螺旋板式換熱器的設計

1、學生畢業(yè)論文（設計）題目 螺旋板式換熱器的設計 摘 要螺旋板式換熱器主要由板材、接管、密封板組成，結(jié)構(gòu)簡單，材料利用率高。結(jié)構(gòu)上分可拆式螺旋板和不可拆式螺旋板兩種。流體在雷諾數(shù)Re>500時可達湍流狀態(tài)，因而比管殼式換熱器傳熱效率高1倍以上。其優(yōu)點是：傳熱效率高，比管殼式換熱器高1倍以上；結(jié)構(gòu)緊湊，單位體積傳熱面積180m2m3；結(jié)構(gòu)可靠；不易污塞；成本低；使用溫度可達300，壓力可達2.5Mpa；適用于化工、較輕介質(zhì)的場合。缺點：焊縫較長，易泄漏，易產(chǎn)生應力腐蝕；易結(jié)垢場合嚴禁使用。目前，國內(nèi)外在多年的使用中不斷地改進，進一步提高它的換熱效能。關 鍵 詞：螺旋板式換熱器；冷熱流體；傳熱

2、計算。 研究類型：應用研究ABSTRACTWants the spiral disc heat interchanger mainly by the plate, the control, the dense closing board to be composed, the structure is simple, the material use factor is high.In the structure divides the demountable-type lamina spiral and not the demountable-type lamina spiral two k

3、inds.Fluid when Reynold's number Re> 500 may reach the turbulent conditions, thus compared to shell type heat interchanger heat transfer efficiency high 1 time above.Its merit is:The heat transfer efficiency is high, compared to shell type heat interchanger high 1 time abovThe structure is co

4、mpact, unit volume heat transfer area 180m2m3;The structure is reliable; Not Yi Wusai;The cost is low; The application temperature may reach 300, the pressure may reach 2.5Mpa; Is suitable in the chemical industry, the light medium situation. Shortcoming:The welded joint is long, easy to divulge, ea

5、sy to have the stress corrosion; The easy scaling situation to forbid strictly the use. At present, domestic and foreign unceasingly improves in many year uses, further enhances its heat transfer potency. Key words: Spiral disc heat interchanger; Cold thermal fluid; Heat transfer computation. Thesis

6、: Applied research目錄1概述12螺旋板式換熱器的結(jié)構(gòu)22.1結(jié)構(gòu)特點22.2分類42.3 結(jié)構(gòu)設計43設計報告內(nèi)容73.1具體工藝參數(shù)73.2工藝操作條件73.3結(jié)構(gòu)示意圖73.4結(jié)構(gòu)及換熱原理74螺旋板式換熱器的設計計算84.1傳熱工藝計算678傳熱量Q8冷卻水的出口溫度8螺旋通道截面積與當量直徑de的計算8雷諾數(shù)Re和普蘭特數(shù)Pr9給熱系數(shù)的計算9總傳熱系數(shù)K94.1.7 對數(shù)平均溫度差tm104.1.8 傳熱面積F104.1.9 螺旋通道長度104.1.10 螺旋圈數(shù)n與螺旋體外徑D0104.2 流體壓力降P計算124.2.1 按直管壓力降計算公式124.2.2 按大連

7、理工大學等單位推薦公式計算4134.3 螺旋板的強度、撓度計算與校核134.3.1 強度計算9134.3.2 螺旋板的撓度144.3.3 按“計算法”校核螺旋板式換熱器的穩(wěn)定性2144.4螺旋板式換熱器的結(jié)構(gòu)尺寸315密封結(jié)構(gòu)15定距柱尺寸15換熱器外殼815進出口接管直徑d16中心隔板尺寸16水壓試驗時應力校核165設計結(jié)果匯總185.1設計所得結(jié)果185.2 換熱器的結(jié)構(gòu)圖18參考文獻19致謝201概述1930年瑞典的Rosemblad最早提出螺旋板式換熱器的結(jié)構(gòu)，1932年以此人命名的Rosemblad公司成批制造生產(chǎn)此種換熱器，并申請了專利。此后，世界許多國家相繼設計制造了螺旋板式換熱

8、器，并應用于各種場合。如英國的APV公司，美國的AHRCO公司和Union Carbide公司，日本的“大江”和“川化”公司，前蘇聯(lián)的標準TOCT 12067-66，德國的Roca公司等。螺旋板式換熱器由兩塊平行的鋼板在專用卷床上制成。每塊鋼板被同時繞成螺旋形狀，并形成兩個同心通道，各通道為環(huán)狀的單一通道，其截面為長方形，進出口接管分別裝于兩通道的邊緣端。螺旋板式換熱器在國外較早使用于回收廢液和廢氣中的能量，加熱和冷卻果汁、糖汁和各種化工溶液，冷卻發(fā)煙硫酸、酸類物質(zhì)及酒廠的麥芽漿汁等。隨著化工與其它工業(yè)的迅速發(fā)展，以及制造技術(shù)水平的不斷改進與提高，螺旋板式換熱器的應用范圍越來越廣泛。自開始使用

