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F70 螺旋 板式 换热器 设计 10 CAD

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课题任务书学院： 专业： 指导教师学生姓名课题名称F70螺旋板式换热器设计内容及任务拟设计一螺旋板换热器，用于热量回收。给定设计参数如下：热程介质：含氰根硫酸水溶液 冷程介质：水热程设计压力：0.45MPa 冷程设计压力：0.45MPa热程设计温度：200 冷程设计温度：200 腐蚀余量：自定 换热面积：70m2 需完成的主要内容如下：1、绪论2、主体结构设计3、材料选择及零部件结构设计4、强度计算与校核5、加工工艺、装配程序、安全防腐等6、绘制装配图及零部件图7、翻译外文文献拟达到的要求或技术指标1、首先需在互联网、图书馆、工厂广泛查阅相关科技资料2、进行结构、材料及装置选择论证时，要求资料详实，数据充分3、进行强度校核时，要求计算准确，分析详细，公式的字母含义应标明4、查阅15篇以上与题目相关的文献，其中近三年的文献不少于5篇，鼓励引用一定的外文文献；按要求格式独立撰写不少于12000字的设计说明书；写出不少于400字的中文摘要，关键词的个数一般取5个左右；鼓励翻译一篇本专业外文文献5、完成不少于3张零号图纸的结构设计图、装配图和零件图，其中应包含一张以上用计算机绘制的具有中等难度的1号图纸，同时至少有折合4号图幅以上的图纸用手工绘制，并要求图面整洁，视图齐全，布局合理，线条、文字及尺寸标注等均应符合有关标准规定进度安排起止日期工作内容备注2月18日3月1日3月4日3月15日3月18日5月24日5月27日5月31日毕业设计调研集中实习毕业设计毕业答辩主要参考资料1 秦叔经，叶文邦.化工设备设计全书-换热器.北京：化学工业出版社，20032 工程材料实用手册编辑委员会.工程材料实用手册.北京：中国标准出版社，20023 朱有庭.化工设备设计手册.北京：化学工业出版社，20054 钱颂文.换热器设计手册.北京：化学工业出版社，20025 朱振华，邵泽波.过程装备制造技术.北京：化学工业出版社，20116 华南理工大学化工原理教研组.化工过程及设备设计.广州：华南理工 大学出版社，19867 赵惠清，蔡纪宁.化工制图 .北京：化学工业出版社，20158 谭蔚.化工设备设计基础.天津：天津大学出版社，2014教研室意见本课题符合专业人才培养要求，设计任务饱满，同意下达任务书 本课题不符合专业人才培养要求，不同意下达任务书教研室主任（签章）：年 月 日开题报告 题目F70螺旋板式换热器设计学生姓名班级学号专业1 选题的目的与意义连螺旋板式换热器是一种高效换热设备，适用汽汽、汽液、液液，对液传热。是发展较早的一种板式换热器，不用管材，价格比较便宜，其传热系数大，结构紧凑，不易结垢，容易清洗。它适用于化学、石油、溶 剂、医药、食品、轻工、纺织、冶金、轧钢、焦化等行业。该换热器主要由两张平行的薄钢板卷制成，构成一对互相隔开的螺旋形通道，冷、热两流体以螺旋形板面为传热面相间流动。在换热器中心设有中心隔板，使两个螺旋通道隔开，一般有一对进、出口设在圆周边上，而另一对进、出口则设在中心的圆鼓上。螺旋板式换热器结构紧凑，单位体积提供的传热面很大，流体在螺旋板内允许流速较高，并且流体沿螺旋方向流动，滞流层薄，故传热系数大，传热效率高。此外还因流速大，脏物不易滞留，近年来在国内各行业中的应用日趋广泛。但也存在焊接要求质量高，检修比较困难。重量大，刚性差等缺点。未来的市场需求将对产品质量有更高的要求，如环保、节能型产品将是今后发展的重点；要求产品性价比提高；对产品的个性化、多样化的需求趋势强烈，这也共同预示着换热器行业良好的发展前景。本次设计的螺旋板式换热器是我之前学习所没有接触过的，在传统的学习知识上面添加了一些新的元素。在设计过程中，一方面可以复习和巩固之前学习的知识， 另外又可以拓展思维，查阅资料以扩展知识面，培养创新思维，以达到提升自我的目的。2 国内、外现状及发展趋势2.1 国内情况我国从上世纪50年代开始研究螺旋板式换热器，至今已经有60多年的历史，但在最初30年中，受材料、制造设备及焊接工艺等技术水平的限制，螺旋板式换热器的研究与发展缓慢。改革开放之后，螺旋板式换热器的市场需求逐步增大，随着材料及焊接技术的发展与提高，使螺旋板式换热器得到了较快的发展。产品与国外同类型产品在整体技术水平及使用功能方面接近，其结构由原来的不可拆式、简单可拆式发展为多种可拆式、撬装式、交错冷凝式等。单台热交换面积、最高工作压力及温度都大大提升。然而，尽管国产螺旋管式换热器的技术达到了长足的发展，但在某些特殊工况传热计算中特性参数的选项（如非牛顿液体参数，动力粘度等）、特殊材料在特殊工况中的耐腐蚀研究、制造工艺已经产品外观质量等方面与国外同类产品还存在一定的差距，这是国内从事螺旋板式换热器设计、制造、应用以及相关研究的企业和学者还需继续努力的课题。2.2 国外情况螺旋板式换热器是瑞典罗森布拉德公司于1930年首先推荐使用的，很快就开始成批量生产并取得了专利权。随后许多国家根据这个公司乏的专利相继仿造，其中有英国APV公司、美国 AHRCO公司、西德 ROCA公司等。