螺旋板式換熱器主要由板材

1、第一章引言螺旋板式換熱器主要由板材、接管、密封板組成，結果簡單，材料利用率高。 結構上分為可拆式和不可拆式螺旋板兩種。流體在Re500時可達到湍流狀態(tài)，因此比管殼式換熱器傳熱效率高 1倍以上。且螺旋板式換熱器本適用于液-液， 氣-氣，氣-液對流傳熱也可用于蒸汽冷凝和液體蒸發(fā)傳熱。螺旋板換熱器結構是 由兩張鋼板卷制而成，形成了兩個均勻的螺旋通道，兩種傳熱截止可進行全逆流 流動，適用小溫差傳熱，便于回收低溫熱源并可準確地控制出口溫度。 而且在殼 體上的接管是切向結構，局部阻力小，螺旋通道的曲率是均勻的，流體在設備內 流動沒有大的換向，總的阻力小，因而可提高設計流速使之具備較高的傳熱能力。其優(yōu)點是：

2、 傳熱效率高，比管殼式換熱器高1倍以上； 結構緊湊，單位體積傳熱面積180 m2/用； 結構可靠； 不易污染； 成本低； 適用溫度可達300E，壓力可達2.5MP; 適用于化工、較輕介質場合。螺旋板式換熱器主要特點： 傳熱效果好。 傳熱系數(shù)最高能達到3300W/( m2 K),是列管式換熱器的23倍。 低溫熱回收率高。 工作介質在設備內是全逆流進行換熱的，加上流程長，在低溫熱能的余熱回收工藝中效果很好。 運行安全可靠。不可拆式的介質通道以焊接密封，有效保證兩種介質不混 合。 運行阻力小。流體通道可據(jù)工藝單獨設計，壓力損失小。 自清力強。介質通道為螺旋形，沒有流通死角，允許流速高，不易結垢。近年

3、來，螺旋板換熱器在技術和質量方面都有了很大的發(fā)展。螺旋板式換熱 器的螺旋板均采用整張優(yōu)質卷板料卷制， 螺旋體中無拼接焊縫，螺旋體卷制采用 特制的回點，螺旋線芯模曲率均勻拐點圓弧過渡無應力集中，獨到的卷制技術能夠有效地避免螺旋體內的各種加工缺陷，從而確保兩通道介質不出現(xiàn)因加工制造 帶來的內部竄漏的隱患。特別是不銹鋼系列螺旋板式換熱器， 對其兩通到內設置 的定距柱采用先進的碰焊技術，定距柱采用精致機加工成形。這一新技術的應用 即提高了定距柱排布的精確度，又提高了定距柱與螺旋般的焊點牢固性， 顯著地 改善了螺旋板體的整體剛度和穩(wěn)定性27。根據(jù)設計題目，壓縮機出口水冷氣設計?？紤]壓縮機出口的氣體水煤氣

4、由 80攝氏度冷卻到35攝氏度，溫差為45攝氏度，并不是很大，因此可以考慮最 常用管殼式換熱器和螺旋板式換熱器。 其中管殼式換熱器應用最為廣泛，因它具 有結構堅固、操作彈性大、可靠程度高使用范圍廣等優(yōu)點，但在換熱效率設備的 體積和金屬材料的消耗等方面都不如螺旋板式換熱器?；谝陨下菪鍝Q熱器和管殼式換熱器的比較以及螺旋板換熱器的優(yōu)點，決定采用螺旋板換熱器。螺旋板式換熱器系由外殼、螺旋體、密封及進出口等四部分組成。螺旋體用 兩張平行的鋼板卷制而成，具有兩個使介質通過的矩形通道。根據(jù)螺旋板式換熱器的結構，可分為可拆式和不可拆式兩種。由于螺旋板式 換熱器不能進行機械清洗，雖然生產實踐證明，螺旋板式換

5、熱器與一般列管式換 熱器相比是不容易堵塞的，尤其是泥沙、小貝殼等懸浮顆粒雜質不易在螺旋通道 內沉積，分析其原因；一是因為它是單通道雜質在通道內的沉積，形成周轉的流把它沖掉，二是因為螺旋通道內沒有死角，雜質容易被沖出。但長時間應用應會 使螺旋板換熱器內積留雜質。而不可拆式換熱器不便于清洗，因此本設計為半可 拆式換熱器，即一端面采用焊接密封，而另一端面采用的密封采用端蓋加墊片的 密封結構，螺旋體內可由上端面進行清洗。 螺旋通道的端面是焊接密封的，密封 性能好，結構可靠。由于螺旋板式換熱器不易檢修，尤其是內部板出現(xiàn)問題時極難修理，有些 廠把設備兩端焊縫全部車掉，重新將板展平補焊后再卷制，這樣做消耗的

