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畢業(yè)論文(設計)
題目名稱： 螺旋板式換熱器的設計
題目類型： 畢業(yè)設計
學生姓名： 李遠江
院 (系)： 機械工程學院
專業(yè)班級： 裝備10901班
指導教師： 張慢來
輔導教師： 黃天成
時 間： 2013.3 至 2013.6
目錄
畢業(yè)設計任務書………………………………………………………………………… 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 ………………………………………………………………………………Ⅵ
1 前言 1
1.1 管殼式換熱器的研究背景 1
1.2 管殼式換熱器現狀和發(fā)展 2
1.2.1 管殼式換熱器管程結構發(fā)展 2
1.2.2 殼程強化結構的發(fā)展 5
1.3 管殼式換熱器的分類 7
1.4 本論文的研究內容 8
2 螺旋板式換熱器的方案設計 9
3 螺旋板式換熱器的傳熱工藝的計算 14
3.1 傳熱量Q 14
3.2 螺旋通道截面積與當量直徑的計算 15
3.2.1 貧油（熱程）通道 15
3.2.2 貧油的雷諾數和普蘭特數Pr 15
3.2.3 貧油的傳熱系數a的計算 15
3.2.4 富油傳熱系數的計算 16
3.2.5 對數平均溫度差流體流動方向為全逆流操作 17
3.3 總傳熱系數K 17
3.4 傳熱面積計算 17
3.5 螺旋通道計算 18
3.6 螺旋圈數n與螺旋體外徑 18
3.7 流體壓降的計算 18
4 螺旋板式換熱器的螺旋板的強度計算與校核 19
4.1 強度計算 19
4.2 螺旋板的撓度 21
4.3 穩(wěn)定性計算 21
5 螺旋板式換熱器的結構尺寸 22
5.1 密封結構 22
5.2 定距柱尺寸 23
5.3 換熱器外殼的設計 24
5.4 進出口接管設計 25
5.5 中心隔板尺寸 26
5.6 螺旋板換熱器各設計參數如下： 26
參考文獻 27
附錄.............................................................................28
2 螺旋板式換熱器的方案設計
螺旋換熱器的設計
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)的世界性經濟危機對西方發(fā)達國家的政治、經濟造成了相當大的負面影響，而最近的積極危機的本質就是能源危機。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，已經越來越被世界上的多絕大多數國家所關注，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)能設備的研發(fā)是重要途徑，例如新式換熱設備的研發(fā)開發(fā)。換熱器可以根據工藝過程的要求來對介質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，因此換熱器在相當范圍內的工業(yè)部門成為廣泛使用的工藝設備。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)范圍內生產不可估量的經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構形式，其屬于間壁式換熱器的一種。管殼式換熱器的特點是：換熱器結構牢靠，使用可靠；歷史悠久，制造使用的各技術環(huán)節(jié)已達到成熟；適應性較高，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，出現了很多新型結構形式換熱器。面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構的優(yōu)化設計及新結構開發(fā)做了大量工作來改善其內部流動提高傳熱性能同時降低動力消耗，其結構已由各種新型管束支撐結構元件加上新型強化傳熱管的組合結構代替了傳統的螺旋管的結構。
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，可以把這些流動的形態(tài)為橫向流、縱向流和螺旋流。
1.2 管殼式換熱器現狀和發(fā)展
在二十世紀初，對于管殼式換熱器的開發(fā)設計就被科學家提出，當時對于這種新型的換熱設備開發(fā)設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。經過近一個世紀的發(fā)展，對于管殼式換熱器設計生產制造已經有了質的飛躍，其已經擁有比較完善的設計和生產加工方法，同時其工作性能可以較好地滿足各種工藝需要。其中Bell-Delaware設計和Tinker的流路分析法是工藝設計領域地位最高的兩種方法。
但是，隨著高科技手段在換熱設備之中不斷引入，對于換熱器在特殊環(huán)境下的適應性的要求越來越高，而且對于設備本身的結構設計要求越來越苛刻，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)中應用相當廣泛的單元設備之一。據統計,在現代化學工業(yè)中換熱器的投資大約占設備總投資的30%,在煉油廠中占全部工藝設備的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,還是殼程的折流結構都比傳統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構設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,主要包括管程結構和殼程結構強化傳熱的發(fā)展,現簡介如下。
1.2.1 管殼式換熱器管程結構發(fā)展
管程強化傳熱技術可歸結為兩個方面:改變傳熱面的形狀和在傳熱面上或傳熱流路徑內設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,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,或將管壁本身沿軸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為螺旋槽紋管結構,由光滑管在車床上軋制而成,分為單頭和多頭,用于強化管內氣體或液體的傳熱、強化管內液體的沸騰或管外蒸汽的冷凝。其強化機理為:流體在管內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論。美國Argonne國家實驗室和GA技術公司設計、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,結構如圖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,流體在復雜截面內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垢、單位容積傳熱面積大、耐腐蝕性強、溫差應力小等優(yōu)點。然而,由于波紋管是由薄壁光滑管加工而成,成型后其應力狀態(tài)復雜化,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力分析困難。為解決這些問題從而使其能更廣泛地應用于石油、化工等工業(yè)領域,對波紋管換熱器進行強度研究,建立相應的設計標準是非常必要的。因此制定波紋管換熱器強度設計標準,于2002年被納入國家鍋爐壓力容器標準化技術委員會項目,由沈陽化工學院和沈陽市特種設備檢測研究院等單位負責起草,將波紋管換熱器設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,其結構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,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。據報道[4]螺旋扁管換熱器比普通光管換熱器的總傳熱系數高40%,而壓降幾乎相等。
