畢業(yè)設(shè)計(論文)任務(wù)書學院（系）機械工程學院 專業(yè)過程裝備與控制工程 班級 學 生 姓 名 指導教師/職稱 1. 畢業(yè)設(shè)計(論文) 題目：螺旋板式換熱器的設(shè)計2.畢業(yè)設(shè)計（論文）起止時間： 年 3 月 日～ 年 6 月 日3.畢業(yè)設(shè)計(論文) 所需資料及原始數(shù)據(jù)（指導教師選定部分）畢業(yè)設(shè)計所需資料：錢頌文.換熱器設(shè)計手冊[M].北京：化學工業(yè)出版社，2002史美中,王中錚.熱交換器原理與設(shè)計[M].南京：東南大學出版社，1989潘國昌,郭慶豐.化工設(shè)備設(shè)計[M].北京：清華大學出版社，1996尾花英朗著,徐忠權(quán)譯.熱交換器設(shè)計手冊[M].北京：石油工業(yè)出版社,1982原始數(shù)據(jù)：設(shè)計要求：換熱器換熱面積為 20 平方米;介質(zhì) 溫度(℃) 工作壓力（MPa ）貧油 180 165粗苯 富油進口90出口1401粗苯產(chǎn)量3．畢業(yè)設(shè)計(論文) 應(yīng)完成的主要內(nèi)容1）換熱器發(fā)展概述2）方案設(shè)計3）換熱計算4）結(jié)構(gòu)設(shè)計5）換熱性能預(yù)測及分析6）殼體的有限元分析4．畢業(yè)設(shè)計(論文) 的目標及具體要求畢業(yè)設(shè)計文說明書：字數(shù)不少于 1.2 萬字或 1.2 萬字篇幅的內(nèi)容；翻譯：與研究課題有關(guān)的譯文不少于 3 千漢字（或 2 萬印刷字符的外文原文的翻譯） ；閱讀與研究課題相關(guān)的有代表性的參考文獻資料 15 篇以上。繪圖要求：（1）總裝圖 1 張， （2）零件圖 2 張（3）實體圖6、完成畢業(yè)設(shè)計(論文)所需的條件及上機時數(shù)要求AutoCAD、Aspen Plus、Ansys上機 200 小時。任 務(wù) 書 批 準 日 期 年 3 月 日 教 研 室 (系 )主 任 (簽 字 ) 任 務(wù) 書 下 達 日 期 年 3 月 日 指 導 教 師 (簽 字 ) 完 成 任 務(wù) 日 期 年 月 日 學生（簽名） 畢業(yè)設(shè)計開題報告題 目 名 稱 螺旋板式換熱器的設(shè)計 院 （系） 機械工程學院 專 業(yè) 班 級 學 生 姓 名 指 導 教 師 輔 導 教 師 開題報告日期 年 4 月 19 日 螺 旋 板 式 換 熱 器 的 設(shè) 計1 畢 業(yè) 論 文 題 目 來 源生產(chǎn)實踐2 畢 業(yè) 論 文 選 題 目 的 和 意 義管殼式換熱器是石油、化工、輕工、食品、冶金及動力等工業(yè)部門廣泛應(yīng)用的節(jié)能設(shè)備。相對水- 水管殼式換熱器而言，一般殼程流體流速較低，換熱熱阻較大，因此增強殼程換熱效果顯得尤為重要。近年來，人們采用各種各樣的管束支撐結(jié)構(gòu)來改變殼程流體的流動形態(tài)，以求增強殼程換熱。其中螺旋折流板支撐結(jié)構(gòu)以其高效傳熱、低流阻的特點得到了人們的廣泛關(guān)注。螺旋流換熱器是一種利用流體的渦旋流動來強化殼程傳熱的換熱設(shè)備。渦旋流動是流體沿一定螺旋角方向的曲線運動，因而是一種以較少能量克服流動阻力的運動方式，在換熱器中采用螺旋折流板結(jié)構(gòu)時，可使殼程流場與溫度場實現(xiàn)協(xié)同而獲得較高的強化傳熱效果。換熱設(shè)備按照其功能可命名，如冷凝器、蒸發(fā)器、再熱器、過熱器等，按換熱部件的特點可分為：管殼式換熱器、翅片管式換熱器、板式換熱器（包括板片式換熱器和板翅式換熱器）。對于各型換熱器的強化換熱技術(shù)的研究，主要集中在對換熱器內(nèi)流體流態(tài)變化以及對各部件的參數(shù)優(yōu)化研究兩方面，而對換熱器部件參數(shù)的主要研究對象就是換熱管（板）排列方式（順排或叉排）、換熱管（板）排數(shù)、換熱管（板）間距大小、肋片布置間距、肋片形狀等。通常的研究方法包括：數(shù)值模擬計算、實驗方法研究、理論研究三類 本文通過設(shè)計一種合理結(jié)構(gòu)的螺旋換熱器，可以大大提高換熱效率，節(jié)省能耗，因此，具有明顯的經(jīng)濟效益。是一種高效的換熱元件，廣泛應(yīng)用于各種換熱設(shè)備中，不僅可以強化傳熱，而且可以減少流動阻力，熱效率比較高。3 閱 讀 的 主 要 參 考 文 獻 及 資 料 名 稱【1】郭丙然．最優(yōu)化技術(shù)在電廠熱力工程中的應(yīng)用[M]．北京：水利電力出版社，1986．【2】馬重芳，顧維藻& 強化傳熱［M］( 北京科學出版社)【3】張敏.唐曉初螺旋扭曲橢圓扁管的數(shù)值模擬[期刊論文]-制冷空調(diào)與電力機械 2011(1)【4】金曉明.高磊.張瑩瑩.王娜.王旭光無折流板扭曲扁管熱交換器傳熱與流阻特性試驗研究[期刊論文]-石油化工設(shè)備 2011(1)【5】鮑偉.馬虎根.張希忠流體在螺旋管內(nèi)對流換熱和壓降性能的數(shù)值模擬[期刊論文]-上海理工大學學報 2011(1)【6】于洋.朱冬生.曾力丁.鄒靜扭曲管強化傳熱性能實驗研究[期刊論文]-化學工程 2011(2)【7】楊勝.張頌.張莉.徐宏螺旋扁管強化傳熱技術(shù)研究進展[期刊論文]-冶金能源 2010(3)【8】劉慶亮.朱冬生.楊蕾螺旋扭曲扁管換熱器的研究進展與工業(yè)應(yīng)用[期刊論文]-流體機械 2010(3)【9】馬程華扭曲片管強化傳熱技術(shù)在SRT-Ⅳ型裂解爐上的應(yīng)用試驗[期刊論文]-中外能源 2010(10)【10】楊勝.張莉.徐宏.趙力偉螺旋扁管管外蒸汽冷凝雙側(cè)強化傳熱試驗研究[期刊論文]-低溫與超導 2010(10)【11】羅朝陽管殼式換熱器強化傳熱技術(shù)的研究與進展[期刊論文]-化學工程與裝備 2010(10)【12】金弋螺旋隔板換熱器研究進展[期刊論文]-化肥設(shè)計 2009(2)【13】李安軍.邢桂菊.周麗雯換熱器強化傳熱技術(shù)的研究進展[期刊論文]-冶金能源 2008(1)【13】劉敏珊.宮本希.董其伍.Dong Qiwu 螺旋扁管的換熱性能研究[期刊論文]-石油機械 2008(2)【14】劉乾.劉陽子管殼式換熱器節(jié)能技術(shù)綜述[期刊論文]-化工設(shè)備與管道 2008(5)【13】高學農(nóng).鄒華春.王端陽.陸應(yīng)生高扭曲比螺旋扁管的管內(nèi)傳熱及流阻性能[期刊論文]-華南理工大學學報（自然科學版） 2008(11)【14】李安軍.邢桂菊.周麗雯換熱器各種管束支撐的結(jié)構(gòu)與傳熱性能[期刊論文]-化工設(shè)備與管道 2008(2)【15】卿德藩.鄒家柱螺旋扁管在油冷卻器中的污垢特性實驗研究[期刊論文]-電站系統(tǒng)工程 2008(2)【16】卿德藩.段小林.劉尹紅扭曲扁管在蒸發(fā)器中的運行特性實驗研究[期刊論文]-化學工程 2008(7)【17】高鵬.王晨.桑芝富螺旋扁管換熱器溫度串級模糊控制試驗研究[期刊論文]-石油機械 2008(11)【18】卿德藩.