9、螺旋板式換熱器到1962年這一段時期內(nèi)，世界各國所制造使用的總數(shù)已達到1萬多臺。20世紀70年代又有了進一步發(fā)展，尺寸轉(zhuǎn)向大型化，其設計壓力達4Mpa。螺旋板式換熱器在我國的使用是從20世紀50年代中期開始，當時主要用于燒堿廠中的電解液加熱和農(nóng)堿液冷卻。60年代，我國機械制造部門設計、制造了卷制螺旋板的專用卷床，使卷制的功效提高了幾十倍，為推廣應用螺旋板式換熱器創(chuàng)造了良好的條件。自1968年原第一機械工業(yè)部在蘇州召開螺旋板式換熱器系列審查會議后，國內(nèi)已有20多家制造廠生產(chǎn)了這種換熱器，螺旋板式換熱器在我國的應用得到了迅速推廣。螺旋板式換熱器具有體積小，效率高、制造簡單、成本較低、能進行低溫差熱

10、交換等優(yōu)點，近年來在國內(nèi)各行業(yè)中的應用日趨廣泛。目前的問題是如何進一步提高該換熱器的承壓能力，以使應用范圍更為廣泛。提高承壓能力有多種途徑，可增加螺旋板厚度、增加定距柱的數(shù)目或提高板材的強度（亦即選用質(zhì)量較好有一定塑性且強度高的鋼材）。但如采用增加板厚的辦法，則勢必要求提高卷板機的能力，使得消耗的功率相應增加，還會給制造工藝帶來困難，并使成本提高。目前提高其承壓能力的辦法以改進結(jié)構(gòu)和選用較好的材料為主。螺旋板式換熱器經(jīng)過多年的使用和不斷的改進，目前國內(nèi)外使用的最大外徑達2000mm以上、板寬1800mm、最大操作壓力4MPa，最高操作溫度為1000。2螺旋板式換熱器的結(jié)構(gòu)2.1結(jié)構(gòu)特點（1）傳

11、熱效率高 由于螺旋板式換熱器具有螺旋通道，流體在通道內(nèi)流動，在螺旋板上焊有保持螺旋通道寬度的定距柱或沖壓出來的定距泡，在螺旋流動的離心力作用下，能使流體在較低的雷諾數(shù)時發(fā)生湍流?？紤]到壓力降不致過大，所以合理地選擇通道寬度和流體流速是較重要的。設計時一般可選擇較高的流速（允許的設計流速對流體為2m/s左右，對氣體為20m/s左右），這樣可使流體分散度高，接觸好，有利于提高螺旋板換熱器傳熱效率。今年來，國內(nèi)很多單位對螺旋板式與管式換熱器進行了傳熱系數(shù)的測定比較。例如，冷凍機的輔助氨冷凝器，用一臺換熱面積為F=30的螺旋板式換熱器代替換熱面積為F=75的管式換熱器，效率提高了一倍又如小化肥廠的氨合

12、成塔下加熱器，原用管式結(jié)構(gòu)，換熱面積為F=30.9，改用螺旋板式換熱器只要F=15.5，其效率相應地提高了一倍。（2）能有效地利用流體的壓頭損失 螺旋板式換熱器中的流體，雖然沒有流動方向的劇烈變化和脈沖現(xiàn)象，但因螺旋通道較長，螺旋板上焊有定距柱，在一般情況下，這種換熱器的流體阻力比管殼式換熱器要大一些。但它與其它類型的換熱器相比，由于流體在通道內(nèi)是作均勻的螺旋流動，其流體阻力主要發(fā)生在流體與螺旋板的摩摖和定距柱的沖撞上，而這部分阻力可以造成流體湍流，因此相應地增加了給熱系數(shù)，這使螺旋板式換熱器能更有效地利用流體的壓頭損失。（3）不易污染 今年來，許多研究都集中到換熱器的污垢問題上，因為污垢對換

13、熱器的傳熱效果有較大的影響。在螺旋板式換熱器中，由于介質(zhì)走的是單一通道，而它的允許速度可以比其它類型的換熱器高，污垢不易沉積。如果通道內(nèi)某處沉積了污垢，則此處的通道截面積就會減小，在一定流量下，如截面積減小，局部的流速就相應提高，對污垢區(qū)起到了沖刷的作用。而在管殼式換熱器中，如果一根換熱管有污垢沉積，此換熱管的局部阻力增大，則流量受到限制，流速降低，介質(zhì)就向其它換熱管分流，使換熱器內(nèi)每根換熱管的阻力重新平衡，使得沉積了污垢的換熱管的流速越來越低，越易沉垢，最后完全堵死。在化工廠、煉油廠中使用的管殼式換熱器管內(nèi)徑常有污垢沉積，容易產(chǎn)生堵管現(xiàn)象，而在螺旋板式換熱器內(nèi)，由于有自沖刷的作用，所以它的污

