螺旋板式换热器的设计【含CAD图纸、说明书】
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毕业论文(设计)题目名称： 螺旋板式换热器的设计 题目类型： 学生姓名： 院 (系)： 专业班级： 指导教师： 辅导教师： 时 间： 目录毕业设计任务书 开题报告 指导教师审查意见评阅教师评语答辩会议记录 中外文摘要1 前言11.1 管壳式换热器的研究背景11.2 管壳式换热器现状和发展2 1.2.1 管壳式换热器管程结构发展2 1.2.2 壳程强化结构的发展51.3 管壳式换热器的分类71.4 本论文的研究内容8 2 螺旋板式换热器的方案设计93 螺旋板式换热器的传热工艺的计算143.1 传热量Q143.2 螺旋通道截面积与当量直径的计算15 3.2.1 贫油（热程）通道15 3.2.2 贫油的雷诺数和普兰特数Pr15 3.2.3 贫油的传热系数a的计算15 3.2.4 富油传热系数的计算16 3.2.5 对数平均温度差流体流动方向为全逆流操作17 3.3 总传热系数K17 3.4 传热面积计算17 3.5 螺旋通道计算18 3.6 螺旋圈数n与螺旋体外径18 3.7 流体压降的计算184 螺旋板式换热器的螺旋板的强度计算与校核19 4.1 强度计算19 4.2 螺旋板的挠度214.3 稳定性计算215 螺旋板式换热器的结构尺寸225.1 密封结构225.2 定距柱尺寸235.3 换热器外壳的设计245.4 进出口接管设计255.5 中心隔板尺寸265.6 螺旋板换热器各设计参数如下：26参考文献27附录.282 螺旋板式换热器的方案设计螺旋换热器的设计1 前言1.1 管壳式换热器的研究背景在上世纪第四次中东战争期间爆发的世界性经济危机对西方发达国家的政治、经济造成了相当大的负面影响，而最近的积极危机的本质就是能源危机。步入21世纪以来，伴随着全球性的能源紧张，作为解决当代能源问题的一个重要途径节能增效，已经越来越被世界上的多绝大多数国家所关注，而且随之而来的投入也越来越大。我国同样面临着严峻的能源危机，其次，能源资源分布域不均匀；再次，我国的重工业产业正处于发展中阶段，能源工业装备落后导致能源利用效率有效；最后，由于公众普遍缺乏环保意识导致环境污染严重。我国的能源效率还落后于世界先进国家，但是与之相对应的事我国的节能潜力及空间巨大。面对能源危机，在工程节能中高效节能设备的研发是重要途径，例如新式换热设备的研发开发。换热器可以根据工艺过程的要求来对介质进行温度和热量控制，同事还能对余热、废热进行行之有效的回收利用甚至再生产，因此换热器在相当范围内的工业部门成为广泛使用的工艺设备。能源工程项目总投资的相当大的比例是投资的相当大的比例是投资在换热器的生产与制造之中的：在化工厂中，换热器的投资约占总投资的10%-20%；在炼油厂中，该项投资约占总投资的35%-40%；海水淡化工艺装置几乎全部是由换热器组成的。但是目前广泛使用的换热器对能耗利用率较低，因此有效地提高换热器的工作效率才可以在工程生产中达到节能降耗的目的，同是可以在整个国家工业范围内生产不可估量的经济效益甚至深远的社会效益。目前，管壳式换热器是能源工程项目中使用最为广泛的换热器结构形式，其属于间壁式换热器的一种。管壳式换热器的特点是：换热器结构牢靠，使用可靠；历史悠久，制造使用的各技术环节已达到成熟；适应性较高，使用范围大。因此，目前工业装置中管壳式换热器的用量占全部换热器用量的70%。近年来，随着能源项目的投资进一步加大，出现了很多新型结构形式换热器。面对其他新型换热器的挑战，许多专家学者对管壳式换热器原有结构的优化设计及新结构开发做了大量工作来改善其内部流动提高传热性能同时降低动力消耗，其结构已由各种新型管束支撑结构元件加上新型强化传热管的组合结构代替了传统的螺旋管的结构。为改进和提高换热器工作效率已达到节能降耗的目的，最为重要的手段就是改善其内部流体的流动形态，其主要区别在与对管束的冲刷流动上，所以以此为依据，可以把这些流动的形态为横向流、纵向流和螺旋流。1.2 管壳式换热器现状和发展在二十世纪初，对于管壳式换热器的开发设计就被科学家提出，当时对于这种新型的换热设备开发设计的目的是为了满足大型电厂对在较高压力操作环境下运行的需要。