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世界首台螺旋折流板换热器

科研进展

直纹曲面连续螺旋折流板管壳式换热器组装过程

图1:管板零件图

管板零件图

 

 

图2:U形管零件图

U形管零件图

 

图3:拉杆尾部双螺母固定图

拉杆尾部双螺母固定图

 

图4:螺旋折流板组装图

螺旋折流板组装图

 

图5:螺旋折流板穿第一根U形管图

螺旋折流板穿第一根U形管图

 

图6:螺旋折流板穿第一排U形管图

螺旋折流板穿第一排U形管图

 

图7:螺旋折流板U形管换热器管束图

螺旋折流板U形管换热器管束图

 

世界第一台?

中国第一台?世界第一台?我们不敢断言,毕竟该产品从1925年概念模型的提出到2020年武汉过控科技的产品问世,历时了95年。这期间,无数专家、学者不断的探索与创新,产品一直在改进和优化,但均未达到理想结构。那理想结构是什么呢?应该同时具备以下几个特点(也是几大技术难点):

1. 螺旋面为直纹曲面(图8:直纹曲面螺旋折流板成形图)

直纹曲面螺旋折流板成形图

 

2. 螺旋折流板从旋转中心到外径为一个整体,中间无断开
 
3.直纹曲面螺旋折流板开孔前处处连续
 

4. 曲面各处法向等厚(图9:直纹曲面螺旋折流板等厚示意图)

直纹曲面螺旋折流板等厚示意图

 

5.无论螺旋折流板外直径多么大,中心孔螺旋线都趋向于直线(图10:直纹曲面螺旋折流板中心孔螺旋线趋向于直线)

直纹曲面螺旋折流板中心孔螺旋线趋向于直线

 

6. 折流板管孔在管板平面上的投影为正圆形,且靠近中轴线处的大倾斜角度位置也严格按尺寸开孔(难度极大)(图11:折流板管孔在管板平面上的投影为正圆形)

折流板管孔在管板平面上的投影为正圆形

 

7. 管孔大小尺寸符合GB/T 151标准(图12:螺旋折流板管孔尺寸公差要求)

螺旋折流板管孔尺寸公差要求

 

8. 能够满足快速加工不同材料、不同直径、不同厚度、不同螺距、不同布管的完美直纹曲面螺旋折流板换热器的需求。

截止2020年12月21日,除了武汉过控科技有限公司外,全球范围内还没有发现第二家企业或研究机构生产出同时满足以上特点的螺旋折流板换热器,所以我们认为,武汉过控科技有限公司做出了世界第一台完美直纹曲面连续螺旋折流板换热器。
武汉过控科技有限公司已经对该产品和技术进行了多维知识产权保护。
 
直纹曲面连续螺旋折流板管壳式换热器的价值和意义:
 
  • 应用场合
        ▲可替代所有单壳层管壳式换热器
  • 管壳式换热器市场容量
        ▲中国市场容量大于500亿/年
        ▲中国有2万多家换热器公司(天眼查),至少有一半涉及管壳式换热器
        ▲世界市场容量大于1500亿/年
  • 性能数据

图13:螺旋折流板换热器与弓形折流板换热器性能对比

螺旋折流板换热器与弓形折流板换热器性能对比

这么优异的性能数据,为什么没有大面积工业化?因为之前全世界还没有人能够做出完美直纹曲面的连续螺旋折流板换热器。

 

直纹曲面连续螺旋折流板管壳式换热器的科研探索历程:

1) 1925年Colston提出了连续螺旋折流板油冷器,因为受到加工能力的限制,没有实现工业应用。(Colston R.Oil cooler[p]. United States,1522866,1925)

 
2) 1968年Lee提出阶梯螺旋式连续螺旋折流板结构,但是仍未解决加工困难。(Lee Ms. Helical baffle means in a tubular heat exchanger[P]. United States, 3400758,1968
 
3) 1987年HIsao Shibuya提出了连续螺旋折流板的模具压制方法,由于模具极其复杂,之后未见后续报道(Shibuya H,Kunitachi. Mehtod of manufacturing baffles for shell and tube type heat exchangers[P]. United States,4697321,1987)
 
4) 21世纪初,国内外学者提出了搭接方式的螺旋折流板结构,并进行了研究与生产。
 
5) 2005年西安交通大学王秋旺老师提出了连续螺旋折流板的“单周期连续螺旋折流板”加工方法,是一个巨大的进步。
 
6) 百年来,专家学者们艰难地加工了一些连续螺旋折流板管壳式换热器,进行了一些应用和科研,但是由于加工艰难,成本过高,均未能够工业批量化生产。
 
7) 2019.5.22 武汉过控科技有限公司提出了连续螺旋折流板的加工方法,并申请了发明专利(实质审查阶段)。螺旋折流板结构模型1925年就提出,因加工困难未能实现工业化批量生产,武汉过控科技有限公司解决加工困难的问题,可实现工业化批量生产,是加工方法的突破。
 
8)2020年8月,武汉过控科技有限公司突破数个技术难题,加工出了第一件完美直纹曲面螺旋折流板,是零的突破。
 
9) 2020年12月,武汉过控科技有限公司制作出了第一台完美直纹曲面连续螺旋折流板换热器。

 

市面上现有各种非理想结构螺旋折流板:

  • 塑料结构,开模加工,产品规格尺寸单一,无法满足工业上每台换热器的直径,管径都不一样的实际需求,再加上塑料产品不耐高温,故它仅适用于制冷行业小尺寸的定型换热器。

图14:塑料螺旋折流板

塑料螺旋折流板
 
  • 中心管结构,损失了换热面积,改变了管板受力。

图15:带中心管螺旋折流板

带中心管螺旋折流板

 

  • 内外分层结构(有圆筒隔离),损失了换热面积,加工复杂,后期清洗难度大。

图16:多层结构螺旋折流板换热器(有圆筒隔离)

多层结构螺旋折流板换热器(有圆筒隔离)

 

  • 内外分层结构(无圆筒隔离),加工复杂,后期清洗难度大,内层传热效率低。

图17:多层结构螺旋折流板换热器(无圆筒隔离)

多层结构螺旋折流板换热器(无圆筒隔离)

 

  • 多片组合型,假螺旋且不连续,流体阻力有下降,传热效率不理想

图18:多片组合型螺旋折流板换热器(搭接结构、假螺旋)

多片组合型螺旋折流板换热器(搭接结构、假螺旋)

 

  • 螺旋板式换热器,不属于管壳结构。不适合高温、高压、易燃、易爆、有毒和有害等场合

图19:螺旋板式换热器

螺旋板式换热器

 

近似产品、非螺旋折流板、非换热器:

绞龙,主要用于螺旋输送或螺旋搅拌,加工技术非常成熟、高效,应用非常广。加工方法主要为用钢带在模具上辊压成型,该加工方法生产的产品有2大特点:1.)螺旋叶片外径越大,内径就越大;2.)螺旋叶片从内径到外径厚度线性减薄,减薄量接近板厚的1/2。

图20:绞龙

绞龙

 

图21:绞龙叶片

绞龙叶片

 

图22:螺旋输送机

螺旋输送机

 

 


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