???? 4）不連續(xù)雙斜向內肋管換熱器，清華大學過增元院士根據場協同理論研發(fā)出2種多縱向渦新型強化換熱元件:不連續(xù)雙斜向內肋管和交叉縮放橢圓管。不連續(xù)雙斜內肋換熱管是通過軋制等方法在換熱管的內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-雙斜內肋。管內流體在管壁上多個雙斜內肋對的作用下誘導產生多縱向渦流,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”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.管內加內插物，用插入物強化管內單相流體傳熱,尤其是對強化氣體、低雷諾數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,但都主要以改變流道來達到強化傳熱目的。目前管內插入物很多,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],管內插入紐帶之后,如果是層流換熱,則對流傳熱系數可增大2~3倍,最大可達10倍,壓降增加3倍以上。若是紊流換熱,傳熱系數僅增大30%左右,而壓降增大2倍以上。螺旋線圈大多數是用于強化油等高粘度流體的換熱。Uttarwar和Raja[7]研究了管內插入不同形式的螺旋線圈強化層流區(qū)加熱油的情況,結果表明內插螺旋線圈強化層流區(qū)換熱,傳熱系數可高達3·5倍,而強化紊流區(qū)換熱時,傳熱系數只提高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 殼程強化結構的發(fā)展
殼程的傳熱強化研究包括管型與管間支撐物的研究。根據不同的管束支承結構可分為板式支承、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. 板式支撐結構的發(fā)展
傳統的管殼式換熱器大多采用弓形隔板支撐,這種結構形式存在一些弊端: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、網狀板等。這些新型折流板支承結構的出現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.桿式支撐結構的發(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流形支承結構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構的典型代表,它是一種以折流桿代替折流板的換熱器。這種結構由折流柵組組成,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,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,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用于在無相變及冷凝傳熱方面,其總傳熱系數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,出現了一種新的抗振結構: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,其結構如圖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%,已成功應用于硫酸工業(yè)與石化工業(yè)。廣東鶴山市磷肥廠年產4×104t硫酸的工業(yè)過程中,應用該換熱器比傳統換熱器節(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。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公司的新產品,它突破了殼程介質Z形折返的傳統方式。從結構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)的螺旋結構,其設計原理為:將圓截面的特制板安裝在“虛擬螺旋折流系統”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%。另一類是設有中心管,折流板為整體連續(xù)的螺旋結構。其設計形式是折流板圍繞中心管螺旋纏繞,形成整體連續(xù)的螺旋折流板結構,這種結構文獻中報道較少,張正國等[11]和英國公司[12]均有相關專利。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]等實驗結果表明最佳的螺旋角與殼程流體的雷諾數有關。
??? ?5.自支承結構
???? 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構等形式。
因此，工業(yè)應用結果表明多種強化傳熱元件的研究成果是一個基礎,可以根據不同的操作條件、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合強化傳熱等,以節(jié)省金屬材料,降低成本,獲得較高的經濟效益。把高效傳熱管與新型管束支承結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，換熱器內將產生很大熱應力，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，以消除或減少熱應力。根據所采用的補償措施，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成一體，結構簡單,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。浮頭式換熱器的應用較廣，但結構比較復雜，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)，借助于管箱內的隔板分成進出口兩室。此種換熱器完全消除了熱應力，結構比浮頭式簡單，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，通過改變流體運動狀態(tài)來增加傳熱效果，當介質經過渦流管表面時，強力沖刷管子表面，從而提高換熱效率。最高可達10000W/m2℃。同時這種結構實現了耐腐蝕、耐高溫、耐高壓、防結垢功能。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，對流換熱系數降低。據【換熱設備推廣中心】的資料顯示，渦流熱膜換熱器的最大特點在于經濟性和安全性統一。由于考慮了換熱管之間，換熱管和殼體之間流動關系，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垢的問題。