鄒家柱螺旋扁管冷凝器強化傳熱評價與應(yīng)用[期刊論文]-流體機械 2007(1) 【19】lncropera and de Witt, Fundamentals of heat and mass transfer, Wiley ed., (1990).【20】J. F. Durastanti, Mod61isation d'un systhme thermique complexe: la centrale THEK 2, Th~sede doctorat de l'Universit6 de Provence, (1985).【21】Zienkiewicz and Morgan, Finite elements and approximation, Wiley ed., (1983).【22】Sedriks, A.J.: Stress corrosion cracking of stainless steels. In:Stress corrosion cracking. ASM, Materials Park (1992)【23】 1.V. Ya. Gal'tsov and V. M. Korotaev，Author'sCertificateNo.370444,Otkrytiya,Izobreteniya,Promyshiennye Obraztsy,Tovarnye Znaki, No. 11 (2006).4 國 內(nèi) 外 現(xiàn) 狀 和 發(fā) 展 趨 勢 與 研 究 的 主 攻 方 向 美國傳熱研究（Heat Transfer Research Inc.）即HTRI，是1962年發(fā)起組建的一個國際性、非贏利的合作研究機構(gòu)，會員數(shù)百家，遍及全球，取得了大量的研究成果，積累了換熱器設(shè)計的豐富經(jīng)驗，在傳熱機理、兩相流、振動、污垢、模擬及測試技術(shù)方面作出了巨大貢獻。近年來，該公司在計算機應(yīng)用軟件開發(fā)上發(fā)展很快，所開發(fā)的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化軟件、各種換熱器工藝設(shè)計軟件計算精度準確，不僅節(jié)省了人力，提高了效率，而且提高了技術(shù)經(jīng)濟性能。目前國內(nèi)有近20家成為HTRI會員。英國傳熱及流體服務(wù)中心（Heat Transfer andFluid Flow Service）即HTFS，于1967年成立，隸屬于英國原子能管理局。該中心有會員數(shù)百家，長期從事傳熱與流體課題的研究，所積累的經(jīng)驗和研究成果不僅廣泛用于原子能工業(yè)，而且用于一般工業(yè)。它最大特點是與各大學和企業(yè)合作，進行專門的課題研究，研究成果顯著。在傳熱與流體計算上更精確，開發(fā)的HTFS、TASC各類換熱器微機計算軟件備受歡迎，國內(nèi)有30多家企業(yè)成為會員。我國對某些種類的換熱器已經(jīng)建立了標準，形成了系列。換熱器的應(yīng)用廣泛，日常生活中取暖用的暖氣散熱片、汽機裝置中的航天火箭上的冷卻器等，都是換熱器。它還廣泛應(yīng)用于化工、石油、動力和原子能等工業(yè)部門。他的主要功能是保證工藝過程對戒指所要求的待定溫度，同時也是提高能源利用率的主要設(shè)備之一。換熱器即可是一種單元設(shè)備，如加熱器、冷卻器等，也可是工藝設(shè)備的組成部分，如氨合成塔內(nèi)的換熱器。換熱器是化工生產(chǎn)中重要的單元設(shè)備，根據(jù)統(tǒng)計，熱交換熱的噸位約占整個工藝設(shè)備的20%有的甚至高達30%，其重要性可想而知。5 主 要 研 究 內(nèi) 容 、 需 重 點 研 究 的 關(guān) 鍵 問 題 及 解 決 路 5.1 畢業(yè)設(shè)計(論文)應(yīng)完成的主要內(nèi)容1）換熱器發(fā)展概述2）方案設(shè)計3）換熱計算4）結(jié)構(gòu)設(shè)計5）換熱性能預(yù)測及分析6）殼體的有限元分析5.2 畢業(yè)設(shè)計(論文)應(yīng)知的研究方向5.2.1 物性模擬研究換熱器傳熱與流體流動計算的準確性，取決于物性模擬的準確性。因此，物性模擬一直為傳熱界重點研究課題之一，特別是兩相流物性模擬。兩相流的物性基礎(chǔ)來源于實驗室實際工況的模擬，這恰恰是與實際工況差別的體現(xiàn)。實驗室模擬實際工況很復(fù)雜，準確性主要體現(xiàn)與實際工況的差別。純組分介質(zhì)的物性數(shù)據(jù)基本上準確，但油氣組成物的數(shù)據(jù)就與實際工況相差較大，特別是帶有固體顆粒的流體模擬更復(fù)雜。為此，要求物性模擬在實驗手段上更加先進，測試的準確率更高。從而使換熱器計算更精確，材料更節(jié)省。物性模擬將代表換熱器的經(jīng)濟技術(shù)水平。5.2.2 分析設(shè)計的研究分析設(shè)計是近代發(fā)展的一門新興學科，美國 ANSYS 軟件技術(shù)一直處于國際領(lǐng)先技術(shù)，通過分析設(shè)計可以得到流體的流動分布場，也可以將溫度場模擬出來，這無疑給流路分析法技術(shù)帶來發(fā)展，同時也給常規(guī)強度計算帶來更準確、更便捷的手段。在超常規(guī)強度計算中，可模擬出應(yīng)力的分布圖，使常規(guī)方法無法得到的計算結(jié)果能更方便、快捷、準確地得到，使換熱器更加安全可靠。這一技術(shù)隨著計算機應(yīng)用的發(fā)展，將帶來技術(shù)水平的飛躍。將會逐步取代強度試驗，擺脫實驗室繁重的勞動強度。5.2.3 大型化及能耗研究換熱器將隨裝置的大型化而大型化，直徑將超過 5m，傳熱面積將達到單位10000m2，緊湊型換熱器將越來越受歡迎。板殼式換熱器、折流桿換熱器、板翅式換熱器、板式空冷器將得到發(fā)展，振動損失將逐漸克服，高溫、高壓、安全、可靠的換熱器結(jié)構(gòu)將朝著結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、重量輕發(fā)展。隨著全球水資源的緊張，循環(huán)水將被新的冷卻介質(zhì)取代，循環(huán)將被新型、高效的空冷器所取代。保溫絕熱技術(shù)的發(fā)展，熱量損失將減少到目前的 50％以下。5.2.4 強化技術(shù)研究各種新型、高效換熱器逐步取代現(xiàn)有常規(guī)產(chǎn)品。電場動力效應(yīng)強化傳熱技術(shù)、添加物強化沸騰傳熱技術(shù)、通入惰性氣體強化傳熱技術(shù)、滴狀冷凝技術(shù)、微生物傳熱技術(shù)、磁場動力傳熱技術(shù)將會在新的世紀得到研究和發(fā)展。同心管換熱器、高溫噴流式換熱器、印刷線路板換熱器、穿孔板換熱器、微尺度換熱器、微通道換熱器、流化床換熱器、新能源換熱器將在工業(yè)領(lǐng)域及其它領(lǐng)域得到研究和應(yīng)用。5.2.5 新材料研究材料將朝著強度高、制造工藝簡單、防腐效果好、重量輕的方向發(fā)展。隨著稀有金屬價格的下降，鈦、鉭、鋯等稀有金屬使用量將擴大，CrMo 鋼材料將實現(xiàn)不預(yù)熱和后熱的方向發(fā)展。5.2.6 控制結(jié)垢及腐蝕的研究國內(nèi)污垢數(shù)據(jù)基本上是 20 世紀 60～70 年代從國外照搬而來。