国外螺旋板式换热器的发展无论材料、工艺、结构、设计理论都已日臻成熟。所有产生厂商都采用了定距柱接触焊和螺旋板自动翻边工艺，其应用领域也比我国深入、广泛。国外螺旋板式换热器共有四种型式：1型、2型、 3型和 3H型。 1型为最普通结构型式，两个通道内的流体均作螺旋流动。国外螺旋板式换热器最常见的是应用于冷凝场合，所有型式的螺旋板式换热器均可应用于冷凝场合。3 课题设计的主要工作3.1 准备相关工作 完成绪论在互联网或者图书馆等查阅相关文献资料，或者去相关工厂了解换热器方面的知识。明确其热换的过程、原理、性能及应用。还应该了解热换器在国内外应用现状及发展趋势。掌握基本知识点，计算方法等，并安排设计进度。3.2 材料选择及主体、零部件结构设计 各零部件的材料选择，选择热换器的类型与结构，操作条件的选择和操作方式的选择。完成几何设计和结构设计。3.3 强度计算与校核计算换热器各部件尤其受压部件的应力大小检验其强度是否在允许范围内，按照国家压力容器安全技术规定进行计算或者核算。3.4 加工工艺，装配程序，安全防腐选择加工工艺，及编写装配程序，考虑安全性能及采取防腐措施。3.5 绘制装配图及零部件图 利用AutoCAD绘图软件绘制出换热器的装备图及各个零件图。3.6 翻译外文文献，编写说明书将外文文献进行翻译，并按要求编写说明书。4 设计进度安排2月26日3月11日： 寻找与课题相关的参考书及文献资料，撰写开题报告。 3月12日3月23日： 集中实习 3月26日4月1日： 查阅文献资料，确定设计方案，开始课题设计4月2日4月25日： 螺旋板式换热器的几何设计和总体设计，计算并校核 4月26日5月1日： 选择加工工艺，装配过程，考虑安全防腐等细节 5月2日5月15日： 依据设计步骤绘制零件图，装配图 5月16日5月25日： 提交论文初稿，答辩前的准备，交论文正式稿 5月28日6月1日： 毕业答辩 参考文献1 秦叔经，叶文邦.化工设备设计全书-换热器.北京：化学工业出版社，20032 钱颂文.换热器设计手册.北京：化学工业出版社，20023 朱振华，邵泽波.过程装备制造技术.北京：化学工业出版社，20114 华南理工大学化工原理教研组.化工过程及设备设计.广州：华南理工 大学出版社，19865刘亮.浅析螺旋板式换热器的应用J.石化技术,2017,24(04):109.指导教师批阅意见 指导教师(签名)： 年 月 日F70螺旋板式换热器设计摘 要 换热器在许多工业部门中都有应用，而且非常广泛，例如，石油化工、冶金、制冷、动力等各个领域，在国民经济生产中至关重要。螺旋板式换热器是一种新型换热器，传热效率高，运行稳定，可多台机组运行，适用于蒸汽蒸汽、蒸汽液体、液体液体的传热。根据任务书的要求，本次的设计课题是F70螺旋板式换热器。螺旋板式换热器相较于其他换热器的优点：1、传热效率高；2、有效回收低温热能；3、运行可靠性强；4、可多台组合使用；5、阻力小；等等。为了确保换热器的强度和使用时间长度, 需要设计合理的结构，因此合理的结构需要考虑材料、压力、温度、壁温、污染条件、流体性质、维护、清洁等因素。其中主要的过程有主体的结构设计，材料选择及零部件结构设计，强度计算与校核以及加工工艺、装配程序、安全防腐等。在工程设计过程中，即使是相同形式的换热器结构也不尽相同，因为它们的使用方式不同。我们也应尽可能选择定性产品范围，或者根据客服特定需求来设计,从而达到令人满意的工艺条件。关键词：螺旋板；结构设计；换热器；强度校核ABSTRACTHeat exchangers are widely used in many industrial sectors, such as petrochemical industry, metallurgy, refrigeration, power and other fields, which are very important in national economic production. Spiral plate heat exchanger is a new type of heat exchanger with high heat transfer efficiency and stable operation. It can be operated by multiple units. It is suitable for heat transfer of steam-steam, steam-liquid and liquid-liquid.According to the requirements of the task book, the design topic of this project is F70 spiral plate heat exchanger. Compared with other heat exchangers, spiral plate heat exchangers have the following advantages: 1. high heat transfer efficiency; 2. effective recovery of low-temperature heat energy; 3. strong operational reliability; 