F70螺旋板式換熱器設(shè)計(jì)含10張CAD圖,f70,螺旋,板式,換熱器,設(shè)計(jì),10,cad
課題任務(wù)書
學(xué)院： 專業(yè)：
指導(dǎo)教師
學(xué)生姓名
課題名稱
F70螺旋板式換熱器設(shè)計(jì)
內(nèi)容及任務(wù)
擬設(shè)計(jì)一螺旋板換熱器，用于熱量回收。
給定設(shè)計(jì)參數(shù)如下：
熱程介質(zhì)：含氰根硫酸水溶液 冷程介質(zhì)：水
熱程設(shè)計(jì)壓力：0.45MPa 冷程設(shè)計(jì)壓力：0.45MPa
熱程設(shè)計(jì)溫度：200℃ 冷程設(shè)計(jì)溫度：200℃
腐蝕余量：自定 換熱面積：70m2
需完成的主要內(nèi)容如下：
1、緒論
2、主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
3、材料選擇及零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
4、強(qiáng)度計(jì)算與校核
5、加工工藝、裝配程序、安全防腐等
6、繪制裝配圖及零部件圖
7、翻譯外文文獻(xiàn)
擬達(dá)到的要求或技術(shù)指標(biāo)
1、首先需在互聯(lián)網(wǎng)、圖書館、工廠廣泛查閱相關(guān)科技資料
2、進(jìn)行結(jié)構(gòu)、材料及裝置選擇論證時(shí)，要求資料詳實(shí)，數(shù)據(jù)充分
3、進(jìn)行強(qiáng)度校核時(shí)，要求計(jì)算準(zhǔn)確，分析詳細(xì)，公式的字母含義應(yīng)標(biāo)明
4、查閱15篇以上與題目相關(guān)的文獻(xiàn)，其中近三年的文獻(xiàn)不少于5篇，鼓勵(lì)引用一定的外文文獻(xiàn)；按要求格式獨(dú)立撰寫不少于12000字的設(shè)計(jì)說明書；寫出不少于400字的中文摘要，關(guān)鍵詞的個(gè)數(shù)一般取5個(gè)左右；鼓勵(lì)翻譯一篇本專業(yè)外文文獻(xiàn)
5、完成不少于3張零號(hào)圖紙的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖、裝配圖和零件圖，其中應(yīng)包含一張以上用計(jì)算機(jī)繪制的具有中等難度的1號(hào)圖紙，同時(shí)至少有折合4號(hào)圖幅以上的圖紙用手工繪制，并要求圖面整潔，視圖齊全，布局合理，線條、文字及尺寸標(biāo)注等均應(yīng)符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定
進(jìn)度安排
起止日期
工作內(nèi)容
備注
2月18日—3月1日
3月4日—3月15日
3月18日—5月24日
5月27日—5月31日
畢業(yè)設(shè)計(jì)調(diào)研
集中實(shí)習(xí)
畢業(yè)設(shè)計(jì)
畢業(yè)答辯
主要參考資料
[1] 秦叔經(jīng)，葉文邦.化工設(shè)備設(shè)計(jì)全書-換熱器［Ｍ］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003
[2] 工程材料實(shí)用手冊(cè)編輯委員會(huì).工程材料實(shí)用手冊(cè)［Ｍ］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2002
[3] 朱有庭.化工設(shè)備設(shè)計(jì)手冊(cè)［Ｍ］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005
[4] 錢頌文.換熱器設(shè)計(jì)手冊(cè)［Ｍ］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002
[5] 朱振華，邵澤波.過程裝備制造技術(shù)［Ｍ］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011
[6] 華南理工大學(xué)化工原理教研組.化工過程及設(shè)備設(shè)計(jì)［Ｍ］.廣州：華南理工
大學(xué)出版社，1986
[7] 趙惠清，蔡紀(jì)寧.化工制圖 ［Ｍ］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2015
[8] 譚蔚.化工設(shè)備設(shè)計(jì)基礎(chǔ)［Ｍ］.天津：天津大學(xué)出版社，2014
教研室
意見
本課題符合專業(yè)人才培養(yǎng)要求，設(shè)計(jì)任務(wù)飽滿，同意下達(dá)任務(wù)書 □
本課題不符合專業(yè)人才培養(yǎng)要求，不同意下達(dá)任務(wù)書□
教研室主任（簽章）：
年 月 日
開題報(bào)告
題 目
F70螺旋板式換熱器設(shè)計(jì)
學(xué)生姓名
班級(jí)學(xué)號(hào)
專業(yè)
1 選題的目的與意義
連螺旋板式換熱器是一種高效換熱設(shè)備，適用汽－汽、汽－液、液－液，對(duì)液傳熱。是發(fā)展較早的一種板式換熱器，不用管材，價(jià)格比較便宜，其傳熱系數(shù)大，結(jié)構(gòu)緊湊，不易結(jié)垢，容易清洗。它適用于化學(xué)、石油、溶 劑、醫(yī)藥、食品、輕工、紡織、冶金、軋鋼、焦化等行業(yè)。該換熱器主要由兩張平行的薄鋼板卷制成，構(gòu)成一對(duì)互相隔開的螺旋形通道，冷、熱兩流體以螺旋形板面為傳熱面相間流動(dòng)。在換熱器中心設(shè)有中心隔板，使兩個(gè)螺旋通道隔開，一般有一對(duì)進(jìn)、出口設(shè)在圓周邊上，而另一對(duì)進(jìn)、出口則設(shè)在中心的圓鼓上。
螺旋板式換熱器結(jié)構(gòu)緊湊，單位體積提供的傳熱面很大，流體在螺旋板內(nèi)允許流速較高，并且流體沿螺旋方向流動(dòng)，滯流層薄，故傳熱系數(shù)大，傳熱效率高。此外還因流速大，臟物不易滯留，近年來在國(guó)內(nèi)各行業(yè)中的應(yīng)用日趨廣泛。但也存在焊接要求質(zhì)量高，檢修比較困難。重量大，剛性差等缺點(diǎn)。未來的市場(chǎng)需求將對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量有更高的要求，如環(huán)保、節(jié)能型產(chǎn)品將是今后發(fā)展的重點(diǎn)；要求產(chǎn)品性價(jià)比提高；對(duì)產(chǎn)品的個(gè)性化、多樣化的需求趨勢(shì)強(qiáng)烈，這也共同預(yù)示著換熱器行業(yè)良好的發(fā)展前景。