6、工時太 大，因此螺旋板換熱器的防腐是十分重要的。 根據(jù)熱交換氣體水煤氣的成分可選 換熱器的材料為16MnR.。在進行螺旋板式換熱器的結構設計中， 密封結構的設計是至關重要的，密封 結構的好壞，直接影響到螺旋板換熱器能是否正常運轉。即使微小的泄漏使兩流 體相混，也使傳熱不能正常運行。所以密封結構的設計是一個很重要的問題。 在 此螺旋板換熱器中計劃采用兩種密封結構形式，即焊接密封和墊片端蓋密封。第二章設計要求設計一臺螺旋板式換熱器，將20m3/h的水煤氣從80C冷卻到35C。冷卻水的入 口溫度為20 C,冷卻水量為30m3/h，換熱器設計壓力為0.4MPa.第三章傳熱工藝的計算3.1傳熱量Q的計算

7、3.1.1熱程的物性參數(shù)3已知水溶液流量為V=.056m /s ,入口溫度T1=80C；出口溫度T2=35C，定性溫度Tc=T1 T22=80 35 =57.5 C2在此定性溫度下，氣體的物理參數(shù)查表如下：H2COCO2N2CH450.237.56.55.50.3表3-1水煤氣的各組分體積百分數(shù)氣*10A7cal/cm.s.cCp(比熱 *10A7g/(cm.s)體容)Kcal/KmolcH26.949564528CO6.95196680.5氣九 *10A7cal/cm.s.cCp(比熱*10A7g/(cm.s)體容)Kcal/KmolcCO29.46169451.7N27.03_192062

8、5CH47.021212849表3-2水煤氣的物性參數(shù)則混合氣體的比熱容公式為:Cp (t)=刀 yi*Cp(t)(3-1)CP1=6.94*0.502+0.375*6.95+9.46*0.065+7.03*0.055+7.02*0.003=3.48+2.61+0.61+0.39+0.02=7.11Kcal/(Kmol.c)7.11*4186.8=29768J/Kg.K混合氣體的黏度公式為：1二=yZWMi2(3-2)、yi* Mi2J1 =1 1 1 1 10.052*956*2 2 0.375*196*28 2 0.065*169*44 2 0.055*1920*28 2 1212*0.0

9、03*16 21 1 1 1 10.502*2 2 0.375*28 2 0.065*44 2 0.055*28 2 0.003*162=678.70 388.92 72.87 558.78 14.540.71 +1.98 +0.43 +0.29+0.012= 500.82*10 ( *9.8= 0.49*10 ( Pa.s混合氣體的傳熱系數(shù)計算公式為1(3-3)S* 対(t)* Mi3 = 1 yiMi310.502*4528*2 30.375*680.5*2811 1 1 130.065*451.7*44 30.055*625*28 3849*0.003*16 311110.502*2 3

10、0.375*28 30.065*44 30.055*28 30.003*16 32863.87 774.90103.65 181.895 6.420.63 1.34 0.23 0.29 0.761572.3 _ “門=*1.16336000=0.508W/m.C混合氣體的密度:r =0.15+1.55+0.42+0.23+0.007=2.357Kg/ m3貝U 氣=0.498*10 (J3) Pa.sA =2.357Kg/ m3CP1 =29768J/Kg. C人=0.51W/mC介質受到單獨加熱或冷卻而不發(fā)生相態(tài)變化時，介質所放出或吸入的熱量。 熱源體放出的熱量(3-4)CP1(T1 _T2

11、)Q=W將已知數(shù)據(jù)代入計算公式Q=WCP1 (T1 -T2)=0.0056*2.357*29768*(80-35)=17681W3.1.2冷程的物性參數(shù)冷卻水的出口溫度t2 = t| +CP1W2(3-5)已知匕=200 , Cp2 =29768J/(kg. C ),V2 =0.0083m3/s將已知數(shù)據(jù)代入上式得17681t2=20+*1000*297680.0083=46C定性溫度tc(ti t2)2(3-6)= (20 +46)2=33C在此定性溫度下，由手冊查得水的物理參數(shù)為 =0.723* 1O(J3) Pa.s3r2=995.3kg/ mCP2=4186J/kg. C2=0.622

