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畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))
題目名稱： 螺旋板式換熱器的設(shè)計(jì)
題目類型： 畢業(yè)設(shè)計(jì)
學(xué)生姓名： 李遠(yuǎn)江
院 (系)： 機(jī)械工程學(xué)院
專業(yè)班級(jí)： 裝備10901班
指導(dǎo)教師： 張慢來(lái)
輔導(dǎo)教師： 黃天成
時(shí) 間： 2013.3 至 2013.6
目錄
畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)………………………………………………………………………… Ⅰ
開(kāi)題報(bào)告………………………………………………………………………………… Ⅱ
指導(dǎo)教師審查意見(jiàn) ………………………………………………………………………Ⅲ
評(píng)閱教師評(píng)語(yǔ) ……………………………………………………………………………Ⅳ
答辯會(huì)議記錄…………………………………………………………………………… Ⅴ
中外文摘要 ………………………………………………………………………………Ⅵ
1 前言 1
1.1 管殼式換熱器的研究背景 1
1.2 管殼式換熱器現(xiàn)狀和發(fā)展 2
1.2.1 管殼式換熱器管程結(jié)構(gòu)發(fā)展 2
1.2.2 殼程強(qiáng)化結(jié)構(gòu)的發(fā)展 5
1.3 管殼式換熱器的分類 7
1.4 本論文的研究?jī)?nèi)容 8
2 螺旋板式換熱器的方案設(shè)計(jì) 9
3 螺旋板式換熱器的傳熱工藝的計(jì)算 14
3.1 傳熱量Q 14
3.2 螺旋通道截面積與當(dāng)量直徑的計(jì)算 15
3.2.1 貧油（熱程）通道 15
3.2.2 貧油的雷諾數(shù)和普蘭特?cái)?shù)Pr 15
3.2.3 貧油的傳熱系數(shù)a的計(jì)算 15
3.2.4 富油傳熱系數(shù)的計(jì)算 16
3.2.5 對(duì)數(shù)平均溫度差流體流動(dòng)方向?yàn)槿媪鞑僮?17
3.3 總傳熱系數(shù)K 17
3.4 傳熱面積計(jì)算 17
3.5 螺旋通道計(jì)算 18
3.6 螺旋圈數(shù)n與螺旋體外徑 18
3.7 流體壓降的計(jì)算 18
4 螺旋板式換熱器的螺旋板的強(qiáng)度計(jì)算與校核 19
4.1 強(qiáng)度計(jì)算 19
4.2 螺旋板的撓度 21
4.3 穩(wěn)定性計(jì)算 21
5 螺旋板式換熱器的結(jié)構(gòu)尺寸 22
5.1 密封結(jié)構(gòu) 22
5.2 定距柱尺寸 23
5.3 換熱器外殼的設(shè)計(jì) 24
5.4 進(jìn)出口接管設(shè)計(jì) 25
5.5 中心隔板尺寸 26
5.6 螺旋板換熱器各設(shè)計(jì)參數(shù)如下： 26
參考文獻(xiàn) 27
附錄.............................................................................28
2 螺旋板式換熱器的方案設(shè)計(jì)
螺旋換熱器的設(shè)計(jì)
1 前言
1.1 管殼式換熱器的研究背景
在上世紀(jì)第四次中東戰(zhàn)爭(zhēng)期間爆發(fā)的世界性經(jīng)濟(jì)危機(jī)對(duì)西方發(fā)達(dá)國(guó)家的政治、經(jīng)濟(jì)造成了相當(dāng)大的負(fù)面影響，而最近的積極危機(jī)的本質(zhì)就是能源危機(jī)。步入21世紀(jì)以來(lái)，伴隨著全球性的能源緊張，作為解決當(dāng)代能源問(wèn)題的一個(gè)重要途徑——節(jié)能增效，已經(jīng)越來(lái)越被世界上的多絕大多數(shù)國(guó)家所關(guān)注，而且隨之而來(lái)的投入也越來(lái)越大。我國(guó)同樣面臨著嚴(yán)峻的能源危機(jī)，其次，能源資源分布域不均勻；再次，我國(guó)的重工業(yè)產(chǎn)業(yè)正處于發(fā)展中階段，能源工業(yè)裝備落后導(dǎo)致能源利用效率有效；最后，由于公眾普遍缺乏環(huán)保意識(shí)導(dǎo)致環(huán)境污染嚴(yán)重。我國(guó)的能源效率還落后于世界先進(jìn)國(guó)家，但是與之相對(duì)應(yīng)的事我國(guó)的節(jié)能潛力及空間巨大。
面對(duì)能源危機(jī)，在工程節(jié)能中高效節(jié)能設(shè)備的研發(fā)是重要途徑，例如新式換熱設(shè)備的研發(fā)開(kāi)發(fā)。換熱器可以根據(jù)工藝過(guò)程的要求來(lái)對(duì)介質(zhì)進(jìn)行溫度和熱量控制，同事還能對(duì)余熱、廢熱進(jìn)行行之有效的回收利用甚至再生產(chǎn)，因此換熱器在相當(dāng)范圍內(nèi)的工業(yè)部門成為廣泛使用的工藝設(shè)備。能源工程項(xiàng)目總投資的相當(dāng)大的比例是投資的相當(dāng)大的比例是投資在換熱器的生產(chǎn)與制造之中的：在化工廠中，換熱器的投資約占總投資的10%-20%；在煉油廠中，該項(xiàng)投資約占總投資的35%-40%；海水淡化工藝裝置幾乎全部是由換熱器組成的。但是目前廣泛使用的換熱器對(duì)能耗利用率較低，因此有效地提高換熱器的工作效率才可以在工程生產(chǎn)中達(dá)到節(jié)能降耗的目的，同是可以在整個(gè)國(guó)家工業(yè)范圍內(nèi)生產(chǎn)不可估量的經(jīng)濟(jì)效益甚至深遠(yuǎn)的社會(huì)效益。
目前，管殼式換熱器是能源工程項(xiàng)目中使用最為廣泛的換熱器結(jié)構(gòu)形式，其屬于間壁式換熱器的一種。管殼式換熱器的特點(diǎn)是：換熱器結(jié)構(gòu)牢靠，使用可靠；歷史悠久，制造使用的各技術(shù)環(huán)節(jié)已達(dá)到成熟；適應(yīng)性較高，使用范圍大。因此，目前工業(yè)裝置中管殼式換熱器的用量占全部換熱器用量的70%。近年來(lái)，隨著能源項(xiàng)目的投資進(jìn)一步加大，出現(xiàn)了很多新型結(jié)構(gòu)形式換熱器。面對(duì)其他新型換熱器的挑戰(zhàn)，許多專家學(xué)者對(duì)管殼式換熱器原有結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)及新結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)做了大量工作來(lái)改善其內(nèi)部流動(dòng)提高傳熱性能同時(shí)降低動(dòng)力消耗，其結(jié)構(gòu)已由各種新型管束支撐結(jié)構(gòu)元件加上新型強(qiáng)化傳熱管的組合結(jié)構(gòu)代替了傳統(tǒng)的螺旋管的結(jié)構(gòu)。