本次設(shè)計(jì)的螺旋板式換熱器是我之前學(xué)習(xí)所沒有接觸過的，在傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)知識(shí)上面添加了一些新的元素。在設(shè)計(jì)過程中，一方面可以復(fù)習(xí)和鞏固之前學(xué)習(xí)的知識(shí)， 另外又可以拓展思維，查閱資料以擴(kuò)展知識(shí)面，培養(yǎng)創(chuàng)新思維，以達(dá)到提升自我的目的。
2 國(guó)內(nèi)、外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)
2.1 國(guó)內(nèi)情況
我國(guó)從上世紀(jì)50年代開始研究螺旋板式換熱器，至今已經(jīng)有60多年的歷史，但在最初30年中，受材料、制造設(shè)備及焊接工藝等技術(shù)水平的限制，螺旋板式換熱器的研究與發(fā)展緩慢。改革開放之后，螺旋板式換熱器的市場(chǎng)需求逐步增大，隨著材料及焊接技術(shù)的發(fā)展與提高，使螺旋板式換熱器得到了較快的發(fā)展。產(chǎn)品與國(guó)外同類型產(chǎn)品在整體技術(shù)水平及使用功能方面接近，其結(jié)構(gòu)由原來的不可拆式、簡(jiǎn)單可拆式發(fā)展為多種可拆式、撬裝式、交錯(cuò)冷凝式等。單臺(tái)熱交換面積、最高工作壓力及溫度都大大提升。然而，盡管國(guó)產(chǎn)螺旋管式換熱器的技術(shù)達(dá)到了長(zhǎng)足的發(fā)展，但在某些特殊工況傳熱計(jì)算中特性參數(shù)的選項(xiàng)（如非牛頓液體參數(shù)，動(dòng)力粘度等）、特殊材料在特殊工況中的耐腐蝕研究、制造工藝已經(jīng)產(chǎn)品外觀質(zhì)量等方面與國(guó)外同類產(chǎn)品還存在一定的差距，這是國(guó)內(nèi)從事螺旋板式換熱器設(shè)計(jì)、制造、應(yīng)用以及相關(guān)研究的企業(yè)和學(xué)者還需繼續(xù)努力的課題。
2.2 國(guó)外情況
螺旋板式換熱器是瑞典羅森布拉德公司于1930年首先推薦使用的，很快就開始成批量生產(chǎn)并取得了專利權(quán)。隨后許多國(guó)家根據(jù)這個(gè)公司乏的專利相繼仿造，其中有英國(guó)APV公司、美國(guó) AHRCO公司、西德 ROCA公司等。國(guó)外螺旋板式換熱器的發(fā)展無(wú)論材料、工藝、結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)理論都已日臻成熟。所有產(chǎn)生廠商都采用了定距柱接觸焊和螺旋板自動(dòng)翻邊工藝，其應(yīng)用領(lǐng)域也比我國(guó)深入、廣泛。國(guó)外螺旋板式換熱器共有四種型式：1型、2型、 3型和 3H型。 1型為最普通結(jié)構(gòu)型式，兩個(gè)通道內(nèi)的流體均作螺旋流動(dòng)。國(guó)外螺旋板式換熱器最常見的是應(yīng)用于冷凝場(chǎng)合，所有型式的螺旋板式換熱器均可應(yīng)用于冷凝場(chǎng)合。
3 課題設(shè)計(jì)的主要工作
3.1 準(zhǔn)備相關(guān)工作 完成緒論
在互聯(lián)網(wǎng)或者圖書館等查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，或者去相關(guān)工廠了解換熱器方面的知識(shí)。明確其熱換的過程、原理、性能及應(yīng)用。還應(yīng)該了解熱換器在國(guó)內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)。掌握基本知識(shí)點(diǎn)，計(jì)算方法等，并安排設(shè)計(jì)進(jìn)度。
3.2 材料選擇及主體、零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
各零部件的材料選擇，選擇熱換器的類型與結(jié)構(gòu)，操作條件的選擇和操作方式的選擇。完成幾何設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
3.3 強(qiáng)度計(jì)算與校核
計(jì)算換熱器各部件尤其受壓部件的應(yīng)力大小檢驗(yàn)其強(qiáng)度是否在允許范圍內(nèi)，按照國(guó)家壓力容器安全技術(shù)規(guī)定進(jìn)行計(jì)算或者核算。
3.4 加工工藝，裝配程序，安全防腐
選擇加工工藝，及編寫裝配程序，考慮安全性能及采取防腐措施。
3.5 繪制裝配圖及零部件圖
利用AutoCAD繪圖軟件繪制出換熱器的裝備圖及各個(gè)零件圖。
3.6 翻譯外文文獻(xiàn)，編寫說明書
將外文文獻(xiàn)進(jìn)行翻譯，并按要求編寫說明書。
4 設(shè)計(jì)進(jìn)度安排
2月26日～3月11日： 尋找與課題相關(guān)的參考書及文獻(xiàn)資料，撰寫開題報(bào)告。
3月12日～3月23日： 集中實(shí)習(xí)
3月26日～4月1日： 查閱文獻(xiàn)資料，確定設(shè)計(jì)方案，開始課題設(shè)計(jì)
4月2日～4月25日： 螺旋板式換熱器的幾何設(shè)計(jì)和總體設(shè)計(jì)，計(jì)算并校核
4月26日～5月1日： 選擇加工工藝，裝配過程，考慮安全防腐等細(xì)節(jié)
5月2日～5月15日： 依據(jù)設(shè)計(jì)步驟繪制零件圖，裝配圖
5月16日～5月25日： 提交論文初稿，答辯前的準(zhǔn)備，交論文正式稿
5月28日～6月1日： 畢業(yè)答辯
參考文獻(xiàn)
[[1] 秦叔經(jīng)，葉文邦.化工設(shè)備設(shè)計(jì)全書-換熱器［Ｍ］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003
[2] 錢頌文.換熱器設(shè)計(jì)手冊(cè)［Ｍ］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002
[3] 朱振華，邵澤波.過程裝備制造技術(shù)［Ｍ］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011
[4] 華南理工大學(xué)化工原理教研組.化工過程及設(shè)備設(shè)計(jì)［Ｍ］.廣州：華南理工
大學(xué)出版社，1986
[5]劉亮.淺析螺旋板式換熱器的應(yīng)用[J].石化技術(shù),2017,24(04):109.
