【文章內(nèi)容簡介】 前蘇聯(lián)延安大學畢業(yè)設計（論文） 7 等國也相繼設計制造出同類產(chǎn)品。日本的螺旋板式換熱器制造是在二次世界大戰(zhàn)后星期的，各公司都制定了自己的系列標準。前蘇聯(lián)在 1966 年頒布了螺旋板式換熱器的國家標準 TOCT 206766。 我國從 20 世紀 50 年代開始在化工領域使用螺旋板式換熱器，并進行了仿造。到60 年代中期，由于采用了卷床卷制，提高了產(chǎn)品質(zhì)量并能批量生產(chǎn)。 1970 原一機部通用機械研究所、蘇州化工機械廠開始進行標準化、系列化工作，隨后與原大連工學院協(xié)作對螺 旋板式換熱器的傳熱和流體阻力進行了系統(tǒng)的研究。 1973 年原一機部制定標準JB 128773，并由原一機部通用機械研究所負責編制了“螺旋板式換熱器圖紙選用手冊”，對螺旋板式換熱器的應用和推廣起了很大的推動作用。 隨著原南京化工學院和廣西大學在螺旋板式換熱器強度和剛度研究的進展，螺旋板式換熱器的設計更加系統(tǒng)化。 20 世紀 80 年代末至 90 年代中期，機械工業(yè)部合肥通用機械研究所先后制定了 JB/TQ 72489《螺旋板式換熱器制造技術條件》、 JB 53012《螺旋板式換熱器制造質(zhì)量分等》、 JB/T 4723《不可拆 螺旋板式換熱器型式與基本參數(shù)》、 JB/T 6919《螺旋板式換熱器性能試驗方法》，形成了我國螺旋板式換熱器的整個體系框架。1991～ 1997 年機械部合肥通用機械研究所，蘇州化工機械廠聯(lián)合完成了基金課題“大型可拆螺旋板式換熱器的研制”，將我國螺旋板式換熱器的水平推上了一個新的臺階。即將頒布的綜合性行業(yè)標準《螺旋板式換熱器》標志著我國螺旋板式換熱器的設計、制造、檢驗與驗收更加規(guī)范化。 1997 年由機械工業(yè)部組織實施了全國螺旋板式換熱器的首次質(zhì)量監(jiān)督檢查。這次螺旋板式換熱器產(chǎn)品質(zhì)量統(tǒng)檢反映了我國螺旋板式換 熱器生產(chǎn)的節(jié)本格局。江蘇省是我國螺旋板式換熱器生產(chǎn)最密集的地區(qū)。其中蘇州化工機械廠擅長生產(chǎn)可拆螺旋板式換熱器，是我國加工螺旋板設備最完善的企業(yè)；無錫雪浪鉚焊廠擅長生產(chǎn)酒精、溶劑、變壓器油冷卻、重油加熱系統(tǒng)的螺旋板式換熱器換熱器；無錫市換熱器廠擅長生產(chǎn)制藥、雙氧水領域的螺旋板式換熱器。而廣東佛山化工機械廠擅長生產(chǎn)燒堿領域螺旋板式換熱器；北京四季青換熱器廠擅長生產(chǎn)采暖供熱，油田領域的螺旋板式換熱器。在我國使用院旋扳式換熱器是從五十年代中期開始，當時主要用于燒堿廠中的電解液加熱和濃堿液冷卻。六十年 ,我國機械制造部 門設計、制造了卷制螺旋扳的專用卷床，使卷制的工效提高了幾十倍，為推廣應用螺旋板式換熱器創(chuàng)造了良好的條件。自 1968 年第一機械工業(yè)部在蘇州召開的螺旋板式和固定管板式換熱器系列審交會議后，國內(nèi)已有計多家制造廠生產(chǎn)了這種換熱器，在我國得到了迅速推廣應用 [4]。 螺旋板換熱器的優(yōu)缺點 （ 1） 傳熱效率高 第一章 緒論 8 由于螺旋板換熱器具有螺旋通道，流體在通道內(nèi)流動，在螺旋板上焊有保持螺旋通道寬度的定距柱或沖壓出的定距泡，在螺旋流動的離心力作用下，能使流體在較底的雷洛數(shù)時發(fā)生湍流?？