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螺旋板式换热器的性能评价指标案例分析摘要 为解决当今世界的能源危机问题，节能正越来越受到人们的关注，然而换热器在节能领域占有重要地位，因为换热器是传统高耗能重工业中应用最广泛的设备之一，它做为预热、余热回收、制冷等过程中的主要设备，为节能做出了突出贡献。螺旋板式换热器广泛应用于工业、民用、制药等领域，由于传统的设计方法多借助于经验，对其理论上的研究还是不够广泛和深入，因此经常无法满足实际需要而被其他类型的换热器替代。随着计算机技术的发展，各种优化算法和计算流体力学技术也随之兴起，为换热器的深入研究提供了可行性。 本文以螺旋板式换热器为研究对象，选择既定模型，通过对现有传热强化理论的分析，结合经典优化算法遗传算法对螺旋板式换热器进行编程优化，经过迭代计算得到了最优的螺旋板式换热器结构参数。在此基础上，以丛积耗散理论为基础，提出了新的物理量火积量，并建立了新的换热器性能评价标准单位传热量的总费用模型，并以此为目标函数，分析了螺旋板式换热器中结构参数(冷热流体流速、换热器板间距)和其之间的关系。因为单位传热量的总费用不仅考虑了换热器的热力学性能也考虑了换热器的经济学可行性。最后结合Fluent模拟计算优化前和优化后结构参数下的换热器性能，进一步分析其内部流动情况。本文的研究为螺旋板式换热器的设计、结构优化、性能预测提供了理论基础。关键词:螺旋板式换热器;火积耗散;性能评价;The spiral plate heat exchanger performance evaluation index case analysisAbstractTo solve the problem of todays world energy crisis, energy conservation isbecoming a more and more important topic, heat exchanger occupies an important placein the field of energy conservation, however, because of the heat exchanger is one of themost widely used equipment in the traditional energy-intensive heavy industry, it as themainly equipment in the process of preheating, waste heat recovery, refrigeration, madeoutstanding contributions to energy saving.Spiral plate heat exchanger is widely used inthe fields of industrial, civil, pharmaceutical and so on, due to the traditional designmethod with the aid of experience, the study of its theory is not enough widely anddeeply, so its often cannot meet the practical needs and replaced by other types of heatexchangers. With the development of computer technology, all kinds of optimizationalgorithm and the techniques of computational fluid dynamics is developed, providesfeasibility for the further study of heat exchanger. Based on the spiral plate heat exchanger as the research object, this paper select the established model, through the analysis of the existing heat transfer reinforcement