指導(dǎo)教師批閱意見
指導(dǎo)教師(簽名)： 年 月 日
F70螺旋板式換熱器設(shè)計(jì)
摘 要
換熱器在許多工業(yè)部門中都有應(yīng)用，而且非常廣泛，例如，石油化工、冶金、制冷、動(dòng)力等各個(gè)領(lǐng)域，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)中至關(guān)重要。螺旋板式換熱器是一種新型換熱器，傳熱效率高，運(yùn)行穩(wěn)定，可多臺(tái)機(jī)組運(yùn)行，適用于蒸汽－蒸汽、蒸汽－液體、液體－液體的傳熱。
根據(jù)任務(wù)書的要求，本次的設(shè)計(jì)課題是F70螺旋板式換熱器。螺旋板式換熱器相較于其他換熱器的優(yōu)點(diǎn)：1、傳熱效率高；2、有效回收低溫?zé)崮埽?、運(yùn)行可靠性強(qiáng)；4、可多臺(tái)組合使用；5、阻力??；等等。為了確保換熱器的強(qiáng)度和使用時(shí)間長(zhǎng)度, 需要設(shè)計(jì)合理的結(jié)構(gòu)，因此合理的結(jié)構(gòu)需要考慮材料、壓力、溫度、壁溫、污染條件、流體性質(zhì)、維護(hù)、清潔等因素。其中主要的過程有主體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，材料選擇及零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，強(qiáng)度計(jì)算與校核以及加工工藝、裝配程序、安全防腐等。在工程設(shè)計(jì)過程中，即使是相同形式的換熱器結(jié)構(gòu)也不盡相同，因?yàn)樗鼈兊氖褂梅绞讲煌?。我們也?yīng)盡可能選擇定性產(chǎn)品范圍，或者根據(jù)客服特定需求來設(shè)計(jì),從而達(dá)到令人滿意的工藝條件。
關(guān)鍵詞：螺旋板；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；換熱器；強(qiáng)度校核
ABSTRACT
Heat exchangers are widely used in many industrial sectors, such as petrochemical industry, metallurgy, refrigeration, power and other fields, which are very important in national economic production. Spiral plate heat exchanger is a new type of heat exchanger with high heat transfer efficiency and stable operation. It can be operated by multiple units. It is suitable for heat transfer of steam-steam, steam-liquid and liquid-liquid.
According to the requirements of the task book, the design topic of this project is F70 spiral plate heat exchanger. Compared with other heat exchangers, spiral plate heat exchangers have the following advantages: 1. high heat transfer efficiency; 2. effective recovery of low-temperature heat energy; 3. strong operational reliability; 4. multiple combination; 5. low resistance; and so on. In order to ensure the strength of heat exchanger and the length of service time, it is necessary to design a reasonable structure, so reasonable structure needs to consider material, pressure, temperature, wall temperature, pollution conditions, fluid properties, maintenance, cleaning and other factors. The main processes include the structure design of the main body, material selection and component structure design, strength calculation and checking, as well as processing technology, assembly procedures, safety and corrosion protection, etc. In the process of Engineering design, even the same heat exchanger structure is not the same, because they are used in different ways. We should also choose the range of qualitative products as far as possible, or design according to the specific needs of customer service, so as to achieve satisfactory process conditions.