四十年來，污垢研究技術(shù)發(fā)展緩慢。隨著節(jié)能、增效要求的提高，污垢研究將會受到國家的重視和投入。通過對污垢形成的機理、生長速度、影響因素的研究，預(yù)測污垢曲線，從而控制結(jié)垢，這對傳熱效率的提高將帶來重大的突破。保證裝置低能耗、長周期運行，超聲防垢技術(shù)將得到大力發(fā)展。腐蝕技術(shù)的研究將會有所突破，低成本的防腐涂層特別是金屬防腐鍍層技術(shù)將得到發(fā)展，電化學防腐技術(shù)成為主導。 6 完 成 畢 業(yè) 設(shè) 計 所 必 備 的 工 作 條 件 及 解 決 辦 法 6.1 完成畢業(yè)設(shè)計所需的工作條件： 復(fù)習大學四年所學的有關(guān)力學和過程裝備及計算機等專業(yè)知識，學習有關(guān)換熱器及其各個零件的加工、制造和裝配知識，結(jié)合三次生產(chǎn)實習及實踐和市場考察，充分了解與換熱器有關(guān)的設(shè)計知識，通過科學的組織調(diào)研，計算分析，設(shè)計，繪圖，從而把方案設(shè)想轉(zhuǎn)化為設(shè)計思路及方法，可以加工為產(chǎn)業(yè)產(chǎn)品。6.2 工具書與計算機輔助設(shè)計軟件： 化工設(shè)計手冊和化工漢英詞典、AutoCAD2007 Solidworks ANSYS 等等計算機輔助軟件。七 、 工 作 的 主 要 階 段 、 進 度 與 時 間 安 排第一周 3 月 15-21 日 選題，定畢業(yè)設(shè)計第二周 3 月 22-28 日 查找資料，外文翻譯第三周 4 月 1-18 日 寫開題報告第四周 4 月 19-26 日 撰寫開題報告找老師修改第五周 4 月 27-30 日 螺旋換熱器的設(shè)計第六周 5 月 1-6 日 螺旋換熱器的設(shè)計第七周 5 月 7-14 日 螺旋換熱器的設(shè)計第八周 5 月 15-20 日 學習相關(guān)軟件第九周 5 月 21-25 日 做出設(shè)計方案第十周 5 月 26-30 日 繪制零件圖與裝備圖第十一周 6 月 1-5 日 撰寫畢業(yè)論文并修改第十二周 寫畢業(yè)論文及修改審查八 、 指 導 教 師 審 查 意 見畢 業(yè) 論 文 (設(shè) 計 )題目名稱： 螺旋板式換熱器的設(shè)計 題目類型： 學生姓名： 院 (系)： 專業(yè)班級： 指導教師： 輔導教師： 時 間： 目錄畢業(yè)設(shè)計任務(wù)書………………………………………………………………………… Ⅰ開題報告………………………………………………………………………………… Ⅱ指導教師審查意見 .………………………………………………………………………Ⅲ評閱教師評語 .……………………………………………………………………………Ⅳ答辯會議記錄…………………………………………………………………………… Ⅴ中外文摘要 .………………………………………………………………………………Ⅵ1 前言 .11.1 管殼式換熱器的研究背景 11.2 管殼式換熱器現(xiàn)狀和發(fā)展 21.2.1 管殼式換熱器管程結(jié)構(gòu)發(fā)展 .21.2.2 殼程強化結(jié)構(gòu)的發(fā)展 .51.3 管殼式換熱器的分類 71.4 本論文的研究內(nèi)容 8 2 螺旋板式換熱器的方案設(shè)計 .93 螺旋板式換熱器的傳熱工藝的計算 143.1 傳熱量 Q143.2 螺旋通道截面積與當量直徑的計算 153.2.1 貧油（熱程）通道 .153.2.2 貧油的雷諾數(shù)和普蘭特數(shù) Pr 153.2.3 貧油的傳熱系數(shù) a 的計算 .153.2.4 富油傳熱系數(shù)的計算 .163.2.5 對數(shù)平均溫度差流體流動方向為全逆流操作 .173.3 總傳熱系數(shù) K173.4 傳熱面積計算 .173.5 螺旋通道計算 .183.6 螺旋圈數(shù) n 與螺旋體外徑 180D3.7 流體壓降 的計算 .18P?4 螺旋板式換熱器的螺旋板的強度計算與校核 194.1 強度計算 194.2 螺旋板的撓度 214.3 穩(wěn)定性計算 215 螺旋板式換熱器的結(jié)構(gòu)尺寸 225.1 密封結(jié)構(gòu) 225.2 定距柱尺寸 235.3 換熱器外殼的設(shè)計 245.4 進出口接管設(shè)計 255.5 中心隔板尺寸 265.6 螺旋板換熱器各設(shè)計參數(shù)如下： 26參考文獻 27附錄.281 前言第 1 頁（共 28 頁）螺旋換熱器的設(shè)計1 前言1.1 管殼式換熱器的研究背景在上世紀第四次中東戰(zhàn)爭期間爆發(fā)的世界性經(jīng)濟危機對西方發(fā)達國家的政治、經(jīng)濟造成了相當大的負面影響，而最近的積極危機的本質(zhì)就是能源危機。步入 21 世紀以來，伴隨著全球性的能源緊張，作為解決當代能源問題的一個重要途徑——節(jié)能增效，已經(jīng)越來越被世界上的多絕大多數(shù)國家所關(guān)注，而且隨之而來的投入也越來越大。我國同樣面臨著嚴峻的能源危機，其次，能源資源分布域不均勻；再次，我國的重工業(yè)產(chǎn)業(yè)正處于發(fā)展中階段，能源工業(yè)裝備落后導致能源利用效率有效；最后，由于公眾普遍缺乏環(huán)保意識導致環(huán)境污染嚴重。我國的能源效率還落后于世界先進國家，但是與之相對應(yīng)的事我國的節(jié)能潛力及空間巨大。面對能源危機，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)開發(fā)。換熱器可以根據(jù)工藝過程的要求來對介質(zhì)進行溫度和熱量控制，同事還能對余熱、廢熱進行行之有效的回收利用甚至再生產(chǎn)，因此換熱器在相當范圍內(nèi)的工業(yè)部門成為廣泛使用的工藝設(shè)備。能源工程項目總投資的相當大的比例是投資的相當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)中達到節(jié)能降耗的目的，同是可以在整個國家工業(yè)范圍內(nèi)生產(chǎn)不可估量的經(jīng)濟效益甚至深遠的社會效益。目前，管殼式換熱器是能源工程項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，隨著能源項目的投資進一步加大，出現(xiàn)了很多新型結(jié)構(gòu)形式換熱器。面1 前言第 2 頁（共 28 頁）對其他新型換熱器的挑戰(zhàn)，許多專家學者對管殼式換熱器原有結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計及新結(jié)構(gòu)開發(fā)做了大量工作來改善其內(nèi)部流動提高傳熱性能同時降低動力消耗，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)。