螺旋板式换热器的设计

1、学生毕业论文（设计）题目 螺旋板式换热器的设计 摘 要螺旋板式换热器主要由板材、接管、密封板组成，结构简单，材料利用率高。结构上分可拆式螺旋板和不可拆式螺旋板两种。流体在雷诺数Re>500时可达湍流状态，因而比管壳式换热器传热效率高1倍以上。其优点是：传热效率高，比管壳式换热器高1倍以上；结构紧凑，单位体积传热面积180m2m3；结构可靠；不易污塞；成本低；使用温度可达300，压力可达2.5Mpa；适用于化工、较轻介质的场合。缺点：焊缝较长，易泄漏，易产生应力腐蚀；易结垢场合严禁使用。目前，国内外在多年的使用中不断地改进，进一步提高它的换热效能。关 键 词：螺旋板式换热器；冷热流体；传热

2、计算。 研究类型：应用研究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目录1概述12螺旋板式换热器的结构22.1结构特点22.2分类42.3 结构设计43设计报告内容73.1具体工艺参数73.2工艺操作条件73.3结构示意图73.4结构及换热原理74螺旋板式换热器的设计计算84.1传热工艺计算678传热量Q8冷却水的出口温度8螺旋通道截面积与当量直径de的计算8雷诺数Re和普兰特数Pr9给热系数的计算9总传热系数K94.1.7 对数平均温度差tm104.1.8 传热面积F104.1.9 螺旋通道长度104.1.10 螺旋圈数n与螺旋体外径D0104.2 流体压力降P计算124.2.1 按直管压力降计算公式124.2.2 按大连

7、理工大学等单位推荐公式计算4134.3 螺旋板的强度、挠度计算与校核134.3.1 强度计算9134.3.2 螺旋板的挠度144.3.3 按“计算法”校核螺旋板式换热器的稳定性2144.4螺旋板式换热器的结构尺寸315密封结构15定距柱尺寸15换热器外壳815进出口接管直径d16中心隔板尺寸16水压试验时应力校核165设计结果汇总185.1设计所得结果185.2 换热器的结构图18参考文献19致谢201概述1930年瑞典的Rosemblad最早提出螺旋板式换热器的结构，1932年以此人命名的Rosemblad公司成批制造生产此种换热器，并申请了专利。此后，世界许多国家相继设计制造了螺旋板式换热

8、器，并应用于各种场合。如英国的APV公司，美国的AHRCO公司和Union Carbide公司，日本的“大江”和“川化”公司，前苏联的标准TOCT 12067-66，德国的Roca公司等。螺旋板式换热器由两块平行的钢板在专用卷床上制成。每块钢板被同时绕成螺旋形状，并形成两个同心通道，各通道为环状的单一通道，其截面为长方形，进出口接管分别装于两通道的边缘端。螺旋板式换热器在国外较早使用于回收废液和废气中的能量，加热和冷却果汁、糖汁和各种化工溶液，冷却发烟硫酸、酸类物质及酒厂的麦芽浆汁等。随着化工与其它工业的迅速发展，以及制造技术水平的不断改进与提高，螺旋板式换热器的应用范围越来越广泛。自开始使用

9、螺旋板式换热器到1962年这一段时期内，世界各国所制造使用的总数已达到1万多台。20世纪70年代又有了进一步发展，尺寸转向大型化，其设计压力达4Mpa。螺旋板式换热器在我国的使用是从20世纪50年代中期开始，当时主要用于烧碱厂中的电解液加热和农碱液冷却。60年代，我国机械制造部门设计、制造了卷制螺旋板的专用卷床，使卷制的功效提高了几十倍，为推广应用螺旋板式换热器创造了良好的条件。自1968年原第一机械工业部在苏州召开螺旋板式换热器系列审查会议后，国内已有20多家制造厂生产了这种换热器，螺旋板式换热器在我国的应用得到了迅速推广。螺旋板式换热器具有体积小，效率高、制造简单、成本较低、能进行低温差热

10、交换等优点，近年来在国内各行业中的应用日趋广泛。目前的问题是如何进一步提高该换热器的承压能力，以使应用范围更为广泛。提高承压能力有多种途径，可增加螺旋板厚度、增加定距柱的数目或提高板材的强度（亦即选用质量较好有一定塑性且强度高的钢材）。但如采用增加板厚的办法，则势必要求提高卷板机的能力，使得消耗的功率相应增加，还会给制造工艺带来困难，并使成本提高。目前提高其承压能力的办法以改进结构和选用较好的材料为主。螺旋板式换热器经过多年的使用和不断的改进，目前国内外使用的最大外径达2000mm以上、板宽1800mm、最大操作压力4MPa，最高操作温度为1000。2螺旋板式换热器的结构2.1结构特点（1）传

