螺旋板式换热器主要由板材

1、第一章引言螺旋板式换热器主要由板材、接管、密封板组成，结果简单，材料利用率高。 结构上分为可拆式和不可拆式螺旋板两种。流体在Re500时可达到湍流状态，因此比管壳式换热器传热效率高 1倍以上。且螺旋板式换热器本适用于液-液， 气-气，气-液对流传热也可用于蒸汽冷凝和液体蒸发传热。螺旋板换热器结构是 由两张钢板卷制而成，形成了两个均匀的螺旋通道，两种传热截止可进行全逆流 流动，适用小温差传热，便于回收低温热源并可准确地控制出口温度。 而且在壳 体上的接管是切向结构，局部阻力小，螺旋通道的曲率是均匀的，流体在设备内 流动没有大的换向，总的阻力小，因而可提高设计流速使之具备较高的传热能力。其优点是：

2、 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180 m2/用； 结构可靠； 不易污染； 成本低； 适用温度可达300E，压力可达2.5MP; 适用于化工、较轻介质场合。螺旋板式换热器主要特点： 传热效果好。 传热系数最高能达到3300W/( m2 K),是列管式换热器的23倍。 低温热回收率高。 工作介质在设备内是全逆流进行换热的，加上流程长，在低温热能的余热回收工艺中效果很好。 运行安全可靠。不可拆式的介质通道以焊接密封，有效保证两种介质不混 合。 运行阻力小。流体通道可据工艺单独设计，压力损失小。 自清力强。介质通道为螺旋形，没有流通死角，允许流速高，不易结垢。近年

3、来，螺旋板换热器在技术和质量方面都有了很大的发展。螺旋板式换热 器的螺旋板均采用整张优质卷板料卷制， 螺旋体中无拼接焊缝，螺旋体卷制采用 特制的回点，螺旋线芯模曲率均匀拐点圆弧过渡无应力集中，独到的卷制技术能够有效地避免螺旋体内的各种加工缺陷，从而确保两通道介质不出现因加工制造 带来的内部窜漏的隐患。特别是不锈钢系列螺旋板式换热器， 对其两通到内设置 的定距柱采用先进的碰焊技术，定距柱采用精致机加工成形。这一新技术的应用 即提高了定距柱排布的精确度，又提高了定距柱与螺旋般的焊点牢固性， 显著地 改善了螺旋板体的整体刚度和稳定性27。根据设计题目，压缩机出口水冷气设计。考虑压缩机出口的气体水煤气

4、由 80摄氏度冷却到35摄氏度，温差为45摄氏度，并不是很大，因此可以考虑最 常用管壳式换热器和螺旋板式换热器。 其中管壳式换热器应用最为广泛，因它具 有结构坚固、操作弹性大、可靠程度高使用范围广等优点，但在换热效率设备的 体积和金属材料的消耗等方面都不如螺旋板式换热器。基于以上螺旋板换热器和管壳式换热器的比较以及螺旋板换热器的优点，决定采用螺旋板换热器。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，可分为可拆式和不可拆式两种。由于螺旋板式 换热器不能进行机械清洗，虽然生产实践证明，螺旋板式换

5、热器与一般列管式换 热器相比是不容易堵塞的，尤其是泥沙、小贝壳等悬浮颗粒杂质不易在螺旋通道 内沉积，分析其原因；一是因为它是单通道杂质在通道内的沉积，形成周转的流把它冲掉，二是因为螺旋通道内没有死角，杂质容易被冲出。但长时间应用应会 使螺旋板换热器内积留杂质。而不可拆式换热器不便于清洗，因此本设计为半可 拆式换热器，即一端面采用焊接密封，而另一端面采用的密封采用端盖加垫片的 密封结构，螺旋体内可由上端面进行清洗。 螺旋通道的端面是焊接密封的，密封 性能好，结构可靠。由于螺旋板式换热器不易检修，尤其是内部板出现问题时极难修理，有些 厂把设备两端焊缝全部车掉，重新将板展平补焊后再卷制，这样做消耗的