為改進(jìn)和提高換熱器工作效率已達(dá)到節(jié)能降耗的目的，最為重要的手段就是改善其內(nèi)部流體的流動(dòng)形態(tài)，其主要區(qū)別在與對(duì)管束的沖刷流動(dòng)上，所以以此為依據(jù)，可以把這些流動(dòng)的形態(tài)為橫向流、縱向流和螺旋流。
1.2 管殼式換熱器現(xiàn)狀和發(fā)展
在二十世紀(jì)初，對(duì)于管殼式換熱器的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)就被科學(xué)家提出，當(dāng)時(shí)對(duì)于這種新型的換熱設(shè)備開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的目的是為了滿足大型電廠對(duì)在較高壓力操作環(huán)境下運(yùn)行的需要。經(jīng)過(guò)近一個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，對(duì)于管殼式換熱器設(shè)計(jì)生產(chǎn)制造已經(jīng)有了質(zhì)的飛躍，其已經(jīng)擁有比較完善的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)加工方法，同時(shí)其工作性能可以較好地滿足各種工藝需要。其中Bell-Delaware設(shè)計(jì)和Tinker的流路分析法是工藝設(shè)計(jì)領(lǐng)域地位最高的兩種方法。
但是，隨著高科技手段在換熱設(shè)備之中不斷引入，對(duì)于換熱器在特殊環(huán)境下的適應(yīng)性的要求越來(lái)越高，而且對(duì)于設(shè)備本身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求越來(lái)越苛刻，但是管殼式換熱器所具備的優(yōu)勢(shì)越趨明顯，因?yàn)槠浔旧淼脑O(shè)計(jì)初衷就是為了滿足在這些苛刻的工作條件。換熱器是化工、石油、能源等各工業(yè)中應(yīng)用相當(dāng)廣泛的單元設(shè)備之一。據(jù)統(tǒng)計(jì),在現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)中換熱器的投資大約占設(shè)備總投資的30%,在煉油廠中占全部工藝設(shè)備的40%左右,海水淡化工藝裝置則幾乎全部是由換熱器組成的。對(duì)國(guó)外換熱器市場(chǎng)的調(diào)查表明,雖然各種板式換熱器的競(jìng)爭(zhēng)力在上升,但管殼式換熱器仍占主導(dǎo)地位約64%。新型換熱元件與高效換熱器開(kāi)發(fā)研究的結(jié)果表明,列管式換熱器已進(jìn)入一個(gè)新的研究時(shí)期,無(wú)論是換熱器傳熱管件,還是殼程的折流結(jié)構(gòu)都比傳統(tǒng)的管殼式換熱器有了較大的改變,其流體力學(xué)性能、換熱效率、抗振與防垢效果從理論研究到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面也均有了新的進(jìn)步。目前各國(guó)為改善該換熱器的傳熱性能開(kāi)展了大量的研究,主要包括管程結(jié)構(gòu)和殼程結(jié)構(gòu)強(qiáng)化傳熱的發(fā)展,現(xiàn)簡(jiǎn)介如下。
1.2.1 管殼式換熱器管程結(jié)構(gòu)發(fā)展
管程強(qiáng)化傳熱技術(shù)可歸結(jié)為兩個(gè)方面:改變傳熱面的形狀和在傳熱面上或傳熱流路徑內(nèi)設(shè)置各種形狀的插入物。
1．改變傳熱面形狀?,其強(qiáng)化傳熱機(jī)理為:通過(guò)對(duì)管子進(jìn)行各種細(xì)微的加工,以期在管子壁面上形成有規(guī)律或無(wú)規(guī)律分布的凸起物,或?qū)⒐鼙诒旧硌剌S向制成波紋狀或螺旋凹肋等,這些傳熱面上的各種形狀的凸起物既是無(wú)源擾動(dòng)的促進(jìn)體,又起斷續(xù)阻斷邊界層發(fā)展的作用。這些強(qiáng)化傳熱管主要有螺旋槽紋管、波紋管、橫紋管、V型縱槽水平螺旋管、變形翅片管、三維內(nèi)肋管、針翅管、旋流管、縮放管等。
1）螺旋槽紋管亦稱螺旋槽管,是一種優(yōu)良的高效異形強(qiáng)化傳熱管件,圖1為螺旋槽紋管結(jié)構(gòu),由光滑管在車床上軋制而成,分為單頭和多頭,用于強(qiáng)化管內(nèi)氣體或液體的傳熱、強(qiáng)化管內(nèi)液體的沸騰或管外蒸汽的冷凝。其強(qiáng)化機(jī)理為:流體在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)受螺旋槽紋的引導(dǎo),靠近壁面的部分流體順槽旋流,有利于減薄邊界層厚度;還有一部分流體順壁面軸向流動(dòng)通過(guò)螺旋槽紋凸起處便產(chǎn)生軸向漩渦,引起邊界層分層及邊界層中流體的擾動(dòng),從而加快由壁面至流體主體的熱量傳遞。華南理工大學(xué)[1]和重慶大學(xué)[2]經(jīng)試驗(yàn)研究及理論推導(dǎo),得出了單頭螺旋橫紋管比多頭螺旋橫紋管的綜合性能好的結(jié)論。美國(guó)Argonne國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和GA技術(shù)公司設(shè)計(jì)、制造的螺旋槽紋管換熱器,其傳熱效率比光管提高了2~4倍。