11、热效率高 由于螺旋板式换热器具有螺旋通道，流体在通道内流动，在螺旋板上焊有保持螺旋通道宽度的定距柱或冲压出来的定距泡，在螺旋流动的离心力作用下，能使流体在较低的雷诺数时发生湍流。考虑到压力降不致过大，所以合理地选择通道宽度和流体流速是较重要的。设计时一般可选择较高的流速（允许的设计流速对流体为2m/s左右，对气体为20m/s左右），这样可使流体分散度高，接触好，有利于提高螺旋板换热器传热效率。今年来，国内很多单位对螺旋板式与管式换热器进行了传热系数的测定比较。例如，冷冻机的辅助氨冷凝器，用一台换热面积为F=30的螺旋板式换热器代替换热面积为F=75的管式换热器，效率提高了一倍又如小化肥厂的氨合

12、成塔下加热器，原用管式结构，换热面积为F=30.9，改用螺旋板式换热器只要F=15.5，其效率相应地提高了一倍。（2）能有效地利用流体的压头损失 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，但因螺旋通道较长，螺旋板上焊有定距柱，在一般情况下，这种换热器的流体阻力比管壳式换热器要大一些。但它与其它类型的换热器相比，由于流体在通道内是作均匀的螺旋流动，其流体阻力主要发生在流体与螺旋板的摩摖和定距柱的冲撞上，而这部分阻力可以造成流体湍流，因此相应地增加了给热系数，这使螺旋板式换热器能更有效地利用流体的压头损失。（3）不易污染 今年来，许多研究都集中到换热器的污垢问题上，因为污垢对换

13、热器的传热效果有较大的影响。在螺旋板式换热器中，由于介质走的是单一通道，而它的允许速度可以比其它类型的换热器高，污垢不易沉积。如果通道内某处沉积了污垢，则此处的通道截面积就会减小，在一定流量下，如截面积减小，局部的流速就相应提高，对污垢区起到了冲刷的作用。而在管壳式换热器中，如果一根换热管有污垢沉积，此换热管的局部阻力增大，则流量受到限制，流速降低，介质就向其它换热管分流，使换热器内每根换热管的阻力重新平衡，使得沉积了污垢的换热管的流速越来越低，越易沉垢，最后完全堵死。在化工厂、炼油厂中使用的管壳式换热器管内径常有污垢沉积，容易产生堵管现象，而在螺旋板式换热器内，由于有自冲刷的作用，所以它的污

14、垢形成速度约为管壳式换热器的1/10。对于发生堵塞现象时，国外多用酸洗或热水清洗，在国内多数采用蒸汽吹净的方法，比用热水清洗既方便，效率又好。（4）能利用低温热源，并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，就要求提高传热推动力。当两流体在螺旋通道中采用全逆流操作时，则两流体的对数平均温度差就较大，有利传热。从换热器设计中采用的经验数据进行分析，螺旋板式换热器允许的最小温差为最低，在两流体温差为3情况下仍可以进行热交换。由于允许的温差较低，因此，世界各国都利用这种换热器来回收低温热能。螺旋板式换热器具有两个较长的均匀螺旋通道，介质在通道中可以进行均匀的加热和冷却，所以能够精确的控制

15、其出口温度。（5）结构紧凑 一台直径为1.5m，宽度为1.8m的螺旋板式换热器，其传热面积可达200，而单位体积的传热面积约为管壳式换热器的3倍。（6）密封结构可靠 目前使用的螺旋板式换热器两通道端部有采用焊接密封（不可拆式）和端盖压紧（可拆式）。不可拆式在保证焊接质量的同时，就能保证两介质之间不会产生内漏。可拆式的两端用端盖压紧，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。（7）温差应力小 螺旋板式换热器的特点是允许膨胀，由于它有两个较长的螺旋通道，当螺旋板受热或冷却后，可像钟表内的发条一样伸长和收缩。而螺旋体各圈之间都是一侧为热流体，另一侧为冷流体，最