4. multiple combination; 5. low resistance; and so on. In order to ensure the strength of heat exchanger and the length of service time, it is necessary to design a reasonable structure, so reasonable structure needs to consider material, pressure, temperature, wall temperature, pollution conditions, fluid properties, maintenance, cleaning and other factors. The main processes include the structure design of the main body, material selection and component structure design, strength calculation and checking, as well as processing technology, assembly procedures, safety and corrosion protection, etc. In the process of Engineering design, even the same heat exchanger structure is not the same, because they are used in different ways. We should also choose the range of qualitative products as far as possible, or design according to the specific needs of customer service, so as to achieve satisfactory process conditions.Key words：Spiral plate; Structural design; Heat exchanger; Strength check目 录1 概论11.1 螺旋板式换热的研究背景11.2 螺旋板式换热器现状和发展21.3 螺旋板式换热器的结构21.3.1结构特点21.3.2结构型式41.4 设计方向62 设计方案的确定72.1螺旋板式换热器的选型和流道布置72.2流速的选择72.3螺旋中心直径和螺旋板宽度的选择72.4最合适的出口温度设置72.5确定设计方案原则83 螺旋板式换热器的计算93.1 传热工艺的计算93.1.1传热量Q93.1.2. 冷却水出口温度93.1.3.螺旋通道截面积与当量直径de的计算103.1.4.雷诺数Re和普兰特数Pr113.1.5.给热系数的计算113.1.6.总传热系数K123.1.7.对数平均温度差tm123.1.8.传热面积133.1.9.螺旋通道的计算133.1.10.螺旋圈数n和螺旋体外径D0的验算133.2.压差p的计算144 螺旋板强度、挠度计算与校核154.1强度计算154.2螺旋板挠度164.3校核螺旋板换热器的稳定性165 螺旋板换热器的结构尺寸及加工方法185.1密封结构185.2换热器外壳195.3定矩柱的尺寸195.4进出口接管的直径205.5中心隔板尺寸205.6螺旋板式换热器的加工方法215.7防腐设计235.8螺旋板式换热器设计参数23总结24参考文献25致谢261 概论1.1 螺旋板式换热的研究背景最早提出螺旋板式换热器结构是1930年瑞典的Rosembla，1932年以此人命名成立的Rosembla公司，已经开始批量生产此种换热器了，并申请了专利。此后，许多国家相继设计了螺旋板式换热器，应用在各种场合。比如美国的AHRCO公司和Union Carbide公司，英国的APV公司，日本的“川化”和“大江”，德国的Roca公司等。随着进入21世纪以来，全球能源短缺，解决能源问题的重要途径之一是节能增效，世界上绝大多数国家都开始重视这方面的研究，所以，这方面的投资也在不断的增加。我国的能源危机也十分严重，不均衡的能源分布以及正处于发展阶段的重工业，能源工业设备的落后导致能源的有效利用效率低下。最后，由于公众普遍缺乏环保意识，环境污染严重。我国的能源利用效率仍相较于一些发达国家还是有很大的差距，因此还有很大的发展空间也。面对能源危机，能源的利用率就显得极为重要，研发高效节能设备也是工业重中之重了，如新热交换设备的研发。换热器可以根据工艺要求控制介质的温度和热量，同时可以有效回收甚至再生余热和废热。因此，换热器已成为工业部门广泛使用的工艺设备，能源工程项目总投资的很大一部分投资于换热器的生产和制造。在化工厂，换热器投资约占总投资的35%，所有海水淡化工艺装置都由换热器组成。然而，目前广泛使用的换热器能耗利用率较低。因此，只有有效提高换热器的工作效率，才能在工程生产中达到节能降耗的目的。也有可能在全国工业中产生不可估量的经济效益，甚至深远的社会效益。目前，螺旋板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之一。