【文章內容簡介】 換熱器中，由于介質走的是單一通道，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，介質就向其它換熱管分配，使換熱器內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采用全逆流操作時，則兩流體的對數平均溫度差就較大，有利于傳熱。從換熱器設計中采用的經驗數據進行分析，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）結構緊湊 ，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）密封結構可靠 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量，就能保證兩介質之間不會產生泄露。在螺旋板換熱器內的的介質與大氣的密封是采用法蘭連接密封結構。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，可像鐘表內發(fā)條一樣伸長或收縮。而螺旋體各圈之間都是一側為熱流體，另一側為冷流體，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，因此不會產生大的溫差應力。在國內外使用的螺旋板換熱器實列中使用在兩介質溫差很大的場合。還未發(fā)現有較大的溫差應力存在。（8）熱損失少 由于結構緊湊。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，但由于結構上的限制，一旦產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，國內多采用蒸汽吹洗。 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)。根據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。型 螺旋板式換熱器主要用于氣液的熱交換。型螺旋板式換熱器主要用于蒸汽冷凝。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構。51第二章 傳熱工藝計算通道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（℃）110/6029/39操作壓力（MPa） 根據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所示為不可拆結構。 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蒸汽但受到通道斷頂的限制，所以只能用在流量不大的場合，日前使用的公稱壓力在25105Pa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構，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16105Pa。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由周邊轉到中心，然后再轉到另一周邊流出。另一流體只作軸向流動。這種結構主要用于蒸汽冷凝。蒸汽由頂部端蓋進入，經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16105Pa[5]，如圖23所示。 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)，提高兩流體的對數平均溫差，以增大傳熱的推動力，使傳熱效果更好。（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，使其易產生湍流，從而提高傳熱效率。：增大流速能提高雷諾數，亦即提高給熱系數α值，低從而提高了換熱器的總傳熱系數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對總傳熱系數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。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,℃已知： 熱流體的質量流量：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據: 熱流體的定性溫度:. 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: 密度 ρ1＝70kg/ m3 定壓比熱容 Cp1＝3297 J/（㎏℃） 熱導率 λ1＝ W/（m℃） 粘度 μ1＝105 Pas 將已知數據代入公式（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＝ （熱程）通道：由查相關參數表知：常壓氣體速度推薦值為（5~30）m/s設在本設計中混合氣體的流速： u1＝20 m/s則 混合氣體的體積流量: V1＝W1/ρ1 ＝＝ m3/s所以通道的截面積為： F1＝V1/ u1＝ ＝ m2根據工藝條件一般通道寬度取5~20mm，所以本設計取b1＝10mm因為： b1＝F1/ H （26）式中 H—螺旋板寬度, m由公式（26）可得： H＝F1/ b1＝＝所以熱程通道的當量直徑de1為： de1＝（2H b1）/（H+ b1） （27）將已知數據代入（27）得： de1＝（2）/（+） ＝ m（冷卻水）通道由于 Q放＝Q吸＝Q1＝且 Q吸＝W2Cp2 (t2－t1) （28） 式中: Q2—冷流體的吸熱量, W W2—冷流體的質量流量, ㎏/S Cp2—冷流體的定壓比熱容, J/（㎏℃） t2—冷流體的出口溫度, ℃ t1—冷流體的進口溫度, 由已知條件知：Cp2＝4174 J/（㎏℃）t2＝39℃ t1＝29℃將已知數據代入公式（28）得 Q吸＝W2Cp2 (t2－t1) ＝W24174(39－29) 得 W2＝同理冷流體的質量流量W2為 W2＝ρ2V2 （29）式中: ρ2—冷流體的密度 ,㎏/m3 V2—冷流體的體積流量 ,m3/s將已知數據帶入公式（29） 得 V2 ＝ m3/s 設水的流速為： u2＝2 m/s通道的截面積F2為： F2＝V2/u2＝＝ ㎡通道寬度 b2＝F2/H＝＝所以冷程通道的當量直徑等于 de2＝（2H b2）/（H+ b2） （210）將已知數據代入公式（210）得 de2＝（2）/（+ ） ＝[6]混合氣體（熱程）通道雷諾數 Re＝（de1 u1ρ1）/μ1 （211）將已知數據代入公式（211）得 Re1＝（2070）/105 ＝1848000混合氣體的普蘭特準數 Pr1＝（CP1μ1）/ （212）將已知數據代入公式（212）得 Pr1＝（3297105 ）/ ＝式中 ：de—通道的當量直徑， m μ—流體的粘度，Pas u —流體的速度，m/s ρ—流體的密度，㎏/m3 λ—流體的導熱系數，W/（m℃）冷程通道的雷諾數Re2由（211）得： Re2＝（de2 u2ρ2）/μ2 （213）將已知數據代入（213）可得： Re2＝（2）/103 ＝145527冷流體的普蘭特準數Pr2由（212）得： Pr2＝（Cp2μ2）/ （214） 將已知數據代入（213）可得： Pr2＝（4174103）/ ＝因為構成傳熱面的螺旋形通道，考慮到螺旋板式換熱器的強度和剛度，并使其傳熱效果較好，通常在螺旋板上安裝了一定數目的定距接。由于通道不是直線狀而是螺旋形，因此，通道傳熱系數的計算就要考慮到上述的情況。由于流體在換熱器中是對流傳熱，而對流傳熱的關鍵是通道中流體的流動狀態(tài)，當流體的擾動越激烈時，傳熱就越好。流體在通道中擾動的激烈程度與流體的流速、物理性能及通道的幾何形狀有關，這些關系用一個相似準數雷諾數來表示。在圓形截面的直管中，當雷諾準數Re≥