⑤螺旋板式換熱器：(1)總傳熱系數高。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)域又起到沖刷作用，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)結構緊湊。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有的顫動力度。
1.4 本論文的研究內容
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，應予注意。國內在節(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。論文各章的主要內容如下：
第一章簡述換熱器的強化結構、研究進展以及本論文的主要內容；
第二章講述螺旋板式換熱器的方案設計；
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構尺寸；
第六章對本論文的研究進行總結，并給出后續(xù)研究的建議。
2 螺旋板式換熱器的方案設計
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流動的矩形截面通道。根據螺旋板換熱器結構的不同，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，不能再進行機械清洗，國內通常稱為Ⅰ型（見圖2）。可拆式螺旋板換熱器結構又有三種，一種結構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構，螺旋體可從兩端分別進行機械清洗，國內通常稱這種為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。此外還有一種結構，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構稱為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構
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
介質在螺旋板式換熱器內的流動形式主要有三種：（1）兩側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）一側流體在全焊死通道做螺旋形流動，另一側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）一側流體呈螺旋形流動，另一側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構外，Ⅱ、Ⅲ型均采用墊片密封結構，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”造成內泄漏，進而降低設備傳熱性能，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，在國內外應用廣泛。
基本結構：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構等四大部分組成，具體結構如圖。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，它具有兩個供介質流動的矩形截面通道見圖。通常在卷制前，會預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。
為保證螺旋板兩側流體之間因短路造成內漏，螺旋通道端部必須進行密封，一般采用端蓋墊片密封結構。
結構特點分析：可拆式螺旋板換熱器的推廣應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，流體在較小雷諾數下即可實現湍流，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作均勻的螺旋流動，其阻力主要產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，因此相應增加了給熱系數，更有效的利用流體的阻力損失。而管殼式和板式換熱器，流體在其通道內經常要做度的大轉向，且轉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，使設備內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越低，也就越易積存而導致堵死。據統計，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在螺旋通道內可進行全逆流熱交換，此時對數平均溫差最大，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）結構可靠：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，不會造成很大內應力。且螺旋體各圈都是一側熱流體，一側冷流體，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，因此也不會產生很大的熱應力。
（6）結構緊湊：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。據統計，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構，裝拆方便，如果運行過程出現故障，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，由于每側都是單一通道，螺旋板式換熱器也很容易在不打開設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壓的強度，又要保證承受外壓的剛度，盡管螺旋體內部焊有很多定距柱，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，但由于結構上的限制，一旦泄漏就很難修理，因此對腐蝕性介質比較敏感，宜采用專門的耐蝕材料制造。
第 11頁（共28頁）
方案設計
3 螺旋板式換熱器的傳熱工藝的計算
3.1 傳熱量Q
題目來源于生產實際。已知熱貧油的進口溫度=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：
密度，粘度
比熱=2207J/(Kg·℃),導熱系數=0.3772w/(m·℃)
富油的進口溫度℃,出口溫度℃
在定性溫度下℃ （3-2）
在此溫度下粗笨的物理參數：液體密度,氣體密度
比熱=2204J/(Kg·℃),液體導熱系數=0.1093w/( m·℃)
（3-3）
又因為
所以以 （3-4）
將數據代入
第 26頁 （第28頁）
傳熱工藝計算
4 螺旋板式換熱器的螺旋板的強度計算與校核
3.2 螺旋通道截面積與當量直徑的計算
3.2.1 貧油（熱程）通道
設貧油的流速為
通道的截面積, 選螺旋板寬度H=1m
（3-5）
通道寬度 （3-6）
則當量直徑：
（3-7）
3.2.2 貧油的雷諾數和普蘭特數Pr
（3-8）
（3-9）
代入數據
3.2.3 貧油的傳熱系數a的計算
由于是液-液傳熱，介質的雷諾數Re＞6000,在湍流范圍內，故使用下列公式計算：
（3-10）
因貧油被冷卻，取m=0.3,代入上式
=2785w/(m2·℃)
設中心管直徑d=0.3m
螺旋體的外徑=0.8m
則平均直徑 （3-11）
3.2.4 富油傳熱系數的計算
富油定性溫度為℃ （3-12）
