Pa·s u —流体的速度管式换热器

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　　螺旋板式换热器设计 毕业设计（论文）任务书 一、设计任务题目：反应器的混合气体换热器设计（螺旋板式） 二、设计任务和设计条件 生产过程的流程如图所示，反应器的混合气体经与进料物流换热后，用循环冷却水将其从110℃进一步冷却至60℃之后，进入吸收塔吸收其中的可溶组分。已知混和气体的流量为㎏/h，压力为a，循环冷却水的压力为0.4a，循环水的入口温度为29℃，出口温度为39℃试设计一台列管式换热器完成该生产任务。 物性特征：混和气体在5℃下的有关物性数据如下（来自生产中的实测值）：密度=㎏/m3 粘度=定压比热容 =3.297kj/kg℃热导率=0.0279w/m循环水在34℃下的物性数据：密度 =994.3㎏/m3定压比热容=4.174kj/kg℃热导率 =0.624w/m℃粘度=：定压比热容=3.297kj/kg℃热导率=0.0279w/m粘度循环水在34℃下的物性数据：密度=994.㎏/m3定压比热容=4.174kj/kg℃热导率=0.624w/m℃1、换热器热设计 2、换热器结构设计 3、换热器强度设计 4、设计计算说明书及图纸 摘 要 螺旋板式换热器是以螺旋体为换热元件的高效换热设备，在化工、石油、轻工等许多工业部门有着广泛应用。它分为可拆和不可拆两种结构形式，螺旋体用两张平行的钢板卷制而成，具有使介质通过的螺旋通道。 本设计参照《不可拆螺旋板式换热器型式与基本参数》和GB150-98《钢制压力容器》进行螺旋体的几何设计和强度计算以及螺旋板换热器的结构设计。采用的常规设计法设计的不可拆螺旋板式换热器，实现了气-液流体在两螺旋通道内的全逆流低温差换热。并在强度计算时采用增加定距柱数目的方法提高了螺旋体的强度和高度，从而提高了整个设备的承压能力。 关键词：螺旋板式换热器；结构设计；强度计算；螺旋体 Abstract Spiral plate heat exchanger is based on helical body heat exchanger components for the efficient heat transfer equipment, the chemical industry, petroleum, light industry and many other industrial sectors have wider application. It is not dismantled and demolished two forms, spirochetes with two parallel plates from rolling, possess medium through the spiral channel. The reference design can not be demolished spiral plate heat exchanger types and basic parameters and GB150-98 steel pressure vessels The spiral and geometric design and strength calculation spiral plate heat exchanger design of the structure. The conventional design method designed not demolition spiral plate heat exchanger, Implementation of the gas-liquid fluid channel in two spiral of the entire current poor low temperature heat exchanger. And the strength calculation used to increase the number of columns from the method improved the spiral body strength and height, thereby increasing the overall capacity confined equipment. Keywords : spiral plate heat exchanger；structural design；strength calculation；spiral  目 录 中文摘要……………………………………………………………………………………………Ⅰ 英文摘要……………………………………………………………………………………………Ⅱ 章 绪论……………………………………………………………………………………1 1.1换热器简介……………………………………………………………………………………1 1.1.1换热器在工业中的应用………………………………………………………………1 1.1.2换热器的作用与发展历史…………………………………………………………………3 1.1.3换热器的分类………………………………………………………………………………4 1.1.4各种换热器的特点…………………………………………………………………………5 1.1.5换热设备的发展趋势………………………………………………………………………6 