為改進和提高換熱器工作效率已達到節(jié)能降耗的目的，最為重要的手段就是改善其內(nèi)部流體的流動形態(tài)，其主要區(qū)別在與對管束的沖刷流動上，所以以此為依據(jù)，可以把這些流動的形態(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)展在二十世紀初，對于管殼式換熱器的開發(fā)設(shè)計就被科學家提出，當時對于這種新型的換熱設(shè)備開發(fā)設(shè)計的目的是為了滿足大型電廠對在較高壓力操作環(huán)境下運行的需要。經(jīng)過近一個世紀的發(fā)展，對于管殼式換熱器設(shè)計生產(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)計和生產(chǎn)加工方法，同時其工作性能可以較好地滿足各種工藝需要。其中 Bell-Delaware 設(shè)計和 Tinker 的流路分析法是工藝設(shè)計領(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，對于換熱器在特殊環(huán)境下的適應(yīng)性的要求越來越高，而且對于設(shè)備本身的結(jié)構(gòu)設(shè)計要求越來越苛刻，但是管殼式換熱器所具備的優(yōu)勢越趨明顯，因為其本身的設(shè)計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)用相當廣泛的單元設(shè)備之一。據(jù)統(tǒng)計,在現(xiàn)代化學工業(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。對國外換熱器市場的調(diào)查表明,雖然各種板式換熱器的競爭力在上升,但管殼式換熱器仍占主導地位約 64%。新型換熱元件與高效換熱器開發(fā)研究的結(jié)果表明,列管式換熱器已進入一個新的研究時期,無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)計等方面也均有了新的進步。目前各國為改善該換熱器的傳熱性能開展了大量的研究,主要包括管程結(jié)構(gòu)和殼程結(jié)構(gòu)強化傳熱的發(fā)展,現(xiàn)簡介如下。1.2.1 管殼式換熱器管程結(jié)構(gòu)發(fā)展管程強化傳熱技術(shù)可歸結(jié)為兩個方面: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 ,其強化傳熱機理為:通過對管子進行各種細微的加工,1 前言第 3 頁（共 28 頁）以期在管子壁面上形成有規(guī)律或無規(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源擾動的促進體,又起斷續(xù)阻斷邊界層發(fā)展的作用。這些強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,用于強化管內(nèi)氣體或液體的傳熱、強化管內(nèi)液體的沸騰或管外蒸汽的冷凝。其強化機理為:流體在管內(nèi)流動時受螺旋槽紋的引導,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通過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,從而加快由壁面至流體主體的熱量傳遞。華南理工大學[1]和重慶大學[2]經(jīng)試驗研究及理論推導,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 Argonne 國家實驗室和 GA 技術(shù)公司設(shè)計、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，由沈陽市廣廈熱力設(shè)備公司于 20 世紀 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 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 2000~3600W·(m2·℃)-1,在汽-水換熱器中 K 可達3000~4500 W·(m2·℃)-1,對于其它介質(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、溫差應(yīng)力小等優(yōu)點。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,對波紋管換熱器進行強度研究,建立相應(yīng)的設(shè)計標準是非常必要的。因此制定波紋管換熱器強度設(shè)計標準,于 2002 年被納入國家鍋爐壓力容器標準化技術(shù)委員會項目,由沈陽化工學院和沈陽市特種設(shè)備檢測研究院等單位負責起草,將波紋管換熱器設(shè)計方法列為國家標準 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)計標準案例”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)特點是管子換熱段任一截面類似于橢圓,其長、短軸之比可根據(jù)換熱器管程和殼程的1 前言第 4 頁（共 28 頁）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,同時伴隨有橫向螺旋運動這種流速和流向的周期性改變加強了流體的軸向混合和湍流度。同時,流體流經(jīng)相鄰管子的螺旋線接觸點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,從而強化了傳熱。據(jù)報道[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，清華大學過增元院士根據(jù)場協(xié)同理論研發(fā)出 2 種多縱向渦新型強化換熱元件: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)流體在管壁上多個雙斜內(nèi)肋對的作用下誘導產(chǎn)生多縱向渦流,且渦流主要集中在管壁面附近,從而使對流換熱得到強化,并具有良好的抗結(jié)垢功能。孟繼安[5]等的研究表明,當 Re=500~2300 時,與圓管相比,不連續(xù)雙斜向內(nèi)肋管的換熱增強 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 Re=2300~5×104 時,不連續(xù)雙斜向內(nèi)肋管換熱可增強 110%~240%,阻力增加 120%~240%;交叉縮放橢圓管換熱可增強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“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度上的熱,這樣不僅強化了汽化過程也擴展了傳熱面積。為提高翅片化表面的性能俄羅斯又提出了一種先進方法:氣動噴涂法。其實質(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。氣動噴涂法不但可用于成型,還可用來將按普通方法制造的翅片固定在換熱器管子的表面上,也可用來對普通翅片的底面進行補充加固。