theory,combined with the classical genetic algorithm to programming optimization of spiralplate heat exchanger, iterative calculation to obtain the optimal structural parameters ofspiral plate heat exchanger.On this basis, with the entransy dissipation theory as thefoundation, puts forward a new physical quantities of entransy, and established a new heat exchanger performance evaluation standard of total cost of unit heat transfer model,and use it as the objective function, analyzes the relationship between the structuralparameters in the spiral plate heat exchanger (cold and hot fluid velocity, plate spacing)and it .Because the total cost of unit heat transfer not only consider the thermodynamicperformance of heat exchanger but also considered the economic feasibility.Finallycombining with Fluent simulate the performance of the heat exchanger before and afteroptimization, further analyzes the internal flows. the research of this paper provides atheoretical basis for the design, the structure optimization and performance prediction ofKey words: Spiral-plate heat exchanger; entransy dissipation;Performance evaluation. 目录第1章绪论1.1引言二1.2换热器的研究现状1. 3优化的方法1.4传热强化理论的研究1.5换热器热经济学评价原则第2章螺旋板式换热器的结构设计.2. 1引言2.2螺旋板式换热器工艺设计2.3螺旋板式换热器结构设计2.4本章小结第3章换热器的优化3.1遗传算法过程简介3.2基于火积耗散最小法的换热器优化设计3.2.1优化的边界条件和编程3.2.2程序迭代结果分析3.3优化结果分析及换热器新结构参数计算3.4本章小结第4章换热器的热力学及热经济学分析4.1换热器性能的评价方法研究现状4.2嫡和火用分析4.2.1嫡参数的计算4.2.2火用参数的计算4.3火积分析4.3.1火积耗散等量的计算4.3.2基于火积耗散理论的换热器热阻计算4.4换热器性能的火积经济学分析 第5章结论与展望5.1主要结论5.2主要创新点5.3未来研究展望参考文献致谢第1章绪论1.1引言我们都知道人类文明就是从对能源的利用开始的，并且经历了从利用木柴到开发煤炭， 再到油气的盛行，导致能源利用总量不断增加，以及能源的结构也在不断变化。因此可以出能源在人类社会发展过程中占有的重要地位，对能源利用的形式决定了人类社会发展水平的高度以及人们生活水平的高低，它越来越成为我们能够繁衍生息的基础和推动力。对能源开发形式的越来越复杂伴随着的就是生产力的巨大飞跃，同时也极大地推动了人类社会的发展。随着人类对能源特别是化石能源的使用量越来越大，能源与人类社会发展和资源环境之间的相互作用也越来越明显，或者说能源的反作用逐渐体现出来。 随着现代社会的发展，人类文明的进步，尤其是21世纪的工业革命之后，社会的发展进入了一个飞跃式的阶段，工业化和城市化越来越快，从而催动了社会对能源的极大需求，尤其是一些钢铁等高能耗工业的发展，社会各行各业已经离不开能源，能源作为经济社会发展的壁垒也越来越高。