经过近一个世纪的发展，对于管壳式换热器设计生产制造已经有了质的飞跃，其已经拥有比较完善的设计和生产加工方法，同时其工作性能可以较好地满足各种工艺需要。其中Bell-Delaware设计和Tinker的流路分析法是工艺设计领域地位最高的两种方法。但是，随着高科技手段在换热设备之中不断引入，对于换热器在特殊环境下的适应性的要求越来越高，而且对于设备本身的结构设计要求越来越苛刻，但是管壳式换热器所具备的优势越趋明显，因为其本身的设计初衷就是为了满足在这些苛刻的工作条件。换热器是化工、石油、能源等各工业中应用相当广泛的单元设备之一。据统计,在现代化学工业中换热器的投资大约占设备总投资的30%,在炼油厂中占全部工艺设备的40%左右,海水淡化工艺装置则几乎全部是由换热器组成的。对国外换热器市场的调查表明,虽然各种板式换热器的竞争力在上升,但管壳式换热器仍占主导地位约64%。新型换热元件与高效换热器开发研究的结果表明,列管式换热器已进入一个新的研究时期,无论是换热器传热管件,还是壳程的折流结构都比传统的管壳式换热器有了较大的改变,其流体力学性能、换热效率、抗振与防垢效果从理论研究到结构设计等方面也均有了新的进步。目前各国为改善该换热器的传热性能开展了大量的研究,主要包括管程结构和壳程结构强化传热的发展,现简介如下。1.2.1 管壳式换热器管程结构发展管程强化传热技术可归结为两个方面:改变传热面的形状和在传热面上或传热流路径内设置各种形状的插入物。1改变传热面形状,其强化传热机理为:通过对管子进行各种细微的加工,以期在管子壁面上形成有规律或无规律分布的凸起物,或将管壁本身沿轴向制成波纹状或螺旋凹肋等,这些传热面上的各种形状的凸起物既是无源扰动的促进体,又起断续阻断边界层发展的作用。这些强化传热管主要有螺旋槽纹管、波纹管、横纹管、V型纵槽水平螺旋管、变形翅片管、三维内肋管、针翅管、旋流管、缩放管等。1）螺旋槽纹管亦称螺旋槽管,是一种优良的高效异形强化传热管件,图1为螺旋槽纹管结构,由光滑管在车床上轧制而成,分为单头和多头,用于强化管内气体或液体的传热、强化管内液体的沸腾或管外蒸汽的冷凝。其强化机理为:流体在管内流动时受螺旋槽纹的引导,靠近壁面的部分流体顺槽旋流,有利于减薄边界层厚度;还有一部分流体顺壁面轴向流动通过螺旋槽纹凸起处便产生轴向漩涡,引起边界层分层及边界层中流体的扰动,从而加快由壁面至流体主体的热量传递。华南理工大学1和重庆大学2经试验研究及理论推导,得出了单头螺旋横纹管比多头螺旋横纹管的综合性能好的结论。美国Argonne国家实验室和GA技术公司设计、制造的螺旋槽纹管换热器,其传热效率比光管提高了24倍。2）波纹管换热管，由沈阳市广厦热力设备公司于20世纪90年代初研制成功,由波纹管和接头两部分组成,结构如图2所示。其管壁很薄(051mm),波峰波谷高度差达10mm,换热管可自由伸缩,流体在复杂截面内不断改变方向和流速,促使紊流增加,边界层减薄和增强相变换热等,从而增大传热系数K。在水-水换热器中,K可达20003600W(m2)-1,在汽-水换热器中K可达30004500W(m2)-1,对于其它介质其传热效率可提高24倍,减少换热面积40%以上。这种高效换热器还具有不易结垢、单位容积传热面积大、耐腐蚀性强、温差应力小等优点。然而,由于波纹管是由薄壁光滑管加工而成,成型后其应力状态复杂化,管束的强度和刚度都与光滑管有很大差别,致使管束和管板的应力分析困难。为解决这些问题从而使其能更广泛地应用于石油、化工等工业领域,对波纹管换热器进行强度研究,建立相应的设计标准是非常必要的。因此制定波纹管换热器强度设计标准,于2002年被纳入国家锅炉压力容器标准化技术委员会项目,由沈阳化工学院和沈阳市特种设备检测研究院等单位负责起草,将波纹管换热器设计方法列为国家标准GB151管壳式换热器的附录,并于2004年以名为“奥式体不锈钢波纹管换热器设计标准案例”正式颁布3。3）螺旋扁管换热器是瑞典Allards公司推出的高效换热元件,其结构特点是管子换热段任一截面类似于椭圆,其长、短轴之比可根据换热器管程和壳程的流速确定。