2.管內(nèi)加內(nèi)插物，用插入物強化管內(nèi)單相流體傳熱,尤其是對強化氣體、低雷諾數(shù)流體或高粘度流體的傳熱更為有效。各種插入強化機理不同,但都主要以1 前言第 5 頁（共 28 頁）改變流道來達到強化傳熱目的。目前管內(nèi)插入物很多,如螺旋線、紐帶、錯開紐帶、螺旋片和靜態(tài)混合器等。試驗研究表明[6],管內(nèi)插入紐帶之后,如果是層流換熱,則對流傳熱系數(shù)可增大 2~3 倍,最大可達 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化層流區(qū)加熱油的情況,結(jié)果表明內(nèi)插螺旋線圈強化層流區(qū)換熱,傳熱系數(shù)可高達 3·5 倍,而強化紊流區(qū)換熱時,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,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 殼程強化結(jié)構(gòu)的發(fā)展殼程的傳熱強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、傳熱面積無法被充分利用,還可能引發(fā)流體流動振動等等。為了使折流板的性能得到改進,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變?yōu)榭v向流動,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。2.桿式支撐結(jié)構(gòu)的發(fā)展[8]美國菲利浦石油公司于 20 世紀 70 年代,為改進傳統(tǒng)換熱器中管子與折流板的切割破壞和流體誘導作用,開發(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方向與管束平行,這類換熱器基本實現(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 個橫柵和 2 個縱柵,每個折流柵是由若干平行的折流桿焊接在一個折流圈上而成,且折流桿的布置方式不同。因殼程具有與管1 前言第 6 頁（共 28 頁）程流動基本相同的對流傳熱機理,加上支撐桿形成的渦流流動和折流環(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,也無來回流動的反向效應(yīng),故殼程壓降也較低。華南理工大學和大慶石油化工總廠共同開發(fā)的折流桿螺旋槽管再沸器已應(yīng)用于在無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,世界各國對該類型的換熱器進行了深入的研究,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)常常與強化傳熱管配合使用,能夠同時強化管程、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較復(fù)雜。4.螺旋折流板換熱器螺旋折流板換熱器,國外稱 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動,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,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)文獻中報道較少,張正國等[11]和英國公司[12]均有相關(guān)專利。另外遼寧石油化工大學陳世醒[13]又提出了一種特殊形式的折流板。商利艷[14]等分別對螺旋角為 12°、18°、30°、40°的單螺旋板折流換熱器性能進行了實驗研究,隨著螺旋角的減小傳熱效果增強,但壓降增大,得出螺旋角為 18°的綜合性能最好。王樹立[15]等實驗結(jié)果表明最佳的螺旋角與殼程流體的雷諾數(shù)有關(guān)。1 前言第 7 頁（共 28 頁）5.自支承結(jié)構(gòu)管子自支承的共同特點是靠管子自身變形的突出部位相互支承,同時又達到了強化傳熱功能,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)果表明多種強化傳熱元件的研究成果是一個基礎(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)合強化傳熱等,以節(jié)省金屬材料,降低成本,獲得較高的經(jīng)濟效益。把高效傳熱管與新型管束支承結(jié)合起來進行試驗研究已成為換熱器今后發(fā)展的一個重要方向。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，導致管子彎曲、斷裂，或從管板上拉脫。因此，當管束與殼體溫度差超過 50℃時，需采取適當補償措施，以消除或減少熱應(yīng)力。根據(jù)所采用的補償措施，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)簡單,但只適用于冷熱流體溫度差不大,且殼程不需機械清洗時的換熱操作。當溫度差稍大而殼程壓力又不太高時，可在殼體上安裝有彈性的補償圈，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，完全消除了熱應(yīng)力;且整個管束可從殼體中抽出,便于機械清洗和檢修。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)，通過改變流體運動狀態(tài)來增加傳熱效果，當介質(zhì)經(jīng)過渦流管表面時，強力沖刷管子表面，從而提高換熱效率。最高可達 10000W/m2℃。同時這種結(jié)構(gòu)實現(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在于經(jīng)濟性和安全性統(tǒng)一。由于考慮了2 螺旋板式換熱器的方案設(shè)計第 8 頁（共 28 頁）換熱管之間，換熱管和殼體之間流動關(guān)系，不再使用折流板強行阻擋的方式逼出湍流，而是靠換熱管之間自然誘導形成交替漩渦流，并在保證動盤管換熱器之間相互碰撞造成損傷的問題，又避免了普通管殼式換熱器易結(jié)垢的問題。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，在較低的雷諾值(一般 Re=1400～1800，有時低到 500)下即可達到湍流，并且可選用較高的流速(對液體為 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，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)能利用低溫熱源和精密控制溫度。這是由于流體流動的流道長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，不會彼換熱管不互相摩擦的前提下保持應(yīng)有的顫動力度。1.4 本論文的研究內(nèi)容螺旋換熱器是一種高效率換熱器。雖然我國已從國外引進生產(chǎn)線。