螺旋板式换热器的特点是：传热效能好；具有自清洗作用；不可拆式结构密封性能好，适用于易爆、易燃、剧毒或贵重流体的换热；有利于小温差传热，回收低温热能；温差应力小；价格低廉。但是也也维修困难的缺点。21世纪以来，各国加大了在能源项目的投资，出现了许多新型结构换热器螺旋板式换热器也进行了许多优化设计。1.2 螺旋板式换热器现状和发展螺旋板式换热器早期使用于回收废气和废液中的能量,冷却和加热果汁、糖汁以及各种化工溶液,同时也用于冷却发烟硫酸、酸性物质和啤酒麦芽汁等。随着化工等行业的快速发展，以及制造技术的不断改进和提高，螺旋板式换热器的应用范围越来越广泛。从开始使用螺旋板式换热器到1962年期间，世界各国制造和使用的装置总数已超过10000个。20世纪70年代，随着规模的扩大，设计压力达到了4MPa。螺旋板式换热器在中国的使用始于20世纪50年代中期，当时它主要用于加热电解质和冷却烧碱厂的浓碱液。20世纪60年代，中国机械制造部设计制造了一种卷绕螺旋板的专用卷绕机，将卷绕效率提高了几十倍，为螺旋板式换热器的推广应用创造了良好的机会。自1968年前第一机械工业在苏州召开一系列螺旋板式换热器审查会议以来，已有20多家国内制造商生产了这种换热器，螺旋板式换热器在中国得到了迅速的发展，如今在国内应用也是日趋广泛。目前的问题是如何进一步提高换热器的承压能力，使其应用范围更广。提高承载力的方法有很多，如增加间隔柱的数量、增加螺旋板的厚度或提高板的强度(即选择质量更好、具有一定塑性和高强度的钢)。然而，如果采用增加板材厚度的方法，必然需要提高板材弯曲机的能力，导致消耗功率的相应增加，并且也给制造过程带来困难并增加成本。目前，提高其承压能力的途径是改进其结构，选用更好的材料。经过多年使用和不断改进，螺旋板换热器目前最大外径为2000米，板宽为180米，最大工作压力为4MPa，最高工作温度为10001.3 螺旋板式换热器的结构1.3.1结构特点 传热效率高。由于螺旋板式换热器有螺旋通道，通道内流动着流体，螺旋板上焊接有保持螺旋通道宽度的限位柱或冲孔限位气泡，在螺旋流离心力的作用下，流体可以在较低雷诺数下产生湍流。考虑到压降不太大，更重要的是合理选择通道宽度和流体流速。一般来说，在设计时可以选择较高的流速（液体的允许设计流速约为2m/s，气体的允许设计流速约为20m/s），这样可以使流体高度分散、接触良好，有利于提高螺旋板换热器的传热效率。近年来，国内许多单位对螺旋板式换热器和管式换热器的传热系数进行了测量和比较。例如，冰箱的辅助氨冷凝器使用热交换面积为f=30m2的螺旋板式换热器，而不是热交换面积为f=70m2的管式热交换器，因此效率加倍。另一个例子是小型化肥厂氨合成塔的下部加热器。原管状结构的换热面积为f=30.9m2，只要用螺旋板式换热器代替f=15.5m2，其加热器的效率就翻倍。 流体的压头可以有效地用于在螺旋板式换热器损失流体。虽然流动方向和脉冲现象没有剧烈变化，但螺旋通道较长，螺旋板焊接有定距柱。在正常情况下，该热交换器的流体阻力大于管状热交换器的流体阻力。然而，与其他类型的热交换器相比，由于通道中均匀的螺旋流，流体的正作用力主要出现在流体和螺旋板之间的摩擦以及间隔柱的冲击中，这部分阻力会引起流体湍流，从而相应地增加传热系数，这使得螺旋板式换热器能够更有效地利用流体的压头损失。 能利用低温热能，精确控制出口温度。为了提高螺旋板式换热器的传热效率，有必要提高传热驱动力。当两种流体在螺旋通道中完全逆流操作时，两种流体之间的对数平均温差较大，这有利于传热。根据换热器设计中使用的经验数据分析，螺旋板式换热器允许的最小温差最低，即使两种流体之间的温差为3C，也可以进行换热。由于允许的温差相对较低，世界上所有国家都使用这种换热器来回收低温热能。螺旋板式换热器有两个长的均匀螺旋通道，介质可以在其中均匀加热和冷却，因此其出口温度可以精确控制。 不易污垢堵塞。在管壳式换热器中，如果一根换热管有污垢沉积，换热管的局部阻力增大，流量受到限制，流量减小，介质转向其他换热管，换热器中各换热管的阻力重新平衡，有污垢沉积的换热管的流量越来越小，污垢沉积越来越容易，最终换热管被完全堵塞。但在螺旋板式换热器，由于介质通过单一通道，流速相比较于其他种类的换热器要高，通道又是螺旋形状的，可以起到自我冲刷的作用，流体中的污垢不易沉积。即使产生污垢，应用化学方面的方法来处理也是比较简单的。其次，由于螺旋板宽度的原因（一般不会超过2m），用高压水来清洗管道也是简易的。 密封结构可靠。目前，螺旋板式换热器的双通道端通过焊接(不可拆卸)和压盖(可拆卸)进行密封。在保证焊接质量的同时，不可拆卸式可以保证两种介质之间没有内部泄漏。可拆卸两端由端盖压紧，端盖上设有整体密封板。只要螺旋通道两端的面粉加工顺利，就可以防止同一侧的流体从一圈流到另一圈。 温差应力小。螺旋板式换热器的特点是允许扩张。因为它有两个长螺旋通道，当螺旋板被加热或冷却时，它可以像时钟里的发条弹簧一样伸展和收缩。螺旋体的一侧是热流体，另一侧是冷流体，最外环与大气接触。螺旋之间的温差不如管壳式换热器中换热管与壳体之间的温差明显，因此不会产生大的温差应力。 结构紧凑。传热面积为180m2的螺旋板式换热器只需直径1.5m、高1.2m就行，节约了空间成本，管壳式换热器的单位体积传热面积只有螺旋板式换热器的1/3.。 