然而随着对能源开采利用的程度越来越高，我们也发现地球上能够利用的能源是有限的，导致了在这个全局稳定的前提下，各个国家将发展经济作为各国的基本国策，却受到了可利用能源短缺的限制，各国为了争夺可利用能源经常出现摩擦甚至小的战争，引起了世界的局部动荡，能源安全也已经上升到了各国关注的重点，世界各国也都在围绕着能源安全制定一系列的安全政策。从上面的介绍可以看出，能源不仅保障人类的生存，推动社会发展，也能影响到世界的和平。 由于能源的大量消耗，以能源为中心的环境、生态等问题日益加剧。而各个行业的能源消耗是不同的，其中工业消耗的能源是最多的。目前工业能源消耗占全国能源消耗量的比重已达到71. 1%左右。所以工业的发展决定着能源的消耗程度和对能源的开发方向，直接影响到可利用能源的未来。工业部门的能源效率问题更值得关注，并且我国产业结构仍以能源消耗较大的工业为主。紧缺的资源、恶化的环境和生态系统严重的抑制了我国社会的发展和稳定，影响到了人们的生活质量。因为地球上可利用能源的储量是有限的，所以我国乃至世界的发展方向都是要对高能耗产业进行大量的技术投资，提高其能源利用效率，同时要不断寻求新的可持续利用的能源来代替当下高能耗行业所利用的化石能源，这样不仅能够减少能源消耗，还可以实现可持续发展。要降低能源消耗，不能光考虑局部，必须从总体水平上降低能源消耗，同时提高能源利用效率。 从各个文献和网络显示的资料可以看出，在现代各个化工、钢铁等重工业企业中换热器所占的投资都很大。比如:化学工业中换热器投资大约占设备总投资的30% ，在炼油厂约占全部工艺设备的40% ，海水淡化工艺装置则几乎全部是由换热器组成的。所谓换热第器从名字上就可以知道其作用目的，就是用来换热的，在热冷流体之间进行热量转换，由于热量转换这个过程在各个化工厂或者是重工业中都是最常见的，所以换热器便是各个工厂一换热过程的核心设备，当然还有其他的辅助设备。换热器既可以是单一的设备进行某一过程，如冷却和加热过程中的冷却器和加热器等;也可作为某一工艺过程中设备的一部分，如煤炭工业中、炼油、制碱等工艺过程的余热回收装置等。由此我们可以看出换热器在各行各业中的地位是很重要的，是不可缺少的部件，要想追求更好的能源利用效率和经济性就必须合理的设计和配备好换热的各个过程，这和换热器的设计研究是密不可分的，因此要实现节能降耗，追求更好的利益首先应从换热器这方面着手。对换热器来说最重要的就是热量交换的性能，所以各国都在对换热器的强化传热技术进行研究。强化传热技术的研究主要从理论研究到实验验证，再进行新技术的成型，最后开发出新的产品，这个过程世界各国已经进入比较高阶段的探索，其所影响的领域很广。换热器强化传热技术的研究和应用不但能够解决资源短缺、环境恶化和生态问题，从经济上来说也能大大降低投资成本。1.2换热器的研究现状 随着科学技术的发展，换热器的种类越来越多，但是可以归为三大类:管壳式换热器，板式换热器，各种高温换热器和非金属换热器。几乎所有最新型的换热器都是以这二种为原型发展起来的。 进入21世纪后，大量的强化传热技术应用于工业装置，我国换热器产业在技术水平上获得了快速提升。随着科技的不断进步，特别是21世纪后，计算机的飞跃式发展，给各行各业带来了新的动力，使科学技术的发展也呈现了新的局面。很多新工艺、新技术相继出现，使机器取代了人工，大大的节省了劳动力，然而面临的新问题是机器的大规模使用使得能源消耗日趋严重，能源问题已经迫在眉睫。所以也对换热设备的性能要求带来了新的挑战，比如:高效率、大型化、高参数等特点日渐成为研究的重点。 换热器技术的主要发展方向: (1)非金属材料应用:非金属材料的性能在有些情况下比金属材料更加突出。比如:导热性能、稳定性、耐腐蚀性耐磨性，低成本等等。 (2)计算机的应用:引入计算机技术，对换热器内部的流体流动进行分析和定量的模拟计算。尤其是当下最流行的ansys软件可以在计算机上模拟出换热器内部的流动情况以及换热器内部温度、压力等分布情况。并且还可以预先模拟出换热器各个地方的应力分布，尤其是焊接、不同材料的连接等部位的高应力区分布情况。这就可以预判出换热器设计的是否合理。为换热器的实际生产提供了有用的理论数据，节省了资源消耗及大量成本投入。 (3)新实验和理论探索:为进一步研究不同结构之间的强化传热机理，利用先进的测量仪器等工具来获得换热器的流场分布和温度场分布，以及关键部位的应力损伤等，进行分华东理工大学硕士学位论文第3页析计算和模拟结果进行对比。 (4)有源技术研究和应用:有源技术是指主动强化传热技术，主要是利用外加的动力，如振动、电场等，由于这些多是在实验的基础上领悟出来的，所以要对其强化传热的机理进行研究和分析，为换热器的进一步发展提供有力的理论基础。 (5)强化结构组合研究:在传热强化的理论研究中，一般都是从局部去加强，没有从整体考虑强化的方法，所以整体的强化传热技术将会成为未来的研究重点，也就是强化结构组合的研究，因为它可以使管壳程同时达到强化。 (6)设计整套装置的数据库技术:使不同类型的设计应用软件通过一个数据库可以有机地形成一个整体，大大的简化了设计过程，代替了手工设计方法。1.3优化方法概述 1962年霍兰德(Holland)教授首次提出了GA算法的思想6-910遗传算法的核心思想是模拟了生物遗传和自然选择的过程，通过选择、交叉、变异等过程，实现了保留最优个体，找到目标值的目的。可以说遗传算法是将生物进化过程成功的用数学方式表达了出来，为工程实际应用提供了很好的优化方法。 上面用学术性的语言介绍了一下遗传算法的概念，可能比较深奥难懂，下面就结合本文在使用的这两年多以来所总结出来的经验来介绍遗传算法，可能比较好理解。简单的说遗传算法就是模拟了生物遗传，学过生物的人都知道基因在生命交替过程中是如何变化的。遗传算法的运算机制正是和基因的变化类似的。它的主要三个步骤就是选择、交叉和变异。和基因变化一样，每一步都有一定的概率，所以我们在使用遗传算法的时候首先就是要考虑其每个过程发生的概率。选择、交叉和变异只是遗传算法总体上的三个步骤，这三个步骤下还有很多的详细步骤，根据问题的不同，运算过程也不同。首先要把问题的解用染色体来表示，这就产生了初始种群，然后就是对染色体进行选择，当然选择是根据一定的方法比如各个染色体的适应度大小，这是人为根据问题确定的一个函数。经过选择的染色体进入交叉过程，交叉也是根据一定的原则比如奇数位和偶数位的交叉等，最后再进行变异，得到新的一代种群。就这样一代一代的进化，直到最适合的种群出现。1.4传热强化理论的研究 近些年传热强化技术的发展都是基于传热强化理论而发展起来的，对于传热强化理论，国内外都在不断地探索，并且已经取得了一定的成就。国外主要有Bejan提出的最小嫡产法，国内主要有过增元教授等提出的兰蚜只耗散理论和场协同理论。这里主要介绍一下最小墒产法和火积耗散理论。 热力学分析中的嫡分析法，即嫡产最小法。1951年，第一次将不可逆的概念应用到换热器设计中的人是McClintock，此后嫡产最小法在换热过程中的应用越来越广泛。Bejan将传热问题归结为两大类:传热强化问题和热绝缘问题，这两种问题都可归纳为使传热过程的嫡产减小，并且定义了强化嫡产数作为传热强化技术的评价原则: (1-1) 传热强化后的嫡产率，传热强化前的嫡产率，小于1表明强化后不可逆损失减小。 Bejan将换热器中的不可逆损失分为有限温差传热引起的和流体流动过程中克服摩擦阻力引起的，两者之和即是换热器中总的不可逆性损失。对于任意横截面积A和任意湿润周长P的管内流动，Bejan给出的嫡产率为: (1-2) q是传热量，T是温度，T是温差，m质量流率，密度，P压力，=T/T无量纲温差。上式中右边第一项是传热引起的嫡产率，第二项是流动阻力引起的嫡产率。Bejan也给出了嫡产率的无量纲化方法，即用嫡产率除以热容流率: (1-3) 上式即为嫡产数的定义式, cp为定压比热容。 虽然Bean给出了嫡产数定义，但却出现了著名的“嫡产悖论”问题，很多学者对此问题提出了自己的嫡产数定义方法，其中Hesselgreaves提出了改进的嫡产数: (1-4)上述定义避免了“嫡产悖论”现象，Q是传热量，Tc,i为冷流体进口温度。 由于嫡产数的提出，使换热器传热和流体阻力的优化转为总嫡产最小。把两种因素造成的影响用一个指标综合起来考虑，便将换热器的性能指标从以往的能量数量上的衡量提高到了质量上的评价。 目前最小嫡产原理在换热器设计中普遍采用的原则就是总的嫡产最小。而由上面介绍可知，换热器中的总墒产主要由传热引起的嫡产和阻力引起的嫡产两部分组成。但传热不可逆损耗的是热量传递的能力，而流体阻力不可逆损耗的是机械能，两种能量品质不同能否简单相加在理论上仍没有确切的结论。在工程实际应用的液体一液体式换热器中，传热引起的嫡产远大于阻力引起的嫡产，这样在只考虑总嫡产最小时，往往导致阻力嫡产被传热嫡产所“淹没”，从而导致较大的泵功消耗。 