【正文】 延安大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 b、 噴淋式 蛇管 換熱器 ： 它多用作冷卻器。冷水在各管表面上流過時，與管內(nèi)流體進(jìn)行熱交換。與沉浸式蛇管換熱器相比，還具有便于檢修和清洗、傳熱效果也較好等優(yōu)點(diǎn)，其缺點(diǎn)是噴淋不易均勻。的回彎管將多段套管串聯(lián)而成。每程的有效長度為 4～ 6m ,若管子太長，管中間會向下彎曲，使 環(huán)形中的流體分布不均勻。 (3)管殼式換熱器 ：它是目前應(yīng)用最為廣泛的一種換熱設(shè)備，已作為一種標(biāo)準(zhǔn)換熱設(shè)備。換熱器的殼體上和兩側(cè)的端蓋上 (對偶數(shù)管程言，則在一側(cè) )裝有流體的進(jìn) 出口，有時還在其上裝設(shè)檢查孔，為安置測量儀表用的接口管、排液孔和排氣孔等。但從傳熱效率、結(jié)構(gòu)的緊湊性和單位換熱面積所需金屬的消耗量等均不如一些新型高效緊湊式換熱器。該設(shè)備采用板材制做，故在大規(guī)模組織生產(chǎn)時，可降低設(shè)備成本，但其耐壓性能比“管式”的差。 管殼式換熱器：由于它具有結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、彈性大和使用材料范圍廣等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，今后仍將在廣泛的領(lǐng)域內(nèi)得到繼續(xù)發(fā)展。但為了加強(qiáng)其傳熱效率，在高溫和高壓的條件下，采用電焊焊接式翅片管的結(jié)構(gòu)將會得到重視和發(fā)展。 各種新型高效緊湊式換熱器的應(yīng)用范圍將得到進(jìn)一步擴(kuò)大。 板式換熱器：雖然它具有某些優(yōu)異的性能，但尚存在一些問題，有待今后繼續(xù)加以妥善解決。其中尤以研制新的墊片材料，改進(jìn)密封結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)板片的剛度，以便提高操作溫度和操作壓力，擴(kuò)大使用范圍等，將是今后發(fā)展的重點(diǎn)。今后將進(jìn)一步擴(kuò)大其使用范圍。 螺旋板換熱器的近期發(fā)展，將對其各種結(jié)構(gòu)形式的換熱器擴(kuò)大其應(yīng)用場合，同 時，如何進(jìn)一步提高其承壓能力，增大處理量，并改進(jìn)焊接工藝，以適應(yīng)石油及化學(xué)工業(yè)的要求。但是，因一般硬釬焊的成本還是較高，而且要使用具有腐蝕性的焊劑。但這些方法還有待進(jìn)一步研究。另外，在采用新材料和進(jìn)一步擴(kuò)大在化工和石油化工的使用范圍也將得到發(fā)展。為了節(jié)約各種貴重材料，還將繼續(xù)研究和發(fā)展各種新工藝和新技術(shù)，如復(fù)合、襯里及表面處理等技術(shù)。今后發(fā)展的趨勢，將一面擴(kuò)大熱管在化工領(lǐng)域中的應(yīng)用，另一面將對熱管換熱器，加強(qiáng)其高 性能工作介質(zhì)的研究以及提高翅片制造、安裝工藝水平和翅片的傳熱性能等。此后英國的 APV公司、美國的 AHRCO 公司和 Union Carbide公司、聯(lián)邦德國的 ROCA 公司、日本的“大江”、“川化”公司以及荷蘭、捷克、前蘇聯(lián)延安大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 等國也相繼設(shè)計制造出同類產(chǎn)品。前蘇聯(lián)在 1966 年頒布了螺旋板式換熱器的國家標(biāo)準(zhǔn) TOCT 206766。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)。 1973 年原一機(jī)部制定標(biāo)準(zhǔn)JB 128773，并由原一機(jī)部通用機(jī)械研究所負(fù)責(zé)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(yīng)用和推廣起了很大的推動作用。 20 世紀(jì) 80 年代末至 90 年代中期，機(jī)械工業(yè)部合肥通用機(jī)械研究所先后制定了 JB/TQ 72489《螺旋板式換熱器制造技術(shù)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(yàn)方法》，形成了我國螺旋板式換熱器的整個體系框架。即將頒布的綜合性行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《螺旋板式換熱器》標(biāo)志著我國螺旋板式換熱器的設(shè)計、制造、檢驗(yàn)與驗(yàn)收更加規(guī)范化。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。其中蘇州化工機(jī)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(shè)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(lǐng)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(dāng)時主要用于燒堿廠中的電解液加熱和濃堿液冷卻。自 1968 年第一機(jī)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(yīng)用 [4]?？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(shè)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。因此相應(yīng)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。 （ 4）能利用低溫?zé)嵩矗⒛芫_ 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。從換熱器設(shè)計中采用的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，螺旋板換熱器允許的最小溫差為最低。 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(jìn)行均勻的加熱和冷卻，所以能夠精確地控制其它出口溫度。 （ 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。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(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 蘭連接密封結(jié)構(gòu)。 （ 7）溫差應(yīng)力小 螺旋板換熱器的特點(diǎn)的允許膨脹，由于它有兩個較長的螺旋形通道，當(dāng)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。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(yīng)力。還未發(fā)現(xiàn)有較大的溫差應(yīng)力存在。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(jī)械加工量小，材料主要是板材，容易卷制，制造成本低。 （ 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(yīng)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(jī)械清洗困難。 設(shè)計思路及工作方法 本次設(shè)計的題目是反應(yīng)器的混合氣體換熱器設(shè)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(shí)現(xiàn)的熱交換是氣 液熱交換且兩通道的設(shè)計壓力為。 ?? 型 螺旋板式換熱器主要用于氣 液的熱交換，使用壓力在 。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(shè)計，本次設(shè)計的螺旋板式換熱器為 ? 型結(jié)構(gòu)。 I 型：它的主要特點(diǎn)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)。在液一液熱交換中，還可以用來加熱和冷卻高粘度的液體。另一是用來滿足精確控制溫度的要求。 Ⅱ型：這種換熱器的主要特點(diǎn)是螺旋通道兩端面交錯焊死。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(diǎn)是一個通道的 兩端全焊死，另一通道的兩消全敞開。另一流體只作軸向流動。蒸汽由頂部端蓋進(jìn)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。 設(shè)計計算中應(yīng)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(yīng)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。 （ 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。 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。因此，增大流速，流體壓力降隨之增加，所以選擇流速時應(yīng)綜合考慮，選擇最經(jīng)濟(jì)之流速，這往往需要用幾種方案進(jìn)行計算比較方能確定。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。 傳熱量的計算 傳熱量 Q 流體受到單獨(dú)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/（㎏℃） 熱導(dǎo)率 λ 1＝ W/（ m s 將已知數(shù)據(jù)代入公式（ 21）得 Q1＝ W1CP1（ T1－ T2） ＝ 3297（ 110－ 60） ＝ 因?yàn)樵谶@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(dāng)量直徑的計算 混合氣體（熱程）通道： 由查相關(guān)參數(shù)表知：常壓氣體速度推薦值為（ 5~30） m/s 設(shè)在本設(shè)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/ρ 1 ＝ ＝ m3/s 第二章 傳熱工藝計算 14 所以通道的截面積為： F1＝ V1/ u1＝ ＝ m2 根據(jù)工藝條件一般通道寬度取 5~20mm，所以本設(shè)計取 b1＝ 10mm 因?yàn)椋? 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(dāng)量直徑 de1為： de1＝（ 2H b1） /（ H+ b1） （ 27） 將已知數(shù)據(jù)代入（ 27）得： de1＝（ 2 ） /（ +） ＝ m 冷程（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(zhì)量流量 , ㎏ /S Cp2— 冷流體的定壓比熱容 , J/（㎏℃） t2＝ 39℃ t1＝ 29℃ 將已知數(shù)據(jù)代入公式（ 28）得 Q 吸 ＝ W2Cp2 (t2－ t1) 延安大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 15 ＝ W2 4174 (39－ 29) 得 W2＝ 同理冷流體的質(zhì)量流量 W2為 W2＝ρ 2 s u — 流體的速度 ， m/s ρ — 流體的密度 ， ㎏ /m3 λ — 流體的導(dǎo)熱系數(shù)， W/（ m由于通道不是直線狀而是螺旋形，因此，通道傳熱系數(shù)的計算就要考慮到上述的情況。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(guān)，這些關(guān)系用一個相似準(zhǔn)數(shù)雷諾數(shù)來表示。但對螺旋板式換熱器，它的通道為矩形截面，在這種情況下的臨界雷諾 數(shù)是多少呢 ?從已發(fā)表的文獻(xiàn)資料來看，對達(dá)到湍流時的臨界雷諾數(shù)的大小有不同的看法。 計算螺旋板換熱器的傳熱系數(shù)的推薦公式是在圓形直管計算公式的基礎(chǔ)上，考慮到螺旋矩形通道的影響，用一個含有當(dāng)量直徑 de的參數(shù)進(jìn)行修正而得出計算螺旋板式換熱延安大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 17 器的傳熱器的傳熱系數(shù)的公式。屬于湍流狀態(tài)的，下面就按湍流狀態(tài)下流體無相變的計算公式計算冷卻介質(zhì)和被冷卻介質(zhì)熱傳熱系數(shù)? [1]： . 0 2 3 1 3 . 5 4 R e Pr memedDd ?? ???????? （ 214） 式中： mD — 螺旋通道的平均直徑， m 02m dDD ?? （ 215） d— 中心管的直徑， m M— 指數(shù)，對被加熱的液體而言 m＝ ,對介質(zhì)為氣體時，無論被加熱或冷卻 m＝ ,對被冷卻的液體而言 m=， ?— 流體的導(dǎo)熱系數(shù)， W/（ m℃） ?— 流體的粘度 ， Pa℃）， 1ed ＝ m 1Re ＝ 1848000 Pr1