螺旋扁管换热器可以由混合管束(光管和螺旋扁管混合使用)也可以由纯螺旋扁管组成。流体在壳程与管程大体呈纵向流动,同时伴随有横向螺旋运动这种流速和流向的周期性改变加强了流体的轴向混合和湍流度。同时,流体流经相邻管子的螺旋线接触点后形成脱离管壁的紊流,增加了流体自身的湍流度,破坏了流体在管壁上的传热边界层,从而强化了传热。据报道4螺旋扁管换热器比普通光管换热器的总传热系数高40%,而压降几乎相等。 4）不连续双斜向内肋管换热器，清华大学过增元院士根据场协同理论研发出2种多纵向涡新型强化换热元件:不连续双斜向内肋管和交叉缩放椭圆管。不连续双斜内肋换热管是通过轧制等方法在换热管的内壁面形成许多不连续的、与轴线有一定夹角并向2个方向倾斜的条状凸起物-双斜内肋。管内流体在管壁上多个双斜内肋对的作用下诱导产生多纵向涡流,且涡流主要集中在管壁面附近,从而使对流换热得到强化,并具有良好的抗结垢功能。 孟继安5等的研究表明,当Re=5002300时,与圆管相比,不连续双斜向内肋管的换热增强250%650%,阻力增加120%300%;交叉缩放椭圆管可提高200%500%,沿程阻力增加100%350%;当Re=23005104时,不连续双斜向内肋管换热可增强110%240%,阻力增加120%240%;交叉缩放椭圆管换热可增强35%170%,阻力增加130%160%。5）变形翅片管换热器，为提高翅片管螺旋冷凝蒸发器的效率,必须改变翅片的几何形状,以促进“沸腾缝隙效应”的形成。为此,俄罗斯推出一种变形翅片管螺旋冷凝蒸发器,即将冷压制直翅片管拉成各种直径的定径器(模具),变形后的翅片表面成为半封空腔,汽化过程发生在翅片表面,而不是在翅片间隙中。变形翅片由于翅片间隙出口较逸出汽泡直径小,便能维持正常的汽相,从而省去分离两相所需的能量。采用变形翅片管还可以提高单位管子长度上的热,这样不仅强化了汽化过程也扩展了传热面积。 为提高翅片化表面的性能俄罗斯又提出了一种先进方法:气动喷涂法。其实质是采用高速的冷的或稍微加温的含微粒的流体给翅片表面喷镀粉末粒子。该方法不仅可喷涂金属还能喷涂合金和陶瓷(金属陶瓷混合物),从而得到各种不同性能的表面。气动喷涂法不但可用于成型,还可用来将按普通方法制造的翅片固定在换热器管子的表面上,也可用来对普通翅片的底面进行补充加固。2.管内加内插物，用插入物强化管内单相流体传热,尤其是对强化气体、低雷诺数流体或高粘度流体的传热更为有效。各种插入强化机理不同,但都主要以改变流道来达到强化传热目的。目前管内插入物很多,如螺旋线、纽带、错开纽带、螺旋片和静态混合器等。试验研究表明6,管内插入纽带之后,如果是层流换热,则对流传热系数可增大23倍,最大可达10倍,压降增加3倍以上。若是紊流换热,传热系数仅增大30%左右,而压降增大2倍以上。螺旋线圈大多数是用于强化油等高粘度流体的换热。Uttarwar和Raja7研究了管内插入不同形式的螺旋线圈强化层流区加热油的情况,结果表明内插螺旋线圈强化层流区换热,传热系数可高达35倍,而强化紊流区换热时,传热系数只提高30%50%。绕丝花插入物用于液体工况,可使管壳式换热器管程传热效率提高25倍,用于气体工况,可使相应值提高5倍。同时,与正常流速相比,这种插入件使换热管的防垢能力提高810倍。1.2.2 壳程强化结构的发展 壳程的传热强化研究包括管型与管间支撑物的研究。根据不同的管束支承结构可分为板式支承、杆式支承、空心环支承、管子自支承等几种形式。传热管外表面形状的改变主要是在其外表面上加工出沟槽和翅片,外表面有沟槽的传热管主要包括螺旋槽管、横纹管、波纹管等。1. 板式支撑结构的发展传统的管壳式换热器大多采用弓形隔板支撑,这种结构形式存在一些弊端:阻力大、死角多、传热面积无法被充分利用,还可能引发流体流动振动等等。为了使折流板的性能得到改进,又研发出了多弓形折流板、整圆形折流板(如图3所示)、异形孔折流板、网状板等。这些新型折流板支承结构的出现主要是为了使流体由横向流动变为纵向流动,从而尽可能地消除死区,使得传热综合性能得到提高,也使得管束的抗振性能得到增强。 2.杆式支撑结构的发展8 美国菲利浦石油公司于20世纪70年代,为改进传统换热器中管子与折流板的切割破坏和流体诱导作用,开发了壳程流体纵流折流杆式换热器。