1.2螺旋板换热器……………………………………………………………………………………7 1.2.1螺旋板换热器的发展概况…………………………………………………………………7 1.2.2螺旋板换热器的优缺点……………………………………………………………………8 1.3设计思路及工作方法………………………………………………………………………10 第2章 传热工艺计算 …………………………………………………………………………………12 2.1 设计参数及任务…………………………………………………………………………………12 2.2确定设计方案……………………………………………………………………………………12 2.2.1螺旋板换热器的分类………………………………………………………………………12 2.2.2设计计算中应考虑的问题…………………………………………………………………14 2.3 传热量的计算……………………………………………………………………………………15 2.3.1传热量Q……………………………………………………………………………………15 2.4 螺旋通道与当量直径的计算……………………………………………………………………16 2.5 雷诺数与普兰特准数……………………………………………………………………16 2.6通道传热系数的计算………………………………………………………………………17 2.7总传热系数……………………………………………………………………………………19 2.8对数平均温差…………………………………………………………………………20 2.9换热器传热面积…………………………………………………………………………21 2.10螺旋板的有效换热长度……………………………………………………………………21 第3章 几何设计…………………………………………………………………………………22 3.1螺旋板有效圈数…………………………………………………………………………………22 3.2螺旋板圈数…………………………………………………………………………………22 3.3螺旋通道长度…………………………………………………………………………………22 3.4螺旋体长轴外径……………………………………………………………………………22 第4章 流体压力降…………………………………………………………………………………24 4.1种计算压力降的方法……………………………………………………………24 4.2第二种计算压力降的方法……………………………………………………………25 4.3第三种计算压力降的方法……………………………………………………………26 4.4确定压力降…………………………………………………………………………………26 第5章 螺旋板的强度与刚度……………………………………………………………29 5.1螺旋板的强度计算……………………………………………………………………………29 5.2螺旋板的挠度…………………………………………………………………………………31 第6章 螺旋板换热器的结构设计…………………………………………………………………34 6.1密封结构………………………………………………………………………………34 6.2定距柱尺寸……………………………………………………………………………35 6.3换热器外壳……………………………………………………………………………35 6.4压力实验………………………………………………………………………………35 6.5中心隔板尺寸…………………………………………………………………………36 6.5.1中心隔板宽度………………………………………………………………………36 6.5.2中心隔板厚度………………………………………………………………………37 6.5.3偏心距………………………………………………………………………………37 6.6接管……………………………………………………………………………………38 6.7法兰……………………………………………………………………………………39 6.8鞍座支座选取及安装位置……………………………………………………………39 6.9半圆端板………………………………………………………………………………40 第7章 螺旋板换热器的稳定性校核………………………………………………………41 7.1设备校核………………………………………………………………………………41 7.2鞍座校核………………………………………………………………………………42 7.3筒体校核………………………………………………………………………………43 7.4壳体接管开孔补强校核………………………………………………………………44 第8章 螺旋板换热器的制造简介 ………………………………………………………46 8.1 制造工艺程序 …………………………………………………………………………………46 8.2 螺旋板式换热器制造质量的控制 ……………………………………………………………46 8.2.1螺旋板板材的下料 ………………………………………………………………………46 8.2.2板材拼接 …………………………………………………………………………………46 8.2.3焊定距柱 …………………………………………………………………………………46 