鋁鎂合金具有較高的抗腐蝕性和導熱性，價格比鈦材便宜，應(yīng)予注意。國內(nèi)在節(jié)能增效等方面改進換熱器性能，提高傳熱效率，減少傳熱面積降低壓降，提高裝置熱強度等方面的研究取得了顯著成績。但是對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。本文對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：第一章簡述換熱器的強化結(jié)構(gòu)、研究進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；第三章對螺旋板式換熱器的傳熱工藝的計算；第四章對螺旋板式換熱器的螺旋板的強度計算與校核；第五章確定螺旋板式換熱器的結(jié)構(gòu)尺寸；第六章對本論文的研究進行總結(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)計螺旋板換熱器由外殼、螺旋體、端蓋及進出口管等組成。螺旋體用兩張平行的鋼板卷制而成，具有兩個彼此隔絕的供介質(zhì)流動的矩形截面通道。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，不能再進行機械2 螺旋板式換熱器的方案設(shè)計第 9 頁（共 28 頁）清洗，國內(nèi)通常稱為Ⅰ型（見圖 2） 。可拆式螺旋板換熱器結(jié)構(gòu)又有三種，一種結(jié)構(gòu)的特點是螺旋通道兩端交錯焊死，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行機械清洗，國內(nèi)通常稱這種為Ⅱ型（如圖 3 所示） 。也可以一端做成工型，一端做成型見圖，這樣一個通道的兩端面被全部焊死，不可進行機械清洗，一個通道一端敞開，可進行機械清洗。此外還有一種結(jié)構(gòu)，它的一個通道兩端全焊死，另一通道的兩端全部敞開，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） ，僅單一通道能進行機械清洗。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2 螺旋板式換熱器的方案設(shè)計第 10 頁（共 28 頁）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)的流動形式主要有三種：（1）兩側(cè)流體均呈螺旋形流動，熱流體由換熱器中心進入從里向外流動，冷流體則由螺旋板換熱器的周邊向里流動，如圖 4 a 所示；（2）一側(cè)流體在全焊死通道做螺旋形流動，另一側(cè)流體則穿越敞開通道呈軸向流動，型換熱器即采用該種流動形式，見圖 4 b；（3）一側(cè)流體呈螺旋形流動，另一側(cè)流體是軸向流和螺旋流的組合見圖 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2 螺旋板式換熱器的方案設(shè)計第 11 頁（共 28 頁）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、維護等特有優(yōu)勢，在國內(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較長的鋼板繞卷軸滾動而成的，它具有兩個供介質(zhì)流動的矩形截面通道見圖。通常在卷制前，會預(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行密封，一般采用端蓋墊片密封結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)特點分析：可拆式螺旋板換熱器的推廣應(yīng)用與其自身特點密不可分，一般同管殼式換熱器相比，它具有以下的優(yōu)點：（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)流動不存在死區(qū)，同時螺旋板上含定距柱，因此在螺旋流動的離心力和定距柱的擾動下，流體在較小雷諾數(shù)下即可實現(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，雖然沒有流動方向的劇烈變化和脈沖現(xiàn)象，但由于螺旋通道較長，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，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，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、不易污塞：由于螺旋板換熱器中流體單通道流動，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2 螺旋板式換熱器的方案設(shè)計第 12 頁（共 28 頁）平衡，這樣沉積了污垢的管子流速將越來越低，也就越易積存而導致堵死。據(jù)統(tǒng)計，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）能有效利用低溫熱源，精確控制溫度：螺旋板換熱器中兩介質(zhì)在螺旋通道內(nèi)可進行全逆流熱交換，此時對數(shù)平均溫差最大，傳熱推動力亦最大，有利于傳熱，一般兩流體溫差低于 3℃仍能進行熱交換，因此常被用來回收低溫熱能。此外，由于螺旋板換熱器具有兩個較長的均勻通道，介質(zhì)在里面可進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螺旋體通道的間隙均勻吸收，不會造成很大內(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，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）制造簡單：與其他類型換熱器相比，螺旋板式換熱器機械加工量最小，制造工時最少，材料主要是板材，容易卷制，制造成本低。（8）維護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，如果運行過程出現(xiàn)故障，只需移去封頭，即可對整個通道進行檢測和機械清洗，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設(shè)備的情況下進行水洗或者氣吹，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，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，當兩流道的壓差達到臨界壓力時，螺旋板就會被壓癟而喪失穩(wěn)定性。因此目前國際上可拆螺旋板換熱器的最高工作壓力不超過 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，因此對腐蝕性介質(zhì)比較敏感，宜采用專門的耐蝕材料制造。方案設(shè)計第 13 頁 （第 28 頁）3 螺旋板式換熱器的傳熱工藝的計算3.1 傳熱量 Q題目來源于生產(chǎn)實際。