6、工时太 大，因此螺旋板换热器的防腐是十分重要的。 根据热交换气体水煤气的成分可选 换热器的材料为16MnR.。在进行螺旋板式换热器的结构设计中， 密封结构的设计是至关重要的，密封 结构的好坏，直接影响到螺旋板换热器能是否正常运转。即使微小的泄漏使两流 体相混，也使传热不能正常运行。所以密封结构的设计是一个很重要的问题。 在 此螺旋板换热器中计划采用两种密封结构形式，即焊接密封和垫片端盖密封。第二章设计要求设计一台螺旋板式换热器，将20m3/h的水煤气从80C冷却到35C。冷却水的入 口温度为20 C,冷却水量为30m3/h，换热器设计压力为0.4MPa.第三章传热工艺的计算3.1传热量Q的计算

7、3.1.1热程的物性参数3已知水溶液流量为V=.056m /s ,入口温度T1=80C；出口温度T2=35C，定性温度Tc=T1 T22=80 35 =57.5 C2在此定性温度下，气体的物理参数查表如下：H2COCO2N2CH450.237.56.55.50.3表3-1水煤气的各组分体积百分数气*10A7cal/cm.s.cCp(比热 *10A7g/(cm.s)体容)Kcal/KmolcH26.949564528CO6.95196680.5气九 *10A7cal/cm.s.cCp(比热*10A7g/(cm.s)体容)Kcal/KmolcCO29.46169451.7N27.03_192062

8、5CH47.021212849表3-2水煤气的物性参数则混合气体的比热容公式为:Cp (t)=刀 yi*Cp(t)(3-1)CP1=6.94*0.502+0.375*6.95+9.46*0.065+7.03*0.055+7.02*0.003=3.48+2.61+0.61+0.39+0.02=7.11Kcal/(Kmol.c)7.11*4186.8=29768J/Kg.K混合气体的黏度公式为：1二=yZWMi2(3-2)、yi* Mi2J1 =1 1 1 1 10.052*956*2 2 0.375*196*28 2 0.065*169*44 2 0.055*1920*28 2 1212*0.0

9、03*16 21 1 1 1 10.502*2 2 0.375*28 2 0.065*44 2 0.055*28 2 0.003*162=678.70 388.92 72.87 558.78 14.540.71 +1.98 +0.43 +0.29+0.012= 500.82*10 ( *9.8= 0.49*10 ( Pa.s混合气体的传热系数计算公式为1(3-3)S* 対(t)* Mi3 = 1 yiMi310.502*4528*2 30.375*680.5*2811 1 1 130.065*451.7*44 30.055*625*28 3849*0.003*16 311110.502*2 3

10、0.375*28 30.065*44 30.055*28 30.003*16 32863.87 774.90103.65 181.895 6.420.63 1.34 0.23 0.29 0.761572.3 _ “门=*1.16336000=0.508W/m.C混合气体的密度:r =0.15+1.55+0.42+0.23+0.007=2.357Kg/ m3贝U 气=0.498*10 (J3) Pa.sA =2.357Kg/ m3CP1 =29768J/Kg. C人=0.51W/mC介质受到单独加热或冷却而不发生相态变化时，介质所放出或吸入的热量。 热源体放出的热量(3-4)CP1(T1 _T2

11、)Q=W将已知数据代入计算公式Q=WCP1 (T1 -T2)=0.0056*2.357*29768*(80-35)=17681W3.1.2冷程的物性参数冷却水的出口温度t2 = t| +CP1W2(3-5)已知匕=200 , Cp2 =29768J/(kg. C ),V2 =0.0083m3/s将已知数据代入上式得17681t2=20+*1000*297680.0083=46C定性温度tc(ti t2)2(3-6)= (20 +46)2=33C在此定性温度下，由手册查得水的物理参数为 =0.723* 1O(J3) Pa.s3r2=995.3kg/ mCP2=4186J/kg. C2=0.622