虽然Hesselgreaves提出的嫡产无量纲化方法避免了“嫡产悖论”的发生，但所定义的嫡产数在一些情况下可能大于1，即对应的Witte Shamsundar热力学效率可能取负值，因而产生矛盾。Landauer发现对一些简单的热力学系统，嫡产最小原理并不适用。 根据嫡和嫡产的定义，我们知道嫡和嫡产表征热功转换过程的物理量，嫡产最小就是表征传热过程中可用能损失最小，然而大部分换热器都不涉及热功转换过程，因此过增元等经过大量的理论和实验研究提出了一个新的物理量一火积。它的物理意义代表了一个物体传递热量的总能力。根据热力学第一定律，在传热过程热量的总量是守恒的，但是任何过程都是存在阻力的，所以火积并不守恒存在一定耗散。火积耗散代表了传热过程的不可逆程度。 对于具有一定热容量的物体，火积是热容量与温度乘积的一半: Eh=12QvhUh=12QvhT=12UT (1-5) 上式即为过增元给出的火积的表达式。其中Qvh是物体的定容热容量，对于理想气体它就是内能U, Uh是温度，即热势。 过增元又定义了换热器的等效热阻来定量描述换热器中传热引起的不可逆耗散并且给出了传热引起的火积耗散表达式。郭江峰等基于火积耗散理论定义了评价换热器性能的火积耗散数，发现火积耗散数避免了嫡产数导致的“嫡产悖论”，且能够体现换热器的整体性能，并且给出了火图耗散数的无量纲表达式。许明田等推出了换热器中赫性流动引起的卿耗散。 传热引起的火积耗散数: 首先根据相关文献介绍可以得到换热过程中的火积耗散表达式，ET=Einlet-Eoutlet=12ChTh,i2+12CcTc,i2-12ChTh,o2+12CcTc,o2 (1-6)上式就表示换热器入口火积与出口火积之差，此差值即为换热器的火积耗散。式中Ch,Cc是热冷流体的热容流量，Th, Tc为热冷流体温度，下标i和o分别表示入口和出口。类似换热器有效度的定义，我们对换热器的火积耗散以如下方式无量纲化:ET*=ETQTh,i-Tc,i=12ChTh,i2+12CcTc,i2-12ChTh,o2+12CcTc,o2 CminTh,i-Tc,i2 (1-7) 上式代表了换热器中实际的火积耗散与最大火积耗散之比，我们称之为火积耗散数。当ChCc时，利用换热器有效度将出口温度用入口温度表示，得到以下表达式:ET*=Th,i+Th,oTh,i-Th,o+1C.Tc,i+Tc,oTc,i-Tc,o2Th,i+Tc.i2=Th,i+Tc.i2Th,i-Tc.i-Th,i+Tc.i1+C*.2Th,i+Tc.i2 (1-8) 其中是换热器的有效度，C*表示两流体中较小热容流量与较大热容流量之比的热容率比。将上式进一步化简，最后得到: ET*=2-1+C*2 (1-9) 当ChCc时，同样推导方法可得上式。因此，上式即为两流体换热器的少积耗散数的一般表达式。戮性流动引起的丛彩耗散数:当换热器中的两流体均为不可压缩流体时川场之耗散公式为: EP=mhphhTh,o-Th,ilnTh,o-lnTh,i+mhphcTc,o-Tc,ilnTc,o-lnTc,i (1-10) 其中ph, pc分别为热流体和冷流体的压降, h和c分别为热流体和冷流体的密度。上式用于定量描述黏性流动引起的不可逆耗散，我们同样对其无量纲化，得到如下表达式: Ep*=-phchTh,i-Tc,i1lnTc,iTh,i1-1-Tc,i-Th,iTc,i+-pcccTh,i-Th,i-Tc,i1lnTh,iTc,i1+1-Tc,i-Th,iTh,i (1-11) 因此，换热器的总火积耗散数为: E*=ET*+Ep* (1-12) 通过大量的理论研究和实验研究，将上述总火积耗散数作为参与热量传递的换热器的优化目标较为合适。1.5换热器热经济学评价原则 热经济学是20世纪50年代末才兴起的。它的兴起是在社会的快速发展，能源消耗越来越高，能源危机越来越严重，迫切需要提高能源利用效率，基本的热力学定律已经无法满足社会的需要时开始的。当然热经济学的基本理论还是以热力学为基础，主要是以热力学第二定律中的卿概念为发展模型，结合了热力学分析和经济学分析的特点，并将它们的优势综合发挥出来应用到飞速发展的工业中。我们都知道如果只是用热力学来对某一个设备或系统进行分析时，只是根据热力学第一或第二定律等对这个设备或系统的一些参数进行计算，比如:效率、压力、嫡、拥等参数，最后得到的结果也只能从热力学量纲上看出优劣，当今社会任何过程都是以最小投入最大利益为目的的，所以热经济学就诞生了，它在热力学和经济学之间找到了一个结合点，将热力学中姻分析结果的能量性质转化为了经济性质，从而有了一个统一的标准来衡量各过程和装置的优劣。