16、外圈与大气接触。在螺旋体之间的温差没有管壳式换热器中的换热管与壳体之间温差那样明显，因此不会产生大的温差应力。在国内、外使用的螺旋板式换热器实例中，使用在两介质温差很大的场合，未发现有较大的温差应力存在。例如，南京化肥厂甲醇合成塔下的加热器，换热面积为18.45，热介质的最高温度为470-480，冷介质的温度为10，平均温度为200左右。山东胜利炼油厂一台可拆式螺旋板式换热器，换热面积27热介质最高温度为267，冷介质最低温度为30，最大温差为130左右。（8）热损失少 由于结构紧凑，即使换热器的传热面积很大，但它的外表面积还是较小的。又因接近常温的流体是从最外边缘处的通道流出，所以一般不需要

17、保温。（9）制造简单 螺旋板式换热器与其它类型的换热器相比，制造工时为最少，机械加工量小，材料主要是板材，容易卷制，制造成本低。（10）承压能力受限制 螺旋板式换热器一般都按每一通道的额定设计压力，由于螺旋板的宽度较大，厚度较小，刚度差，每一圈均承受压力， 当两通道间的压力差达到一定程度，亦即达到或接近临界压力时，螺旋板就会被压瘪而丧失稳定性。故目前较多的办法是从结构上考虑。现在各国生产的螺旋板式换热器的最高工作压力达4Mpa。（11）修理困难 螺旋板式换热器虽不易泄漏，但由于结构上的限制，一旦产生泄漏时不易修理，往往只能整台报废，因此对具有腐蚀性介质时，应选用耐腐蚀材料制造。（12）通道的清

18、洗 由于螺旋通道一般较窄，螺旋板上焊有维持通道宽度的定距柱，使机械清洗困难。螺旋板的清洗方法，主要采用热水冲洗、酸洗和蒸汽吹洗三种，在国内较多采用蒸汽吹洗的方法。2.2分类螺旋板式换热器系由外壳、螺旋体、密封及进出口等四部分组成。螺旋体用两张平行的钢板卷制而成，具有两个使介质通过的矩形通道。根据螺旋板式换热器的结构，可以分成两大类，即不可拆式和可拆式。不可拆式螺旋板式换热器1 结构特点为通道两端全部垫入密封条后焊接密封（称为型），使压力在2.5Mpa。可拆式螺旋板式换热器结构又有两种。一种结构的特点是螺旋通道两端面交错焊死，两端面的密封采用端盖加垫片的密封结构，螺旋体内清洗可由两端分别进行清洗

19、（称为型），使用压力为1.6Mpa。另一种结构特点是一个通道两端焊死，另一个通道两端全部敞开，两端面的密封采用端盖加垫片的密封结构（称为型），使用压力为1.6Mpa。介质流动情况有两种，一种为全逆流，热流体由换热器的中心进入，从里向外流动。冷流体由螺旋板式换热器的周边向里流动，成逆流流动。另一种为旋转流和轴向流，在型结构中，一种介质在全部焊死的通道内流动，另一种介质在两端敞开的通道轴向流动。一般冷却、冷凝工况下，冷却介质由周边转到中心，热介质由上向下流。对于再沸器，则蒸汽由中心转到周边，冷介质由下向上。上述三种形式的螺旋板式换热器，除型采用通道两端全部焊死的结构，对型和型一般采用垫片密封结构，

20、端盖形式有平盖、椭圆形盖、锥形盖和密闭的椭圆形封头，具体根据流体的特性、操作压力和使用场合而定。国内现已有不可拆式螺旋板式换热器形式与基本参数标准，JB/T 4723-1992。（表略）2.3 结构设计（一）密封结构密封结构的好坏，直接影响到螺旋板式换热器能否正常用砖。即使微小的泄漏使两流体相混，也使传热不能正常进行，所以密封结构的设计是一个很重要的问题。螺旋板式换热器的密封结构有两种形式，焊接密封和垫片端盖密封。（1）焊接密封 焊接密封的结构形式有三种，第一种焊接密封结构是将需要密封的通道用方钢垫进钢板中，卷制后进行焊接。第二种焊接密封结构是将需要密封的通道用于通道宽度相同的圆钢垫进钢板中卷