12、W/m.E3.2螺旋通道截面积与当量直径de的计算3.2.1水溶液（热程）通道对于可拆式螺旋板换热器通道中的流速计算公式为W = VF设水溶液的流速为：(3-7)W =0.65m/s通道的截面积F1为VFi w= 0.00560.65=0.0085 m2选螺旋板宽度H=0.9m通道宽度(3-8)F1H(3-9)0.00850.9=0.0094m螺旋板式换热器的通道为矩形截面，而现在的一般计算公式是基于圆形截面 的通道，故用通道当量直径代替公式中直径，以简化计算。则通道当量直径(3-10)(3-11)F de = 4r = 4 mB介质自由截面即矩形通道截面积F=Hb m2浸润周边B=2(H+b

13、) m(3-12)将式（3-9 ）和（3-11）代入（3-10 ）得(3-13)门2Hb1de ：(H b1)=2*0.9*0.0094=(0.90.0094)=0.0186m3.2.2 水（冷程）通道设水的流速为通道截面积F2通道宽度通道当量直径W2=1.25m/sV =W2 =0.0083 1.25 =0.0092 m20.00920.9=0.0102mde2 口2Hb2(H b2)2*0.9*0.0102(0.90.0102)=0.0202m3.3雷诺数Re和普兰特数Pr通过计算雷诺数Re勺大小，可以判断介质流动的状态，确定为 湍流或层流, 以便选择相应传热系数的计算公式3.3.1水溶液

14、（热程）通道RedeWi ri(3-14)代入已知数据Re1 =0.0186*0.65*2.3570.49*10 (J3)=58(3-15)代入已知数据Pr1 =29768*0.49*10 (J3)0.65=22.443.3.2 水(冷程)通道代入已知数据得厂 0.0172*1.25*995.3Re2= (A)0.723*10() =31220m 4186*0.723*10 心P =0.622=5.43.4给热系数的计算构成传热面的螺旋体通道，考虑到螺旋板式换热器的强度和刚度，并使其传热效率好，通常在螺旋板上安装一定数量的定距柱（或定距泡）。由于通道不是直线状的而是螺旋状，因此，通道给热系数的

15、计算就要考虑到上述情况。 由于 介质是对流传热，而对流传热的关键是通道中介质的流动状态， 当介质的扰动越 激烈时，传热效果越好。介质在通道中扰动的激烈程度与介质的流速、物理性能及通道几何形状有关，这些关系用一个相似准数雷诺数来表示。在圆形截面的直 管中，当雷诺数Re=10000寸介质为湍流状态，这个称为临界雷诺数。但对螺旋 板式换热器，它的通道为矩形截面，在这种情况下的雷诺数是多少呢？从已发表 的文献资料来看，对达到湍流是临界雷诺数的大小有不同得看法。目前来说，很难准确地给出一个达到湍流时的临界雷诺数。近年来，我国一些研究单位用 Diltus-Boelter 公式计算湍流状态下的给热系数，临界

16、雷诺数按 算结果与实验结果相似，因此，推荐湍流状态下的临界雷诺数按Re=600Q 其计Re=600Q由于是气-液传热，两种介质的雷诺数Re均大于6000,即均在湍流范围内, 故用下面的公式计算0.23* (1 3.54 de)Re0.8 PrmDmde(3-16)3.4.1热程通道设中心管直径d=200mm螺旋体外径D0 =700mm平均直径Dm 二(d D)2 =450mm =0.45m对被冷却介质m=0.3将已知数据代入计算公式:k=30*(13.54* 嗨)*58 0F2.44 0.30.0186=0.023*34.95*1.132*25.7*2.50.5=58.46W/(3.4.2冷程

17、通道对被加热介质m=0.40.650.0202o 8 o 4:c =0.023* *(13.54* )*31220 . 5.4 .0.02020.5=0.023*32.18*1.14*3940*1.9632=6526Wm C)3.5总传热系数K应用由串联热阻推导出的公式计算11 1(3-17)二 r2Kh-c1、1亠 亠r1r2h：c螺旋板为不锈钢，板厚、:=2mm 导热系数丸=17.4W/(m. C)污垢热阻选r1 = r2= 0.86*10 口2. C/Wr1和d代入公式K=58：6 需 65；6 O.86*10。86*10(=57.33W/( m2. C)3.6螺旋板换热器的对数平均温度