纵流形支承结构的特征是壳程流体的流动方向与管束平行,这类换热器基本实现了壳程、管程流体的完全逆流,增大了有效平均温差,提高了传热效果。折流杆换热器是纵流型支承结构的典型代表,它是一种以折流杆代替折流板的换热器。这种结构由折流栅组组成,每组折流栅包括2个横栅和2个纵栅,每个折流栅是由若干平行的折流杆焊接在一个折流圈上而成,且折流杆的布置方式不同。因壳程具有与管程流动基本相同的对流传热机理,加上支撑杆形成的涡流流动和折流环区的文丘里效应,所以热力性能优异;且壳程不存在横向流通的阻力,也无来回流动的反向效应,故壳程压降也较低。华南理工大学和大庆石油化工总厂共同开发的折流杆螺旋槽管再沸器已应用于在无相变及冷凝传热方面,其总传热系数比光管再沸器提高了1.217倍,抗振性能好。此后,世界各国对该类型的换热器进行了深入的研究,出现了一种新的抗振结构:直扁钢条;后来又把圆杆变成波形扁钢;由于圆杆在安装上比较困难,又提出了把圆杆变为椭圆截面的杆。 3.空心环管壳式换热器 空心环支承是由华南理工大学研发的,它是由直径较小的钢管截成短节,均匀分布在换热管之间的同一截面上,呈线性接触,其结构如图4所示。研究表明,空心环管壳式换热器取代折流板式换热器使换热器钢材减少35%50%,气体压降减少30%40%,已成功应用于硫酸工业与石化工业。广东鹤山市磷肥厂年产4104t硫酸的工业过程中,应用该换热器比传统换热器节省换热面积50%,节省钢材40%。空心环常常与强化传热管配合使用,能够同时强化管程、壳程传热,可获得比普通光管高80%100%的传热膜系数。但空心环支承的扰流作用不如折流杆支承,而且管束固定工艺相对较复杂。 4.螺旋折流板换热器 螺旋折流板换热器,国外称Heliexchanger换热器,是ABB公司的新产品,它突破了壳程介质Z形折返的传统方式。从结构上看该换热器主要包括2大类:一类是没有中心管,折流板为非整体连续的螺旋结构,其设计原理为:将圆截面的特制板安装在“虚拟螺旋折流系统”中,每块折流扳占换热器壳程横剖面的1/4,倾角朝向换热器的轴线,使壳程流体做螺旋运动,减少了管板与壳体之间易结垢的死角,从而提高了换热效率。在气-水换热的情况下,传递相同热量时,该换热器可减少30%40%的传热面积,节省材料20%30%。另一类是设有中心管,折流板为整体连续的螺旋结构。其设计形式是折流板围绕中心管螺旋缠绕,形成整体连续的螺旋折流板结构,这种结构文献中报道较少,张正国等11和英国公司12均有相关专利。另外辽宁石油化工大学陈世醒13又提出了一种特殊形式的折流板。商利艳14等分别对螺旋角为12、18、30、40的单螺旋板折流换热器性能进行了实验研究,随着螺旋角的减小传热效果增强,但压降增大,得出螺旋角为18的综合性能最好。王树立15等实验结果表明最佳的螺旋角与壳程流体的雷诺数有关。 5.自支承结构 管子自支承的共同特点是靠管子自身变形的突出部位相互支承,同时又达到了强化传热功能,主要有刺孔膜片式、螺旋扁管式、变截面管式、新型的管束自支承结构等形式。因此，工业应用结果表明多种强化传热元件的研究成果是一个基础,可以根据不同的操作条件、不同的使用工况,组合成各类新型高效换热器,如横纹管折流杆换热器,螺旋槽管与纽带的复合强化传热等,以节省金属材料,降低成本,获得较高的经济效益。把高效传热管与新型管束支承结合起来进行试验研究已成为换热器今后发展的一个重要方向。1.3 管壳式换热器的分类管壳式换热器由于管内外流体的温度不同，因之换热器的壳体与管束的温度也不同。如果两温度相差很大，换热器内将产生很大热应力，导致管子弯曲、断裂，或从管板上拉脱。因此，当管束与壳体温度差超过50时，需采取适当补偿措施，以消除或减少热应力。根据所采用的补偿措施，管壳式换热器可分为以下几种主要类型：固定管板式换热器管束两端的管板与壳体联成一体，结构简单,但只适用于冷热流体温度差不大,且壳程不需机械清洗时的换热操作。当温度差稍大而壳程压力又不太高时，可在壳体上安装有弹性的补偿圈，以减小热应力。浮头式换热器管束一端的管板可自由浮动，完全消除了热应力;且整个管束可从壳体中抽出,便于机械清洗和检修。