Спиральный теплообменник был изобретен в двадцатых годах прошлого века шведским инженером Розенбладом для использования в целлюлозно-бумажной промышленности. Эти теплообменники впервые позволили обеспечить надежную теплопередачу между средами, содержащими твердые включения. В начале семидесятых конструкция спиральных теплообменников была радикально изменена и улучшена, и приобрела значительные преимущества по сравнению с конструкцией Розенблада.
Конструкция и принцип работы
Два или четыре длинных металлических листа укладываются спиралью вокруг центральной трубы, образуя два или четыре однопроточных канала. Для того, чтобы обеспечить постоянную величину зазоров к одной стороне листов привариваются разделительные шипы.
Центральная труба при помощи специальной перегородки разделена на две камеры, которые образуют входной и выходной коллектора. Скрученные спирали помещаются в цилиндрический кожух. Внешние концы спиральных листов привариваются вдоль образующей обечайки. Для выхода каналов наружу в местах фиксации краев каналов в кожухе просверливаются отверстия, которые герметично закрываются входным и выходным коллекторами с присоединительными патрубками.
Движение потоков в спиральных теплообменниках происходит по криволинейным каналам близким по форме к концентрическим окружностям. Направление векторов скоростей движения потоков постоянно претерпевают изменение. Геометрия каналов и разделительные шипы создают значительную турбулентность уже при низких скоростях потоков, при этом улучшается теплопередача и уменьшается загрязнение. Все это обуславливает компактность конструкции спиральных теплообменников, которые могут быть интегрированы с любой технологической линией, что значительно сокращает затраты на установку.
Возможные конфигурации потоков:
-
Противоток (наиболее часто);
-
Перекрестные потоки (обычно в конденсаторах и испарителях);
-
Параллельные потоки (редко);
-
Комбинации вышеназванных.
Благодаря прочной и жесткой цельносварной конструкции, а так же тому, что спиральные теплообменники мало подвержены загрязнению, затраты на их обслуживание сведены до минимума. Спиральные теплообменники часто являются наиболее оптимальным и экономичным решением задач теплообмена.
Поскольку геометрия каналов может быть изменена в широких пределах, спиральные теплообменники действительно оптимально адаптируются к требованиям Заказчика. Несмотря на изменяющиеся массовые расходы и различия в требуемых температурах, спиральный теплообменник зачастую позволяет осуществлять теплопередачу в одном и том же устройстве на разных режимах и неполной нагрузке. По сути, спиральные теплообменники представляют собой длинные щелевые однопроточные каналы, свернутые в спираль. Таким образом, в спиральных теплообменниках может быть достигнута практически любая тепловая длина взаимодействия двух сред, а значит и разность температур потоков меньше 3°С. При этом, в спиральных теплообменниках возможен нагрев или охлаждение "проблемных" технологических сред, для которых недопустимы резкие повороты потоков, провоцирующие блокировку каналов. В спиральных теплообменниках существует большое разнообразие вариантов изготовления разделительных перегородок центральной трубы. Каждый адаптирован к выполнению определенных задач и позволяет выбрать оптимальное решение для любого применения.
Важная особенность конструкции предлагаемых спиральных теплообменников — это использование непрерывных (цельных) металлических листов от центральной трубы до кожуха, что позволяет практически полностью исключить сварные швы и внутри, и в труднодоступных местах теплообменников.
Преимущества спиральных теплообменников:
-
Широкий диапазон рабочих температур и давлений;
-
Компактная конструкция (например, 700 м2 в 6 м3);
-
Широкий рабочий диапазон ( 10 – 100% от расчетной нагрузки);
-
Высокие коэффициенты теплопередачи;
-
Высокая турбулентность;
-
Пониженная загрязняемость;
-
Меньшее количество остановов на обслуживание;
-
Высокий самоочищающий эффект при применении сильно загрязненных жидкостей;
-
Легкая очистка механическим и химическим способом;
-
Отсутствие ограничений при выборе величины зазора канала;
-
Массовые расходы по обеим сторонам могут значительно отличаться;
-
Низкие потери давления;
-
Большой выбор материалов уплотнений;
Монтаж и установка
Как правило, спиральные теплообменники поставляются с опорной рамой, в которой теплообменник может свободно поворачиваться, что обеспечивает:
-
Легкий дренаж;
-
Простой доступ с целью осмотра или чистки;
-
Простоту установки и снятия крышек и уплотнений.
Стандартное исполнение патрубков спиральных теплообменников и их ориентация упрощают и удешевляют трубную обвязку, а также обеспечивает простоту выпуска воздуха из обоих каналов (с возможностью автоматизации этого процесса).
Спиральные теплообменники в применениях с суспензиями и шламами, которые требуют частого открывания, обычно оснащаются специальными поддерживающими крышки петлями.
Обслуживание и чистка
Спиральные теплообменники практически не нуждаются в обслуживании, кроме случаев, обусловленных свойствами/характеристиками сред и рабочими условиями. Периодически требуется выполнение следующих мероприятий (периодичность определяется применением: от раза в месяц до раза в несколько лет):
-
Химическая чистка (без разборки) – эффективна при одноходовой конструкции;
-
Механическая чистка – легко осуществляется благодаря относительно небольшой ширине каналов;
-
Замена уплотнений.
Эти операции могут быть выполнены персоналом заказчика без привлечения специалистов.
Экономичность cпиральных теплообменников:
-
Низкие затраты на установку;
-
Небольшие площади для размещения;
-
Возможность интегрирования с другим оборудованием;
-
Простота монтажа и перемещения;
-
Низкие расходы на обслуживание.
Области применения спиральных теплообменников:
-
Нефтепереработка (Тяжелые масла, промывочные масла)
-
Химическая промышленность (ПВХ, Латекс, Акрилацетат, TiO2 и.т.д.)
-
Целлюлозно-бумажная промышленность (Отработанные сульфатные и сульфитные растворы, водные растворы SO2, дезодорация при конденсировании)
-
Очистка муниципальных и химических сточных вод (Сброженный ил, термическая стерилизация, сточные и сбросные воды)
-
Горнодобывающая промышленность (Алюминатные щелоки, бокситные суспензии, окислы магния)
-
Сталелитейные, газоперерабатывающие и коксовые заводы (Бензол, промывные масла, раствор NH3, оросительный конденсаторы)
-
Текстильная промышленность (Рекуперация тепла красителей и промывочных жидкостей)
-
Сахарная и пищевая промышленность, пивоварение (Прессовая вода, сырой сок, сточные воды, растительное масло, спирт, картофельные, зерновые или кукурузные пасты)
-
Фармацевтика
-
Везде Конденсирование (вакуумное и при нормальных условиях)
Задачи, решаемые помощью спиральных теплообменников:
-
Охлаждение;
-
Нагрев;
-
Рекуперация тепла;
-
Конденсация;
-
Испарение;
-
Термосифон;
-
Ребойлер.
Рабочие среды спиральных теплообменников:
-
жидкости;
-
суспензии;
-
жидкости, содержащие волокна и твердые частицы;
-
вязкие жидкости;
-
неньютоновские жидкости, включая различные гидросмеси, растворы полимеров;
-
сточные воды;
-
пары с инертными газами и без них;
-
прочее…