12、W/m.E3.2螺旋通道截面積與當量直徑de的計算3.2.1水溶液（熱程）通道對于可拆式螺旋板換熱器通道中的流速計算公式為W = VF設水溶液的流速為：(3-7)W =0.65m/s通道的截面積F1為VFi w= 0.00560.65=0.0085 m2選螺旋板寬度H=0.9m通道寬度(3-8)F1H(3-9)0.00850.9=0.0094m螺旋板式換熱器的通道為矩形截面，而現(xiàn)在的一般計算公式是基于圓形截面 的通道，故用通道當量直徑代替公式中直徑，以簡化計算。則通道當量直徑(3-10)(3-11)F de = 4r = 4 mB介質自由截面即矩形通道截面積F=Hb m2浸潤周邊B=2(H+b

13、) m(3-12)將式（3-9 ）和（3-11）代入（3-10 ）得(3-13)門2Hb1de ：(H b1)=2*0.9*0.0094=(0.90.0094)=0.0186m3.2.2 水（冷程）通道設水的流速為通道截面積F2通道寬度通道當量直徑W2=1.25m/sV =W2 =0.0083 1.25 =0.0092 m20.00920.9=0.0102mde2 口2Hb2(H b2)2*0.9*0.0102(0.90.0102)=0.0202m3.3雷諾數(shù)Re和普蘭特數(shù)Pr通過計算雷諾數(shù)Re勺大小，可以判斷介質流動的狀態(tài)，確定為 湍流或層流, 以便選擇相應傳熱系數(shù)的計算公式3.3.1水溶液

14、（熱程）通道RedeWi ri(3-14)代入已知數(shù)據(jù)Re1 =0.0186*0.65*2.3570.49*10 (J3)=58(3-15)代入已知數(shù)據(jù)Pr1 =29768*0.49*10 (J3)0.65=22.443.3.2 水(冷程)通道代入已知數(shù)據(jù)得廠 0.0172*1.25*995.3Re2= (A)0.723*10() =31220m 4186*0.723*10 心P =0.622=5.43.4給熱系數(shù)的計算構成傳熱面的螺旋體通道，考慮到螺旋板式換熱器的強度和剛度，并使其傳熱效率好，通常在螺旋板上安裝一定數(shù)量的定距柱（或定距泡）。由于通道不是直線狀的而是螺旋狀，因此，通道給熱系數(shù)的

15、計算就要考慮到上述情況。 由于 介質是對流傳熱，而對流傳熱的關鍵是通道中介質的流動狀態(tài)， 當介質的擾動越 激烈時，傳熱效果越好。介質在通道中擾動的激烈程度與介質的流速、物理性能及通道幾何形狀有關，這些關系用一個相似準數(shù)雷諾數(shù)來表示。在圓形截面的直 管中，當雷諾數(shù)Re=10000寸介質為湍流狀態(tài)，這個稱為臨界雷諾數(shù)。但對螺旋 板式換熱器，它的通道為矩形截面，在這種情況下的雷諾數(shù)是多少呢？從已發(fā)表 的文獻資料來看，對達到湍流是臨界雷諾數(shù)的大小有不同得看法。目前來說，很難準確地給出一個達到湍流時的臨界雷諾數(shù)。近年來，我國一些研究單位用 Diltus-Boelter 公式計算湍流狀態(tài)下的給熱系數(shù)，臨界

16、雷諾數(shù)按 算結果與實驗結果相似，因此，推薦湍流狀態(tài)下的臨界雷諾數(shù)按Re=600Q 其計Re=600Q由于是氣-液傳熱，兩種介質的雷諾數(shù)Re均大于6000,即均在湍流范圍內, 故用下面的公式計算0.23* (1 3.54 de)Re0.8 PrmDmde(3-16)3.4.1熱程通道設中心管直徑d=200mm螺旋體外徑D0 =700mm平均直徑Dm 二(d D)2 =450mm =0.45m對被冷卻介質m=0.3將已知數(shù)據(jù)代入計算公式:k=30*(13.54* 嗨)*58 0F2.44 0.30.0186=0.023*34.95*1.132*25.7*2.50.5=58.46W/(3.4.2冷程

17、通道對被加熱介質m=0.40.650.0202o 8 o 4:c =0.023* *(13.54* )*31220 . 5.4 .0.02020.5=0.023*32.18*1.14*3940*1.9632=6526Wm C)3.5總傳熱系數(shù)K應用由串聯(lián)熱阻推導出的公式計算11 1(3-17)二 r2Kh-c1、1亠 亠r1r2h：c螺旋板為不銹鋼，板厚、:=2mm 導熱系數(shù)丸=17.4W/(m. C)污垢熱阻選r1 = r2= 0.86*10 口2. C/Wr1和d代入公式K=58：6 需 65；6 O.86*10。86*10(=57.33W/( m2. C)3.6螺旋板換熱器的對數(shù)平均溫度