浮头式换热器的应用较广，但结构比较复杂，造价较高。 U型管式换热器 每根换热管皆弯成U形，两端分别固定在同一管板上下两区，借助于管箱内的隔板分成进出口两室。此种换热器完全消除了热应力，结构比浮头式简单，但管程不易清洗。涡流热膜换热器涡流热膜换热器采用最新的涡流热膜传热技术，通过改变流体运动状态来增加传热效果，当介质经过涡流管表面时，强力冲刷管子表面，从而提高换热效率。最高可达10000W/m2。同时这种结构实现了耐腐蚀、耐高温、耐高压、防结垢功能。其它类型的换热器的流体通道为固定方向流形式，在换热管表面形成绕流，对流换热系数降低。据【换热设备推广中心】的资料显示，涡流热膜换热器的最大特点在于经济性和安全性统一。由于考虑了换热管之间，换热管和壳体之间流动关系，不再使用折流板强行阻挡的方式逼出湍流，而是靠换热管之间自然诱导形成交替漩涡流，并在保证动盘管换热器之间相互碰撞造成损伤的问题，又避免了普通管壳式换热器易结垢的问题。螺旋板式换热器：(1)总传热系数高。由于流体在螺旋通道中流动，在较低的雷诺值(一般Re=14001800，有时低到500)下即可达到湍流，并且可选用较高的流速(对液体为2m/s，气体为20m/s)，故总传热系数较大。(2)不易堵塞。由于流体的流速较高，流体中悬浮物不易沉积下来，并且任何沉积物将 减小单流道的横断面，因而使速度增大，对堵塞区域又起到冲刷作用，故螺旋板换热器不易 被堵塞。( 3)能利用低温热源和精密控制温度。这是由于流体流动的流道长及两流体完全逆流的缘故。(4)结构紧凑。单位体积的传热面积为列管换热器的3倍。性配置良好，不会彼换热管不互相摩擦的前提下保持应有的颤动力度。1.4 本论文的研究内容螺旋换热器是一种高效率换热器。虽然我国已从国外引进生产线。铝镁合金具有较高的抗腐蚀性和导热性，价格比钛材便宜，应予注意。国内在节能增效等方面改进换热器性能，提高传热效率，减少传热面积降低压降，提高装置热强度等方面的研究取得了显著成绩。但是对于有效的提高螺旋换热器的能源的利用率，使企业成本降低，效益提高还不是很详细。本文对螺旋换热器的换热性能的研究及分析做行之有效的工作。论文各章的主要内容如下：第一章简述换热器的强化结构、研究进展以及本论文的主要内容；第二章讲述螺旋板式换热器的方案设计；第三章对螺旋板式换热器的传热工艺的计算；第四章对螺旋板式换热器的螺旋板的强度计算与校核；第五章确定螺旋板式换热器的结构尺寸；第六章对本论文的研究进行总结，并给出后续研究的建议。2 螺旋板式换热器的方案设计螺旋板换热器由外壳、螺旋体、端盖及进出口管等组成。螺旋体用两张平行的钢板卷制而成，具有两个彼此隔绝的供介质流动的矩形截面通道。根据螺旋板换热器结构的不同，可分为两大类，即不可拆式和可拆式。其中不可拆式螺旋板换热器的螺旋通道两端垫入密封条后被全部焊接密封，不能再进行机械清洗，国内通常称为型（见图2）。可拆式螺旋板换热器结构又有三种，一种结构的特点是螺旋通道两端交错焊死，两端面采用可拆端盖加垫片的密封结构，螺旋体可从两端分别进行机械清洗，国内通常称这种为型（如图3所示）。也可以一端做成工型，一端做成型见图，这样一个通道的两端面被全部焊死，不可进行机械清洗，一个通道一端敞开，可进行机械清洗。此外还有一种结构，它的一个通道两端全焊死，另一通道的两端全部敞开，两端面密封采用端盖加垫片的可拆结构称为型（如图3所示），仅单一通道能进行机械清洗。 图1 螺旋板换热器断面密封结构图2 （型） 不可拆式螺旋板式换热器图3 （, ）可拆式螺旋板式换热器介质在螺旋板式换热器内的流动形式主要有三种：（1）两侧流体均呈螺旋形流动，热流体由换热器中心进入从里向外流动，冷流体则由螺旋板换热器的周边向里流动，如图4 a所示；（2）一侧流体在全焊死通道做螺旋形流动，另一侧流体则穿越敞开通道呈轴向流动，型换热器即采用该种流动形式，见图4 b；（3）一侧流体呈螺旋形流动，另一侧流体是轴向流和螺旋流的组合见图4 c，通常用于冷凝器和蒸发器。 图4 螺旋板换热器内部流体流动形式上述三种形式的螺旋板换热器，除了型采用通道两端全部焊死的结构外，、型均采用垫片密封结构，其端盖形式有封头，法兰，密封圈，垫片等几种。