求不高的場合,螺旋繞管式換熱器也能發揮出理想的效用。從當前的應用效果來看,螺旋繞管式換熱器不失為一種切實多用途的設備,在低溫等多種工況下均可以體現出它的優勢。雖然它的應用可回溯到上個世紀初期,但從目前來看,該換熱器仍然是化工生產中一種重要的設備。螺旋繞管式換熱器是一種能實現溫度自動補償的高效換熱器,能在較高壓力下運行,設備運行時單位熱負荷小,并且設備運行后結垢較少。因此,這種換熱器特別適用于低溫氣體分離和深冷環境,如空分設備、稀有氣體分離裝置、氫液化裝置、低溫甲醇洗系統、臨氫系統。隨著新的設計理念的提出和加工技術的成熟,螺旋繞管式換熱器的應用日益廣泛,可滿足不同的工況需求: (1)螺旋繞管式換熱器的大型化 目前已經開發出一批大型的螺旋繞管式換熱器,由于要滿足兩端封頭小等結構形式上的工藝要求,制造換熱管所需管長達數百米。如德州石化投用一臺螺旋繞管式換熱器,該換熱器體型巨大,設計尺寸達到φ1600mm×20000mm,換熱面積約為類似普通管殼式換熱器換熱面積的 2 倍,可達到 20002m 。隨著生產規模的擴大,螺旋繞管式換熱器等換熱設備的規格也要求向著大型化發展,而普通列管式換熱器卻由于管長限制難以滿足這種要求。 (2)螺旋繞管式換熱器的高溫化 目前大多應用于深冷裝置中的螺旋繞管式換熱器的換熱效果都很好,但近年來該換熱器也開始在高溫場合發揮了效用。如合肥通用所等企業于2001年研發并最終投產的適用于高溫場合的螺旋繞管式換熱器, 該種設備的材質為耐高溫的 Cr Mo 鋼。這種設備 2002 年在鎮海煉化正式投用,使用幾年后,該臺設備的質量仍有保證,換熱性能依舊能達標。因此只要在換熱介質適合情況下,螺旋繞管式換熱器完全可以適用低溫到高溫個領域,這大大拓寬了應用范圍,顯示出了極佳的性能優勢。 (3)螺旋繞管式換熱器的高壓化 目前螺旋繞管式換熱器也被應用在某些高壓的工況,如殼程壓力高達 15.0MPa、管程壓力低于 5.0MPa 的場合。因為螺旋繞管式換熱器的結構緊湊,體現為管板小,殼程大,兩端封頭小。這一特點克服了普通高壓換熱器的弊病。一般來講,在高壓工況下運行的換熱器的換熱管需被制成 U 型,也可以將換熱器的管板與殼體的連接方式做成浮頭。當設備工作壓強變大時,不僅要通過增加殼體的厚度來耐壓,也要將設備連接處的法蘭強度提高。隨著裝置的大型化發展的推進,高壓換熱器的規格也在變大, 這對它的制造生產來說會變得異常復雜。如加氫裂化中應用的鎖緊環式高壓換熱器,管程工作壓力需達到 14.5MPa,殼程工作壓力需達到 18.5MPa,若達到這種工況要求,則換熱器的直徑會達到 1.4-1.8m,管箱重量也會達到 45t。這樣的規格加大了制造的難度,若改變換熱器管束與管板連接形式為浮頭,卻又難以保證換熱器的密封要求。在滿足工作要求的情況下,使用螺旋繞管式換熱器來代替這些高壓換熱器,它的制造會相對簡單。若要增大換熱面積則可增加管子長度,而連接法蘭的厚度會因為兩端的小管板變薄。目前對螺旋繞管式換熱器的研究受到更多科研單位的重視,試圖用它逐步取代煉油行業中加氫裂化裝置和重整裝置常用的一些高壓換熱器。 (4)螺旋繞管式換熱器的多股化在螺旋繞管式換熱器的應用中,可通過一臺換熱器工作便可達到一種殼程介質跟兩到三種介質同時換熱的目的。這種換熱器不僅完成了多股流體間的換熱,其換熱效率和換熱空間也得到大幅提升,這是其他換熱器無法相比的。從當前發展來看,國內對于能用在多種介質換熱場合的換熱器的研究已日趨成熟,如巴陵石化的多股流換熱器已投入應用。 (5)螺旋繞管式換熱器的微型化 螺旋繞管式換熱器在大型化設備中得到廣泛應用的同時,也在一些普通的換熱器難以達到工作要求的空間受限的場所發揮出作用,顯示出向微型化發展的趨勢。如在某軍工廠生產中,螺旋繞管式換熱器在有限的生產空間內也發揮出了極佳的換熱效能。 [4] 
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