14、垢形成速度約為管殼式換熱器的1/10。對于發(fā)生堵塞現(xiàn)象時，國外多用酸洗或熱水清洗，在國內(nèi)多數(shù)采用蒸汽吹凈的方法，比用熱水清洗既方便，效率又好。（4）能利用低溫熱源，并能精確控制出口溫度 為了提高螺旋板式換熱器的傳熱效率，就要求提高傳熱推動力。當兩流體在螺旋通道中采用全逆流操作時，則兩流體的對數(shù)平均溫度差就較大，有利傳熱。從換熱器設計中采用的經(jīng)驗數(shù)據(jù)進行分析，螺旋板式換熱器允許的最小溫差為最低，在兩流體溫差為3情況下仍可以進行熱交換。由于允許的溫差較低，因此，世界各國都利用這種換熱器來回收低溫熱能。螺旋板式換熱器具有兩個較長的均勻螺旋通道，介質(zhì)在通道中可以進行均勻的加熱和冷卻，所以能夠精確的控制

15、其出口溫度。（5）結(jié)構(gòu)緊湊 一臺直徑為1.5m，寬度為1.8m的螺旋板式換熱器，其傳熱面積可達200，而單位體積的傳熱面積約為管殼式換熱器的3倍。（6）密封結(jié)構(gòu)可靠 目前使用的螺旋板式換熱器兩通道端部有采用焊接密封（不可拆式）和端蓋壓緊（可拆式）。不可拆式在保證焊接質(zhì)量的同時，就能保證兩介質(zhì)之間不會產(chǎn)生內(nèi)漏?？刹鹗降膬啥擞枚松w壓緊，端蓋上有整體密封板，只要螺旋通道兩端面加工平滑，可防止同側(cè)流體從一圈旁流到另一圈。（7）溫差應力小 螺旋板式換熱器的特點是允許膨脹，由于它有兩個較長的螺旋通道，當螺旋板受熱或冷卻后，可像鐘表內(nèi)的發(fā)條一樣伸長和收縮。而螺旋體各圈之間都是一側(cè)為熱流體，另一側(cè)為冷流體，最

16、外圈與大氣接觸。在螺旋體之間的溫差沒有管殼式換熱器中的換熱管與殼體之間溫差那樣明顯，因此不會產(chǎn)生大的溫差應力。在國內(nèi)、外使用的螺旋板式換熱器實例中，使用在兩介質(zhì)溫差很大的場合，未發(fā)現(xiàn)有較大的溫差應力存在。例如，南京化肥廠甲醇合成塔下的加熱器，換熱面積為18.45，熱介質(zhì)的最高溫度為470-480，冷介質(zhì)的溫度為10，平均溫度為200左右。山東勝利煉油廠一臺可拆式螺旋板式換熱器，換熱面積27熱介質(zhì)最高溫度為267，冷介質(zhì)最低溫度為30，最大溫差為130左右。（8）熱損失少 由于結(jié)構(gòu)緊湊，即使換熱器的傳熱面積很大，但它的外表面積還是較小的。又因接近常溫的流體是從最外邊緣處的通道流出，所以一般不需要

17、保溫。（9）制造簡單 螺旋板式換熱器與其它類型的換熱器相比，制造工時為最少，機械加工量小，材料主要是板材，容易卷制，制造成本低。（10）承壓能力受限制 螺旋板式換熱器一般都按每一通道的額定設計壓力，由于螺旋板的寬度較大，厚度較小，剛度差，每一圈均承受壓力， 當兩通道間的壓力差達到一定程度，亦即達到或接近臨界壓力時，螺旋板就會被壓癟而喪失穩(wěn)定性。故目前較多的辦法是從結(jié)構(gòu)上考慮?，F(xiàn)在各國生產(chǎn)的螺旋板式換熱器的最高工作壓力達4Mpa。（11）修理困難 螺旋板式換熱器雖不易泄漏，但由于結(jié)構(gòu)上的限制，一旦產(chǎn)生泄漏時不易修理，往往只能整臺報廢，因此對具有腐蝕性介質(zhì)時，應選用耐腐蝕材料制造。（12）通道的清

18、洗 由于螺旋通道一般較窄，螺旋板上焊有維持通道寬度的定距柱，使機械清洗困難。螺旋板的清洗方法，主要采用熱水沖洗、酸洗和蒸汽吹洗三種，在國內(nèi)較多采用蒸汽吹洗的方法。2.2分類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(zhì)通過的矩形通道。根據(jù)螺旋板式換熱器的結(jié)構(gòu)，可以分成兩大類，即不可拆式和可拆式。不可拆式螺旋板式換熱器1 結(jié)構(gòu)特點為通道兩端全部墊入密封條后焊接密封（稱為型），使壓力在2.5Mpa?？刹鹗铰菪迨綋Q熱器結(jié)構(gòu)又有兩種。一種結(jié)構(gòu)的特點是螺旋通道兩端面交錯焊死，兩端面的密封采用端蓋加墊片的密封結(jié)構(gòu)，螺旋體內(nèi)清洗可由兩端分別進行清洗