Key words：Spiral plate; Structural design; Heat exchanger; Strength check
目 錄
1 概論 1
1.1 螺旋板式換熱的研究背景 1
1.2 螺旋板式換熱器現(xiàn)狀和發(fā)展 2
1.3 螺旋板式換熱器的結(jié)構(gòu) 2
1.3.1結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 2
1.3.2結(jié)構(gòu)型式 4
1.4 設(shè)計(jì)方向 6
2 設(shè)計(jì)方案的確定 7
2.1螺旋板式換熱器的選型和流道布置 7
2.2流速的選擇 7
2.3螺旋中心直徑和螺旋板寬度的選擇 7
2.4最合適的出口溫度設(shè)置 7
2.5確定設(shè)計(jì)方案原則 8
3 螺旋板式換熱器的計(jì)算 9
3.1 傳熱工藝的計(jì)算 9
3.1.1傳熱量Q 9
3.1.2. 冷卻水出口溫度 9
3.1.3.螺旋通道截面積與當(dāng)量直徑de的計(jì)算 10
3.1.4.雷諾數(shù)Re和普蘭特?cái)?shù)Pr 11
3.1.5.給熱系數(shù)α的計(jì)算 11
3.1.6.總傳熱系數(shù)K 12
3.1.7.對(duì)數(shù)平均溫度差?tm 12
3.1.8.傳熱面積 13
3.1.9.螺旋通道的計(jì)算 13
3.1.10.螺旋圈數(shù)n和螺旋體外徑D0的驗(yàn)算 13
3.2.壓差?p的計(jì)算 14
4 螺旋板強(qiáng)度、撓度計(jì)算與校核 15
4.1強(qiáng)度計(jì)算 15
4.2螺旋板撓度 16
4.3校核螺旋板換熱器的穩(wěn)定性 16
5 螺旋板換熱器的結(jié)構(gòu)尺寸及加工方法 18
5.1密封結(jié)構(gòu) 18
5.2換熱器外殼 19
5.3定矩柱的尺寸 19
5.4進(jìn)出口接管的直徑 20
5.5中心隔板尺寸 20
5.6螺旋板式換熱器的加工方法 21
5.7防腐設(shè)計(jì) 23
5.8螺旋板式換熱器設(shè)計(jì)參數(shù) 23
總結(jié) 24
參考文獻(xiàn) 25
致謝 26
1 概論
1.1 螺旋板式換熱的研究背景
最早提出螺旋板式換熱器結(jié)構(gòu)是1930年瑞典的Rosembla，1932年以此人命名成立的Rosembla公司，已經(jīng)開始批量生產(chǎn)此種換熱器了，并申請(qǐng)了專利。此后，許多國(guó)家相繼設(shè)計(jì)了螺旋板式換熱器，應(yīng)用在各種場(chǎng)合。比如美國(guó)的AHRCO公司和Union Carbide公司，英國(guó)的APV公司，日本的“川化”和“大江”，德國(guó)的Roca公司等。
隨著進(jìn)入21世紀(jì)以來，全球能源短缺，解決能源問題的重要途徑之一是節(jié)能增效，世界上絕大多數(shù)國(guó)家都開始重視這方面的研究，所以，這方面的投資也在不斷的增加。我國(guó)的能源危機(jī)也十分嚴(yán)重，不均衡的能源分布以及正處于發(fā)展階段的重工業(yè)，能源工業(yè)設(shè)備的落后導(dǎo)致能源的有效利用效率低下。最后，由于公眾普遍缺乏環(huán)保意識(shí)，環(huán)境污染嚴(yán)重。我國(guó)的能源利用效率仍相較于一些發(fā)達(dá)國(guó)家還是有很大的差距，因此還有很大的發(fā)展空間也。
面對(duì)能源危機(jī)，能源的利用率就顯得極為重要，研發(fā)高效節(jié)能設(shè)備也是工業(yè)重中之重了，如新熱交換設(shè)備的研發(fā)。換熱器可以根據(jù)工藝要求控制介質(zhì)的溫度和熱量，同時(shí)可以有效回收甚至再生余熱和廢熱。因此，換熱器已成為工業(yè)部門廣泛使用的工藝設(shè)備，能源工程項(xiàng)目總投資的很大一部分投資于換熱器的生產(chǎn)和制造。在化工廠，換熱器投資約占總投資的35%，所有海水淡化工藝裝置都由換熱器組成。然而，目前廣泛使用的換熱器能耗利用率較低。因此，只有有效提高換熱器的工作效率，才能在工程生產(chǎn)中達(dá)到節(jié)能降耗的目的。也有可能在全國(guó)工業(yè)中產(chǎn)生不可估量的經(jīng)濟(jì)效益，甚至深遠(yuǎn)的社會(huì)效益。
目前，螺旋板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)形式之一。螺旋板式換熱器的特點(diǎn)是：①傳熱效能好；②具有自清洗作用；③不可拆式結(jié)構(gòu)密封性能好，適用于易爆、易燃、劇毒或貴重流體的換熱；④有利于小溫差傳熱，回收低溫?zé)崮?；⑥溫差?yīng)力小；⑦價(jià)格低廉。但是也也維修困難的缺點(diǎn)。21世紀(jì)以來，各國(guó)加大了在能源項(xiàng)目的投資，出現(xiàn)了許多新型結(jié)構(gòu)換熱器螺旋板式換熱器也進(jìn)行了許多優(yōu)化設(shè)計(jì)。
1.2 螺旋板式換熱器現(xiàn)狀和發(fā)展
螺旋板式換熱器早期使用于回收廢氣和廢液中的能量,冷卻和加熱果汁、糖汁以及各種化工溶液,同時(shí)也用于冷卻發(fā)煙硫酸、酸性物質(zhì)和啤酒麥芽汁等。隨著化工等行業(yè)的快速發(fā)展，以及制造技術(shù)的不斷改進(jìn)和提高，螺旋板式換熱器的應(yīng)用范圍越來越廣泛。從開始使用螺旋板式換熱器到1962年期間，世界各國(guó)制造和使用的裝置總數(shù)已超過10000個(gè)。20世紀(jì)70年代，隨著規(guī)模的擴(kuò)大，設(shè)計(jì)壓力達(dá)到了4MPa。