由于端部平盖必须与螺旋体端面紧密接触，以避免冷热流体之间的“短路”造成内泄漏，进而降低设备传热性能，因此要求封头平盖要有良好的抗变形能力大，尤其是换热器直径增大、压力升高时更加不容忽视。螺旋板换热器总体上可分为可拆式和不可拆式两大类，其中前者凭借其易于拆卸、清洗、检修、维护等特有优势，在国内外应用广泛。基本结构：可拆式螺旋板换热器由外壳、螺旋体、进出口管及端盖垫片密封结构等四大部分组成，具体结构如图。其中作为核心传热元件的螺旋体是由两张平行的相对较长的钢板绕卷轴滚动而成的，它具有两个供介质流动的矩形截面通道见图。通常在卷制前，会预先在钢板上接触焊若干定距柱，以使通道间隙沿螺旋长度方向保持不变这些定距柱一般成正方形或者三角形排列，且随着半径增大其间距减小，一可确保螺旋体具有足够刚度。为保证螺旋板两侧流体之间因短路造成内漏，螺旋通道端部必须进行密封，一般采用端盖垫片密封结构。结构特点分析：可拆式螺旋板换热器的推广应用与其自身特点密不可分，一般同管壳式换热器相比，它具有以下的优点：（1）传热性能好：由于螺旋板换热器具有螺旋形流道，流体在等截面单通道内流动不存在死区，同时螺旋板上含定距柱，因此在螺旋流动的离心力和定距柱的扰动下，流体在较小雷诺数下即可实现湍流，因此允许采用较高流速，这样可使流体分散度高、接触好，有利于提高螺旋板式换热器的传热效率。（2）能有效利用流体的阻力损失：螺旋板式换热器中的流体，虽然没有流动方向的剧烈变化和脉冲现象，但由于螺旋通道较长，螺旋板上焊有定距柱，因此一般情况下，这种类型换热器的流体阻力比管壳式换热器要稍大一些。但由于流体在通道内作均匀的螺旋流动，其阻力主要产生于流体与螺旋板的摩擦和定距柱的冲撞上，而这部分阻力可造成流体湍动，因此相应增加了给热系数，更有效的利用流体的阻力损失。而管壳式和板式换热器，流体在其通道内经常要做度的大转向，且转向所消耗的阻力起不到提高传热效果的作用。（3）自洁能力强、不易污塞：由于螺旋板换热器中流体单通道流动，它的允许流速又较其他类型换热器高，所以污垢不易沉积。一旦通道某处沉积了污垢，该处的流通面积就减小，流体在该处的局部流速相应提高，污垢很容易被冲刷掉，起到了自洁的作用。在管壳式换热器中，如果一根管子有污垢积存，该处局部阻力增大，流体就向其他换热管分配，使设备内每根管子的阻力重新平衡，这样沉积了污垢的管子流速将越来越低，也就越易积存而导致堵死。据统计，螺旋板换热器中的污垢形成速度是管壳式换热器的1/10。（4）能有效利用低温热源，精确控制温度：螺旋板换热器中两介质在螺旋通道内可进行全逆流热交换，此时对数平均温差最大，传热推动力亦最大，有利于传热，一般两流体温差低于3仍能进行热交换，因此常被用来回收低温热能。此外，由于螺旋板换热器具有两个较长的均匀通道，介质在里面可进行均匀的加热或冷却，所以有助于精确控制流体出口温度，操作稳定。（5）结构可靠：可拆式螺旋板换热器两端用端盖压紧，端盖上有整体密封板，只要螺旋通道两端面加工平滑，可防止同侧流体从一圈旁流到另一圈。此外，螺旋板换热器通道为一整体，内部不存在温度突变区，螺旋板的热胀冷缩量可通过螺旋体通道的间隙均匀吸收，不会造成很大内应力。且螺旋体各圈都是一侧热流体，一侧冷流体，最外圈与大气接触，螺旋板之间的温差没有管壳式换热器的换热管和壳体之间温差那么明显，因此也不会产生很大的热应力。（6）结构紧凑：螺旋板换热器是紧凑式换热器的典型代表，其单位体积的传热面积比管壳式换热器大很多。据统计，在传热面积相同的情况下，螺旋板换热器的体积仅为管壳式换热器的40左右。（7）制造简单：与其他类型换热器相比，螺旋板式换热器机械加工量最小，制造工时最少，材料主要是板材，容易卷制，制造成本低。（8）维护方便由于可拆式螺旋板换热器端部采用法兰一垫板一封头一螺栓密封结构，装拆方便，如果运行过程出现故障，只需移去封头，即可对整个通道进行检测和机械清洗，克服了不可拆式螺旋板换热器的弊端。同样的，由于每侧都是单一通道，螺旋板式换热器也很容易在不打开设备的情况下进行水洗或者气吹，除去沉积物。作为一种新型紧凑换热器，可拆式螺旋板换热器也面临与不可拆式螺旋板换热器同样的缺点，即承压能力受限。