21、好后进行焊接。第三种焊接密封结构是将通道一边的钢板压成一斜边后与另一通道的钢板焊接。过去国内多数采用第二种焊接密封结构，因为圆钢条的摩摖力比方钢小，卷床消耗的功率比用方钢作密封条消耗的功率小，而且圆钢与通道两侧板是线接触，因此圆钢条与螺旋板焊接容易密封。第三种焊接密封结构，现进口使用较多，结构简单，加工方便。（2）垫片端盖密封 螺旋板卷制好以后，将螺旋通道的两端经过机械加工，使其达到一定的光洁度，然后用一片与端盖密封面外径相等的垫片将螺旋通道封住。垫片材料选择根据介质特性和温度；靠端盖上螺栓与外壳上法兰连接以达到密封要求。为了保证密封压紧垫片，当端盖为平盖形式时，由于平板盖受力最差，受压后就产

22、生挠度，容易造成流体通道之间短路，影响传热效果，带来不良后果。因此平盖一般用于压力较低场合。为了提高螺旋板式换热器的耐压能力和密封性能，采用椭圆形端盖，其法兰、螺旋等计算参阅化工设备设计全书化工容器法兰的相关内容。对于大直径的螺旋板式换热器，为了保证密封板与螺旋端面紧密贴合，需要在椭圆形端盖内中心部分焊接一定直径的钢管，钢管直径最好在（0.250.35）Di以内（Di为螺旋体内径），在钢管另一端焊有金属压环，压环与密封板之间有一压环垫片，要求此垫片比法兰密封垫片薄0.5。当用螺栓拉紧椭圆端盖与筒体法兰时，焊接的钢管随之向下压紧在密封板上，这样密封板可收到一定压力，使密封更为可靠。这种结构的承压

23、能力比平盖形端盖高。但由于密封板与螺旋通道两端之间没有再安装垫片，加上机械加工时的尺寸误差等因素的影响，可能有的地方密封性差，以致使少量的地方有介质发生短路，使传热效率收到一定的影响。 （二）螺旋板式换热器的外壳螺旋板式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，有些制造厂的产品，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，就有一条纵向的角焊缝从在，由于角焊缝的强度不易保证，受力差，所以这种结构不能承受较高的压力。为了改善外壳与螺旋板的连接结构，提高外壳的承压能力，螺旋板式换热器外壳用两个半圆环组合焊接而成的圆筒，这种组合焊接的关键零件是连接板，连接板与螺旋板及外壳的

24、连接方法是先将螺旋板与连接板对接焊接，经过无损探伤合格后，再将两个半圆形的外壳与连接板焊接，焊接结构采用有衬板的对接焊缝。对接焊缝容易保证焊接质量，承受力较好，故这种连接牢固可靠，并避免了角焊缝，从而提高螺旋板式换热器的操作压力。外壳受内压或外压的圆筒强度计算，参阅化工设备设计全书化工容器有关章节。（三）螺旋板的刚度螺旋体是一个弹性体，对这样的弹性构件，当其受压时往往不是被压破而是被压瘪，故螺旋板的刚度是一个重要的问题。在实际生产中，当换热器两通道的压力差达到一定数值时，螺旋板可能被压瘪而产生失稳现象，使设备不能正常操作。用增加用增加板厚的方法提高螺旋板的刚度不是解决问题的最好方法。板厚增加使

25、卷制螺旋体对所需的功率增加，这是不经济的。所以现在普遍采用在两通道内安装定距柱并缩小定距柱（或定距泡）之间的距离，用增加定距柱（或定距泡）的数量的方法来提高螺旋板的刚度和承压能力，定距柱（或定距泡）既增加了螺旋板的刚度，又起到了维持通道宽度的作用。定距柱一般使用短圆钢条，定距泡是在螺旋板上冲出一泡，圆柱或泡大小视螺旋体通道的宽度而定，一般为520，定距柱的直径一般为1215，在卷制螺旋体以前就焊在钢板上。对于操作压力在0.3Mpa一下的换热器，因压力较低，板的应力和变形较小，故可不安置定距柱 。螺旋通道内布置定距柱（或定距泡）后，当流体流过时起到扰动的作用，提高了传热的效率。但定距柱过密，虽然

26、提高螺旋板的刚度，但会使流体阻力增大，沉淀物也不易清洗干净。目前采用的定距柱，其排列方式有两种，一种是按等边三角形排列，其间距常用的为80×80，100×100，150×150，200×200，这种排列可以安置较多的定距柱，另一种是按正方形排列，清洗较容易。考虑到两板的曲率半径不同，在相同的受力状态下，由于内圈螺旋体的曲率半径较小，按强度计算，板可以薄一些。从两通道的受力来说，压力大的通道钢板的厚度比压力小的通道钢板的厚度大。因此，可以用两块不同厚度的钢板来卷制螺旋体。但是，由于螺旋通道宽度一般为520，因此，两螺旋体的曲率半径相差不是很大，按温度计算的