19、（稱為型），使用壓力為1.6Mpa。另一種結(jié)構(gòu)特點是一個通道兩端焊死，另一個通道兩端全部敞開，兩端面的密封采用端蓋加墊片的密封結(jié)構(gòu)（稱為型），使用壓力為1.6Mpa。介質(zhì)流動情況有兩種，一種為全逆流，熱流體由換熱器的中心進入，從里向外流動。冷流體由螺旋板式換熱器的周邊向里流動，成逆流流動。另一種為旋轉(zhuǎn)流和軸向流，在型結(jié)構(gòu)中，一種介質(zhì)在全部焊死的通道內(nèi)流動，另一種介質(zhì)在兩端敞開的通道軸向流動。一般冷卻、冷凝工況下，冷卻介質(zhì)由周邊轉(zhuǎn)到中心，熱介質(zhì)由上向下流。對于再沸器，則蒸汽由中心轉(zhuǎn)到周邊，冷介質(zhì)由下向上。上述三種形式的螺旋板式換熱器，除型采用通道兩端全部焊死的結(jié)構(gòu)，對型和型一般采用墊片密封結(jié)構(gòu)，

20、端蓋形式有平蓋、橢圓形蓋、錐形蓋和密閉的橢圓形封頭，具體根據(jù)流體的特性、操作壓力和使用場合而定。國內(nèi)現(xiàn)已有不可拆式螺旋板式換熱器形式與基本參數(shù)標準，JB/T 4723-1992。（表略）2.3 結(jié)構(gòu)設計（一）密封結(jié)構(gòu)密封結(jié)構(gòu)的好壞，直接影響到螺旋板式換熱器能否正常用磚。即使微小的泄漏使兩流體相混，也使傳熱不能正常進行，所以密封結(jié)構(gòu)的設計是一個很重要的問題。螺旋板式換熱器的密封結(jié)構(gòu)有兩種形式，焊接密封和墊片端蓋密封。（1）焊接密封 焊接密封的結(jié)構(gòu)形式有三種，第一種焊接密封結(jié)構(gòu)是將需要密封的通道用方鋼墊進鋼板中，卷制后進行焊接。第二種焊接密封結(jié)構(gòu)是將需要密封的通道用于通道寬度相同的圓鋼墊進鋼板中卷

21、好后進行焊接。第三種焊接密封結(jié)構(gòu)是將通道一邊的鋼板壓成一斜邊后與另一通道的鋼板焊接。過去國內(nèi)多數(shù)采用第二種焊接密封結(jié)構(gòu)，因為圓鋼條的摩摖力比方鋼小，卷床消耗的功率比用方鋼作密封條消耗的功率小，而且圓鋼與通道兩側(cè)板是線接觸，因此圓鋼條與螺旋板焊接容易密封。第三種焊接密封結(jié)構(gòu)，現(xiàn)進口使用較多，結(jié)構(gòu)簡單，加工方便。（2）墊片端蓋密封 螺旋板卷制好以后，將螺旋通道的兩端經(jīng)過機械加工，使其達到一定的光潔度，然后用一片與端蓋密封面外徑相等的墊片將螺旋通道封住。墊片材料選擇根據(jù)介質(zhì)特性和溫度；靠端蓋上螺栓與外殼上法蘭連接以達到密封要求。為了保證密封壓緊墊片，當端蓋為平蓋形式時，由于平板蓋受力最差，受壓后就產(chǎn)

22、生撓度，容易造成流體通道之間短路，影響傳熱效果，帶來不良后果。因此平蓋一般用于壓力較低場合。為了提高螺旋板式換熱器的耐壓能力和密封性能，采用橢圓形端蓋，其法蘭、螺旋等計算參閱化工設備設計全書化工容器法蘭的相關內(nèi)容。對于大直徑的螺旋板式換熱器，為了保證密封板與螺旋端面緊密貼合，需要在橢圓形端蓋內(nèi)中心部分焊接一定直徑的鋼管，鋼管直徑最好在（0.250.35）Di以內(nèi)（Di為螺旋體內(nèi)徑），在鋼管另一端焊有金屬壓環(huán)，壓環(huán)與密封板之間有一壓環(huán)墊片，要求此墊片比法蘭密封墊片薄0.5。當用螺栓拉緊橢圓端蓋與筒體法蘭時，焊接的鋼管隨之向下壓緊在密封板上，這樣密封板可收到一定壓力，使密封更為可靠。這種結(jié)構(gòu)的承壓