螺旋板式換熱器在中國(guó)的使用始于20世紀(jì)50年代中期，當(dāng)時(shí)它主要用于加熱電解質(zhì)和冷卻燒堿廠的濃堿液。20世紀(jì)60年代，中國(guó)機(jī)械制造部設(shè)計(jì)制造了一種卷繞螺旋板的專用卷繞機(jī)，將卷繞效率提高了幾十倍，為螺旋板式換熱器的推廣應(yīng)用創(chuàng)造了良好的機(jī)會(huì)。自1968年前第一機(jī)械工業(yè)在蘇州召開一系列螺旋板式換熱器審查會(huì)議以來，已有20多家國(guó)內(nèi)制造商生產(chǎn)了這種換熱器，螺旋板式換熱器在中國(guó)得到了迅速的發(fā)展，如今在國(guó)內(nèi)應(yīng)用也是日趨廣泛。
目前的問題是如何進(jìn)一步提高換熱器的承壓能力，使其應(yīng)用范圍更廣。提高承載力的方法有很多，如增加間隔柱的數(shù)量、增加螺旋板的厚度或提高板的強(qiáng)度(即選擇質(zhì)量更好、具有一定塑性和高強(qiáng)度的鋼)。然而，如果采用增加板材厚度的方法，必然需要提高板材彎曲機(jī)的能力，導(dǎo)致消耗功率的相應(yīng)增加，并且也給制造過程帶來困難并增加成本。目前，提高其承壓能力的途徑是改進(jìn)其結(jié)構(gòu)，選用更好的材料。經(jīng)過多年使用和不斷改進(jìn)，螺旋板換熱器目前最大外徑為Φ2000米，板寬為180米，最大工作壓力為4MPa，最高工作溫度為1000℃
1.3 螺旋板式換熱器的結(jié)構(gòu)
1.3.1結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
⑴ 傳熱效率高。由于螺旋板式換熱器有螺旋通道，通道內(nèi)流動(dòng)著流體，螺旋板上焊接有保持螺旋通道寬度的限位柱或沖孔限位氣泡，在螺旋流離心力的作用下，流體可以在較低雷諾數(shù)下產(chǎn)生湍流?？紤]到壓降不太大，更重要的是合理選擇通道寬度和流體流速。一般來說，在設(shè)計(jì)時(shí)可以選擇較高的流速（液體的允許設(shè)計(jì)流速約為2m/s，氣體的允許設(shè)計(jì)流速約為20m/s），這樣可以使流體高度分散、接觸良好，有利于提高螺旋板換熱器的傳熱效率。近年來，國(guó)內(nèi)許多單位對(duì)螺旋板式換熱器和管式換熱器的傳熱系數(shù)進(jìn)行了測(cè)量和比較。例如，冰箱的輔助氨冷凝器使用熱交換面積為f=30m2的螺旋板式換熱器，而不是熱交換面積為f=70m2的管式熱交換器，因此效率加倍。另一個(gè)例子是小型化肥廠氨合成塔的下部加熱器。原管狀結(jié)構(gòu)的換熱面積為f=30.9m2，只要用螺旋板式換熱器代替f=15.5m2，其加熱器的效率就翻倍。
⑵ 流體的壓頭可以有效地用于在螺旋板式換熱器損失流體。雖然流動(dòng)方向和脈沖現(xiàn)象沒有劇烈變化，但螺旋通道較長(zhǎng)，螺旋板焊接有定距柱。在正常情況下，該熱交換器的流體阻力大于管狀熱交換器的流體阻力。然而，與其他類型的熱交換器相比，由于通道中均勻的螺旋流，流體的正作用力主要出現(xiàn)在流體和螺旋板之間的摩擦以及間隔柱的沖擊中，這部分阻力會(huì)引起流體湍流，從而相應(yīng)地增加傳熱系數(shù)，這使得螺旋板式換熱器能夠更有效地利用流體的壓頭損失。
⑶ 能利用低溫?zé)崮?，精確控制出口溫度。為了提高螺旋板式換熱器的傳熱效率，有必要提高傳熱驅(qū)動(dòng)力。當(dāng)兩種流體在螺旋通道中完全逆流操作時(shí)，兩種流體之間的對(duì)數(shù)平均溫差較大，這有利于傳熱。根據(jù)換熱器設(shè)計(jì)中使用的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，螺旋板式換熱器允許的最小溫差最低，即使兩種流體之間的溫差為3C，也可以進(jìn)行換熱。由于允許的溫差相對(duì)較低，世界上所有國(guó)家都使用這種換熱器來回收低溫?zé)崮堋?
螺旋板式換熱器有兩個(gè)長(zhǎng)的均勻螺旋通道，介質(zhì)可以在其中均勻加熱和冷卻，因此其出口溫度可以精確控制。
⑷ 不易污垢堵塞。在管殼式換熱器中，如果一根換熱管有污垢沉積，換熱管的局部阻力增大，流量受到限制，流量減小，介質(zhì)轉(zhuǎn)向其他換熱管，換熱器中各換熱管的阻力重新平衡，有污垢沉積的換熱管的流量越來越小，污垢沉積越來越容易，最終換熱管被完全堵塞。但在螺旋板式換熱器，由于介質(zhì)通過單一通道，流速相比較于其他種類的換熱器要高，通道又是螺旋形狀的，可以起到自我沖刷的作用，流體中的污垢不易沉積。即使產(chǎn)生污垢，應(yīng)用化學(xué)方面的方法來處理也是比較簡(jiǎn)單的。其次，由于螺旋板寬度的原因（一般不會(huì)超過2m），用高壓水來清洗管道也是簡(jiǎn)易的。
⑸ 密封結(jié)構(gòu)可靠。目前，螺旋板式換熱器的雙通道端通過焊接(不可拆卸)和壓蓋(可拆卸)進(jìn)行密封。在保證焊接質(zhì)量的同時(shí)，不可拆卸式可以保證兩種介質(zhì)之間沒有內(nèi)部泄漏。可拆卸兩端由端蓋壓緊，端蓋上設(shè)有整體密封板。只要螺旋通道兩端的面粉加工順利，就可以防止同一側(cè)的流體從一圈流到另一圈。
⑹ 溫差應(yīng)力小。螺旋板式換熱器的特點(diǎn)是允許擴(kuò)張。因?yàn)樗袃蓚€(gè)長(zhǎng)螺旋通道，當(dāng)螺旋板被加熱或冷卻時(shí)，它可以像時(shí)鐘里的發(fā)條彈簧一樣伸展和收縮。螺旋體的一側(cè)是熱流體，另一側(cè)是冷流體，最外環(huán)與大氣接觸。螺旋之間的溫差不如管殼式換熱器中換熱管與殼體之間的溫差明顯，因此不會(huì)產(chǎn)生大的溫差應(yīng)力。