已知熱貧油的進口溫度 =180，出口溫度 =1651T2T定性溫度 ℃ （3-1） ???128016572.T在定性溫度下，熱貧油的物理參數(shù)：密度 ，粘度3192/Kgm? 41.90Pas????比熱 =2207J/(Kg·℃),導熱系數(shù) =0.3772w/(m·℃)C?富油的進口溫度 ℃,出口溫度 ℃*190T?*2140T?在定性溫度下 ℃ （3-2）*25?在此溫度下粗笨的物理參數(shù)：液體密度 ,氣體密度3270/Kgm??310/cKgm??比熱 =2204J/(Kg·℃),液體導熱系數(shù) =0.1093w/( m·℃)2C2?（3-3）* *2121()()QwpTVrCpT???3.610453709.5W??又因為 2所以以 （3-4）11()2.QwCpT??將數(shù)據(jù)代入 0715309.5?1.8/KgS?3 螺旋板式換熱器的傳熱工藝的計算第 14 頁 （第 28 頁）3.2 螺旋通道截面積與當量直徑 的計算de3.2.1 貧油（熱程）通道設(shè)貧油的流速為 10.86/wms?通道的截面積 , 選螺旋板寬度 H=1mF（3-5） 21.80.149235VF??通道寬度 （3-6）1FbmH?則當量直徑：（3-7）1120.14.276bde????3.2.2 貧油的雷諾數(shù) 和普蘭特數(shù) PrRe（3-8）1 40.276.8923Re 875010dwr?????（3-9）1PrCp?代入數(shù)據(jù) 41207.910Pr 2.633????3.2.3 貧油的傳熱系數(shù) a 的計算由于是液-液傳熱，介質(zhì)的雷諾數(shù) Re＞6000,在湍流范圍內(nèi)，故使用下列公式計算：（3-10）0.80.23(1.54)RePrmmdade???因貧油被冷卻，取 m=0.3,代入上式3 螺旋板式換熱器的傳熱工藝的計算第 15 頁 （第 28 頁）0.80.310.720.276.3(154)(5)(26)6a??=2785w/(m2·℃)設(shè)中心管直徑 d=0.3m螺旋體的外徑 =0.8m0D則平均直徑 （3-11）0.3.80.532mdm???3.2.4 富油傳熱系數(shù) 的計算a富油定性溫度為 ℃ （3-12）290145t??設(shè)壁溫 tw=160℃則流體與壁面的平均溫度為℃ （3-13） 1560137.52tm??此溫度下粗笨的汽化潛熱 24819/JKg??沸騰壓強 P=380088Pa,液體表面張力 2.7610/Nm???粗笨的傳熱系數(shù)按下式計算：（3-14）3.20.690.31020.5()()()LclvCPras tr?? ????? ?? ?選普通碳鋼，取 =1.03.20.69 0.3102 21.38.9750.5.()()()534821.476a ?? ???? ?? ?? ?=778w/(m2·℃) （3-15）故壁溫為： ℃1285.8159.27atmttw????與所設(shè) tw=160℃接近，故所設(shè) tw 成立3 螺旋板式換熱器的傳熱工藝的計算第 16 頁 （第 28 頁）3.2.5 對數(shù)平均溫度差 ,流體流動方向為全逆流操作tm?（3-16）**12112*()()lnTTtm???已知 =180℃ =165℃ =90℃ =140℃12*1*2代入數(shù)據(jù)計算℃(804)(6590).671lntm?????3.3 總傳熱系數(shù) K應(yīng)用由串聯(lián)熱阻推導出的公式計算（3-17）1212rKa????（3-18）1212ra取碳鋼的傳熱系數(shù) =465w/(m·℃)?貧油污垢熱阻 = (m2·℃)/w1r4.60??粗笨污垢熱阻 = ( m2·℃)/w2.3則 w/(㎡·℃44137210.4.230.610278565K??? ??????3.4 傳熱面積計算（3-19）237092.517.8.QFmtmk?????取 F=20㎡3 螺旋板式換熱器的傳熱工藝的計算第 17 頁 （第 28 頁）3.5 螺旋通道計算H=1m （3-20）2FLH?01m?3.6 螺旋圈數(shù) n 與螺旋體外徑 0D前述已選螺旋中心直徑 d=0.3m,板厚 ,L=10m,.4m??120.14bm?（3-21）0.52()()8bdbdLn?????????????0.520.14.(0.4.10.3)(.1403)824n ?? ???? ?? ??= 12.9 圈（3-22） 0(21)(0.78Ddnbm???與前面設(shè)的 接近，故所設(shè)成立0.83.7 流體壓降 的計算P?由于液-液熱交換，故按下面的公式計算，通道和進出口的壓降（3-23）200.2536.134ReLrPLnd?? ?????? ?? ?取單位面積上的定距柱數(shù)目 個/㎡06?代入數(shù)據(jù)熱程通道的壓降（貧油側(cè)壓降 的計算）P?20.251036930.86.13064.2748P? ????????? ?? ?4 螺旋板式換熱器的螺旋板的強度計算與校核第 18 頁 （第 28 頁）=6283Pa富油側(cè)壓降 的計算P?（3-24） 200.2536.134RerLLnd?? ?????? ?? ?因為 ,H=1m12.4bm（3-25）220.FH?（3-26）32.8.149/75Vs???富油的流速 （3-27）20065/vmF通道當量直徑 （3-28）22.7Hbde??富油通道：（3-29）2 40.761.570Re 91dr??????（3-30）24.Pr .80193C?代入數(shù)據(jù)得： 20.25167501.6.130640.2749P? ????????? ?? ?=7925.68pa4 螺旋板式換熱器的螺旋板的強度計算與校核4.1 強度計算按公式進行計算：（4-1） 20DPrCt???????4 螺旋板式換熱器的螺旋板的強度計算與校核第 19 頁 （第 28 頁）已知 =0.8m,H=1m, 0D0.m??換熱器的操作壓力 P=1.0MPa基設(shè)計壓力：=1.1P=1.1x1.0=1.1MPa （4-2） DP螺旋板材料選 Q235-A 其 ,2230/sNm??1.6sn?（4-3） 23014.75.6s MPan??????曲率影響系數(shù) （4-4） 0.96(28)rR??=1+0.96(1.28-2X0.4)=1.46其中 R= /20D定距柱的間距 t,按下式：（4-5） 20DtrcP???????當采用定距柱時 C=4.7將已知數(shù)據(jù)代入公式： 20.1.467143.75.8695.t m????由以上計算可知，可取定距柱 t=60mm4.2 螺旋板的撓度（4-6） 43021()ptEy?????已知 E= MPa,t=60mm, =0.004m, =0.3，p=1.1MPa5.???4 螺旋板式換熱器的螺旋板的強度計算與校核第 20 頁 （第 28 頁）對于定距柱 =0.00638，0?代入計算： 42531.61(0.).6382.y???