23、能力比平蓋形端蓋高。但由于密封板與螺旋通道兩端之間沒有再安裝墊片，加上機械加工時的尺寸誤差等因素的影響，可能有的地方密封性差，以致使少量的地方有介質(zhì)發(fā)生短路，使傳熱效率收到一定的影響。 （二）螺旋板式換熱器的外殼螺旋板式換熱器的外殼是承受內(nèi)壓或外壓的部件，為了提高外殼的承壓能力，有些制造廠的產(chǎn)品，采用增加最外一圈螺旋板厚度的方法。但因外圈仍是螺旋形，就有一條縱向的角焊縫從在，由于角焊縫的強度不易保證，受力差，所以這種結(jié)構(gòu)不能承受較高的壓力。為了改善外殼與螺旋板的連接結(jié)構(gòu)，提高外殼的承壓能力，螺旋板式換熱器外殼用兩個半圓環(huán)組合焊接而成的圓筒，這種組合焊接的關鍵零件是連接板，連接板與螺旋板及外殼的

24、連接方法是先將螺旋板與連接板對接焊接，經(jīng)過無損探傷合格后，再將兩個半圓形的外殼與連接板焊接，焊接結(jié)構(gòu)采用有襯板的對接焊縫。對接焊縫容易保證焊接質(zhì)量，承受力較好，故這種連接牢固可靠，并避免了角焊縫，從而提高螺旋板式換熱器的操作壓力。外殼受內(nèi)壓或外壓的圓筒強度計算，參閱化工設備設計全書化工容器有關章節(jié)。（三）螺旋板的剛度螺旋體是一個彈性體，對這樣的彈性構(gòu)件，當其受壓時往往不是被壓破而是被壓癟，故螺旋板的剛度是一個重要的問題。在實際生產(chǎn)中，當換熱器兩通道的壓力差達到一定數(shù)值時，螺旋板可能被壓癟而產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象，使設備不能正常操作。用增加用增加板厚的方法提高螺旋板的剛度不是解決問題的最好方法。板厚增加使

25、卷制螺旋體對所需的功率增加，這是不經(jīng)濟的。所以現(xiàn)在普遍采用在兩通道內(nèi)安裝定距柱并縮小定距柱（或定距泡）之間的距離，用增加定距柱（或定距泡）的數(shù)量的方法來提高螺旋板的剛度和承壓能力，定距柱（或定距泡）既增加了螺旋板的剛度，又起到了維持通道寬度的作用。定距柱一般使用短圓鋼條，定距泡是在螺旋板上沖出一泡，圓柱或泡大小視螺旋體通道的寬度而定，一般為520，定距柱的直徑一般為1215，在卷制螺旋體以前就焊在鋼板上。對于操作壓力在0.3Mpa一下的換熱器，因壓力較低，板的應力和變形較小，故可不安置定距柱 。螺旋通道內(nèi)布置定距柱（或定距泡）后，當流體流過時起到擾動的作用，提高了傳熱的效率。但定距柱過密，雖然

26、提高螺旋板的剛度，但會使流體阻力增大，沉淀物也不易清洗干凈。目前采用的定距柱，其排列方式有兩種，一種是按等邊三角形排列，其間距常用的為80×80，100×100，150×150，200×200，這種排列可以安置較多的定距柱，另一種是按正方形排列，清洗較容易?？紤]到兩板的曲率半徑不同，在相同的受力狀態(tài)下，由于內(nèi)圈螺旋體的曲率半徑較小，按強度計算，板可以薄一些。從兩通道的受力來說，壓力大的通道鋼板的厚度比壓力小的通道鋼板的厚度大。因此，可以用兩塊不同厚度的鋼板來卷制螺旋體。但是，由于螺旋通道寬度一般為520，因此，兩螺旋體的曲率半徑相差不是很大，按溫度計算的

27、兩板厚度相差也就不大，只是當螺旋體直徑大，所需板很長的情況下，用兩張不同厚度的鋼板卷制螺旋體才有意義。因為兩板厚度不同，卷制時會使各板受力不均勻?；谝陨显?，所以目前用來卷制螺旋體的兩張鋼板，其厚度通常選為一樣。（四）進、出口接管布置對于不可拆式螺旋板式換熱器一般在垂直于筒體的橫截面安置一中心管，而螺旋通道的接管有兩種布置形式，一種是接管垂直于筒體軸線方向。這種接管在流體進入螺旋通道時突然轉(zhuǎn)90°.由流體力學可知，當流體流動方向有突變時，阻力較大。另一種接管布置成切向。這種布置在流體由接管進入通道時逐漸流入的，沒有流動方向的突變，故阻力較小，而且還便于從設備中排除雜質(zhì)，但加工比垂直

28、接管困難。上述接管的兩種布置方法各有利弊，設計時按具體的情況選定。對可拆式螺旋板式換熱器，要視具體要求來確定。3設計報告內(nèi)容要求：設計一臺螺旋板式換熱器,將10%(質(zhì)量分數(shù))的鹽酸水溶液冷卻降溫。3.1具體工藝參數(shù)處理量：水溶液流量:12000/h， 冷卻水流量:20000/h降溫要求：水溶液70403.2工藝操作條件換熱器設計壓力為0.45MPa，冷卻水入口溫度20，逆流操作。3.3結(jié)構(gòu)示意圖圖3.1螺旋板式換熱器結(jié)構(gòu)示意圖3.4結(jié)構(gòu)及換熱原理螺旋板式換熱器由兩塊平行的鋼板在專用卷床上制成。每塊鋼板被同時繞成螺旋形狀，并形成兩個同心通道，各通道為環(huán)狀的單一通道,其截面為長方形，進出口接管分別