2）波紋管換熱管，由沈陽(yáng)市廣廈熱力設(shè)備公司于20世紀(jì)90年代初研制成功,由波紋管和接頭兩部分組成,結(jié)構(gòu)如圖2所示。其管壁很薄(0·5~1mm),波峰波谷高度差達(dá)10?mm,換熱管可自由伸縮,流體在復(fù)雜截面內(nèi)不斷改變方向和流速,促使紊流增加,邊界層減薄和增強(qiáng)相變換熱等,從而增大傳熱系數(shù)K。在水-水換熱器中,K可達(dá)2000~3600W·(m2·℃)-1,在汽-水換熱器中K可達(dá)3000~4500?W·(m2·℃)-1,對(duì)于其它介質(zhì)其傳熱效率可提高2~4倍,減少換熱面積40%以上。這種高效換熱器還具有不易結(jié)垢、單位容積傳熱面積大、耐腐蝕性強(qiáng)、溫差應(yīng)力小等優(yōu)點(diǎn)。然而,由于波紋管是由薄壁光滑管加工而成,成型后其應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜化,管束的強(qiáng)度和剛度都與光滑管有很大差別,致使管束和管板的應(yīng)力分析困難。為解決這些問(wèn)題從而使其能更廣泛地應(yīng)用于石油、化工等工業(yè)領(lǐng)域,對(duì)波紋管換熱器進(jìn)行強(qiáng)度研究,建立相應(yīng)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)是非常必要的。因此制定波紋管換熱器強(qiáng)度設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),于2002年被納入國(guó)家鍋爐壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)項(xiàng)目,由沈陽(yáng)化工學(xué)院和沈陽(yáng)市特種設(shè)備檢測(cè)研究院等單位負(fù)責(zé)起草,將波紋管換熱器設(shè)計(jì)方法列為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB151《管殼式換熱器》的附錄,并于2004年以名為“奧式體不銹鋼波紋管換熱器設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)案例”正式頒布[3]。
3）螺旋扁管換熱器是瑞典Allards公司推出的高效換熱元件,其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是管子換熱段任一截面類似于橢圓,其長(zhǎng)、短軸之比可根據(jù)換熱器管程和殼程的流速確定。螺旋扁管換熱器可以由混合管束(光管和螺旋扁管混合使用)也可以由純螺旋扁管組成。流體在殼程與管程大體呈縱向流動(dòng),同時(shí)伴隨有橫向螺旋運(yùn)動(dòng)這種流速和流向的周期性改變加強(qiáng)了流體的軸向混合和湍流度。同時(shí),流體流經(jīng)相鄰管子的螺旋線接觸點(diǎn)后形成脫離管壁的紊流,增加了流體自身的湍流度,破壞了流體在管壁上的傳熱邊界層,從而強(qiáng)化了傳熱。據(jù)報(bào)道[4]螺旋扁管換熱器比普通光管換熱器的總傳熱系數(shù)高40%,而壓降幾乎相等。
???? 4）不連續(xù)雙斜向內(nèi)肋管換熱器，清華大學(xué)過(guò)增元院士根據(jù)場(chǎng)協(xié)同理論研發(fā)出2種多縱向渦新型強(qiáng)化換熱元件:不連續(xù)雙斜向內(nèi)肋管和交叉縮放橢圓管。不連續(xù)雙斜內(nèi)肋換熱管是通過(guò)軋制等方法在換熱管的內(nèi)壁面形成許多不連續(xù)的、與軸線有一定夾角并向2個(gè)方向傾斜的條狀凸起物-雙斜內(nèi)肋。管內(nèi)流體在管壁上多個(gè)雙斜內(nèi)肋對(duì)的作用下誘導(dǎo)產(chǎn)生多縱向渦流,且渦流主要集中在管壁面附近,從而使對(duì)流換熱得到強(qiáng)化,并具有良好的抗結(jié)垢功能。
???? 孟繼安[5]等的研究表明,當(dāng)Re=500~2300時(shí),與圓管相比,不連續(xù)雙斜向內(nèi)肋管的換熱增強(qiáng)250%~650%,阻力增加120%~300%;交叉縮放橢圓管可提高200%~500%,沿程阻力增加100%~350%;當(dāng)Re=2300~5×104時(shí),不連續(xù)雙斜向內(nèi)肋管換熱可增強(qiáng)110%~240%,阻力增加120%~240%;交叉縮放橢圓管換熱可增強(qiáng)35%?~170%,阻力增加130%~160%。
????5）變形翅片管換熱器，為提高翅片管螺旋冷凝蒸發(fā)器的效率,必須改變翅片的幾何形狀,以促進(jìn)“沸騰縫隙效應(yīng)”的形成。為此,俄羅斯推出一種變形翅片管螺旋冷凝蒸發(fā)器,即將冷壓制直翅片管拉成各種直徑的定徑器(模具),變形后的翅片表面成為半封空腔,汽化過(guò)程發(fā)生在翅片表面,而不是在翅片間隙中。變形翅片由于翅片間隙出口較逸出汽泡直徑小,便能維持正常的汽相,從而省去分離兩相所需的能量。采用變形翅片管還可以提高單位管子長(zhǎng)度上的熱,這樣不僅強(qiáng)化了汽化過(guò)程也擴(kuò)展了傳熱面積。
???? 為提高翅片化表面的性能俄羅斯又提出了一種先進(jìn)方法:氣動(dòng)噴涂法。其實(shí)質(zhì)是采用高速的冷的或稍微加溫的含微粒的流體給翅片表面噴鍍粉末粒子。該方法不僅可噴涂金屬還能噴涂合金和陶瓷(金屬陶瓷混合物),從而得到各種不同性能的表面。氣動(dòng)噴涂法不但可用于成型,還可用來(lái)將按普通方法制造的翅片固定在換熱器管子的表面上,也可用來(lái)對(duì)普通翅片的底面進(jìn)行補(bǔ)充加固。
2.管內(nèi)加內(nèi)插物，用插入物強(qiáng)化管內(nèi)單相流體傳熱,尤其是對(duì)強(qiáng)化氣體、低雷諾數(shù)流體或高粘度流體的傳熱更為有效。各種插入強(qiáng)化機(jī)理不同,但都主要以改變流道來(lái)達(dá)到強(qiáng)化傳熱目的。目前管內(nèi)插入物很多,如螺旋線、紐帶、錯(cuò)開(kāi)紐帶、螺旋片和靜態(tài)混合器等。試驗(yàn)研究表明[6],管內(nèi)插入紐帶之后,如果是層流換熱,則對(duì)流傳熱系數(shù)可增大2~3倍,最大可達(dá)10倍,壓降增加3倍以上。若是紊流換熱,傳熱系數(shù)僅增大30%左右,而壓降增大2倍以上。螺旋線圈大多數(shù)是用于強(qiáng)化油等高粘度流體的換熱。Uttarwar和Raja[7]研究了管內(nèi)插入不同形式的螺旋線圈強(qiáng)化層流區(qū)加熱油的情況,結(jié)果表明內(nèi)插螺旋線圈強(qiáng)化層流區(qū)換熱,傳熱系數(shù)可高達(dá)3·5倍,而強(qiáng)化紊流區(qū)換熱時(shí),傳熱系數(shù)只提高30%~50%。繞絲花插入物用于液體工況,可使管殼式換熱器管程傳熱效率提高25倍,用于氣體工況,可使相應(yīng)值提高5倍。同時(shí),與正常流速相比,這種插入件使換熱管的防垢能力提高8~10倍。
1.2.2 殼程強(qiáng)化結(jié)構(gòu)的發(fā)展
殼程的傳熱強(qiáng)化研究包括管型與管間支撐物的研究。根據(jù)不同的管束支承結(jié)構(gòu)可分為板式支承、桿式支承、空心環(huán)支承、管子自支承等幾種形式。傳熱管外表面形狀的改變主要是在其外表面上加工出溝槽和翅片,外表面有溝槽的傳熱管主要包括螺旋槽管、橫紋管、波紋管等。
1. 板式支撐結(jié)構(gòu)的發(fā)展