作为核心加热元件的螺旋体既要保证承受内压的强度，又要保证承受外压的刚度，尽管螺旋体内部焊有很多定距柱，提高了螺旋体的承压能力，但由于螺旋板直径较大，厚度较小，每一圈均承受压力，当两流道的压差达到临界压力时，螺旋板就会被压瘪而丧失稳定性。因此目前国际上可拆螺旋板换热器的最高工作压力不超过4MPa。此外，尽管由薄板卷制而成的螺旋体泄漏的可能性很小，但由于结构上的限制，一旦泄漏就很难修理，因此对腐蚀性介质比较敏感，宜采用专门的耐蚀材料制造。第 12页（共28页）方案设计3 螺旋板式换热器的传热工艺的计算3.1 传热量Q题目来源于生产实际。已知热贫油的进口温度=180，出口温度=165定性温度 （3-1） 在定性温度下，热贫油的物理参数：密度，粘度比热=2207J/(Kg),导热系数=0.3772w/(m)富油的进口温度,出口温度在定性温度下 （3-2）在此温度下粗笨的物理参数：液体密度,气体密度比热=2204J/(Kg),液体导热系数=0.1093w/( m) （3-3）又因为所以以 （3-4）将数据代入 第 27页 （第28页）传热工艺计算4 螺旋板式换热器的螺旋板的强度计算与校核3.2 螺旋通道截面积与当量直径的计算3.2.1 贫油（热程）通道设贫油的流速为通道的截面积, 选螺旋板宽度H=1m （3-5） 通道宽度 （3-6）则当量直径： （3-7）3.2.2 贫油的雷诺数和普兰特数Pr （3-8） （3-9）代入数据3.2.3 贫油的传热系数a的计算由于是液-液传热，介质的雷诺数Re6000,在湍流范围内，故使用下列公式计算： （3-10）因贫油被冷却，取m=0.3,代入上式=2785w/(m2)设中心管直径d=0.3m螺旋体的外径=0.8m则平均直径 （3-11）3.2.4 富油传热系数的计算富油定性温度为 （3-12）设壁温tw=160则流体与壁面的平均温度为 （3-13） 此温度下粗笨的汽化潜热沸腾压强P=380088Pa,液体表面张力粗笨的传热系数按下式计算： （3-14）选普通碳钢，取=1.0 =778w/(m2) （3-15）故壁温为：与所设tw=160接近，故所设tw成立3.2.5 对数平均温度差,流体流动方向为全逆流操作 （3-16）已知=180=165 =90=140代入数据计算3.3 总传热系数K应用由串联热阻推导出的公式计算 （3-17） （3-18）取碳钢的传热系数=465w/(m)贫油污垢热阻=(m2)/w粗笨污垢热阻=( m2)/w则w/(3.4 传热面积计算 （3-19）取F=203.5 螺旋通道计算 H=1m （3-20）3.6 螺旋圈数n与螺旋体外径前述已选螺旋中心直径d=0.3m,板厚,L=10m, （3-21） = 12.9圈 （3-22） 与前面设的接近，故所设成立3.7 流体压降的计算由于液-液热交换，故按下面的公式计算，通道和进出口的压降 （3-23）取单位面积上的定距柱数目个/代入数据热程通道的压降（贫油侧压降的计算）=6283Pa富油侧压降的计算 （3-24） 因为,H=1m （3-25） （3-26）富油的流速 （3-27）通道当量直径 （3-28）富油通道： （3-29） （3-30）代入数据得：=7925.68pa4 螺旋板式换热器的螺旋板的强度计算与校核4.1 强度计算按公式进行计算： （4-1） 已知=0.8m,H=1m, 换热器的操作压力P=1.0MPa基设计压力：=1.1P=1.1x1.0=1.1MPa （4-2） 螺旋板材料选Q235-A其, （4-3） 曲率影响系数 （4-4） =1+0.96(1.28-2X0.4)=1.46其中R=/2定距柱的间距t,按下式：螺旋板的强度（5 螺旋板式换热器的结构尺寸 （4-5） 当采用定距柱时C=4.7将已知数据代入公式：由以上计算可知，可取定距柱t=60mm4.2 螺旋板的挠度 （4-6） 已知E=MPa,t=60mm, =0.004m, =0.3，p=1.1MPa对于定距柱=0.00638，代入计算：=0.074mm4.3 稳定性计算螺旋板是螺旋板换热器主要受压元件, 相邻螺旋板之间由一系列定距柱支承。