⑺ 結(jié)構(gòu)緊湊。傳熱面積為180m2的螺旋板式換熱器只需直徑1.5m、高1.2m就行，節(jié)約了空間成本，管殼式換熱器的單位體積傳熱面積只有螺旋板式換熱器的1/3.。
⑻ 制造簡(jiǎn)單。相較于其他換熱器，螺旋板式換熱器制造時(shí)間短、加工量小，以板材為主、易于軋制、制造成本低的優(yōu)點(diǎn)。
⑼損失的熱量少。由于其緊湊的結(jié)構(gòu)，即使熱交換器的傳熱面積很大，其外表面面積仍然很小。由于接近正常溫度的流體從最外邊緣的通道流出，通常不需要保溫。
⑽ 修理困難。雖然螺旋板式換熱器不容易泄漏，但由于結(jié)構(gòu)限制，一旦泄漏發(fā)生，就不容易修復(fù)，往往只有整個(gè)機(jī)組可以報(bào)廢。因此，腐蝕介質(zhì)應(yīng)選用耐腐蝕材料。在嚴(yán)重積垢的情況下，也無(wú)法使用。
⑾ 承壓能力受限。在設(shè)計(jì)螺旋板式換熱器時(shí)，每個(gè)螺旋通道的最大壓力都是確定好了的。由于螺旋板寬度大、剛性差、厚度小，每個(gè)圓都承受壓力。當(dāng)兩個(gè)通道之間的壓力差達(dá)到一定程度時(shí)，即達(dá)到或接近臨界壓力時(shí)，螺旋板將塌陷并失去穩(wěn)定性。因此，目前更多的方法是從結(jié)構(gòu)上考慮的。目前，各國(guó)在螺旋板式換熱器產(chǎn)生的最高工作壓力為4兆帕。
⑿ 清洗通道。因?yàn)槁菪ǖ劳ǔ］^窄，螺旋板焊接有間隔柱以保持通道寬度，這使得機(jī)械清理困難。螺旋板的清洗方法主要采用熱水沖洗、酸洗和蒸汽吹洗，蒸汽吹洗在我國(guó)應(yīng)用廣泛。
1.3.2結(jié)構(gòu)型式
為了防止冷熱流體在螺旋板換熱器相互混合，流體通道必須密封良好。根據(jù)通道的密封形式，更常用的螺旋板換熱器可分為以下三種結(jié)構(gòu)形式(也有其他分類)。
1.I型結(jié)構(gòu)
如圖1所示，兩個(gè)螺旋流道的兩側(cè)完全焊接和密封，因此它們也被稱為不可拆卸結(jié)構(gòu)。兩個(gè)流體通道都以螺旋形流動(dòng)。通常，冷流體從外周流向中心，而熱流體從中心流向外周，完全逆流。當(dāng)流體在單一通道中流動(dòng)時(shí)，流體分布良好。然而，轉(zhuǎn)輪的兩側(cè)都被焊接死了，使得轉(zhuǎn)輪的清潔更加困難。該熱交換器的中心軸可以垂直或水平安裝。這種類型主要用于清潔液和液體之間的熱交換，也可用于氣體熱交換或流量小時(shí)的蒸汽凝結(jié)。
圖1 （Ⅰ型） 不可拆式螺旋板式換熱器
2. Ⅱ型結(jié)構(gòu)
如圖2所示，兩個(gè)流動(dòng)通道的兩側(cè)交替焊接和密封，并且開口由墊圈密封。流體仍然在兩個(gè)流動(dòng)通道中螺旋流動(dòng)。如果密封墊損壞，只有一種液體會(huì)泄漏，而兩種液體不會(huì)混合。因?yàn)閮蓚€(gè)流動(dòng)通道都有開口，所以只能通過打開頂蓋來進(jìn)行清潔，所以也稱為可拆卸結(jié)構(gòu)。然而，由于狹窄的流道和固定距離的柱子，機(jī)械清理仍然不容易。這種類型主要用于液-液熱交換，也可用于氣體熱交換或流量小的蒸汽凝結(jié)。
3．Ⅲ型結(jié)構(gòu)
如圖2所示，一個(gè)通道的兩側(cè)被焊死，另一個(gè)通道的兩側(cè)是敞開的。流體在焊接通道中螺旋流動(dòng)，在開放通道中軸向流動(dòng)。這種類型適用于兩種流體流速相差很大的情況。它通常用作冷凝器和氣體冷凝器等。
圖2 （Ⅱ, Ⅲ）可拆式螺旋板式換熱器
1.4 設(shè)計(jì)方向
螺旋板式換熱器是一個(gè)高效換熱器。雖然我國(guó)從國(guó)外進(jìn)口了生產(chǎn)線。鋁鎂合金具有較高的耐腐蝕性和導(dǎo)熱系數(shù)，其價(jià)格低于鈦，值得重視。國(guó)內(nèi)在改善換熱器性能、提高傳熱效率、減小傳熱面積、降低壓降、提高設(shè)備熱強(qiáng)度等方面的研究取得了顯著成果。然而，如何有效提高螺旋板換熱器的能源利用率，降低企業(yè)成本，提高效益還不是很詳細(xì)。本文對(duì)螺旋板換熱器的傳熱性能進(jìn)行了有效的研究和分析。每章的主要內(nèi)容如下:
第一章 概論；
第二章 設(shè)計(jì)方案的確定；
第三章 螺旋板式換熱器的計(jì)算；
第四章 螺旋板強(qiáng)度、撓度計(jì)算與校核；
第五章 螺旋板換熱器的結(jié)構(gòu)尺寸及加工方法；
2 設(shè)計(jì)方案的確定
設(shè)計(jì)方案的確定包括熱交換器類型的選擇、流道的布置、流速的選擇和最合適出口溫度的確定。
2.1螺旋板式換熱器的選型和流道布置
⑴ 當(dāng)流量小時(shí)，如果是液-液換熱或氣體換熱或蒸汽冷凝，可選Ⅰ型或Ⅱ型結(jié)構(gòu)。也就是說，這兩種流體都是螺旋狀流動(dòng)的，一般是將冷流體從外圍流向中心，熱流體從中心流向外圍逆流。
⑵ 如果兩種流體的流速相差很大，例如氣體的冷卻或加熱、蒸汽冷凝或用作再沸器時(shí)，可以選擇類Ⅲ型結(jié)構(gòu)。小流量流體螺旋流動(dòng)，而大流量流體軸向流動(dòng)。例如，當(dāng)用于冷凝時(shí)，蒸汽從頂部進(jìn)入，冷凝物從底部排出，冷流從外圍流動(dòng)并以螺旋方向流動(dòng)。從中心流出。
2.2流速的選擇
根據(jù)流體種類的不同，選擇了標(biāo)準(zhǔn)流體在直管或盤管中的常用流量范圍。
因?yàn)槁菪ǖ劳ǔＯ鄬?duì)較長(zhǎng)并且沿著路徑具有大的阻力，所以當(dāng)選擇流速時(shí)，只有流體能夠在通道中形成湍流，并且沒有必要追求過大的流速。這不僅可以提高對(duì)流傳熱膜的系數(shù)，還可以降低流體阻力損失和功耗。
2.3螺旋中心直徑和螺旋板寬度的選擇
換熱器的結(jié)構(gòu)類型確定后，可根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)系列和規(guī)格進(jìn)行選擇。