制造简单。相较于其他换热器，螺旋板式换热器制造时间短、加工量小，以板材为主、易于轧制、制造成本低的优点。损失的热量少。由于其紧凑的结构，即使热交换器的传热面积很大，其外表面面积仍然很小。由于接近正常温度的流体从最外边缘的通道流出，通常不需要保温。 修理困难。虽然螺旋板式换热器不容易泄漏，但由于结构限制，一旦泄漏发生，就不容易修复，往往只有整个机组可以报废。因此，腐蚀介质应选用耐腐蚀材料。在严重积垢的情况下，也无法使用。 承压能力受限。在设计螺旋板式换热器时，每个螺旋通道的最大压力都是确定好了的。由于螺旋板宽度大、刚性差、厚度小，每个圆都承受压力。当两个通道之间的压力差达到一定程度时，即达到或接近临界压力时，螺旋板将塌陷并失去稳定性。因此，目前更多的方法是从结构上考虑的。目前，各国在螺旋板式换热器产生的最高工作压力为4兆帕。 清洗通道。因为螺旋通道通常较窄，螺旋板焊接有间隔柱以保持通道宽度，这使得机械清理困难。螺旋板的清洗方法主要采用热水沖洗、酸洗和蒸汽吹洗，蒸汽吹洗在我国应用广泛。1.3.2结构型式为了防止冷热流体在螺旋板换热器相互混合，流体通道必须密封良好。根据通道的密封形式，更常用的螺旋板换热器可分为以下三种结构形式(也有其他分类)。1.I型结构如图1所示，两个螺旋流道的两侧完全焊接和密封，因此它们也被称为不可拆卸结构。两个流体通道都以螺旋形流动。通常，冷流体从外周流向中心，而热流体从中心流向外周，完全逆流。当流体在单一通道中流动时，流体分布良好。然而，转轮的两侧都被焊接死了，使得转轮的清洁更加困难。该热交换器的中心轴可以垂直或水平安装。这种类型主要用于清洁液和液体之间的热交换，也可用于气体热交换或流量小时的蒸汽凝结。图1 （型） 不可拆式螺旋板式换热器2. 型结构如图2所示，两个流动通道的两侧交替焊接和密封，并且开口由垫圈密封。流体仍然在两个流动通道中螺旋流动。如果密封垫损坏，只有一种液体会泄漏，而两种液体不会混合。因为两个流动通道都有开口，所以只能通过打开顶盖来进行清洁，所以也称为可拆卸结构。然而，由于狭窄的流道和固定距离的柱子，机械清理仍然不容易。这种类型主要用于液-液热交换，也可用于气体热交换或流量小的蒸汽凝结。3型结构如图2所示，一个通道的两侧被焊死，另一个通道的两侧是敞开的。流体在焊接通道中螺旋流动，在开放通道中轴向流动。这种类型适用于两种流体流速相差很大的情况。它通常用作冷凝器和气体冷凝器等。图2 （, ）可拆式螺旋板式换热器1.4 设计方向螺旋板式换热器是一个高效换热器。虽然我国从国外进口了生产线。铝镁合金具有较高的耐腐蚀性和导热系数，其价格低于钛，值得重视。国内在改善换热器性能、提高传热效率、减小传热面积、降低压降、提高设备热强度等方面的研究取得了显著成果。然而，如何有效提高螺旋板换热器的能源利用率，降低企业成本，提高效益还不是很详细。本文对螺旋板换热器的传热性能进行了有效的研究和分析。每章的主要内容如下:第一章 概论；第二章 设计方案的确定；第三章 螺旋板式换热器的计算；第四章 螺旋板强度、挠度计算与校核；第五章 螺旋板换热器的结构尺寸及加工方法；2 设计方案的确定 设计方案的确定包括热交换器类型的选择、流道的布置、流速的选择和最合适出口温度的确定。2.1螺旋板式换热器的选型和流道布置 当流量小时，如果是液-液换热或气体换热或蒸汽冷凝，可选型或型结构。也就是说，这两种流体都是螺旋状流动的，一般是将冷流体从外围流向中心，热流体从中心流向外围逆流。 如果两种流体的流速相差很大，例如气体的冷却或加热、蒸汽冷凝或用作再沸器时，可以选择类型结构。小流量流体螺旋流动，而大流量流体轴向流动。例如，当用于冷凝时，蒸汽从顶部进入，冷凝物从底部排出，冷流从外围流动并以螺旋方向流动。从中心流出。2.2流速的选择 根据流体种类的不同，选择了标准流体在直管或盘管中的常用流量范围。 因为螺旋通道通常相对较长并且沿着路径具有大的阻力，所以当选择流速时，只有流体能够在通道中形成湍流，并且没有必要追求过大的流速。这不仅可以提高对流传热膜的系数，还可以降低流体阻力损失和功耗。2.3螺旋中心直径和螺旋板宽度的选择 换热器的结构类型确定后，可根据标准系列和规格进行选择。2.4最合适的出口温度设置 在热交换器的设计中，通常规定待处理材料的入口和出口温度，设计者可以根据情况选择加热剂或冷却剂。发热剂和冷却剂的初始温度通常由热源决定，但最终温度（出口温度）可由设计者适当选择。例如，当选择冷水作为材料的冷却剂时，如果出口温度较低，耗水量大，运行成本高，但传热的平均温差较大，因此所需的传热面积较小，设备成本也较低。冷却水最经济的出口温度应根据冷却水消耗成本和冷却设备投资成本的最小总和来确定。此外，在选择河水作为冷却剂时，出口温度不应超过50，否则水垢会显著增加，应予以注意。2.5确定设计方案原则 满足工艺和操作要求。设计的工艺和设备必须首先确保质量和稳定运行，这需要配备必要的阀门和计量仪器。在确定方案时，没有必要采取任何措施来调整各种流体的流速、温度和压力变化。如果设备出现故障，维护应该是方便的。 确保生产安全。如果有燃烧、中毒、爆炸、烫伤等危险，在工艺流程和操作中，必须考虑必要的安全措施。另一个例子是设备材料强度的检查计算。