27、两板厚度相差也就不大，只是当螺旋体直径大，所需板很长的情况下，用两张不同厚度的钢板卷制螺旋体才有意义。因为两板厚度不同，卷制时会使各板受力不均匀。基于以上原因，所以目前用来卷制螺旋体的两张钢板，其厚度通常选为一样。（四）进、出口接管布置对于不可拆式螺旋板式换热器一般在垂直于筒体的横截面安置一中心管，而螺旋通道的接管有两种布置形式，一种是接管垂直于筒体轴线方向。这种接管在流体进入螺旋通道时突然转90°.由流体力学可知，当流体流动方向有突变时，阻力较大。另一种接管布置成切向。这种布置在流体由接管进入通道时逐渐流入的，没有流动方向的突变，故阻力较小，而且还便于从设备中排除杂质，但加工比垂直

28、接管困难。上述接管的两种布置方法各有利弊，设计时按具体的情况选定。对可拆式螺旋板式换热器，要视具体要求来确定。3设计报告内容要求：设计一台螺旋板式换热器,将10%(质量分数)的盐酸水溶液冷却降温。3.1具体工艺参数处理量：水溶液流量:12000/h， 冷却水流量:20000/h降温要求：水溶液70403.2工艺操作条件换热器设计压力为0.45MPa，冷却水入口温度20，逆流操作。3.3结构示意图图3.1螺旋板式换热器结构示意图3.4结构及换热原理螺旋板式换热器由两块平行的钢板在专用卷床上制成。每块钢板被同时绕成螺旋形状，并形成两个同心通道，各通道为环状的单一通道,其截面为长方形，进出口接管分别

29、装于两通道的边缘端(示意图)。其介质流动为全逆流，10%(质量分数)的盐酸水溶液由换热器的中心进入，从里向外流动。冷却水由螺旋板式换热器的周边向里流动，成逆流流动。两液体在流动的过程中进行换热而达到工业要求。4螺旋板式换热器的设计计算4.1传热工艺计算67 传热量Q已知水溶液的流量为1=12000/h=3.3333s，入口温度T1=70，出口温度T2=40，定性温度：TC=（T1+ T2）2=（70+40）2=551=0.598×10-3Pa·S在此定性温度下，水溶液的物理参数10为1 =1033m3CP1=3486J（·）1=0.322W(m·K)同V

30、1=W11=3.33331033=0.0032 m3s将已知数据代入计算公式Q= W1 CP1（T1 T2）=3.3333×3486×（7040）=348596 W冷却水的出口温度t2=t1+ Q(W2CP2)已知t1=20， CP2=4186 J（·），W2=20000/h=5.5556s。将已知数据代入上式得t2=20+348596(5.5556×4186)=35定性温度tc= (t1+ t2)2=（20+35）2=22.5在此定性温度下，由手册查得水的物理参数为2=0.9469×10-3Pa·S2 =997.65m3CP2=41

31、82J（·K）2=0.6051W(m·K)则 V2=W22=5.5556997.65=0.0056 m3s螺旋通道截面积与当量直径de的计算（1）水溶液（热程）通道 设水溶液的流速为： 1=0.5ms通道的截面积F1为 F1= V11=0.00320.5=0.0064选螺旋板宽度 H=0.85m通道宽度 b1= F1H=0.00640.85=0.0075m则当量直径de1=2 H b1（H +b1）=2×0.85×0.0075（0.85+0.0075）=0.0149m（2）水（冷程）通道设计的流速为 2=1.2ms 通道的截面积F2为 F2= V22=0

32、.00561.2=0.0047通道宽度 b2= F2H=0.00470.85=0.0055m通道当量直径 de2=2 H b2（H +b2）=2×0.85×0.0055（0.85+0.0055）=0.0109m雷诺数Re和普兰特数Pr（1）水溶液（热程）通道Re= de11 11 代入已知数据Re1=0.0149×0.5×1033（0.598×10-3）=12869Pr1= CP111 代入已知数据Pr1=3486×0.598×10-30.322=6.474（2）水（冷程）通道 代入已知数据Re2=0.0109×1