29、裝于兩通道的邊緣端(示意圖)。其介質(zhì)流動為全逆流，10%(質(zhì)量分數(shù))的鹽酸水溶液由換熱器的中心進入，從里向外流動。冷卻水由螺旋板式換熱器的周邊向里流動，成逆流流動。兩液體在流動的過程中進行換熱而達到工業(yè)要求。4螺旋板式換熱器的設計計算4.1傳熱工藝計算67 傳熱量Q已知水溶液的流量為1=12000/h=3.3333s，入口溫度T1=70，出口溫度T2=40，定性溫度：TC=（T1+ T2）2=（70+40）2=551=0.598×10-3Pa·S在此定性溫度下，水溶液的物理參數(shù)10為1 =1033m3CP1=3486J（·）1=0.322W(m·K)同V

30、1=W11=3.33331033=0.0032 m3s將已知數(shù)據(jù)代入計算公式Q= W1 CP1（T1 T2）=3.3333×3486×（7040）=348596 W冷卻水的出口溫度t2=t1+ Q(W2CP2)已知t1=20， CP2=4186 J（·），W2=20000/h=5.5556s。將已知數(shù)據(jù)代入上式得t2=20+348596(5.5556×4186)=35定性溫度tc= (t1+ t2)2=（20+35）2=22.5在此定性溫度下，由手冊查得水的物理參數(shù)為2=0.9469×10-3Pa·S2 =997.65m3CP2=41

31、82J（·K）2=0.6051W(m·K)則 V2=W22=5.5556997.65=0.0056 m3s螺旋通道截面積與當量直徑de的計算（1）水溶液（熱程）通道 設水溶液的流速為： 1=0.5ms通道的截面積F1為 F1= V11=0.00320.5=0.0064選螺旋板寬度 H=0.85m通道寬度 b1= F1H=0.00640.85=0.0075m則當量直徑de1=2 H b1（H +b1）=2×0.85×0.0075（0.85+0.0075）=0.0149m（2）水（冷程）通道設計的流速為 2=1.2ms 通道的截面積F2為 F2= V22=0

32、.00561.2=0.0047通道寬度 b2= F2H=0.00470.85=0.0055m通道當量直徑 de2=2 H b2（H +b2）=2×0.85×0.0055（0.85+0.0055）=0.0109m雷諾數(shù)Re和普蘭特數(shù)Pr（1）水溶液（熱程）通道Re= de11 11 代入已知數(shù)據(jù)Re1=0.0149×0.5×1033（0.598×10-3）=12869Pr1= CP111 代入已知數(shù)據(jù)Pr1=3486×0.598×10-30.322=6.474（2）水（冷程）通道 代入已知數(shù)據(jù)Re2=0.0109×1

33、.2×997.65（0.9469×10-3）=13781Pr2=4182×0.9469×10-30.6051=6.544給熱系數(shù)的計算由于是液-液傳熱，兩種介質(zhì)的雷諾數(shù)Re均大于4000，即在湍流范圍內(nèi)，故用下面公式計算：=0.023de（1+3.54 deDm）Re0.8Prm（1）熱程通道設中心管直徑 d=200mm螺旋體外徑 D0=600mm平均直徑 Dm=（d+ D0）2=（200+600）=400=0.4m對被冷卻介質(zhì) m=0.3將已知數(shù)據(jù)代入計算公式h=0.023×0.3220.0149×(1+3.54×0.01

34、49/0.4)×128690.8×6.4740.3=1910.64W(m2·)(2)冷程通道對被加熱介質(zhì) m=0.4c=0.023×0.60510.0109×(1+3.54×0.0109/0.4)×137810.8×6.5440.4=6079.74W(m2·)總傳熱系數(shù)K應用由串聯(lián)熱阻推導出的公式計算1/K=1h+/+1c+1+2K=1/(1h+/+1c+1+2 )螺旋板為不銹鋼，板厚 =2，導熱系數(shù) =17.4 W(m·)污垢熱阻選 1=2=0.86×10-4 m2·W將

35、h、c、 、1和2代入公式K=1/(11910.64+0.002/17.4+16079.74+0.86×10-4 +0.86×10-4)=1025.84 W(m2·) 對數(shù)平均溫度差tm流體流動方向為全逆流操作tm =（T1- t2）-(T2- t1）/（T1- t2）/(T2- t1）已知 T1=70 ，T2=40，t1=20，t2=35。代入計算公式tm =（70- 35）-(40- 20）/（70- 35）/(40- 20） =15/1.75=26.80 傳熱面積F 已知傳熱量 Q=348596W由傳熱方程式 Q= KFtm F=Q/Ktm將已知數(shù)據(jù) Q、K