傳統(tǒng)的管殼式換熱器大多采用弓形隔板支撐,這種結(jié)構(gòu)形式存在一些弊端:阻力大、死角多、傳熱面積無(wú)法被充分利用,還可能引發(fā)流體流動(dòng)振動(dòng)等等。為了使折流板的性能得到改進(jìn),又研發(fā)出了多弓形折流板、整圓形折流板(如圖3所示)、異形孔折流板、網(wǎng)狀板等。這些新型折流板支承結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)主要是為了使流體由橫向流動(dòng)變?yōu)榭v向流動(dòng),從而盡可能地消除死區(qū),使得傳熱綜合性能得到提高,也使得管束的抗振性能得到增強(qiáng)。
???? 2.桿式支撐結(jié)構(gòu)的發(fā)展[8]
? 美國(guó)菲利浦石油公司于20世紀(jì)70年代,為改進(jìn)傳統(tǒng)換熱器中管子與折流板的切割破壞和流體誘導(dǎo)作用,開(kāi)發(fā)了殼程流體縱流折流桿式換熱器?？v流形支承結(jié)構(gòu)的特征是殼程流體的流動(dòng)方向與管束平行,這類換熱器基本實(shí)現(xiàn)了殼程、管程流體的完全逆流,增大了有效平均溫差,提高了傳熱效果。折流桿換熱器是縱流型支承結(jié)構(gòu)的典型代表,它是一種以折流桿代替折流板的換熱器。這種結(jié)構(gòu)由折流柵組組成,每組折流柵包括2個(gè)橫柵和2個(gè)縱柵,每個(gè)折流柵是由若干平行的折流桿焊接在一個(gè)折流圈上而成,且折流桿的布置方式不同。因殼程具有與管程流動(dòng)基本相同的對(duì)流傳熱機(jī)理,加上支撐桿形成的渦流流動(dòng)和折流環(huán)區(qū)的文丘里效應(yīng),所以熱力性能優(yōu)異;且殼程不存在橫向流通的阻力,也無(wú)來(lái)回流動(dòng)的反向效應(yīng),故殼程壓降也較低。華南理工大學(xué)和大慶石油化工總廠共同開(kāi)發(fā)的折流桿螺旋槽管再沸器已應(yīng)用于在無(wú)相變及冷凝傳熱方面,其總傳熱系數(shù)比光管再沸器提高了1.2~1·7倍,抗振性能好。此后,世界各國(guó)對(duì)該類型的換熱器進(jìn)行了深入的研究,出現(xiàn)了一種新的抗振結(jié)構(gòu):直扁鋼條;后來(lái)又把圓桿變成波形扁鋼;由于圓桿在安裝上比較困難,又提出了把圓桿變?yōu)闄E圓截面的桿。
???? 3.空心環(huán)管殼式換熱器
? 空心環(huán)支承是由華南理工大學(xué)研發(fā)的,它是由直徑較小的鋼管截成短節(jié),均勻分布在換熱管之間的同一截面上,呈線性接觸,其結(jié)構(gòu)如圖4所示。研究表明,空心環(huán)管殼式換熱器取代折流板式換熱器使換熱器鋼材減少35%~50%,氣體壓降減少30%~40%,已成功應(yīng)用于硫酸工業(yè)與石化工業(yè)。廣東鶴山市磷肥廠年產(chǎn)4×104t硫酸的工業(yè)過(guò)程中,應(yīng)用該換熱器比傳統(tǒng)換熱器節(jié)省換熱面積50%,節(jié)省鋼材40%?？招沫h(huán)常常與強(qiáng)化傳熱管配合使用,能夠同時(shí)強(qiáng)化管程、殼程傳熱,可獲得比普通光管高80%~100%的傳熱膜系數(shù)。但空心環(huán)支承的擾流作用不如折流桿支承,而且管束固定工藝相對(duì)較復(fù)雜。
??? 4.螺旋折流板換熱器
??? 螺旋折流板換熱器,國(guó)外稱Heliexchanger換熱器,是ABB公司的新產(chǎn)品,它突破了殼程介質(zhì)Z形折返的傳統(tǒng)方式。從結(jié)構(gòu)上看該換熱器主要包括2大類:一類是沒(méi)有中心管,折流板為非整體連續(xù)的螺旋結(jié)構(gòu),其設(shè)計(jì)原理為:將圓截面的特制板安裝在“虛擬螺旋折流系統(tǒng)”中,每塊折流扳占換熱器殼程橫剖面的1/4,傾角朝向換熱器的軸線,使殼程流體做螺旋運(yùn)動(dòng),減少了管板與殼體之間易結(jié)垢的死角,從而提高了換熱效率。在氣-水換熱的情況下,傳遞相同熱量時(shí),該換熱器可減少30%~40%的傳熱面積,節(jié)省材料20%~30%。另一類是設(shè)有中心管,折流板為整體連續(xù)的螺旋結(jié)構(gòu)。其設(shè)計(jì)形式是折流板圍繞中心管螺旋纏繞,形成整體連續(xù)的螺旋折流板結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)文獻(xiàn)中報(bào)道較少,張正國(guó)等[11]和英國(guó)公司[12]均有相關(guān)專利。另外遼寧石油化工大學(xué)陳世醒[13]又提出了一種特殊形式的折流板。商利艷[14]等分別對(duì)螺旋角為12°、18°、30°、40°的單螺旋板折流換熱器性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,隨著螺旋角的減小傳熱效果增強(qiáng),但壓降增大,得出螺旋角為18°的綜合性能最好。王樹(shù)立[15]等實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明最佳的螺旋角與殼程流體的雷諾數(shù)有關(guān)。
??? ?5.自支承結(jié)構(gòu)
???? 管子自支承的共同特點(diǎn)是靠管子自身變形的突出部位相互支承,同時(shí)又達(dá)到了強(qiáng)化傳熱功能,主要有刺孔膜片式、螺旋扁管式、變截面管式、新型的管束自支承結(jié)構(gòu)等形式。
因此，工業(yè)應(yīng)用結(jié)果表明多種強(qiáng)化傳熱元件的研究成果是一個(gè)基礎(chǔ),可以根據(jù)不同的操作條件、不同的使用工況,組合成各類新型高效換熱器,如橫紋管折流桿換熱器,螺旋槽管與紐帶的復(fù)合強(qiáng)化傳熱等,以節(jié)省金屬材料,降低成本,獲得較高的經(jīng)濟(jì)效益。把高效傳熱管與新型管束支承結(jié)合起來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)研究已成為換熱器今后發(fā)展的一個(gè)重要方向。
1.3 管殼式換熱器的分類
管殼式換熱器由于管內(nèi)外流體的溫度不同，因之換熱器的殼體與管束的溫度也不同。如果兩溫度相差很大，換熱器內(nèi)將產(chǎn)生很大熱應(yīng)力，導(dǎo)致管子彎曲、斷裂，或從管板上拉脫。因此，當(dāng)管束與殼體溫度差超過(guò)50℃時(shí)，需采取適當(dāng)補(bǔ)償措施，以消除或減少熱應(yīng)力。根據(jù)所采用的補(bǔ)償措施，管殼式換熱器可分為以下幾種主要類型：
①固定管板式換熱器管束兩端的管板與殼體聯(lián)成一體，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,但只適用于冷熱流體溫度差不大,且殼程不需機(jī)械清洗時(shí)的換熱操作。當(dāng)溫度差稍大而殼程壓力又不太高時(shí)，可在殼體上安裝有彈性的補(bǔ)償圈，以減小熱應(yīng)力。