紤]到壓力降不致過大，所以合理地選擇通 道寬度和流體流速是較重要的，設計時一般可選擇較高的流速，這樣可使流體分散度高，接觸好，有利于提高螺旋板換熱器的換熱效率。 （ 2）能有效地利用流體的壓頭損失 螺旋板式換熱器中的流體，雖然沒有流動方向的劇烈變化和脈沖現(xiàn)象，但因螺旋通道較長，螺旋板上又焊有定距柱，在一般情況下，這種換熱器的流體阻力比管殼式換熱器更大一些，但它與其它類型的換熱器相比，由于流體在通道內(nèi)是作均勻的螺旋流動，其流體阻力主要發(fā)生在流體與螺旋板的摩擦上，而這部分阻力可以造成流體湍流。因此相應地增加了給熱系數(shù)，這就說明了螺旋板換熱器能更有效 的利用流體的壓頭損失。 （ 3）不易污塞 在螺旋板換熱器中，由于介質(zhì)走的是單一通道，而它的允許速度可以比其它類型的換熱器高污垢不易沉積，如果通道內(nèi)某出沉積了污垢，則此處的通道截面積就會減小，在一定的流量下，如截面積減小，局部的流速就相應的提高，對污垢區(qū)域起沖刷的作用，而在管殼式換熱器中，如果一根管子有污垢沉積，此管的局部阻力增大，則流量受到限制，流速降低，介質(zhì)就向其它換熱管分配，使換熱器內(nèi)每根管子的阻力重新平衡，使得沉積了的污垢的管子的流速越來越低，越易沉積，最后完全堵死。 （ 4）能利用低溫熱源，并能精確 控制出口溫度 為了提高螺旋板換熱器的傳熱效率，就要求提高傳熱推動力。當兩流體在螺旋通道內(nèi)采用全逆流操作時，則兩流體的對數(shù)平均溫度差就較大，有利于傳熱。從換熱器設計中采用的經(jīng)驗數(shù)據(jù)進行分析，螺旋板換熱器允許的最小溫差為最低。在兩流體溫差為 3度情況下仍可以進行熱交換。 螺旋板換熱器具有兩個較長的均勻螺旋通道，介質(zhì)在通道中可以進行均勻的加熱和冷卻，所以能夠精確地控制其它出口溫度。 （ 5）結(jié)構(gòu)緊湊 一臺直徑為 ，寬為 的螺旋板換熱器，其傳熱面積可以達到 200 平方米，而單位面積的傳熱面積約為管 殼式換熱器的三倍。 （ 6）密封結(jié)構(gòu)可靠 目前使用的螺旋板換熱器兩通道一般采用焊接密封。所以只要保證焊接質(zhì)量，就能保證兩介質(zhì)之間不會產(chǎn)生泄露。在螺旋板換熱器內(nèi)的的介質(zhì)與大氣的密封是采用法延安大學畢業(yè)設計（論文） 9 蘭連接密封結(jié)構(gòu)。這種密封方法是很可靠的。 （ 7）溫差應力小 螺旋板換熱器的特點的允許膨脹，由于它有兩個較長的螺旋形通道，當螺旋體受熱或冷卻后，可像鐘表內(nèi)發(fā)條一樣伸長或收縮。而螺旋體各圈之間都是一側(cè)為熱流體，另一側(cè)為冷流體，最外圈與大氣接觸。在螺旋體之間的溫差沒有管殼式換熱器中的管子與殼體之溫差那樣明顯，因此不會產(chǎn) 生大的溫差應力。在國內(nèi)外使用的螺旋板換熱器實列中使用在兩介質(zhì)溫差很大的場合。還未發(fā)現(xiàn)有較大的溫差應力存在。 （ 8）熱損失少 由于結(jié)構(gòu)緊湊。即使換熱器的傳熱面積很大，但它的外表面積還是較小的，又因接近常溫的流體是從最外邊邊緣處的通道流出，所以一般不需要保溫 （ 9）制造簡單 螺旋板換熱器與其它類型的換熱器相比，制造工時為最少，機械加工量小，材料主要是板材，容易卷制，制造成本低。 （ 10）承受能力受限制 螺旋板換熱器一般都按每一通道的額定壓力設計由于螺旋板的直徑較大，厚度較小，剛度差，每一圈均 承受壓力，當兩通道見的壓力差達到一定程度，亦即達到或接近臨界壓力時，螺旋板就會被壓壞而喪失穩(wěn)定性。 （ 11）修理困難 螺旋板換熱器雖不易泄露，但由于結(jié)構(gòu)上的限制，一旦產(chǎn)生泄露是不易修理往往只能整臺報廢，因此對具有腐蝕性介質(zhì)時，應選用耐腐蝕性好的材料 （ 12）通道的清洗 由于螺旋通道一般較窄，螺旋板上焊有維持通道寬度的定距柱，使機械清洗困難。主要的清洗方法有熱水沖洗，酸洗忽然蒸汽吹洗三種，國內(nèi)多采用蒸汽吹洗。 設計思路及工作方法 本次設計的題目是反應器的混合氣體換熱器設計（螺旋 板式），其兩通道的流體為混合氣體和冷卻水 (工業(yè)循環(huán)用水 )，實現(xiàn)的熱交換是氣 液熱交換且兩通道的設計壓力為。根據(jù)前述螺旋板式換熱器的三種型式的特點知道， ? 型螺旋板式換熱器主要是用于液 液的傳熱， 使用的公稱壓力在 以下。 ?? 型 螺旋板式換熱器主要用于氣 液的熱交換，使用壓力在 。 ??? 型螺旋板式換熱器主要用于蒸汽冷凝，使用的公稱壓力 為 。由于三種形式的螺旋板式換熱器的使用公稱壓力差別不大，而主要表現(xiàn)在對物料的選擇上，故為了更好的完成流體之間的傳熱工藝設計，本次設計的螺旋板式換熱器為 ? 型結(jié)構(gòu)。 第二章 傳熱工 藝計算 12 第二章 傳熱工藝計算 設計參數(shù)及任務 通道 1 通道 2 流體名稱 混合氣體 冷卻水 總流體（ kg/h） 工作溫度 進 /出（℃） 110/60 29/39 操作壓力（ MPa） 確定設計方案 螺旋板換熱器的分類 根據(jù)通道布置的不同和使用的條件，螺旋板換熱器可以分成三種形式 。 I 型：它的主要特點是螺旋通道的兩端全部墊入密封條后焊接密封，兩流體都是呈螺旋流動，冷流體從外周沉向中心排出，熱流體由中心沿螺旋流向外周排出，這種形式的換熱器稱為 I 型，見圖 21 所示為不可拆結(jié)構(gòu)。 圖 21 圖 21 I型螺旋板換熱器 I 型螺旋板換熱器的特點：適用于對流傳熱，主要用于液 — 液流體的傳熱。在液一液熱交換中，還可以用來加熱和冷卻高粘度的液體。由于單流道的特點流動分布情況較好。另一是用來滿足精確控制溫度的要求。除 上述情況外，它還可用來冷卻氣體或冷凝延安大學畢業(yè)設計（論文） 11 蒸汽但受到通道斷頂?shù)南拗疲灾荒苡迷诹髁坎淮蟮膱龊?，日前使用的公稱壓力在 25 105Pa 以下。 Ⅱ型：這種換熱器的主要特點是螺旋通道兩端面交錯焊死。兩端面的密封采用頂蓋加墊片的密封結(jié)構(gòu)，螺旋體由兩端分別進行機械清洗， II 型螺旋板換熱器為可拆式，主要用于氣一液的熱交換，使用壓力在 16 105Pa。見圖 22 所示 圖 22 Ⅱ型螺旋板換熱器 圖 23 Ⅲ型螺旋板換熱器 Ⅲ型：該換熱器的特點是一個通道的 兩端全焊死，另一通道的兩消全敞開。流體在全焊死的通道內(nèi)由周邊轉(zhuǎn)到中心，然后再轉(zhuǎn)到另一周邊流出。另一流體只作軸向流動。這種結(jié)構(gòu)主要用于蒸汽冷凝。