热经济学的基本思想是烟平衡与姻成本平衡原理。简单的说就是通过姻参数将各个系统串联起来，用经济学中的投入产出平衡原则建立系统的平衡方程，并且为蝴参数定价，再加入必要的补充方程就可以求得单价和成本及效益。当然它的主要研究对象是热系统，比如动力系统、化工系统等等。从上面可以看出，热经济学就是用数学的方法把热力学和经济学结合到一起进行了量化，使得对系统或设备的分析更加直观，使不同的过程和设备也可以进行比较。因此，热经济学也属于微观经济学，这种分析方法同时考虑了能量的“质”和“量”。 第2章螺旋板式换热器的结构设计2.1引言 换热器的类型随着技术的进步已经日新月异，这里主要介绍的是与本课题有关的螺旋板式换热器。 螺旋板式换热器类型36-37 . 螺旋板式换热器的分类是根据流体在流道内不同的流动方式来分的，可分为工、工工、工II三种型式，常见的为I, II型。螺旋板式换热器示意图如图2.1.1所示。I型主要特点是两流体都呈螺旋流动按照螺旋流道的走向实现纯逆流。由于螺旋通道狭窄，如果流量较大则会产生很大的阻力，所以工型一般适用于两流体都为液体时的换热。 II型则是对工型的补充，适用于两流体体积流量相差较大的气一液型换热，因为气体直接从轴向向下进入其他流道，不进行旋转。 III型比较特殊，因为一侧是先轴向流后螺旋流，从流型可以看出，这侧流体先是流量较大后又变小，因此一般用作蒸汽冷凝器。 螺旋板式换热器的基本结构和特点: 基本结构:螺旋板式换热器主要是由两张长而薄的钢板平行放置，经过卷板机卷制成螺旋形，当然两张长钢板之间需要焊上定距柱或其他用来保持两板之间产生一定距离的阻隔物，这个间距就是换热通道(如图2. 1. 2所示)，定距柱也用来支撑钢板抵抗换热过程中流体的压力，并且可以增加流体在流道中流动时的湍流程度从而提高换热效率。当换热两流体经过相邻的间隙时，通过薄钢板进行传热，螺旋形的通道有效的增加了流体流过的路程增加了换热，并且体积较小。 图2. 1. 2螺旋通道模型39 Fig.2.1.2 The model of spiral channel 特点:能利用低温热源、并能精确控制出口温度、结构紧凑、占地面积小、传热效率高、应用范围广、操作弹性大、维护和安装方便等特点。流体流道长、流道间距大、耐热温、密封性好。换热后冷热介质的温度容易接近，由于自清洁能力，适于粘稠性物料和含有颗粒性物料的加热或冷却处理，但不适于含有纤维性物料换热37J。它的缺点是由于结构的限制，它的承压能力和直径也受到了限制，维修困难，一旦出现泄漏，往往只能整台报废。 螺旋板式换热器在国外发展的较早，并且应用范围广，主要用在余热回收过程中，虽然它的优点很多，适用场合很多，但是承压能力有限是它的一个大弊端，限制了它在一些特殊场合的应用，所以研发高压力性能的螺旋板式换热器是鱼待解决的一个问题。我国的螺旋板式换热器起步较晚，是在20世纪60年代开始发展并逐渐应用到烧碱厂的碱液加热和冷却过程中。但是随着我国工业化进程的快速发展，螺旋板式换热器的生产技术也取得了大的进步和不断完善，已经制定了相应的统一技术标准，设计制造技术也已经成熟。2.2螺旋板式换热器的工艺设计 螺旋板式换热器由于其特殊的结构，因此才有了上述所说的一系列特点。下面详细介绍一下螺旋板式换热器的工艺设计过程。由于螺旋板式换热器分为可拆式和不可拆式，本文主要介绍的是和本课题相关的不可拆式螺旋板式换热器的设计过程。 螺旋板式换热器主要由外壳，螺旋体，密封和进出口等四部分组成。表2. 2. 1给出了螺旋板式换热器的主要设计参数及其范围: 表2.2.1螺旋板式换热器主要设计参数40 Table 2.2.1 Main parameters of the spiral plate heat exchanger螺旋板宽度 mm螺旋板厚度mm单台换热面积m2螺旋通道间距mm中心管直径mm螺旋体外经mm定距柱直径mm设计压力Mpa设计温度1501900260.5300540150300_ 6000时，传热系数按下式进行计算:=0.0231+3.54deDmdeRe0.8Prn (2-6)上式就是在圆形直管的基础上，用含有当量直径de的参数对圆形直管做出修正后得到的公式。