=0.074mm4.3 穩(wěn)定性計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, 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一臨界值時，它們就會突然失去平衡, 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)計中的一個重要問題。非鋼性薄壁圓筒或殼體呈受外壓時存在穩(wěn)定性問題, 而且其穩(wěn)定性破壞先于強度破壞。外壓容器設(shè)計時, 穩(wěn)定性計算是考慮的主要問題。按“計算法”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?0D按公式計算定距柱間距：（4-7）4*241.761.76.4352tHRm?????由強度計算取 t=60mm所以 ﹤t 此條件下選用公式：*t（4-8）6242.14()0.7631()KETPRTRH??? ????? ?? ?代入數(shù)據(jù)： 5 6222.10.40. 0.21().7631()4KP ?? ?????? ?? ?（4-9）.97.653kpMPam?????5 螺旋板式換熱器的結(jié)構(gòu)尺寸第 21 頁 （第 28 頁）對承受外壓的設(shè)備，一般取穩(wěn)定系數(shù) 03m?已知設(shè)備的設(shè)計壓力為 P=1.0MPa由于 P﹤ 故設(shè)備穩(wěn)定,操作安全P????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入，沿螺旋流向外周排出。貧油由殼體外側(cè)的進口進入，由下端的中心管排出，兩流體呈螺旋流動。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轉(zhuǎn)。即使微小內(nèi)泄漏使5 螺旋板式換熱器的結(jié)構(gòu)尺寸第 22 頁 （第 28 頁）冷熱流體相混，也會導致傳熱不能正常進行，因此端面密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計對螺旋板換熱器來說是一個至關(guān)重要的問題。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行密封，采用封頭墊片密封結(jié)構(gòu)。封頭通過焊接法蘭，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。密封板外邊緣通過法蘭墊片壓緊，設(shè)計時要保證密封板面比筒體法蘭密封面低 0.2mm 左右，以免影響螺栓強度。對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，這樣運行過程密封板中心會受到鋼管的壓力，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彈性構(gòu)件，它不能被壓破，只能被壓癟，因此剛度對其來說是一個至關(guān)重要的問題。一旦換熱器兩通道的壓力差達到一定數(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題的最好方法，因板厚增加會加大鋼板卷制時的功率消耗，同時浪費材料，并且降低螺旋板換熱器相對于其他類型換熱器的競爭優(yōu)勢。5 螺旋板式換熱器的結(jié)構(gòu)尺寸第 23 頁 （第 28 頁）因此用增加板厚的方法來解決螺旋板換熱器的承壓和大型化問題不符合“節(jié)能、降耗、減排”的新裝備設(shè)計理念?；谏厦娴目紤]，目前普遍采用增設(shè)定距柱的方法來提高螺旋體的剛度 。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）使流動介質(zhì)易產(chǎn)生湍流，強化傳熱。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，但同時會使流動阻力增加，沉淀物也不易清洗干凈。因此必須綜合考慮定距柱的布置，使其對剛度與傳熱的強化收益大于流阻壓降。通常壓力較大時，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，定距柱可以相對密些。定距柱的尺寸按螺旋通道寬度 和 決定。可選直徑為 10mm，長為 14mm1b2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/㎡，整個換熱器的定距柱的數(shù)目為 720 個。定距柱按等邊三角形排列。5.3 換熱器外殼的設(shè)計換熱器外殼，采用兩個半圓對接焊結(jié)構(gòu)，外殼主要受內(nèi)壓作用，其厚度按承受內(nèi)壓的圓筒計算，即按下式計算：,P=1.1MPa 圓筒半徑 R=400mm （5-1）PRC?????????壁厚附加量 e=0,殼體材料選 Q235-A, , ,240/bNm230/sNm??3bn?1.6s（5-2）1.3bMPan??????（5-3）40.75.6bs取 殼體與連接板的連接采用角焊13.Pa??????代入數(shù)據(jù)： .403.813.5m??5 螺旋板式換熱器的結(jié)構(gòu)尺寸第 24 頁 （第 28 頁）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 進出口接管設(shè)計 進出口接管直徑 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，由傳熱工藝計算可知：熱程（貧油）通道截面積210.4Fm?冷程（富油）通道截面積 2.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）1140.143Fdm????選 140x4 不銹鋼管，配管法蘭為凸面對焊鋼制法蘭 PN1.0 DN=250mm?5 螺旋板式換熱器的結(jié)構(gòu)尺寸第 25 頁 （第 28 頁）5.5 中心隔板尺寸對螺旋板換熱器而言，中心管直徑的大小是設(shè)計優(yōu)劣的一項重要指標。一般中心管直徑設(shè)計的越小，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，傳熱也得到強化。因此在設(shè)計中應(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 長度為 H=1m?中心隔板的寬度： （5-120()bBd???5） 代入已知數(shù)據(jù)： 00.143()28m????參考文獻第 26 頁 （第 28 頁）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)計參數(shù)如下：換熱面積：F=20m2螺旋板長度：L=10m螺旋板高度：H=1m螺旋體的外徑： =0.8m0D螺旋通道寬度熱程（貧油）通道： =0.014m1b冷程（富油）通道： =0.014m2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/㎡進出口管為 140x4 不銹鋼管?參考文獻第 27 頁 （第 28 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