36、、tm 代入上式 F=348596/(1025.84×26.80)=12.68m2 螺旋通道長度L=F（2H） H=0.85m L=12.68(2×0.85)=7.46m 螺旋圈數(shù)n與螺旋體外徑D0 前述已選螺旋中心直徑d=0.2m，板厚=0.002m，L=7.46m，b1=0.0075m，b2=0.0055m不等通道寬度的螺旋圈數(shù)按下式n=-d0+（b1- b2）2+ d0+（b1- b2）22+4L（b1+ b2+2）12（b1+ b2+2）式中 d0+（b1- b2）2= 0.2+（0.0075- 0.0055）2=0.201m b1+ b2+2=0.0075+0.0

37、055+2×0.002=0.017代入上式得 n=-0.201+（0.2012+4×7.46×0.0173.14）120.017=14.61圈螺旋體外徑D0 D0= d+（b1+ ）+n（b1+ b2+2） = 0.2+（0.0075+ 0.0055）+14.61×（0.0075+ 0.0055+2×0.002） =0.2+0.0095+0.2484 =0.4579m0.46m前面假設的螺旋體外徑 D0=0.6m計算與假設之值兩者相差為（）0.6=0.233 即23.3計算值與假設值相差甚遠。返回步驟5重選螺旋體外徑進行計算。(1)給熱系數(shù)的計

38、算熱程通道設中心管直徑 d=200螺旋體外徑 D0=480平均直徑 Dm=（d+ D0）2=（200+480）=340=0.34m對被冷卻介質(zhì) m=0.3將已知數(shù)據(jù)代入計算公式h=0.023×0.3220.0149×(1+3.54×0.0149/0.34=1949.93W(m2·)冷程通道 對被加熱介質(zhì) m=0.4c=0.023×0.60510.0109×(1+3.54×0.0109/0.34)×137810.8×6.5440.4=6174.13W(m2·)(2)總傳熱系數(shù)K 應用由串聯(lián)熱阻推導

39、出的公式計算 1/K=1h+/+1c+1+2 K=1/(1h+/+1c+1+2 )螺旋板為不銹鋼，板厚 =2，導熱系數(shù) =17.4 W(m·)污垢熱阻選 1=2=0.86×10-4 m2·W將 h、c、 、1和2代入公式K=1/(11949.93+0.002/17.4+16174.13+0.86×10-4 +0.86×10-4)=1039.77 W(m2·)(3)對數(shù)平均溫度差tm 流體流動方向為全逆流操作tm =（T1- t2）-(T2- t1）/（T1- t2）/(T2- t1）已知 T1=70 ，T2=40，t1=20，t2=3

40、5.代入計算公式tm =（70- 35）-(40- 20）/（70- 35）/(40- 20） =15/1.75=26.80(4) 傳熱面積F 已知傳熱量 Q=348596W由傳熱方程式 Q= KFtm F=Q/Ktm將已知數(shù)據(jù) Q、K、tm 代入上式 F=348596/(1039.77×26.80)=12.51m2(5) 螺旋通道長度L=F（2H） H=0.85m L=12.51(2×0.85)=7.36m(6) 螺旋圈數(shù)n與螺旋體外徑D0 前述已選螺旋中心直徑d=0.2m，板厚=0.002m，L=7.36m，b1=0.0075m，b2=0.0055m不等通道寬度的螺旋圈

41、數(shù)按下式n=-d0+（b1- b2）2+ d0+（b1- b2）22+4L（b1+ b2+2）12（b1+ b2+2）式中 d0+（b1- b2）2= 0.2+（0.0075- 0.0055）2=0.201m b1+ b2+2=0.0075+0.0055+2×0.002=0.017代入上式得 n=-0.201+（0.2012+4×7.36×0.0173.14）120.017=14.47圈螺旋體外徑D0 D0= d+（b1+ ）+n（b1+ b2+2） = 0.2+（0.0075+ 0.0055）+14.47×（0.0075+ 0.0055+2×

42、0.002） =0.2+0.0095+0.2460 =0.4555m0.46m前面假設的螺旋體外徑 D0=0.48m 計算與假設之值兩者相差為（0.48-0.46）0.48=0.042 即 4.2說明所設的螺旋體外徑是可行的。4.2 流體壓力降P計算由于螺旋板換熱器流體壓力降的計算沒有一個較準確的公式，本設計選用兩種公式進行計算，以便于比較。 按直管壓力降計算公式 用螺旋通道的當量直徑de代替管徑，并考慮介質(zhì)粘度的影響，用式P=2fL2（w）0.14de 計算由圖f-Re的曲線查的熱程摩摖系數(shù) f=0.009冷程摩摖系數(shù) f=0.0085為求壁溫下之黏度w，需按下式求出壁溫的大小tw=tc+h