我国学者经过大量的实验，总结得到了另一个计算公式: =0.0413deRe0.788Pr1/3m0.14 (2-7)上式既考虑了当量直径的修正，还考虑了壁温校正数群m0.14修正，但是实际的工程计算中在误差范围内常常忽略m0.14，这样使得计算更为简便，得到下面的计算公式: =0.0397deRe0.784Prn (2-8)上面几式中：n一当液体被加热时取0.4，当液体被冷却时取0.3; Dm一螺旋通道的平均直径，Dm=d+Do2, m;d一中心管的直径，m; Do一螺旋体的外径，m; 一流体的导热系数，W/(mK); 一流体定性温度下的动力粘度，Pas; m一流体壁面温度下的动力粘度，Pas;当Re6000时，文献40推荐下式计算传热系数： =1.86cpGRe-2/3Pr-2/3Lde-1/3m0.14 (2-9)式中L一螺旋通道的通道长度，m; (2)无相变液体的对流传热一般采用Sauder计算公式:当Re 1000时， =0.0315deG0.8-6.6510-7Lb1.8decp0.25w0.17 (2-10) 当RedeDm1/2=30-2000 时，传热系数按下式计算， =0.65deG1/2deDm1/4+0.76decp0.175 (2-11)式中 一流体定性温度下的动力粘度，.Pas； m一流体壁面温度下的动力粘度，Pas； 一流体的导热系数，W/(mK); G一流体的质量流速，kg/ (m2 . s) ; (3)无相变流体的轴向流 当Re 10000时，无相变液体的轴向流传热系数用下式计算， =0.023cpGRe-0.2Pr-2/3 （2-12） 当Re 10000时，无相变气体的轴向流传热系数用下式计算， =0.003cpG0.8de-0.2 （2-13）式中 G一流体的质量流速，kg l (m2 - s) ; cp为流体的定压比热容，J l (kg - 0C) ; (4)无相变气体的螺旋流 当Re 20000(d. / D.)0.32时，无相变气体的螺旋流传热系数计算公式如下， =0.003031+3.54deDmcpG0.8de-0.2 (2-14) 还有两种具体情况是螺旋板式换热器用于蒸汽冷凝和立式热虹吸重沸器，由于本课题不涉及这两方面的问题，所以不做详细介绍，可以参考换热器设计手册。在实际的设计过程中，为了便于计算总传热系数，有时会预先选择一个传热系数，下表给出了各种介质传热系数的大致范围，如表2.2.3所示。 和.2.3介质传热系数范围 Table 2.2.3 the coefficient range of heat transfer Medium传热的种类值的范围W/(m2)水蒸汽的滴状冷凝46500140000水蒸汽的膜状冷凝465017400有机蒸汽的冷凝58023200水的沸腾58052300水的加热冷却23011600油的加热冷却601740过热蒸汽的加热冷却20110空气的加热冷却160 污垢对传热系数的影响:换热器中流体一般为液体、气体或气液混合物，这些流体一般都含有杂质或有腐蚀性，易形成污垢热阻。污垢对换热器的总传热系数有一定的影响，而螺旋板式换热器由于具有自洁能力，所以其污垢热阻和管壳式换热器相比较小。目前管壳式换热器的污垢热阻研究的较为全面，有了较为完整的参考系数，而螺旋板式换热器却还没有有成效的研究，因此，螺旋板式换热器在选择污垢系数时可参考管壳式换热器选取，选取略小于管壳式换热器的即可。 总传热系数K的计算:可以从下面的公式得到和总传热系数相关的参数， Q=KFtm (2-15)上述公式是所有换热器传热过程都要遵循的通用公式，可以看出，确定了传热量Q传热系数K、对数平均温差tm气后就可以确定换热面积F，因此，总传热系数对于确定最终的换热面积是至关重要的。在设计中总传热系数一般用串联热阻的概念求得。 总热阻的计算公式为： R=1K=FmhFh+sFmsFs+wFmwFw+FmcFc (2-16)对于螺旋板式换热器， Fh=Fc=Fs=Fw=Fm (2-17) R=1K=1h+ss+ww+1c (2-18) K=11h+ss+ww+1c (2-19)式中: ss一垢层总热阻，m2/W； ww 一板材热阻，m2/W； h、c一换热器热冷侧传热系数，W/m2K； Fh、Fc一换热器热冷侧换热面积，m2；这里要说明一下，在计算总传热系数K时，由于换热器中总是有流体流动，而垢层厚度随着流体流动而变化，因此，ss是不断变化的，在计算中一般选用经验数值。 表2.2.4总传热系数的一些推荐值38Ta