除了根据规定具有一定的安全系数外，还应考虑防止安全阀因设备中压力突然升高或真空而被安装。以上所述都是确保安全生产所必需的。 满足经济要求。在确定某些操作指标、选择设备类型和仪器配置时，了解经济核算的观点，不仅能满足技术和操作的要求，而且施工简单、材料来源容易、成本低。如果可以利用余热，就必须尽可能节约热能，充分利用热能，或者采取适当措施降低成本。设计计划可能无法一次很好地决定，需要以后修改。但是，物料循环路线和运行指标的变化会对以后的计算产生影响。因此，在第一次做决定时最好仔细考虑。3 螺旋板式换热器的计算3.1 传热工艺的计算取一生活中的实际问题。将21.6 m3/h(0.006 m3/s)的水溶液从75冷却到30，冷却水入口温度为25，冷却水量为48.6 m3/h（0.0135 m3/s）。换热器设计压力为1.0MPa。3.1.1传热量Q 已知水溶液流量为V=0.006m3/s,人口温度T1= 75; 出口温度T2=30，定性温度 Tc=T1+T22 1 =75+302=52.5 在此定性温度下，水溶液的物理参数为1=0.5510-3Pas r1= 1000kg/m3 Cp1= 4186J/kg 1=0.65W/m Q=WCp1（T1+T2)= Vr1 Cp1（T1+T2) (2)将数据代入公式(2)计算 Q=0.0061000418075-30=1128600W 3.1.2. 冷却水出口温度 t2=t1+QW2Cp2 (3)已知 t1=25， Cp2=4186J/kgC，V2=0.0135m3/s 将上述数据代入公式(3)可得t2=45定性温度tc=t1+t22=25+452=35在此定性温度下，水的物理参数为2=0.72310-3Pasr2= 995.3kg/m3 Cp2= 4186J/kg 2=0.622W/m 3.1.3.螺旋通道截面积与当量直径de的计算热程通道。设水溶液流速为1=0.6m/s求出通道截面积F1 F1=V1 (4) =0.0060.6=0.01m2选取螺旋板宽度H=1m通道宽度 b1=F1H (5) =0.011=0.01m当量直径 de1=2Hb1H+b1 (6) =210.011+0.01=0.0198m冷程通道。设水流速为2=1.35m/s求出通道截面积F1F2=V2=0.01351.35=0.01m2通道宽度b2=F2H=0.011=0.01m当量直径de2=2Hb2H+b2=210.011+0.01=0.0198m3.1.4.雷诺数Re和普兰特数Pr热程通道 Re=de11r11 (7)将已知数据代入公式(6)可得Re1=0.01980.610000.5510-3=21600 Pr1=Cp111 (8)将已知数据代入公式(7)可得Pr1=41860.5510-30.65=3.54 冷程通道，将已知数据代入公式(6) (7)中得Re2=0.01981.35995.30.72310-3=36797Pr1=41860.72310-30.622=3.54 3.1.5.给热系数的计算 两种介质的雷诺准数Re均大于60000，即均在端流范围内，用以下公式计算 =0.023de1+3.54deDmRe0.8Prm (9)热程通道中心管直径d=300mm螺旋体外径D0=1100mm平均直径 Dm=d+D02 (10)=0.7m对被冷却介质m=0.3将已知数据代入公式(9)可得h=0.0230.650.01981+3.540.01980.7216000.83.540.3 =3562W/m2冷程通道对被冷却介质m=0.4c=0.0230.650.01981+3.540.01980.7367970.84.870.4 =7032W/m23.1.6.总传热系数K应用由串联热阻推导出的计算公式 1K=1h+1c+r1+r2 (11) K=11h+1c+r1+r2 (12)螺旋板材质选取不锈钢，板厚=2mm导热系数=17.4W/m污垢热阻选取r1=r2=1.510-4m2/W将h、c、r1、r2代入公式(12)，得K=113526+0.00217.4+17032+1.510-4+1.510-4= 1189 W/m2 3.1.7.对数平均温度差tm 全逆流 tm=T1-t1-T2-t2lnT1-t1T2-t2 (13)已知T1=75，T2=30，t1=25，t2=45将上述数据代入公式(13)可得tm=13.953.1.8.传热面积 已知传热量Q=1128600W由传热方程 Q=KFtm (14) F=QKtm (15)将已知数据Q、K、tm代入方程式(15)，可得F=1128600118913.95=68m2取 F=70m23.1.9.螺旋通道的计算 L=F2H (16) H=1m L=35m3.1.10.螺旋圈数n和螺旋体外径D0的验算已知螺旋体中心直径d=0.3m，板厚=0.002m，L=35m ，b1=b2=0.01m等通道宽度的螺旋圈数按下面公式 n=-d0+d02+8Lb1+2b1+ (17)n=-0.3+0.09+8350.01+0.00220.01+0.002=32.37螺旋体外径D0 D0=d+2n+1b1+ (18)=1.089 前面已知螺旋体直径D0=1.1m1.1-1.0891.1=0.01即1，螺旋体外径可行3.2.