②浮頭式換熱器管束一端的管板可自由浮動(dòng)，完全消除了熱應(yīng)力;且整個(gè)管束可從殼體中抽出,便于機(jī)械清洗和檢修。浮頭式換熱器的應(yīng)用較廣，但結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，造價(jià)較高。
③ U型管式換熱器 每根換熱管皆彎成U形，兩端分別固定在同一管板上下兩區(qū)，借助于管箱內(nèi)的隔板分成進(jìn)出口兩室。此種換熱器完全消除了熱應(yīng)力，結(jié)構(gòu)比浮頭式簡(jiǎn)單，但管程不易清洗。
④渦流熱膜換熱器渦流熱膜換熱器采用最新的渦流熱膜傳熱技術(shù)，通過(guò)改變流體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)來(lái)增加傳熱效果，當(dāng)介質(zhì)經(jīng)過(guò)渦流管表面時(shí)，強(qiáng)力沖刷管子表面，從而提高換熱效率。最高可達(dá)10000W/m2℃。同時(shí)這種結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了耐腐蝕、耐高溫、耐高壓、防結(jié)垢功能。其它類型的換熱器的流體通道為固定方向流形式，在換熱管表面形成繞流，對(duì)流換熱系數(shù)降低。據(jù)【換熱設(shè)備推廣中心】的資料顯示，渦流熱膜換熱器的最大特點(diǎn)在于經(jīng)濟(jì)性和安全性統(tǒng)一。由于考慮了換熱管之間，換熱管和殼體之間流動(dòng)關(guān)系，不再使用折流板強(qiáng)行阻擋的方式逼出湍流，而是靠換熱管之間自然誘導(dǎo)形成交替漩渦流，并在保證動(dòng)盤管換熱器之間相互碰撞造成損傷的問(wèn)題，又避免了普通管殼式換熱器易結(jié)垢的問(wèn)題。
⑤螺旋板式換熱器：(1)總傳熱系數(shù)高。由于流體在螺旋通道中流動(dòng)，在較低的雷諾值(一般Re=1400～1800，有時(shí)低到500)下即可達(dá)到湍流，并且可選用較高的流速(對(duì)液體為2m/s，氣體為20m/s)，故總傳熱系數(shù)較大。(2)不易堵塞。由于流體的流速較高，流體中懸浮物不易沉積下來(lái)，并且任何沉積物將 減小單流道的橫斷面，因而使速度增大，對(duì)堵塞區(qū)域又起到?jīng)_刷作用，故螺旋板換熱器不易 被堵塞。( 3)能利用低溫?zé)嵩春途芸刂茰囟?。這是由于流體流動(dòng)的流道長(zhǎng)及兩流體完全逆流的緣故。(4)結(jié)構(gòu)緊湊。單位體積的傳熱面積為列管換熱器的3倍。性配置良好，不會(huì)彼換熱管不互相摩擦的前提下保持應(yīng)有的顫動(dòng)力度。
1.4 本論文的研究?jī)?nèi)容
螺旋換熱器是一種高效率換熱器。雖然我國(guó)已從國(guó)外引進(jìn)生產(chǎn)線。鋁鎂合金具有較高的抗腐蝕性和導(dǎo)熱性，價(jià)格比鈦材便宜，應(yīng)予注意。國(guó)內(nèi)在節(jié)能增效等方面改進(jìn)換熱器性能，提高傳熱效率，減少傳熱面積降低壓降，提高裝置熱強(qiáng)度等方面的研究取得了顯著成績(jī)。但是對(duì)于有效的提高螺旋換熱器的能源的利用率，使企業(yè)成本降低，效益提高還不是很詳細(xì)。本文對(duì)螺旋換熱器的換熱性能的研究及分析做行之有效的工作。論文各章的主要內(nèi)容如下：
第一章簡(jiǎn)述換熱器的強(qiáng)化結(jié)構(gòu)、研究進(jìn)展以及本論文的主要內(nèi)容；
第二章講述螺旋板式換熱器的方案設(shè)計(jì)；
第三章對(duì)螺旋板式換熱器的傳熱工藝的計(jì)算；
第四章對(duì)螺旋板式換熱器的螺旋板的強(qiáng)度計(jì)算與校核；
第五章確定螺旋板式換熱器的結(jié)構(gòu)尺寸；
第六章對(duì)本論文的研究進(jìn)行總結(jié)，并給出后續(xù)研究的建議。
2 螺旋板式換熱器的方案設(shè)計(jì)
螺旋板換熱器由外殼、螺旋體、端蓋及進(jìn)出口管等組成。螺旋體用兩張平行的鋼板卷制而成，具有兩個(gè)彼此隔絕的供介質(zhì)流動(dòng)的矩形截面通道。根據(jù)螺旋板換熱器結(jié)構(gòu)的不同，可分為兩大類，即不可拆式和可拆式。其中不可拆式螺旋板換熱器的螺旋通道兩端墊入密封條后被全部焊接密封，不能再進(jìn)行機(jī)械清洗，國(guó)內(nèi)通常稱為Ⅰ型（見(jiàn)圖2）。可拆式螺旋板換熱器結(jié)構(gòu)又有三種，一種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是螺旋通道兩端交錯(cuò)焊死，兩端面采用可拆端蓋加墊片的密封結(jié)構(gòu)，螺旋體可從兩端分別進(jìn)行機(jī)械清洗，國(guó)內(nèi)通常稱這種為Ⅱ型（如圖3所示）。也可以一端做成工型，一端做成型見(jiàn)圖，這樣一個(gè)通道的兩端面被全部焊死，不可進(jìn)行機(jī)械清洗，一個(gè)通道一端敞開(kāi)，可進(jìn)行機(jī)械清洗。此外還有一種結(jié)構(gòu)，它的一個(gè)通道兩端全焊死，另一通道的兩端全部敞開(kāi)，兩端面密封采用端蓋加墊片的可拆結(jié)構(gòu)稱為Ⅲ型（如圖3所示），僅單一通道能進(jìn)行機(jī)械清洗。
圖1 螺旋板換熱器斷面密封結(jié)構(gòu)
圖2 （Ⅰ型） 不可拆式螺旋板式換熱器
圖3 （Ⅱ, Ⅲ）可拆式螺旋板式換熱器
介質(zhì)在螺旋板式換熱器內(nèi)的流動(dòng)形式主要有三種：（1）兩側(cè)流體均呈螺旋形流動(dòng)，熱流體由換熱器中心進(jìn)入從里向外流動(dòng)，冷流體則由螺旋板換熱器的周邊向里流動(dòng)，如圖4 a所示；（2）一側(cè)流體在全焊死通道做螺旋形流動(dòng)，另一側(cè)流體則穿越敞開(kāi)通道呈軸向流動(dòng)，型換熱器即采用該種流動(dòng)形式，見(jiàn)圖4 b；（3）一側(cè)流體呈螺旋形流動(dòng)，另一側(cè)流體是軸向流和螺旋流的組合見(jiàn)圖4 c，通常用于冷凝器和蒸發(fā)器。
圖4 螺旋板換熱器內(nèi)部流體流動(dòng)形式
上述三種形式的螺旋板換熱器，除了Ⅰ型采用通道兩端全部焊死的結(jié)構(gòu)外，Ⅱ、Ⅲ型均采用墊片密封結(jié)構(gòu)，其端蓋形式有封頭，法蘭，密封圈，墊片等幾種。由于端部平蓋必須與螺旋體端面緊密接觸，以避免冷熱流體之間的“短路”造成內(nèi)泄漏，進(jìn)而降低設(shè)備傳熱性能，因此要求封頭平蓋要有良好的抗變形能力大，尤其是換熱器直徑增大、壓力升高時(shí)更加不容忽視。螺旋板換熱器總體上可分為可拆式和不可拆式兩大類，其中前者憑借其易于拆卸、清洗、檢修、維護(hù)等特有優(yōu)勢(shì)，在國(guó)內(nèi)外應(yīng)用廣泛。