2.4最合適的出口溫度設(shè)置
在熱交換器的設(shè)計(jì)中，通常規(guī)定待處理材料的入口和出口溫度，設(shè)計(jì)者可以根據(jù)情況選擇加熱劑或冷卻劑。發(fā)熱劑和冷卻劑的初始溫度通常由熱源決定，但最終溫度（出口溫度）可由設(shè)計(jì)者適當(dāng)選擇。例如，當(dāng)選擇冷水作為材料的冷卻劑時(shí)，如果出口溫度較低，耗水量大，運(yùn)行成本高，但傳熱的平均溫差較大，因此所需的傳熱面積較小，設(shè)備成本也較低。冷卻水最經(jīng)濟(jì)的出口溫度應(yīng)根據(jù)冷卻水消耗成本和冷卻設(shè)備投資成本的最小總和來確定。此外，在選擇河水作為冷卻劑時(shí)，出口溫度不應(yīng)超過50℃，否則水垢會(huì)顯著增加，應(yīng)予以注意。
2.5確定設(shè)計(jì)方案原則
⑴ 滿足工藝和操作要求。設(shè)計(jì)的工藝和設(shè)備必須首先確保質(zhì)量和穩(wěn)定運(yùn)行，這需要配備必要的閥門和計(jì)量?jī)x器。在確定方案時(shí)，沒有必要采取任何措施來調(diào)整各種流體的流速、溫度和壓力變化。如果設(shè)備出現(xiàn)故障，維護(hù)應(yīng)該是方便的。
⑵ 確保生產(chǎn)安全。如果有燃燒、中毒、爆炸、燙傷等危險(xiǎn)，在工藝流程和操作中，必須考慮必要的安全措施。另一個(gè)例子是設(shè)備材料強(qiáng)度的檢查計(jì)算。除了根據(jù)規(guī)定具有一定的安全系數(shù)外，還應(yīng)考慮防止安全閥因設(shè)備中壓力突然升高或真空而被安裝。以上所述都是確保安全生產(chǎn)所必需的。
⑶ 滿足經(jīng)濟(jì)要求。在確定某些操作指標(biāo)、選擇設(shè)備類型和儀器配置時(shí)，了解經(jīng)濟(jì)核算的觀點(diǎn)，不僅能滿足技術(shù)和操作的要求，而且施工簡(jiǎn)單、材料來源容易、成本低。如果可以利用余熱，就必須盡可能節(jié)約熱能，充分利用熱能，或者采取適當(dāng)措施降低成本。
設(shè)計(jì)計(jì)劃可能無(wú)法一次很好地決定，需要以后修改。但是，物料循環(huán)路線和運(yùn)行指標(biāo)的變化會(huì)對(duì)以后的計(jì)算產(chǎn)生影響。因此，在第一次做決定時(shí)最好仔細(xì)考慮。
3 螺旋板式換熱器的計(jì)算
3.1 傳熱工藝的計(jì)算
取一生活中的實(shí)際問題。將21.6 m3/h(0.006 m3/s)的水溶液從75℃冷卻到30℃，冷卻水入口溫度為25℃，冷卻水量為48.6 m3/h（0.0135 m3/s）。換熱器設(shè)計(jì)壓力為1.0MPa。
3.1.1傳熱量Q
已知水溶液流量為V=0.006m3/s,人口溫度T1= 75℃; 出口溫度T2=30℃，定
性溫度
Tc=T1+T22 1
=75+302=52.5℃
在此定性溫度下，水溶液的物理參數(shù)為
μ1=0.55×10-3Pa?s
r1= 1000kg/m3
Cp1= 4186J/kg?℃
λ1=0.65W/m?℃
Q=WCp1（T1+T2)= Vr1 Cp1（T1+T2) (2)
將數(shù)據(jù)代入公式(2)計(jì)算
Q=0.006×1000×4180×75-30=1128600W
3.1.2. 冷卻水出口溫度
t2=t1+QW2Cp2 (3)
已知 t1=25℃， Cp2=4186J/kg?C，V2=0.0135m3/s
將上述數(shù)據(jù)代入公式(3)可得
t2=45℃
定性溫度
tc=t1+t22=25+452=35℃
在此定性溫度下，水的物理參數(shù)為
μ2=0.723×10-3Pa?s
r2= 995.3kg/m3
Cp2= 4186J/kg?℃
λ2=0.622W/m?℃
3.1.3.螺旋通道截面積與當(dāng)量直徑de的計(jì)算
①熱程通道。設(shè)水溶液流速為
ω1=0.6m/s
求出通道截面積F1
F1=Vω1 (4)
=0.0060.6=0.01m2
選取螺旋板寬度
H=1m
通道寬度
b1=F1H (5)
=0.011=0.01m
當(dāng)量直徑
de1=2Hb1H+b1 (6)
=2×1×0.011+0.01=0.0198m
②冷程通道。設(shè)水流速為
ω2=1.35m/s
求出通道截面積F1
F2=Vω2=0.01351.35=0.01m2
通道寬度
b2=F2H=0.011=0.01m
當(dāng)量直徑
de2=2Hb2H+b2=2×1×0.011+0.01=0.0198m
3.1.4.雷諾數(shù)Re和普蘭特?cái)?shù)Pr
①熱程通道
Re=de1ω1r1μ1 (7)
將已知數(shù)據(jù)代入公式(6)可得
Re1=0.0198×0.6×10000.55×10-3=21600
Pr1=Cp1μ1λ1 (8)
將已知數(shù)據(jù)代入公式(7)可得
Pr1=4186×0.55×10-30.65=3.54
②冷程通道，將已知數(shù)據(jù)代入公式(6) (7)中得
Re2=0.0198×1.35×995.30.723×10-3=36797
Pr1=4186×0.723×10-30.622=3.54
3.1.5.給熱系數(shù)α的計(jì)算
兩種介質(zhì)的雷諾準(zhǔn)數(shù)Re均大于60000，即均在端流范圍內(nèi)，用以下公式計(jì)算
α=0.023λde1+3.54deDmRe0.8Prm (9)
①熱程通道
中心管直徑
d=300mm
螺旋體外徑
D0=1100mm
平均直徑
Dm=d+D02 (10)
=0.7m
對(duì)被冷卻介質(zhì)
m=0.3
將已知數(shù)據(jù)代入公式(9)可得