压差p的计算由于没有更精确的公式来计算螺旋板式换热器的流体压降，因此采用大连理工学院等单位推荐的公式来进行计算 p=Lde0.365Re0.25+0.0153Ln0+4r22 (19) 设定矩柱间距t=0.08m， 螺旋通道长度L=35m热程通道压差ph=350.01980.365216000.25+0.015335181+410000.622 =27746Pa冷程通道压差pc=350.01980.365367970.25+0.015335181+410001.3522=134418Pa 4 螺旋板强度、挠度计算与校核4.1强度计算按下面公式进行计算 pD=r0C2t2 (20)已知D0=1.1m ，H=1m，=0.002m换热器操作压力p=0.45MPa其设计压力pD=1.1p=0.5MPa选取Q235钢作为螺旋板材料，s=235MPa，ns=1.6=sns=146.9MPa曲率影响系数r0=1+0.961.28-2R=1.17 定矩柱间距t按下式 tr0C2pD (21)采用定矩柱，C=4.7将数据代入公式(21)，得t1.174.70.220.5146.9=8.04cm80mm采用定矩泡，C=5.36t1.175.360.221.1128.1=8.58cm86mm经过上述计算，取定矩柱t=80mm4.2螺旋板挠度挠度公式 y=0pt4E3121-v2 (22)已知v=0.3，E=2.03105MPa，p=0.5MPa对于定矩柱0=0.00638将数据代入(22)计算，得y=0.006380.50.084120.912.031050.0023=8.87810-4=0.88mm 对于定矩泡0=0.00681将数据代入计算，得y=0.006811.10.054120.912.031050.0023=9.38610-4=0.94mm 4.3校核螺旋板换热器的稳定性螺旋板是螺旋板换热器的主要压缩元件。一系列间隔柱支撑着相邻的螺旋板。当热交换器工作时，螺旋板受到高压蒸汽或液体的作用。当螺旋板凸面上的压力达到临界值时，它们会突然失去平衡、失去稳定性和弯曲。螺旋板变得不稳定后，其承载能力将大大降低，导致结构的突然损坏。因此，分析螺旋板的稳定性并确定其临界荷载是工程设计中的一个重要问题。非钢薄壁圆筒或壳体在外部压力下存在稳定性，其稳定性破坏先于强度破坏。稳定性计算是外压容器设计中的主要考虑因素。 已知数据可知，板宽H=1m 板厚=0.002m,螺旋板曲率半径R=0.55m计算定矩柱间距 t,=1.764H2R (23) =1.76410.550.002 =0.32m=320mm 由强度计算 t=80mm因为tt,，在此条件下计算临界压力 pk=ER2.14t2+0.76310-2t6R2H4 (24)将已知数据代入式(24)，得pk=2.031050.0020.552.140.0030.052+0.76310-20.0560.55214=2.22MPa p=pkm=pk3=0.74MPa 由于故设备稳定,操作安全 设计压力p=0.45MPapp，故设备稳定，操作安全。5 螺旋板换热器的结构尺寸及加工方法5.1密封结构密封结构直接影响螺旋板式换热器的正常运行。即使冷热流体混合有少量内部泄漏，传热也无法正常进行。因此，端面密封结构的设计是螺旋板式换热器的关键问题。为了保证螺旋板两侧流体短路造成的内部泄漏，螺旋通道的端部必须密封，采用封头垫片密封结构。头部通过焊接法兰与螺旋板连接，螺栓与壳体相等，螺旋通道由填充钢筋焊接和密封。为了提高可拆卸螺旋板式热交换器的耐压性和密封性能，开发了如图3所示的椭圆形端盖结构，其将介质和大气之间的外部密封和螺旋通道之间的内部密封分开。其中，椭圆形封头、气缸法兰和垫片起到防止介质泄漏到大气中的作用，而密封板起到防止各螺旋通道介质短路的作用。密封板外缘由法兰垫片压紧，设计应保证密封板表面比气缸法兰密封面低约0.2毫米，以免影响螺栓强度。本发明为了保证密封板与螺旋端面之间的紧密配合，需要在椭圆形端盖的内中部焊接一定直径的钢管，钢管的另一端焊接压力环，压力环与密封板之间设置低于法兰密封面的压力环垫片， 从而使密封板的中心在工作时受到钢管的压力，密封更加可靠。图3 椭圆形端盖密封结构5.2换热器外壳螺旋板式换热器的壳体是承受内部压力或外部压力的部件。为了提高壳体的承载能力，一些制造商采用增加最外层螺旋板厚度的方法。然而，因为外环仍然是螺旋形的，所以存在纵向角焊缝。为了改善壳体与螺旋板之间的连接结构，提高壳体的承压能力，螺旋板换热器的壳体是由两个半圆环焊接而成的圆柱体，这种组合焊接的关键是连接板，连接方法包括以下步骤:螺旋板与连接板对接焊接；无损探伤合格后，焊接两个半圆形壳体和连接板；焊接结构采用带衬板的对接焊缝。对接焊缝易于保证焊接质量，承载能力好，连接牢固可靠，避免角焊缝，增加了螺旋板式换热器的工作压力。外壳厚度由下式计算 =pR+C (25) 已知设计压力=0.45MPa,圆桶半径R=550mm，壁厚附加量e=0，壳体材料Q235。b=400Pa,s=235Panb=3,ns=1.6=bnb=4003=133.3MPa=sns=2351.6=146.9MPa取=133.3MPa代入=0.5550133.30.85=2.42选不锈钢板厚为5mm。5.3定矩柱的尺寸螺旋体是一种弹性成分。它不能被压碎，只能被压变形。因此，刚性是螺旋体的一个关键问题。