基本結(jié)構(gòu)：可拆式螺旋板換熱器由外殼、螺旋體、進(jìn)出口管及端蓋墊片密封結(jié)構(gòu)等四大部分組成，具體結(jié)構(gòu)如圖。其中作為核心傳熱元件的螺旋體是由兩張平行的相對(duì)較長(zhǎng)的鋼板繞卷軸滾動(dòng)而成的，它具有兩個(gè)供介質(zhì)流動(dòng)的矩形截面通道見(jiàn)圖。通常在卷制前，會(huì)預(yù)先在鋼板上接觸焊若干定距柱，以使通道間隙沿螺旋長(zhǎng)度方向保持不變這些定距柱一般成正方形或者三角形排列，且隨著半徑增大其間距減小，一可確保螺旋體具有足夠剛度。
為保證螺旋板兩側(cè)流體之間因短路造成內(nèi)漏，螺旋通道端部必須進(jìn)行密封，一般采用端蓋墊片密封結(jié)構(gòu)。
結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析：可拆式螺旋板換熱器的推廣應(yīng)用與其自身特點(diǎn)密不可分，一般同管殼式換熱器相比，它具有以下的優(yōu)點(diǎn)：
（1）傳熱性能好：由于螺旋板換熱器具有螺旋形流道，流體在等截面單通道內(nèi)流動(dòng)不存在死區(qū)，同時(shí)螺旋板上含定距柱，因此在螺旋流動(dòng)的離心力和定距柱的擾動(dòng)下，流體在較小雷諾數(shù)下即可實(shí)現(xiàn)湍流，因此允許采用較高流速，這樣可使流體分散度高、接觸好，有利于提高螺旋板式換熱器的傳熱效率。
（2）能有效利用流體的阻力損失：螺旋板式換熱器中的流體，雖然沒(méi)有流動(dòng)方向的劇烈變化和脈沖現(xiàn)象，但由于螺旋通道較長(zhǎng)，螺旋板上焊有定距柱，因此一般情況下，這種類型換熱器的流體阻力比管殼式換熱器要稍大一些。但由于流體在通道內(nèi)作均勻的螺旋流動(dòng)，其阻力主要產(chǎn)生于流體與螺旋板的摩擦和定距柱的沖撞上，而這部分阻力可造成流體湍動(dòng)，因此相應(yīng)增加了給熱系數(shù)，更有效的利用流體的阻力損失。而管殼式和板式換熱器，流體在其通道內(nèi)經(jīng)常要做度的大轉(zhuǎn)向，且轉(zhuǎn)向所消耗的阻力起不到提高傳熱效果的作用。
（3）自潔能力強(qiáng)、不易污塞：由于螺旋板換熱器中流體單通道流動(dòng)，它的允許流速又較其他類型換熱器高，所以污垢不易沉積。一旦通道某處沉積了污垢，該處的流通面積就減小，流體在該處的局部流速相應(yīng)提高，污垢很容易被沖刷掉，起到了自潔的作用。在管殼式換熱器中，如果一根管子有污垢積存，該處局部阻力增大，流體就向其他換熱管分配，使設(shè)備內(nèi)每根管子的阻力重新平衡，這樣沉積了污垢的管子流速將越來(lái)越低，也就越易積存而導(dǎo)致堵死。據(jù)統(tǒng)計(jì)，螺旋板換熱器中的污垢形成速度是管殼式換熱器的1/10。
（4）能有效利用低溫?zé)嵩?，精確控制溫度：螺旋板換熱器中兩介質(zhì)在螺旋通道內(nèi)可進(jìn)行全逆流熱交換，此時(shí)對(duì)數(shù)平均溫差最大，傳熱推動(dòng)力亦最大，有利于傳熱，一般兩流體溫差低于3℃仍能進(jìn)行熱交換，因此常被用來(lái)回收低溫?zé)崮?。此外，由于螺旋板換熱器具有兩個(gè)較長(zhǎng)的均勻通道，介質(zhì)在里面可進(jìn)行均勻的加熱或冷卻，所以有助于精確控制流體出口溫度，操作穩(wěn)定。
（5）結(jié)構(gòu)可靠：可拆式螺旋板換熱器兩端用端蓋壓緊，端蓋上有整體密封板，只要螺旋通道兩端面加工平滑，可防止同側(cè)流體從一圈旁流到另一圈。此外，螺旋板換熱器通道為一整體，內(nèi)部不存在溫度突變區(qū)，螺旋板的熱脹冷縮量可通過(guò)螺旋體通道的間隙均勻吸收，不會(huì)造成很大內(nèi)應(yīng)力。且螺旋體各圈都是一側(cè)熱流體，一側(cè)冷流體，最外圈與大氣接觸，螺旋板之間的溫差沒(méi)有管殼式換熱器的換熱管和殼體之間溫差那么明顯，因此也不會(huì)產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力。
（6）結(jié)構(gòu)緊湊：螺旋板換熱器是緊湊式換熱器的典型代表，其單位體積的傳熱面積比管殼式換熱器大很多。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在傳熱面積相同的情況下，螺旋板換熱器的體積僅為管殼式換熱器的40％左右。
（7）制造簡(jiǎn)單：與其他類型換熱器相比，螺旋板式換熱器機(jī)械加工量最小，制造工時(shí)最少，材料主要是板材，容易卷制，制造成本低。
（8）維護(hù)方便由于可拆式螺旋板換熱器端部采用法蘭一墊板一封頭一螺栓密封結(jié)構(gòu)，裝拆方便，如果運(yùn)行過(guò)程出現(xiàn)故障，只需移去封頭，即可對(duì)整個(gè)通道進(jìn)行檢測(cè)和機(jī)械清洗，克服了不可拆式螺旋板換熱器的弊端。同樣的，由于每側(cè)都是單一通道，螺旋板式換熱器也很容易在不打開(kāi)設(shè)備的情況下進(jìn)行水洗或者氣吹，除去沉積物。
作為一種新型緊湊換熱器，可拆式螺旋板換熱器也面臨與不可拆式螺旋板換熱器同樣的缺點(diǎn)，即承壓能力受限。作為核心加熱元件的螺旋體既要保證承受內(nèi)壓的強(qiáng)度，又要保證承受外壓的剛度，盡管螺旋體內(nèi)部焊有很多定距柱，提高了螺旋體的承壓能力，但由于螺旋板直徑較大，厚度較小，每一圈均承受壓力，當(dāng)兩流道的壓差達(dá)到臨界壓力時(shí)，螺旋板就會(huì)被壓癟而喪失穩(wěn)定性。因此目前國(guó)際上可拆螺旋板換熱器的最高工作壓力不超過(guò)4MPa。此外，盡管由薄板卷制而成的螺旋體泄漏的可能性很小，但由于結(jié)構(gòu)上的限制，一旦泄漏就很難修理，因此對(duì)腐蝕性介質(zhì)比較敏感，宜采用專門的耐蝕材料制造。
第 11頁(yè)（共28頁(yè)）
方案設(shè)計(jì)
3 螺旋板式換熱器的傳熱工藝的計(jì)算
3.1 傳熱量Q
題目來(lái)源于生產(chǎn)實(shí)際。已知熱貧油的進(jìn)口溫度=180，出口溫度=165
定性溫度℃ （3-1）
在定性溫度下，熱貧油的物理參數(shù)：
密度，粘度
比熱=2207J/(Kg·℃),導(dǎo)熱系數(shù)=0.3772w/(m·℃)
富油的進(jìn)口溫度℃,出口溫度℃
在定性溫度下℃ （3-2）
在此溫度下粗笨的物理參數(shù)：液體密度,氣體密度
比熱=2204J/(Kg·℃),液體導(dǎo)熱系數(shù)=0.1093w/( m·℃)
（3-3）
又因?yàn)?