αh=0.023×0.650.0198×1+3.54×0.01980.7×216000.8×3.540.3
=3562W/m2?℃
②冷程通道
對(duì)被冷卻介質(zhì)
m=0.4
αc=0.023×0.650.0198×1+3.54×0.01980.7×367970.8×4.870.4
=7032W/m2?℃
3.1.6.總傳熱系數(shù)K
應(yīng)用由串聯(lián)熱阻推導(dǎo)出的計(jì)算公式
1K=1αh+δλ+1αc+r1+r2 (11)
K=11αh+δλ+1αc+r1+r2 (12)
螺旋板材質(zhì)選取不銹鋼，板厚δ=2mm
導(dǎo)熱系數(shù)
λ=17.4W/m?℃
污垢熱阻選取
r1=r2=1.5×10-4m2?℃/W
將αh、αc、δ、λ、r1、r2代入公式(12)，得
K=113526+0.00217.4+17032+1.5×10-4+1.5×10-4
= 1189 W/m2?℃
3.1.7.對(duì)數(shù)平均溫度差?tm
全逆流
?tm=T1-t1-T2-t2lnT1-t1T2-t2 (13)
已知T1=75℃，T2=30℃，t1=25℃，t2=45℃
將上述數(shù)據(jù)代入公式(13)可得
?tm=13.95℃
3.1.8.傳熱面積
已知傳熱量
Q=1128600W
由傳熱方程
Q=KF?tm (14)
F=QK?tm (15)
將已知數(shù)據(jù)Q、K、?tm代入方程式(15)，可得
F=11286001189×13.95=68m2
取 F=70m2
3.1.9.螺旋通道的計(jì)算
L=F2H (16)
H=1m
L=35m
3.1.10.螺旋圈數(shù)n和螺旋體外徑D0的驗(yàn)算
已知螺旋體中心直徑d=0.3m，板厚δ=0.002m，L=35m ，b1=b2=0.01m
等通道寬度的螺旋圈數(shù)按下面公式
n=-d0+d02+8Lπb1+δ2b1+δ (17)
n=-0.3+0.09+8×35π0.01+0.0022×0.01+0.002=32.37
螺旋體外徑D0
D0=d+2n+1b1+δ (18)
=1.089
前面已知螺旋體直徑
D0=1.1m
1.1-1.0891.1=0.01
即1％，螺旋體外徑可行
3.2.壓差?p的計(jì)算
由于沒有更精確的公式來計(jì)算螺旋板式換熱器的流體壓降，因此采用大連理工學(xué)院等單位推薦的公式來進(jìn)行計(jì)算
?p=Lde×0.365Re0.25+0.0153Ln0+4rω22 (19)
設(shè)定矩柱間距t=0.08m，
螺旋通道長(zhǎng)度L=35m
熱程通道壓差
?ph=350.0198×0.365216000.25+0.0153×35×181+4×1000×0.622
=27746Pa
冷程通道壓差
?pc=350.0198×0.365367970.25+0.0153×35×181+4×1000×1.3522
=134418Pa
4 螺旋板強(qiáng)度、撓度計(jì)算與校核
4.1強(qiáng)度計(jì)算
按下面公式進(jìn)行計(jì)算
pD=r0Cδ2t2σ (20)
已知D0=1.1m ，H=1m，δ=0.002m
換熱器操作壓力
p=0.45MPa
其設(shè)計(jì)壓力
pD=1.1p=0.5MPa
選取Q235鋼作為螺旋板材料，σs=235MPa，ns=1.6
σ=σsns=146.9MPa
曲率影響系數(shù)
r0=1+0.96×1.28-2R
=1.17
定矩柱間距t按下式
t≤r0Cδ2pDσ (21)
采用定矩柱，C=4.7
將數(shù)據(jù)代入公式(21)，得
t≤1.17×4.7×0.220.5×146.9=8.04cm≈80mm
采用定矩泡，C=5.36
t≤1.17×5.36×0.221.1×128.1=8.58cm≈86mm
經(jīng)過上述計(jì)算，取定矩柱t=80mm
4.2螺旋板撓度
撓度公式
y=β0pt4Eδ3121-v2 (22)
已知v=0.3，E=2.03×105MPa，p=0.5MPa
對(duì)于定矩柱β0=0.00638
將數(shù)據(jù)代入(22)計(jì)算，得
y=0.00638×0.5×0.084×12×0.912.03×105×0.0023
=8.878×10-4=0.88mm
對(duì)于定矩泡β0=0.00681
將數(shù)據(jù)代入計(jì)算，得
y=0.00681×1.1×0.054×12×0.912.03×105×0.0023
=9.386×10-4=0.94mm
4.3校核螺旋板換熱器的穩(wěn)定性
螺旋板是螺旋板換熱器的主要壓縮元件。一系列間隔柱支撐著相鄰的螺旋板。當(dāng)熱交換器工作時(shí)，螺旋板受到高壓蒸汽或液體的作用。當(dāng)螺旋板凸面上的壓力達(dá)到臨界值時(shí)，它們會(huì)突然失去平衡、失去穩(wěn)定性和彎曲。螺旋板變得不穩(wěn)定后，其承載能力將大大降低，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的突然損壞。因此，分析螺旋板的穩(wěn)定性并確定其臨界荷載是工程設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要問題。非鋼薄壁圓筒或殼體在外部壓力下存在穩(wěn)定性，其穩(wěn)定性破壞先于強(qiáng)度破壞。穩(wěn)定性計(jì)算是外壓容器設(shè)計(jì)中的主要考慮因素。
已知數(shù)據(jù)可知，板寬H=1m 板厚δ=0.002m,螺旋板曲率半徑R=0.55m
計(jì)算定矩柱間距
t,=1.764H2Rδ (23)
=1.76×41×0.55×0.002
=0.32m=320mm
由強(qiáng)度計(jì)算 t=80mm
因?yàn)閠
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