18、差tm為了提高螺旋板換熱器的傳熱效果，在介質流向的選擇上，通常采用全逆 流操作。如以這種換熱器形式來分析 ，對于我設計的半可拆式螺旋板換熱器屬 于錯流操作。因此，對數(shù)平均溫差的計算按逆流和錯流的計算。流體流動方向為全逆流操作其對數(shù)平均溫差公式為T2 -t1(3-18)已知 =800,T2=35 , 1=200,t2=46C代入計算公式,(80 -46)-(35 -20),(80 -46)ln(35 -20) 19In 2.7=23.17 03.7傳熱面積F已知傳熱量Q=17681W由傳熱方程式Q=KF tmF=將已知數(shù)據(jù)QF=Q Kt厶怙代入上式17681,*23.1757.33(3-19)=

19、13.30m2為了保證傳熱效果，考慮到換熱器的熱損失，則實際所需面積為理論計算傳熱面積的（1.11.2）F所以其實際傳熱面積為F=14.63m23.8螺旋通道長度L2H式中H為有效長度H=0.9m求出螺旋板式換熱器的傳熱面積，螺旋板的長度以及螺旋板有效寬度后,就可以求得螺旋圈數(shù)。,14.63L=2*0.9=8.13m3.9螺旋圈數(shù)n與螺旋體外徑D0選螺旋板中心d=0.2m,板厚 =0.002m,L=7.4m,b1=0.0094m,b2=0.0087m不等通道螺旋圈數(shù)按下式- (don=)2 二嚀 4f b 2)b| b2 2(3-20)bi - b?式中d02cc 0.0094 0.0087=

20、0.2+ 2 =0.2004m b1+b2+2:=0.0094+0.0087+2*0.002 =0.0221代入上式得0.2004 +0.20042 +4*8.13* 0.0221n=3.140.0221=13.47 圈Do =d (bt,在此條件下，選用公式計算臨界壓力Pk = ER-2.14*(、；2(t6t) 0.763*10*(r2*h4)(5-5)將已知E 、 R t H各值代入上式計算臨界壓力5Pk = 2.。3*10*。.。020.352.14*(60.002 2(2)*/0.08)0.763*10*(24)0.080.35 *0.9=1.55MPap=弘m=Pk3將pk=1.5

21、5MPa弋入上式p=1.553=0.52Mpa已知設備的設計壓力為P=0.4Mpa由于pp,故設備穩(wěn)定，操作安全第六章螺旋板式換熱器的結構尺寸本設計進行的熱交換介質為水煤氣和工業(yè)水。由于水煤氣有腐蝕作用，因此, 螺旋板式換熱器的各部件選用不銹鋼 0Cr18Ni19材料。由于是氣-液換熱器，所以按不可拆式螺旋板式換熱器確定各部件的結構和 尺寸。流體流向的選擇：水煤氣由中心管進入，沿螺旋流向外周排出，冷卻水從外 周流向中心排出，兩流體呈螺旋流動，逆流操作。6.1密封結構螺旋通道采用墊入圓鋼條焊接密封。封頭的一端面采用焊接密封，而另一端面采用的密封是端蓋加墊片的密封結 構。由計算得出，熱程（水煤氣）

22、通道寬度為 b1 =9.4mm冷程（冷卻水）通道寬 度b2=10.2mm兩通道寬度相差只有0.8mm因此選擇通道寬度為10m的半可拆式 螺旋板換熱器。6.2定距柱尺寸按螺旋板通道寬度bi和b2決定，因選通道寬度10m的標準型螺旋板換熱器 可選直徑為10mm長為12m的圓鋼條作定距柱，所以定距柱的長度為 12mm 定距柱按等邊三角形排列。6.3換熱器外殼采用兩個半圓對接焊結構，外殼主要承受內壓作用，其厚度按承受內壓得 圓筒計算，即按下式計算(6-1)= () C已知設計壓力p=0.44MPa 圓筒半徑R=350mm壁厚附加量e=0,殼體材料選16MnR ob=520MPa a =205MPa n

23、 b=3, n s=1.6二=(6-2)= 5203=173.3MPa二=二足= 2051.6=128.1MPa(6-3)取二=128.1MPa殼體與連接板的連接采用單面V形坡口對接焊縫，：=0.85 將上述各數(shù)據(jù)代入計算公式 = 0.44*350128.1*0.85=1.41mm選不銹鋼板厚為3mm.6.4進出口接管直徑d中心管采用垂直于螺旋板式橫斷面的結構，螺旋通道的接管, 量，也采用垂直接管。由傳熱工藝計算可知熱程（水煤氣）通道截面積F1 =0.0085mA2冷程（冷卻水）通道截面積為了減少加工F2 =0.0092mA2設管內流量與通道內流量相等，亦即它們的截面積相等。熱程（水煤氣）通道