所以以 （3-4）
將數(shù)據(jù)代入
第 26頁(yè) （第28頁(yè)）
傳熱工藝計(jì)算
4 螺旋板式換熱器的螺旋板的強(qiáng)度計(jì)算與校核
3.2 螺旋通道截面積與當(dāng)量直徑的計(jì)算
3.2.1 貧油（熱程）通道
設(shè)貧油的流速為
通道的截面積, 選螺旋板寬度H=1m
（3-5）
通道寬度 （3-6）
則當(dāng)量直徑：
（3-7）
3.2.2 貧油的雷諾數(shù)和普蘭特?cái)?shù)Pr
（3-8）
（3-9）
代入數(shù)據(jù)
3.2.3 貧油的傳熱系數(shù)a的計(jì)算
由于是液-液傳熱，介質(zhì)的雷諾數(shù)Re＞6000,在湍流范圍內(nèi)，故使用下列公式計(jì)算：
（3-10）
因貧油被冷卻，取m=0.3,代入上式
=2785w/(m2·℃)
設(shè)中心管直徑d=0.3m
螺旋體的外徑=0.8m
則平均直徑 （3-11）
3.2.4 富油傳熱系數(shù)的計(jì)算
富油定性溫度為℃ （3-12）
設(shè)壁溫tw=160℃則流體與壁面的平均溫度為
℃ （3-13）
此溫度下粗笨的汽化潛熱
沸騰壓強(qiáng)P=380088Pa,液體表面張力
粗笨的傳熱系數(shù)按下式計(jì)算：
（3-14）
選普通碳鋼，取=1.0
=778w/(m2·℃) （3-15）
故壁溫為：℃
與所設(shè)tw=160℃接近，故所設(shè)tw成立
3.2.5 對(duì)數(shù)平均溫度差,流體流動(dòng)方向?yàn)槿媪鞑僮?
（3-16）
已知=180℃=165℃ =90℃=140℃
代入數(shù)據(jù)計(jì)算
℃
3.3 總傳熱系數(shù)K
應(yīng)用由串聯(lián)熱阻推導(dǎo)出的公式計(jì)算
（3-17）
（3-18）
取碳鋼的傳熱系數(shù)=465w/(m·℃)
貧油污垢熱阻=(m2·℃)/w
粗笨污垢熱阻=( m2·℃)/w
則w/(㎡·℃
3.4 傳熱面積計(jì)算
（3-19）
取F=20㎡
3.5 螺旋通道計(jì)算
H=1m （3-20）
3.6 螺旋圈數(shù)n與螺旋體外徑
前述已選螺旋中心直徑d=0.3m,板厚,L=10m,
（3-21）
= 12.9圈
（3-22）
與前面設(shè)的接近，故所設(shè)成立
3.7 流體壓降的計(jì)算
由于液-液熱交換，故按下面的公式計(jì)算，通道和進(jìn)出口的壓降
（3-23）
取單位面積上的定距柱數(shù)目個(gè)/㎡
代入數(shù)據(jù)
熱程通道的壓降（貧油側(cè)壓降的計(jì)算）
=6283Pa
富油側(cè)壓降的計(jì)算
（3-24）
因?yàn)?H=1m
（3-25）
（3-26）
富油的流速 （3-27）
通道當(dāng)量直徑 （3-28）
富油通道：
（3-29）
（3-30）
代入數(shù)據(jù)得：
=7925.68pa
4 螺旋板式換熱器的螺旋板的強(qiáng)度計(jì)算與校核
4.1 強(qiáng)度計(jì)算
按公式進(jìn)行計(jì)算：
（4-1）
已知=0.8m,H=1m,
換熱器的操作壓力P=1.0MPa
基設(shè)計(jì)壓力：
=1.1P=1.1x1.0=1.1MPa （4-2）
螺旋板材料選Q235-A其,
（4-3）
曲率影響系數(shù) （4-4）
=1+0.96(1.28-2X0.4)
=1.46
其中R=/2
定距柱的間距t,按下式：
螺旋板的強(qiáng)度（
5 螺旋板式換熱器的結(jié)構(gòu)尺寸
（4-5）
當(dāng)采用定距柱時(shí)C=4.7
將已知數(shù)據(jù)代入公式：
由以上計(jì)算可知，可取定距柱t=60mm
4.2 螺旋板的撓度
（4-6）
已知E=MPa,t=60mm, =0.004m, =0.3，p=1.1MPa
對(duì)于定距柱=0.00638，
代入計(jì)算：
=0.074mm
4.3 穩(wěn)定性計(jì)算
螺旋板是螺旋板換熱器主要受壓元件, 相鄰螺旋板之間由一系列定距柱支承。換熱器工作時(shí), 螺旋板要受到高壓汽體或液體的作用, 螺旋板凸面所受壓力達(dá)一臨界值時(shí)，它們就會(huì)突然失去平衡, 喪失穩(wěn)定性, 發(fā)生屈曲, 螺旋板失穩(wěn)后其抵抗荷載能力將大大降低, 以致造成此結(jié)構(gòu)的突然破壞。因此分析螺旋板的穩(wěn)定性, 確定它的臨界載荷, 就成為工程設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要問(wèn)題。非鋼性薄壁圓筒或殼體呈受外壓時(shí)存在穩(wěn)定性問(wèn)題, 而且其穩(wěn)定性破壞先于強(qiáng)度破壞。外壓容器設(shè)計(jì)時(shí), 穩(wěn)定性計(jì)算是考慮的主要問(wèn)題。
按“計(jì)算法”校核螺旋板式換熱器的穩(wěn)定性，根據(jù)已知數(shù)據(jù)，板寬H=1.0m板厚=0.004m,螺旋板曲率半徑R=/2=0.4m
按公式計(jì)算定距柱間距：
（4-7）
由強(qiáng)度計(jì)算取t=60mm
所以﹤t此條件下選用公式：
（4-8）
代入數(shù)據(jù)：
（4-9）
對(duì)承受外壓的設(shè)備，一般取穩(wěn)定系數(shù)
已知設(shè)備的設(shè)計(jì)壓力為P=1.0MPa
由于P﹤故設(shè)備穩(wěn)定,操作安全
5 螺旋板式換熱器的結(jié)構(gòu)尺寸
由于是液-液熱交換，按可拆式螺旋板式換熱器確定各部件的結(jié)構(gòu)和尺寸。
流體流向的選擇：富油由上端的中心管進(jìn)入，沿螺旋流向外周排出。貧油由殼體外側(cè)的進(jìn)口進(jìn)入，由下端的中心管排出，兩流體呈螺旋流動(dòng)。
5.1 密封結(jié)構(gòu)
密封結(jié)構(gòu)好壞，直接影響到螺旋板換熱器能否正常運(yùn)轉(zhuǎn)。即使微小內(nèi)泄漏使
參考文獻(xiàn)