蒸汽由頂部端蓋進入，經(jīng)由敞開通道向下作軸向流動而被冷凝，冷凝液由底部排出。這種換熱器適用于兩流體流量較大的情況使用的公稱壓力為16 105Pa[5]， 如圖 23 所示。 設計計算中應考慮的問題 流體流動路程的選擇 為了提高螺旋扳式換熱器的傳熱效率，在確定流向的時候，我們應該考慮以下的因素： （ 1）使兩流體呈全逆流狀態(tài)，提高兩流體的對數(shù)平均溫差， 以增大傳熱的推動力，使傳熱效果更好。 第二章 傳熱工藝計算 12 （ 2）使直徑較大的外圈螺旋板承受較小的壓力，直徑較小的內(nèi)圈螺旋板承受較大的壓力，以改善兩螺旋板的受力狀態(tài)。 （ 3）使螺旋通道不易堵塞，并且便于清洗，這涉及到定距柱 (或定距泡 )的布置問題。目前定距柱多采用等邊三角形排列的方式，因為這種排列比按正方形排列能有效地干擾流體的流動，使其易產(chǎn)生湍流，從而提高傳熱效率。 流體流速的選擇 ： 增大流速能提高雷諾數(shù)，亦即提高給熱系數(shù)α值，低從而提高了換熱器的總傳熱系數(shù) K 值，使所需要的換熱面積 F 減少，還可以減少污垢沉積在螺旋通 道中的可能性。由流體力學可知，流體壓力降與流速的二次方成正比。因此，增大流速，流體壓力降隨之增加，所以選擇流速時應綜合考慮，選擇最經(jīng)濟之流速，這往往需要用幾種方案進行計算比較方能確定。 提高流速后，如果增大的給熱系數(shù)對總傳熱系數(shù) K 值起著決定性的影響，這時提高流速就有實際意義了。由于螺旋通道一般較長，因此通道越長，沿程阻力也越大，故選擇流速時，只要能使流體在通道內(nèi)形成湍流，這樣既能提高流體對流傳熱效率，也可降低阻力損失，減少動力消耗。 確定設計方案和流體的流動型式 通過對以上螺旋板換熱器的幾種類型的 特點的比較和設計中應考慮的問題結(jié)合本設計的的流體流動形式，和操作壓力分析后：本設計選擇Ⅰ型螺旋板換熱器來滿足工藝上的要求，并使流體呈對流狀態(tài)。 傳熱量的計算 傳熱量 Q 流體受到單獨加熱或冷卻而不發(fā)生相態(tài)變化時，流體所放出或吸入的熱量由公式 [6]（ 21）計算： Q1＝ W1CP1（ T1－ T2） （ 21） 式中： Q1— 熱流體混合氣體放出的熱量， W W1— 熱流體混合氣體的質(zhì)量流量 ,kg/s CP1— 熱流體的定壓比熱容 ,J/（㎏℃） T1— 熱流體的進口溫度 ,℃ T2— 熱流體的出口溫度 ,℃ 延安大學畢業(yè)設計（論文） 13 已知： 熱流體的質(zhì)量流量： W1＝ ＝ 熱流體入口溫度 :T1＝ 110℃； 熱流體出口溫度 :T2＝ 60℃； 確定熱流體的物性數(shù)據(jù) : 熱流體的定性溫度 :對于本設計為低黏度的氣體 .所以定性溫度可取流體進出口溫度的平均值 . TA＝（ T1+T2） /2＝（ 110+60） /2＝ 85℃ 由已知條件可知熱流體水溶液的物理 參數(shù) : 密度 ρ 1＝ 70kg/ m3 定壓比熱容 Cp1＝ 3297 J/（㎏℃） 熱導率 λ 1＝ W/（ m℃） 粘度 μ 1＝ 105 Pa s 將已知數(shù)據(jù)代入公式（ 21）得 Q1＝ W1CP1（ T1－ T2） ＝ 3297（ 110－ 60） ＝ 因為在這里傳熱過程中熱流體放出的熱量等于冷流體吸收的熱量 所以 : Q 放 ＝ Q 吸 ＝ Q1＝ 螺旋通道與當量直