43、（Tc-tc）（h+c）將tc、h、c、Tc 各值代入上式 tw=22.5+1949.93×（55-22.5）（1949.93+6174.13） =30.30在 tw=30.30時之黏度w1=0.968×10-3Pa·S w2=0.796×10-3Pa·S（1）熱程（水溶液）通道的壓力降 將已知數(shù)據(jù) L=7.36m，1=0.5ms， r1 =1033m3，de1=0.0149m代入公式得Ph=2fL112（w11）0.14de1=2×0.009×7.36×1033×0.52×（0.968

44、5;10-30.598×10-3）0.140.0149 =2456 Pa（2）冷程通道壓力降將已知數(shù)據(jù) L=7.36m，2=1.2ms， r2 =997.65m3，de2=0.0109m代入公式得Pc=2fL222（w22）0.14de2=2×0.0085×7.36×997.65×1.22×（0.796×10-30.9469×10-3）0.140.0109 =16095Pa 按大連理工大學等單位推薦公式計算4由于液-液熱交換，故按下面的公式計算通道和進出口的壓力降P=Lde×0.365Re0.25+0.0

45、153Ln0+422設定距柱間距 t=80，則n0=181個m2螺旋通道長度 L=7.36m（1）熱程通道壓力降Ph=7.360.0149×0.365128690.25+0.0153×7.36×181+4×1033×0.522=45334 Pa（2）冷程通道壓力降Pc=7.360.0109×0.365137810.25+0.0153×7.36×181+4×997.65×1.222=47.129×718.308=33853 Pa由以上兩種壓力降的計算看出第一種方法，沒有考慮定距柱和進、出

46、口局部阻力的影響因素值。而第二種方法的計算考慮了定距柱和進出口局部阻力的影響，所以第一種方法計算的壓力降比第二種計算的小，即說明后一種方法考慮的因素比較全面。4.3 螺旋板的強度、撓度計算與校核 強度計算9 按公式 PD=0C2t2 進行計算已知D0=0.48m，H=0.85m，=0.002m換熱器的操作壓力 P=0.45Mpa其設計壓力 PD=1.1P=1.1×0.450.5 Mpa螺旋板材料選0Cr18Ni9 其S=205 Mpa= SnS， nS=1.6則 = 2051.6 =128.1 Mpa曲率影響系數(shù)0=1+0.96×（1.28-2R）=1+0.96×

47、（1.28-2×0.24）=1.768定距柱的間距t按式子 t（0C2PD）12當采用定距柱時，C=4.7將已知數(shù)據(jù)代入上公式 t（1.768×4.7×0.22×128.10.5）1292.3當采用定距泡時，C=5.36t（1.768×5.36×0.22×128.10.5）1298.5由上面計算可知，在計算壓力降時所設之定距柱間距80均小于計算值，所以是合理的，故定距柱取t=80。 螺旋板的撓度=012Pt4（1-2）E3已知E=2.03×105 Mpa，=0.3，P=0.5 Mpa對于定距柱 0=0.00638對

48、于定距泡 0=0.00681采用定距柱時，板產(chǎn)生的撓度=0.00638×12×0.5×0.084（1-0.32）2.03×105×0.0023 =8.79×10-4m =0.879采用定距泡時，板產(chǎn)生的撓度=0.00681×12×0.5×0.084（1-0.32）2.03×105×0.0023 =9.38×10-4m =0.938說明采用定距泡時撓度大于定距柱時的撓度。 按“計算法”校核螺旋板式換熱器的穩(wěn)定性2根據(jù)已知數(shù)據(jù)，板寬H=0.85m，板厚=0.002m螺旋板曲率半徑

49、 R=D02=0.24m按公式 t=1.76（H2R）14 計算定距柱間距，即 t=1.76×（0.852×0.24×0.002）14 =0.24m=240由強度計算，取 t=80所以 t>t，在此條件下，選用公式PK= E2.14（t）2+0.763×10-2×t6（R2H4）R 計算臨界壓力將已知 E、R、t、H 各值代入上式PK= 2.03×105×0.002×2.14×（0.0020.08）2+0.763×10-2×0.086（）0.24 =1691.67×1.

50、34×10-3 =2.267 MpaP= PKm= PK3 將PK=2.267 Mpa 代入式子P= 2.2673= 0.756 Mpa已知設備的設計壓力為 PD=0.5 Mpa由于 PD=P，故設備穩(wěn)定，操作安全。4.4螺旋板式換熱器的結(jié)構(gòu)尺寸3 本設計進行熱交換的介質(zhì)為含有鹽酸10%（質(zhì)量分數(shù)）的水溶液。由于此水溶液有腐蝕性，因此，螺旋板換熱器的各部件選用不銹鋼0Cr18Ni9材料。由于是液-液熱交換，所以按不可拆式螺旋板式換熱器確定各部件的結(jié)構(gòu)和尺寸。流體流向的選擇：水溶液由中心管進入，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。密封結(jié)構(gòu) 螺旋通道采用墊入圓鋼條焊接密封。由計算得出，熱程（水溶液）通道寬度為b1=0.0075m=7.5，冷程（冷卻水）通道寬度b2=0.0055m=5.5，兩通道寬度相差只有2（如選擇標準形式，可以選通道寬度10