33、.2×997.65（0.9469×10-3）=13781Pr2=4182×0.9469×10-30.6051=6.544给热系数的计算由于是液-液传热，两种介质的雷诺数Re均大于4000，即在湍流范围内，故用下面公式计算：=0.023de（1+3.54 deDm）Re0.8Prm（1）热程通道设中心管直径 d=200mm螺旋体外径 D0=600mm平均直径 Dm=（d+ D0）2=（200+600）=400=0.4m对被冷却介质 m=0.3将已知数据代入计算公式h=0.023×0.3220.0149×(1+3.54×0.01

34、49/0.4)×128690.8×6.4740.3=1910.64W(m2·)(2)冷程通道对被加热介质 m=0.4c=0.023×0.60510.0109×(1+3.54×0.0109/0.4)×137810.8×6.5440.4=6079.74W(m2·)总传热系数K应用由串联热阻推导出的公式计算1/K=1h+/+1c+1+2K=1/(1h+/+1c+1+2 )螺旋板为不锈钢，板厚 =2，导热系数 =17.4 W(m·)污垢热阻选 1=2=0.86×10-4 m2·W将

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·) 对数平均温度差tm流体流动方向为全逆流操作tm =（T1- t2）-(T2- t1）/（T1- t2）/(T2- t1）已知 T1=70 ，T2=40，t1=20，t2=35。代入计算公式tm =（70- 35）-(40- 20）/（70- 35）/(40- 20） =15/1.75=26.80 传热面积F 已知传热量 Q=348596W由传热方程式 Q= KFtm F=Q/Ktm将已知数据 Q、K

36、、tm 代入上式 F=348596/(1025.84×26.80)=12.68m2 螺旋通道长度L=F（2H） H=0.85m L=12.68(2×0.85)=7.46m 螺旋圈数n与螺旋体外径D0 前述已选螺旋中心直径d=0.2m，板厚=0.002m，L=7.46m，b1=0.0075m，b2=0.0055m不等通道宽度的螺旋圈数按下式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圈螺旋体外径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前面假设的螺旋体外径 D0=0.6m计算与假设之值两者相差为（）0.6=0.233 即23.3计算值与假设值相差甚远。返回步骤5重选螺旋体外径进行计算。(1)给热系数的计

38、算热程通道设中心管直径 d=200螺旋体外径 D0=480平均直径 Dm=（d+ D0）2=（200+480）=340=0.34m对被冷却介质 m=0.3将已知数据代入计算公式h=0.023×0.3220.0149×(1+3.54×0.0149/0.34=1949.93W(m2·)冷程通道 对被加热介质 m=0.4c=0.023×0.60510.0109×(1+3.54×0.0109/0.34)×137810.8×6.5440.4=6174.13W(m2·)(2)总传热系数K 应用由串联热阻推导

39、出的公式计算 1/K=1h+/+1c+1+2 K=1/(1h+/+1c+1+2 )螺旋板为不锈钢，板厚 =2，导热系数 =17.4 W(m·)污垢热阻选 1=2=0.86×10-4 m2·W将 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)对数平均温度差tm 流体流动方向为全逆流操作tm =（T1- t2）-(T2- t1）/（T1- t2）/(T2- t1）已知 T1=70 ，T2=40，t1=20，t2=3

40、5.代入计算公式tm =（70- 35）-(40- 20）/（70- 35）/(40- 20） =15/1.75=26.80(4) 传热面积F 已知传热量 Q=348596W由传热方程式 Q= KFtm F=Q/Ktm将已知数据 Q、K、tm 代入上式 F=348596/(1039.77×26.80)=12.51m2(5) 螺旋通道长度L=F（2H） H=0.85m L=12.51(2×0.85)=7.36m(6) 螺旋圈数n与螺旋体外径D0 前述已选螺旋中心直径d=0.2m，板厚=0.002m，L=7.36m，b1=0.0075m，b2=0.0055m不等通道宽度的螺旋圈

41、数按下式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圈螺旋体外径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前面假设的螺旋体外径 D0=0.48m 计算与假设之值两者相差为（0.48-0.46）0.48=0.042 即 4.2说明所设的螺旋体外径是可行的。4.2 流体压力降P计算由于螺旋板换热器流体压力降的计算没有一个较准确的公式，本设计选用两种公式进行计算，以便于比较。 按直管压力降计算公式 用螺旋通道的当量直径de代替管径，并考虑介质粘度的影响，用式P=2fL2（w）0.14de 计算由图f-Re的曲线查的热程摩摖系数 f=0.009冷程摩摖系数 f=0.0085为求壁温下之黏度w，需按下式求出壁温的大小tw=tc+h