一旦换热器两个通道之间的压差达到一定值，螺旋板可能会被压缩而变得不稳定，使设备无法正常工作。增加板的厚度以增加螺旋的刚性不是解决问题的最佳方式，因为板厚度的增加将增加钢板在轧制过程中的功耗，同时浪费材料，并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，通过增加板厚来解决螺旋板式换热器的承压和大规模问题不符合“节能降耗减排”的新设备设计理念。基于上述考虑，通常采用增加设定距离柱的方法来提高螺旋体的刚度。定距柱在螺旋体上的作用主要体现在三个方面:(1)增加螺旋体的刚度；(2)控制螺旋通道之间的距离；(3)使流动介质易于湍流并增强热传递。一般来说，减小固定节距柱之间的距离，增加固定节距柱的数量，可以显著提高螺旋板的承压能力和传热效率，但同时会增加流动阻力，沉积物不易清洗。因此，必须综合考虑固定节距柱的布置，使刚度和传热增强效益大于流动阻力压降。通常当压力较大时，定距柱之间的距离可以较小。由于螺旋外环直径较大，外部压力的稳定性减弱，定距柱可以相对致密。由于本换热器的螺旋管通道宽度一样，取定距柱长度为10mm，定距柱按正方形排列。5.4进出口接管的直径中心管的结构垂直于螺旋板式的横截面。为了减少工作量，螺旋通道喷嘴也采用垂直喷嘴。从传热过程的计算可以看出。热程通道跟冷程通道截面积F1=F2=0.01m2所以两通道的接管直径均为 d1=4F1 (26) =40.01=0.113m=113mm由上可选取1154的不锈钢管，配管法兰为平焊钢制法兰PN6，DN1200。5.5中心隔板尺寸对于螺旋板式热交换器，中心管的直径是设计时候非常重要的指标。通常，中心管的直径设计得越小，螺旋板式换热器的单位体积传热面积就越大，即结构就越紧凑。此外，随着螺旋通道曲率半径的减小，热传递也增强。因此，中心管的直径应在设计中最小化。应综合考虑提高设备的密实度，保证接头质量，扩大设备的换热能力。螺旋板式换热器中心管的结构形式采用厚中心隔板与螺旋板的角连接结构。如图4所示：图4 中心板结构示意图不锈钢板作为螺旋板，厚度=2mm，长度H=1000mm。中心隔板宽度为 B0=d-+b1+b22 (27)将已知数据代入式(27)，得B0=200-2+10=188mm中心隔板和螺旋板宽度相同。5.6螺旋板式换热器的加工方法螺旋板式热交换器的加工制造工艺流程大致方向如下:放样下料拼接探伤压泡或焊定距柱卷制螺旋体焊接螺旋通道装配金加工总装试压检验出厂。下料布局和标记后，应使用气体切割材料。两边应是直的，不委屈或者不平的，裂缝应垂直于两边。板材拼接用于轧制螺旋的钢板长度通常较长，这需要拼接(轧制钢板除外)。螺旋板只能焊接在横向对接接头上。拼接时，钢板应平直光滑。焊缝厚度与母材厚度之差不得大于0.5毫米，否则在轧制过程中会出现偏差。以加厚的螺旋体为外壳时，加厚板与螺旋体通过对接双面焊缝焊接，不锈钢螺旋体通过平板对接。当板厚为四到六毫米时，每块板边铲一个三十度的槽，槽两边刨平。不锈钢板拼接厚度为二到三毫米时，不开坡口，两板间距为一毫米。螺旋板较薄时，一般采用鼓形钢板，可以减少拼接焊缝和焊缝探伤工序。拼接焊缝需要一百次探伤，并根据JB4730压力容器无损检测焊缝射线探伤标准评定为合格的一级件。压鼓泡或焊定距柱间隔柱(气泡)之间的距离随着不同的压力水平而变化。根据间距线，距柱(泡)线偏差为0.2毫米，拼接焊缝边缘与距柱(泡)中心的间距得大于或等于20毫米，泡或焊后距柱线。冲出气泡，要求气泡减薄量不超过板厚的20%，否则会出现裂纹。气泡高度公差符合技术标准。距离柱的一端应有(1至2)毫米45的倒角，高度偏差小于0.3毫米。通道螺旋板上的间隔柱必须具有相同的规格。汽车制造的间隔柱应点焊在标记板上。点焊应在两点对称进行。当距离柱直径小于或等于10毫米时，各焊点长度不小于6毫米，当距离柱直径大于10毫米时，各焊点长度不小于8毫米，点焊后距离柱位置偏差为5.0毫米，实际高度与距离柱高度之差不大于0.6毫米，剔除焊渣，检查距离柱质量。要求焊接牢固。缠绕螺旋时，距离柱不得脱落。点焊定距柱时，要求避免钢板被烧穿。卷制螺旋体按图纸的要求来调整胎模的偏心率，并将中心隔板夹在胎膜上。然后把两块螺旋板依次焊接在中心隔板的两端根据不同的通道，填充所需的圆钢条作为螺旋通道的密封条。在两片之间的两端各填入两片，在第二块板的两端各填入两片。对于槽钢大于14毫米的圆钢，应预热头部，对接圆钢应平直，并在焊缝处预先退火。螺旋卷绕时，进料应整齐。升高压力辊以保持恒定压力，并让其自然卷起。随着主轴上的螺旋体变得越来越大，为了保持一定的压力，压辊必须缓慢下降。如果压辊的下降速度低于螺旋直径的增加速度，压力将增加，这将导致螺旋通道变窄。如果压辊的下降速度大于螺旋直径的增加速度，螺旋体将会松动，并且不容易形成。卷取过程中，圆钢应适当控制，使其在两块板的端部卷取。点焊应分别在两块板的端部进行。卷绕成螺旋体后，螺旋体和轮胎模具从卷绕床上卸下，脱模，完成卷绕过程。螺旋体通道的焊接焊接螺旋通道时，需要对通道中填充的圆钢的高低距离进行分类，使圆钢的端面略低于氟钢板的端面。不可拆卸的螺旋板式热交换器可以保持在适当的距离。型可拆卸螺旋板式换热器应控制圆钢与钢板端面之间的距离。当槽钢宽度小于6 mm时，螺旋体先吊起端面，圆钢略低于钢板端面，然后焊接；当通道B的宽度大于10至15毫米时，圆钢比钢板端面低12至1