换热器工作时, 螺旋板要受到高压汽体或液体的作用, 螺旋板凸面所受压力达一临界值时，它们就会突然失去平衡, 丧失稳定性, 发生屈曲, 螺旋板失稳后其抵抗荷载能力将大大降低, 以致造成此结构的突然破坏。因此分析螺旋板的稳定性, 确定它的临界载荷, 就成为工程设计中的一个重要问题。非钢性薄壁圆筒或壳体呈受外压时存在稳定性问题, 而且其稳定性破坏先于强度破坏。外压容器设计时, 稳定性计算是考虑的主要问题。按“计算法”校核螺旋板式换热器的稳定性，根据已知数据，板宽H=1.0m板厚=0.004m,螺旋板曲率半径R=/2=0.4m按公式计算定距柱间距： （4-7）由强度计算取t=60mm所以t此条件下选用公式： （4-8）代入数据： （4-9）对承受外压的设备，一般取稳定系数已知设备的设计压力为P=1.0MPa由于P故设备稳定,操作安全5 螺旋板式换热器的结构尺寸由于是液-液热交换，按可拆式螺旋板式换热器确定各部件的结构和尺寸。流体流向的选择：富油由上端的中心管进入，沿螺旋流向外周排出。贫油由壳体外侧的进口进入，由下端的中心管排出，两流体呈螺旋流动。5.1 密封结构密封结构好坏，直接影响到螺旋板换热器能否正常运转。即使微小内泄漏使参考文献冷热流体相混，也会导致传热不能正常进行，因此端面密封结构的设计对螺旋板换热器来说是一个至关重要的问题。为保证螺旋板两侧流体之间因短路造成内漏，螺旋通道端部必须进行密封，采用封头垫片密封结构。封头通过焊接法兰，螺栓等于外壳和螺旋板相连，螺旋通道采用垫入钢条焊接密封。为了提高可拆式螺旋板换热器的耐压能力和密封性能，开发了如图5所示的椭圆形端盖结构，它将介质与大气之间的外密封和螺旋通道间介质的内密封分开解决。其中椭圆形封头、筒体法兰和垫片起着防止介质向大气泄漏的作用，密封板则起着防止各圈螺旋通道内介质短路的作用。密封板外边缘通过法兰垫片压紧，设计时要保证密封板面比筒体法兰密封面低0.2mm左右，以免影响螺栓强度。对于可拆式螺旋板换热器，为保证密封板与螺旋端面的紧密贴合，需要在椭圆形端盖内中心部分焊接一定直径的钢管，钢管另一端焊有压环，压环与密封板间有一比法兰密封面低的压环垫片，这样运行过程密封板中心会受到钢管的压力，密封更可靠。 图5 椭圆形端盖密封结构5.2 定距柱尺寸螺旋体是一个弹性构件，它不能被压破，只能被压瘪，因此刚度对其来说是一个至关重要的问题。一旦换热器两通道的压力差达到一定数值，螺旋板就可能被压瘪而出现失稳现象，使设备不能正常工作。用增加板厚的方法提高螺旋体的刚度不是解决问题的最好方法，因板厚增加会加大钢板卷制时的功率消耗，同时浪费材料，并且降低螺旋板换热器相对于其他类型换热器的竞争优势。因此用增加板厚的方法来解决螺旋板换热器的承压和大型化问题不符合“节能、降耗、减排”的新装备设计理念。基于上面的考虑，目前普遍采用增设定距柱的方法来提高螺旋体的刚度 。螺旋体上定距柱的作用主要体现在三个方面：(1)增加螺旋体的刚度；(2)控制螺旋通道的间距；（3）使流动介质易产生湍流，强化传热。一般缩小定距柱的间距、增加定距柱数目，可显著提高螺旋板的承压能力和传热效率，但同时会使流动阻力增加，沉淀物也不易清洗干净。因此必须综合考虑定距柱的布置，使其对刚度与传热的强化收益大于流阻压降。通常压力较大时，定距柱的距离可以取得小些螺旋体外圈因直径较大，外压稳定性减弱，定距柱可以相对密些。定距柱的尺寸按螺旋通道宽度和决定。可选直径为10mm，长为14mm的圆钢条作定距柱，考虑到定距柱间距t=60mm，定距柱的数目为n=36 个/，整个换热器的定距柱的数目为720个。定距柱按等边三角形排列。5.3 换热器外壳的设计换热器外壳，采用两个半圆对接焊结构，外壳主要受内压作用，其厚度按承受内压的圆筒计算，即按下式计算：,P=1.1MPa 圆筒半径R=400mm （5-1）壁厚附加量e=0,壳体材料选Q235-A, , , （5-2） （5-3）取壳体与连接板的连接采用角焊代入数据：故选碳钢板厚为4mm螺旋板换热器的外壳是承受内压或外压的部件，为了提高外壳的承压能力,往往采用增加最外圈螺旋板厚度的方法。为了改善外壳与螺旋板的连
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