43、（Tc-tc）（h+c）将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时之黏度w1=0.968×10-3Pa·S w2=0.796×10-3Pa·S（1）热程（水溶液）通道的压力降 将已知数据 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）冷程通道压力降将已知数据 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 按大连理工大学等单位推荐公式计算4由于液-液热交换，故按下面的公式计算通道和进出口的压力降P=Lde×0.365Re0.25+0.0

45、153Ln0+422设定距柱间距 t=80，则n0=181个m2螺旋通道长度 L=7.36m（1）热程通道压力降Ph=7.360.0149×0.365128690.25+0.0153×7.36×181+4×1033×0.522=45334 Pa（2）冷程通道压力降Pc=7.360.0109×0.365137810.25+0.0153×7.36×181+4×997.65×1.222=47.129×718.308=33853 Pa由以上两种压力降的计算看出第一种方法，没有考虑定距柱和进、出

46、口局部阻力的影响因素值。而第二种方法的计算考虑了定距柱和进出口局部阻力的影响，所以第一种方法计算的压力降比第二种计算的小，即说明后一种方法考虑的因素比较全面。4.3 螺旋板的强度、挠度计算与校核 强度计算9 按公式 PD=0C2t2 进行计算已知D0=0.48m，H=0.85m，=0.002m换热器的操作压力 P=0.45Mpa其设计压力 PD=1.1P=1.1×0.450.5 Mpa螺旋板材料选0Cr18Ni9 其S=205 Mpa= SnS， nS=1.6则 = 2051.6 =128.1 Mpa曲率影响系数0=1+0.96×（1.28-2R）=1+0.96×

47、（1.28-2×0.24）=1.768定距柱的间距t按式子 t（0C2PD）12当采用定距柱时，C=4.7将已知数据代入上公式 t（1.768×4.7×0.22×128.10.5）1292.3当采用定距泡时，C=5.36t（1.768×5.36×0.22×128.10.5）1298.5由上面计算可知，在计算压力降时所设之定距柱间距80均小于计算值，所以是合理的，故定距柱取t=80。 螺旋板的挠度=012Pt4（1-2）E3已知E=2.03×105 Mpa，=0.3，P=0.5 Mpa对于定距柱 0=0.00638对

48、于定距泡 0=0.00681采用定距柱时，板产生的挠度=0.00638×12×0.5×0.084（1-0.32）2.03×105×0.0023 =8.79×10-4m =0.879采用定距泡时，板产生的挠度=0.00681×12×0.5×0.084（1-0.32）2.03×105×0.0023 =9.38×10-4m =0.938说明采用定距泡时挠度大于定距柱时的挠度。 按“计算法”校核螺旋板式换热器的稳定性2根据已知数据，板宽H=0.85m，板厚=0.002m螺旋板曲率半径

49、 R=D02=0.24m按公式 t=1.76（H2R）14 计算定距柱间距，即 t=1.76×（0.852×0.24×0.002）14 =0.24m=240由强度计算，取 t=80所以 t>t，在此条件下，选用公式PK= E2.14（t）2+0.763×10-2×t6（R2H4）R 计算临界压力将已知 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 将PK=2.267 Mpa 代入式子P= 2.2673= 0.756 Mpa已知设备的设计压力为 PD=0.5 Mpa由于 PD=P，故设备稳定，操作安全。4.4螺旋板式换热器的结构尺寸3 本设计进行热交换的介质为含有盐酸10%（质量分数）的水溶液。由于此水溶液有腐蚀性，因此，螺旋板换热器的各部件选用不锈钢0Cr18Ni9材料。由于是液-液热交换，所以按不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：水溶液由中心管进入，沿螺旋流向外周排出，冷却水从外周流向中心排出，两流体呈螺旋流动，逆流操作。密封结构 螺旋通道采用垫入圆钢条焊接密封。由计算得出，热程（水溶液）通道宽度为b1=0.0075m=7.5，冷程（冷却水）通道宽度b2=0.0055m=5.5，两通道宽度相差只有2（如选择标准形式，可以选通道宽度10