冷熱流體相混，也會(huì)導(dǎo)致傳熱不能正常進(jìn)行，因此端面密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)對(duì)螺旋板換熱器來(lái)說(shuō)是一個(gè)至關(guān)重要的問(wèn)題。為保證螺旋板兩側(cè)流體之間因短路造成內(nèi)漏，螺旋通道端部必須進(jìn)行密封，采用封頭墊片密封結(jié)構(gòu)。封頭通過(guò)焊接法蘭，螺栓等于外殼和螺旋板相連，螺旋通道采用墊入鋼條焊接密封。為了提高可拆式螺旋板換熱器的耐壓能力和密封性能，開(kāi)發(fā)了如圖5所示的橢圓形端蓋結(jié)構(gòu)，它將介質(zhì)與大氣之間的外密封和螺旋通道間介質(zhì)的內(nèi)密封分開(kāi)解決。其中橢圓形封頭、筒體法蘭和墊片起著防止介質(zhì)向大氣泄漏的作用，密封板則起著防止各圈螺旋通道內(nèi)介質(zhì)短路的作用。密封板外邊緣通過(guò)法蘭墊片壓緊，設(shè)計(jì)時(shí)要保證密封板面比筒體法蘭密封面低0.2mm左右，以免影響螺栓強(qiáng)度。對(duì)于可拆式螺旋板換熱器，為保證密封板與螺旋端面的緊密貼合，需要在橢圓形端蓋內(nèi)中心部分焊接一定直徑的鋼管，鋼管另一端焊有壓環(huán)，壓環(huán)與密封板間有一比法蘭密封面低的壓環(huán)墊片，這樣運(yùn)行過(guò)程密封板中心會(huì)受到鋼管的壓力，密封更可靠。
圖5 橢圓形端蓋密封結(jié)構(gòu)
5.2 定距柱尺寸
螺旋體是一個(gè)彈性構(gòu)件，它不能被壓破，只能被壓癟，因此剛度對(duì)其來(lái)說(shuō)是一個(gè)至關(guān)重要的問(wèn)題。一旦換熱器兩通道的壓力差達(dá)到一定數(shù)值，螺旋板就可能被壓癟而出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象，使設(shè)備不能正常工作。用增加板厚的方法提高螺旋體的剛度不是解決問(wèn)題的最好方法，因板厚增加會(huì)加大鋼板卷制時(shí)的功率消耗，同時(shí)浪費(fèi)材料，并且降低螺旋板換熱器相對(duì)于其他類型換熱器的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。因此用增加板厚的方法來(lái)解決螺旋板換熱器的承壓和大型化問(wèn)題不符合“節(jié)能、降耗、減排”的新裝備設(shè)計(jì)理念?；谏厦娴目紤]，目前普遍采用增設(shè)定距柱的方法來(lái)提高螺旋體的剛度 。
螺旋體上定距柱的作用主要體現(xiàn)在三個(gè)方面：(1)增加螺旋體的剛度；(2)控制螺旋通道的間距；（3）使流動(dòng)介質(zhì)易產(chǎn)生湍流，強(qiáng)化傳熱。一般縮小定距柱的間距、增加定距柱數(shù)目，可顯著提高螺旋板的承壓能力和傳熱效率，但同時(shí)會(huì)使流動(dòng)阻力增加，沉淀物也不易清洗干凈。因此必須綜合考慮定距柱的布置，使其對(duì)剛度與傳熱的強(qiáng)化收益大于流阻壓降。通常壓力較大時(shí)，定距柱的距離可以取得小些螺旋體外圈因直徑較大，外壓穩(wěn)定性減弱，定距柱可以相對(duì)密些。
定距柱的尺寸按螺旋通道寬度和決定?？蛇x直徑為10mm，長(zhǎng)為14mm的圓鋼條作定距柱，考慮到定距柱間距t=60mm，定距柱的數(shù)目為n=36 個(gè)/㎡，整個(gè)換熱器的定距柱的數(shù)目為720個(gè)。
定距柱按等邊三角形排列。
5.3 換熱器外殼的設(shè)計(jì)
換熱器外殼，采用兩個(gè)半圓對(duì)接焊結(jié)構(gòu)，外殼主要受內(nèi)壓作用，其厚度按承受內(nèi)壓的圓筒計(jì)算，即按下式計(jì)算：
,P=1.1MPa 圓筒半徑R=400mm （5-1）
壁厚附加量e=0,殼體材料選Q235-A
, , ,
（5-2）
（5-3）
取殼體與連接板的連接采用角焊
代入數(shù)據(jù)：
故選碳鋼板厚為4mm
螺旋板換熱器的外殼是承受內(nèi)壓或外壓的部件，為了提高外殼的承壓能力,往往采用增加最外圈螺旋板厚度的方法。
為了改善外殼與螺旋板的連接結(jié)構(gòu)，提高外殼的承壓能力，設(shè)計(jì)了由兩半圓環(huán)組合焊接而成的圓筒作為螺旋板式換熱器的外殼，具體如圖6所示。其中的關(guān)鍵零件是連接板，它一首先與螺旋體末端對(duì)接焊接，然后再與兩半圓外殼焊接，有效避免了角焊縫的存在，提高了可拆式螺旋板換熱器的結(jié)構(gòu)可靠性。
圖6 螺旋板換熱器的側(cè)向接管型式
5.4 進(jìn)出口接管設(shè)計(jì)
進(jìn)出口接管直徑d,中心管采用垂直于螺旋板式橫斷面的結(jié)構(gòu)，螺旋通道的接管為了減少加工量，也采用垂直接管，由傳熱工藝計(jì)算可知：
熱程（貧油）通道截面積
冷程（富油）通道截面積
設(shè)管內(nèi)流量與通道內(nèi)流量相等，亦即他們的截面積相等，熱程通道的接管直徑為： （5-4）
選140x4不銹鋼管，配管法蘭為凸面對(duì)焊鋼制法蘭PN1.0 DN=250mm
5.5 中心隔板尺寸
對(duì)螺旋板換熱器而言，中心管直徑的大小是設(shè)計(jì)優(yōu)劣的一項(xiàng)重要指標(biāo)。一般中心管直徑設(shè)計(jì)的越小，則螺旋板換熱器單位體積的傳熱面積越大，即結(jié)構(gòu)更緊湊。此外，由于螺旋通道的曲率半徑減小，傳熱也得到強(qiáng)化。因此在設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量縮小中心管直徑。
從提高設(shè)備緊湊性、確保接頭質(zhì)量、擴(kuò)大設(shè)備換熱能力等方面綜合考慮。螺旋板換熱器中心管的結(jié)構(gòu)型式采用了厚中心隔板與螺旋板的角接結(jié)構(gòu)。如圖7所示：
圖7 中心板結(jié)構(gòu)示意圖
螺旋板為碳鋼，厚度=0.004m長(zhǎng)度為H=1m
中心隔板的寬度： （5-5）
代入已知數(shù)據(jù)：
中心隔板的高度等于螺旋板的高度。
5.6 螺旋板換熱器各設(shè)計(jì)參數(shù)如下：
換熱面積：F=20m2
螺旋板長(zhǎng)度：L=10m
螺旋板高度：H=1m
螺旋體的外徑：=0.8m
螺旋通道寬度
熱程（貧油）通道：=0.014m
冷程（富油）通道：=0.014m
螺旋板厚度：=0.004m
螺旋中心直徑：d=0.3m
定距柱間距：t=60mm
定距柱數(shù)：n=36 個(gè)/㎡
進(jìn)出口管為140x4不銹鋼管
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