18、差tm为了提高螺旋板换热器的传热效果，在介质流向的选择上，通常采用全逆 流操作。如以这种换热器形式来分析 ，对于我设计的半可拆式螺旋板换热器属 于错流操作。因此，对数平均温差的计算按逆流和错流的计算。流体流动方向为全逆流操作其对数平均温差公式为T2 -t1(3-18)已知 =800,T2=35 , 1=200,t2=46C代入计算公式,(80 -46)-(35 -20),(80 -46)ln(35 -20) 19In 2.7=23.17 03.7传热面积F已知传热量Q=17681W由传热方程式Q=KF tmF=将已知数据QF=Q Kt厶怙代入上式17681,*23.1757.33(3-19)=

19、13.30m2为了保证传热效果，考虑到换热器的热损失，则实际所需面积为理论计算传热面积的（1.11.2）F所以其实际传热面积为F=14.63m23.8螺旋通道长度L2H式中H为有效长度H=0.9m求出螺旋板式换热器的传热面积，螺旋板的长度以及螺旋板有效宽度后,就可以求得螺旋圈数。,14.63L=2*0.9=8.13m3.9螺旋圈数n与螺旋体外径D0选螺旋板中心d=0.2m,板厚 =0.002m,L=7.4m,b1=0.0094m,b2=0.0087m不等通道螺旋圈数按下式- (don=)2 二咛 4f b 2)b| b2 2(3-20)bi - b?式中d02cc 0.0094 0.0087=

20、0.2+ 2 =0.2004m b1+b2+2:=0.0094+0.0087+2*0.002 =0.0221代入上式得0.2004 +0.20042 +4*8.13* 0.0221n=3.140.0221=13.47 圈Do =d (bt,在此条件下，选用公式计算临界压力Pk = ER-2.14*(、；2(t6t) 0.763*10*(r2*h4)(5-5)将已知E 、 R t H各值代入上式计算临界压力5Pk = 2.。3*10*。.。020.352.14*(60.002 2(2)*/0.08)0.763*10*(24)0.080.35 *0.9=1.55MPap=弘m=Pk3将pk=1.5

21、5MPa弋入上式p=1.553=0.52Mpa已知设备的设计压力为P=0.4Mpa由于pp,故设备稳定，操作安全第六章螺旋板式换热器的结构尺寸本设计进行的热交换介质为水煤气和工业水。由于水煤气有腐蚀作用，因此, 螺旋板式换热器的各部件选用不锈钢 0Cr18Ni19材料。由于是气-液换热器，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：水煤气由中心管进入，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。6.1密封结构螺旋通道采用垫入圆钢条焊接密封。封头的一端面采用焊接密封，而另一端面采用的密封是端盖加垫片的密封结 构。由计算得出，热程（水煤气）

22、通道宽度为 b1 =9.4mm冷程（冷却水）通道宽 度b2=10.2mm两通道宽度相差只有0.8mm因此选择通道宽度为10m的半可拆式 螺旋板换热器。6.2定距柱尺寸按螺旋板通道宽度bi和b2决定，因选通道宽度10m的标准型螺旋板换热器 可选直径为10mm长为12m的圆钢条作定距柱，所以定距柱的长度为 12mm 定距柱按等边三角形排列。6.3换热器外壳采用两个半圆对接焊结构，外壳主要承受内压作用，其厚度按承受内压得 圆筒计算，即按下式计算(6-1)= () C已知设计压力p=0.44MPa 圆筒半径R=350mm壁厚附加量e=0,壳体材料选16MnR ob=520MPa a =205MPa n

23、 b=3, n s=1.6二=(6-2)= 5203=173.3MPa二=二足= 2051.6=128.1MPa(6-3)取二=128.1MPa壳体与连接板的连接采用单面V形坡口对接焊缝，：=0.85 将上述各数据代入计算公式 = 0.44*350128.1*0.85=1.41mm选不锈钢板厚为3mm.6.4进出口接管直径d中心管采用垂直于螺旋板式横断面的结构，螺旋通道的接管, 量，也采用垂直接管。由传热工艺计算可知热程（水煤气）通道截面积F1 =0.0085mA2冷程（冷却水）通道截面积为了减少加工F2 =0.0092mA2设管内流量与通道内流量相等，亦即它们的截面积相等。热程（水煤气）通道