24、的接管直徑為4*0.0085=0.104m=104mm108*4選108*4的不銹鋼管，配管法蘭為平焊法蘭 PN0.6，DN100 冷程(冷卻水)通道的接管直徑為選 108*44* F2d2 =兀4*0.092 Ji=0.1m=100mm的不銹鋼管，配管法蘭為平焊法蘭 PN0.6, DN1006.5中心隔板尺寸螺旋板為不銹鋼板，厚度;=8，長度H=900mm. 中心隔板的寬度為,g +b2)B。= d -、-2代入已知數(shù)據(jù)ccc rc (9.4+10.2).Bo =200 - 2=200-10.8=189.2=190mm中心隔板的高度等于螺旋板的寬度。(6-4)6.6水壓試驗壓力水壓試驗時應力

25、校核按GB150-1998鋼制壓力容器 水壓試驗壓力Pr 叫(6-5)本設計p=0.44MPac=汀=128.1MpaFT = 1.25*0.44*=0.55Mpa128.1128.1在此試驗壓力下，殼體所產生的應力按下式校核(6-6)_ _PT【Di (C)-T =2*(_C): v=0.9 crS已知：Di =700mm； =3mm,C=0, 代入上面公式=0.625*(700 +3)T =(2*3*0.85)=86.15MPa0.9r s =0.9*205=184.5Mpa匚T 0.9 ；s,滿足強度要求6.7螺旋板換熱器個設計參數(shù)如下:換熱面積F=13.30 m2螺旋板長度L=7.4m

26、螺旋板寬度H=90mm螺旋體外徑D0=700mm螺旋通道寬度熱程螺旋通道bi=10mm冷程螺旋通道b2=10mm螺旋板厚度心=2mm螺旋中心直徑d=200mm定距柱間距t=80mm定距柱數(shù)n=181個/ m2熱程進出口管啊08*4不銹鋼管，冷程進出口管巾108*4不銹鋼管6.8螺旋板換熱器的封頭設計平蓋厚度計算是以圓平板應力分析為基礎的。在理論分析時平板的周邊支撐 被視為固支或簡支，但實際上平蓋與圓筒連接時，真正的支撐既不是固支也不是 簡支，而是介于固支與簡支之間。因此工程計算時常采用圓板理論為基礎的經(jīng)驗公式。所以封頭可設計為圖6-1上端蓋封頭設計示意圖圖6-2封頭中墊片示意圖因平板與筒體連接

27、結構形式和筒體的尺寸參數(shù)不同，平蓋的最大應力即可能 出現(xiàn)在中心部位又可能在平蓋與筒體的連接部位，但都可表示為亠 D 2Sax =_Kp(f)其中代入數(shù)據(jù)得% =0.44*0.44* ?*（警）236=95.60MPa二=128.1MPa所以 二max譏二6.9支座的設計墊板支柱底板圖6-3支座示意圖圖6-4底板示意圖圖6-5支柱示意圖6.10支座的校核經(jīng)過計算得出：筒體重為 中心隔板重為 螺旋板重為 接管總重為 管法蘭總重為 總重47Kg11.3Kg 3.5Kg 4.88Kg25.92Kg92.6Kg支柱選角鋼支柱三根角鋼支柱可承受重量為 382.2Kg遠遠大于螺旋體換熱器的總 重因此可以承受

28、。結語本文首先對換熱器的分類、各自的用途、研究重點、研究方向作了簡單的介紹，并重點介紹了螺旋板式換熱器的優(yōu)缺點和設計要點、設計方法；隨后根據(jù)已知條件計算了所設計的換熱器的傳熱工藝計算部分，主要是熱程通道和冷程通 道中的傳熱計算，螺旋通道的計算、傳熱面積的計算、螺旋通道長度的計算及螺 旋圈數(shù)與螺旋體外徑的計算；然后進行了流體的壓力降計算；之后進行了螺旋板 的強度、撓度計算與校核。最后進行螺旋板式換熱器的結構尺寸設計，在結構設 計計算中，首先計算并校核了筒體壁厚，然后是進出口接管的設計，其后是中心 隔板的設計計算，接下來是封頭的設計及校核，最后進行了支座的尺寸設計與校 核。參考文獻1 錢頌文，廖景

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