設壁溫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P=380088Pa,液體表面張力
粗笨的傳熱系數按下式計算：
（3-14）
選普通碳鋼，取=1.0
=778w/(m2·℃) （3-15）
故壁溫為：℃
與所設tw=160℃接近，故所設tw成立
3.2.5 對數平均溫度差,流體流動方向為全逆流操作
（3-16）
已知=180℃=165℃ =90℃=140℃
代入數據計算
℃
3.3 總傳熱系數K
應用由串聯熱阻推導出的公式計算
（3-17）
（3-18）
取碳鋼的傳熱系數=465w/(m·℃)
貧油污垢熱阻=(m2·℃)/w
粗笨污垢熱阻=( m2·℃)/w
則w/(㎡·℃
3.4 傳熱面積計算
（3-19）
取F=20㎡
3.5 螺旋通道計算
H=1m （3-20）
3.6 螺旋圈數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）
與前面設的接近，故所設成立
3.7 流體壓降的計算
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）
取單位面積上的定距柱數目個/㎡
代入數據
熱程通道的壓降（貧油側壓降的計算）
=6283Pa
富油側壓降的計算
（3-24）
因為,H=1m
（3-25）
（3-26）
富油的流速 （3-27）
通道當量直徑 （3-28）
富油通道：
（3-29）
（3-30）
代入數據得：
=7925.68pa
4 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）
已知=0.8m,H=1m,
換熱器的操作壓力P=1.0MPa
基設計壓力：
=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 （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：
螺旋板的強度（
5 螺旋板式換熱器的結構尺寸
（4-5）
當采用定距柱時C=4.7
將已知數據代入公式：
由以上計算可知，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
對于定距柱=0.00638，
代入計算：
=0.074mm
4.3 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, 以致造成此結構的突然破壞。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，根據已知數據，板寬H=1.0m板厚=0.004m,螺旋板曲率半徑R=/2=0.4m
按公式計算定距柱間距：
（4-7）
由強度計算取t=60mm
所以﹤t此條件下選用公式：
（4-8）
代入數據：
（4-9）
對承受外壓的設備，一般取穩(wěn)定系數
已知設備的設計壓力為P=1.0MPa
由于P﹤故設備穩(wěn)定,操作安全
5 螺旋板式換熱器的結構尺寸
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構和尺寸。
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 密封結構
密封結構好壞，直接影響到螺旋板換熱器能否正常運轉。即使微小內泄漏使
參考文獻
冷熱流體相混，也會導致傳熱不能正常進行，因此端面密封結構的設計對螺旋板換熱器來說是一個至關重要的問題。為保證螺旋板兩側流體之間因短路造成內漏，螺旋通道端部必須進行密封，采用封頭墊片密封結構。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構，它將介質與大氣之間的外密封和螺旋通道間介質的內密封分開解決。其中橢圓形封頭、筒體法蘭和墊片起著防止介質向大氣泄漏的作用，密封板則起著防止各圈螺旋通道內介質短路的作用。密封板外邊緣通過法蘭墊片壓緊，設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 橢圓形端蓋密封結構
5.2 定距柱尺寸
螺旋體是一個彈性構件，它不能被壓破，只能被壓癟，因此剛度對其來說是一個至關重要的問題。一旦換熱器兩通道的壓力差達到一定數值，螺旋板就可能被壓癟而出現失穩(wěn)現象，使設備不能正常工作。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。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”的新裝備設計理念?；谏厦娴目紤]，目前普遍采用增設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）使流動介質易產生湍流，強化傳熱。一般縮小定距柱的間距、增加定距柱數目，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?？蛇x直徑為10mm，長為14mm的圓鋼條作定距柱，考慮到定距柱間距t=60mm，定距柱的數目為n=36 個/㎡，整個換熱器的定距柱的數目為720個。
定距柱按等邊三角形排列。
5.3 換熱器外殼的設計
換熱器外殼，采用兩個半圓對接焊結構，外殼主要受內壓作用，其厚度按承受內壓的圓筒計算，即按下式計算：
,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
代入數據：
故選碳鋼板厚為4mm
螺旋板換熱器的外殼是承受內壓或外壓的部件，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構，提高外殼的承壓能力，設計了由兩半圓環(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構可靠性。
圖6 螺旋板換熱器的側向接管型式
5.4 進出口接管設計
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構，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
冷程（富油）通道截面積
設管內流量與通道內流量相等，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，配管法蘭為凸面對焊鋼制法蘭PN1.0 DN=250mm
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計優(yōu)劣的一項重要指標。一般中心管直徑設計的越小，則螺旋板換熱器單位體積的傳熱面積越大，即結構更緊湊。此外，由于螺旋通道的曲率半徑減小，傳熱也得到強化。因此在設計中應盡量縮小中心管直徑。
從提高設備緊湊性、確保接頭質量、擴大設備換熱能力等方面綜合考慮。螺旋板換熱器中心管的結構型式采用了厚中心隔板與螺旋板的角接結構。如圖7所示：
圖7 中心板結構示意圖
螺旋板為碳鋼，厚度=0.004m長度為H=1m
中心隔板的寬度： （5-5）
代入已知數據：
中心隔板的高度等于螺旋板的高度。
5.6 螺旋板換熱器各設計參數如下：
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：=0.8m
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：n=36 個/㎡
進出口管為140x4不銹鋼管
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