24、的接管直径为4*0.0085=0.104m=104mm108*4选108*4的不锈钢管，配管法兰为平焊法兰 PN0.6，DN100 冷程(冷却水)通道的接管直径为选 108*44* F2d2 =兀4*0.092 Ji=0.1m=100mm的不锈钢管，配管法兰为平焊法兰 PN0.6, DN1006.5中心隔板尺寸螺旋板为不锈钢板，厚度;=8，长度H=900mm. 中心隔板的宽度为,g +b2)B。= d -、-2代入已知数据ccc rc (9.4+10.2).Bo =200 - 2=200-10.8=189.2=190mm中心隔板的高度等于螺旋板的宽度。(6-4)6.6水压试验压力水压试验时应力

25、校核按GB150-1998钢制压力容器 水压试验压力Pr 叫(6-5)本设计p=0.44MPac=汀=128.1MpaFT = 1.25*0.44*=0.55Mpa128.1128.1在此试验压力下，壳体所产生的应力按下式校核(6-6)_ _PT【Di (C)-T =2*(_C): v=0.9 crS已知：Di =700mm； =3mm,C=0, 代入上面公式=0.625*(700 +3)T =(2*3*0.85)=86.15MPa0.9r s =0.9*205=184.5Mpa匚T 0.9 ；s,满足强度要求6.7螺旋板换热器个设计参数如下:换热面积F=13.30 m2螺旋板长度L=7.4m

26、螺旋板宽度H=90mm螺旋体外径D0=700mm螺旋通道宽度热程螺旋通道bi=10mm冷程螺旋通道b2=10mm螺旋板厚度心=2mm螺旋中心直径d=200mm定距柱间距t=80mm定距柱数n=181个/ m2热程进出口管啊08*4不锈钢管，冷程进出口管巾108*4不锈钢管6.8螺旋板换热器的封头设计平盖厚度计算是以圆平板应力分析为基础的。在理论分析时平板的周边支撑 被视为固支或简支，但实际上平盖与圆筒连接时，真正的支撑既不是固支也不是 简支，而是介于固支与简支之间。因此工程计算时常采用圆板理论为基础的经验公式。所以封头可设计为图6-1上端盖封头设计示意图图6-2封头中垫片示意图因平板与筒体连接

27、结构形式和筒体的尺寸参数不同，平盖的最大应力即可能 出现在中心部位又可能在平盖与筒体的连接部位，但都可表示为亠 D 2Sax =_Kp(f)其中代入数据得% =0.44*0.44* ?*（警）236=95.60MPa二=128.1MPa所以 二max讥二6.9支座的设计垫板支柱底板图6-3支座示意图图6-4底板示意图图6-5支柱示意图6.10支座的校核经过计算得出：筒体重为 中心隔板重为 螺旋板重为 接管总重为 管法兰总重为 总重47Kg11.3Kg 3.5Kg 4.88Kg25.92Kg92.6Kg支柱选角钢支柱三根角钢支柱可承受重量为 382.2Kg远远大于螺旋体换热器的总 重因此可以承受

28、。结语本文首先对换热器的分类、各自的用途、研究重点、研究方向作了简单的介绍，并重点介绍了螺旋板式换热器的优缺点和设计要点、设计方法；随后根据已知条件计算了所设计的换热器的传热工艺计算部分，主要是热程通道和冷程通 道中的传热计算，螺旋通道的计算、传热面积的计算、螺旋通道长度的计算及螺 旋圈数与螺旋体外径的计算；然后进行了流体的压力降计算；之后进行了螺旋板 的强度、挠度计算与校核。最后进行螺旋板式换热器的结构尺寸设计，在结构设 计计算中，首先计算并校核了筒体壁厚，然后是进出口接管的设计，其后是中心 隔板的设计计算，接下来是封头的设计及校核，最后进行了支座的尺寸设计与校 核。参考文献1 钱颂文，廖景

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