8.2.4卷制螺旋体 ………………………………………………………………………………47 8.2.5焊接螺旋通道 ………………………………………………………………………………47 8.2.6 螺旋板换热器的装配与试压 ……………………………………………………………47 第9章 总结…………………………………………………………………………………………49 参考文献………………………………………………………………………………………51 致谢…………………………………………………………………………………………………52 章 绪 论 1.1 换热器简介 1.1.1 换热器在工业中的应用[1] 在工业生产中，实现物料之间热量传递的设备，统称为换热器换热器作为通用工艺设备，在化工、石油、动力、原子能、食品、轻工等许多工业部门有着广泛的应用。出于不同的使用目的和工艺要求，换热器的形式很多而且仍在不断发展。现在，为了适应我国现代化的需要，无论从有关工业本身的发展或从能源的开发、利用和节约来看，对换热器都提出了更高的要求℃左右的高温才能在催化剂的作用下合成氨，而氨与未反应的氮、氢气体的分离，则需要通过冷却与冷凝的办法以液体的形式分离出来。这一生产过程中的加热、冷却与冷凝就是通过换热器实现的。在酒精生产中，酒精精馏塔在操作时候，原料液需预热，釜底液体需要在再沸器中加热，塔顶产生的蒸气需冷凝。这一生产过程中的预热、加热和冷凝也都是通过换热器实现的。换热气在化工行业中的应用是十分广泛的，各种化工生产工艺几乎都要甬道它。 在制冷工业中，以食品的冷藏业常用的以氨为制冷剂的蒸气压缩制冷装置为例，经过压缩机压缩后的气态氨在冷凝器中被冷凝为液体；液化后的高压液态氨在膨胀机或节流阀中绝热膨胀，使温度下降到远低于周围环境的温度；这种低温氨流体在流经蒸发器时（布置在冷藏室中）吸热蒸发而回复到原先进入压缩机时的氨气状态。然后，再重复新的循环。在其它各种制冷装置中，都存在冷凝器和蒸发器等换热器。 在火力发电中，装有预热器、燃油加热器、给水加热器、蒸汽冷凝器等一系列的换热气。其实，蒸汽锅炉本身也可以看作是一个大型复杂的换热气。燃料在炉膛中燃烧产生的热量，通过炉膛受热面、对流蒸发受热面、过热器及省煤器加热共质，使工质汽化、过热成为能输往蒸汽轮机的符合要求的过热蒸汽。 在核电中，蒸汽发生器是一项很重要的工艺设备。核燃料裂变所产生的大量的热量首先传给冷却剂，冷却剂在蒸汽发生器中再将热量传给水、使水汽化成蒸汽，由蒸汽来转动汽轮发电机发电。此外，在核电系统中还装有各种加热器、蒸汽冷凝器等换热器。 （2）换热器在节能降耗中的应用 换热器在节能技术改造中具有很重要的作用，表现在两个方面：一是在生产工艺流程中使用着大量的换热气，提高这些换热气的效率，显然可以减少能源的消耗；另一方面，用换热器来回收工业余热，可以显著地提高设备的热效率。 1.1.2 换热器的作用与发展历史 换热器的主要功能是保证工艺过程对介质所要求的特定温度，同时也是提高能源利用率的主要设备之一，在日常生活中取暖用的暖气散热片、汽轮机装置中的凝汽器和航天火箭上的油冷却器等，都是换热器。它还广泛应用于化工、石油、动力和原子能等工业部门。 换热器既可是一种单独的设备，如加热器、冷却器和凝汽器等；也可是某一工艺设备的组成部分，如氨合成塔内的热交换器。由于制造工艺和科学水平的限制，早期的换热器只能采用简单的结构，而且传热面积小、体积大和笨重，如蛇管式换热器等。随着制造工艺的发展，逐步形成一种管壳式换热器，它不仅单位体积具有较大的传热面积，而且传热效果也较好，长期以来在工业生产中成为一种典型的换热器。二十世纪20年代出现板式换热器，并应用于食品工业。以板代管制成的换热器，结构紧凑，传热效果好，因此陆续发展为多种形式。30年代初，瑞典首次制成螺旋板换热器。接着英国用钎焊法制造出一种由铜及其合金材料制成的板翅式换热器，用于飞机发动机的散热。30年代末，瑞典又制造出台板壳式换热器，用于纸浆工。在此期间，为了解决强腐蚀性介质的换热问题，人们对新型材料制成的换热器开始注意。60年代左右，由于空间技术和尖端科学的迅速发展，迫切需要各种高效能紧凑型的换热器，再加上冲压、钎焊和密封等技术的发展，换热器制造工艺得到进一步完善，从而推动了紧凑型板面式换热器的蓬勃发展和广泛应用。此外，自60年代开始，为了适应高温和高压条件下的换热和节能的需要，典型的管壳式换热器也得到了进一步的发展。70年代中期，为了强化传热，在研究和发展热管的基础上又创制出热管式换热器。换热器按传热方式的不同可分为混合式、蓄热式和间壁式三类。 混合式换热器是通过冷、热流体的直接接触、混合进行热量交换的换热器，又称接触式换热器。由于两流体混合换热后必须及时分离，这类换热器适合于气、液两流体之间的换热。例如，化工和发电所用的凉水塔中，热水由上往下喷淋，而冷空气自下而上吸入，在填充物的水膜表面或飞沫及水滴表面，热水和冷空气相互接触进行换热，热水被冷却，冷空气被加热，然后依靠两流体本身的密度差得以及时分离。蓄热式换热器是利用冷、热流体交替流经蓄热室中的蓄热体(填料)表面，从而进行热量交换的换热器，如炼焦炉下方预热空气的蓄热室。这类换热器主要用于回收和利用高温废气的热量。以回收冷量为目的的同类设备称蓄冷器，多用于空气分离装置中。间壁式换热器的冷、热流体被固体间壁隔开，并通过间壁进行热量交换的换热器，因此又称表面式换热器，这类换热器应用广。 间壁式换热器根据传热面的结构不同可分为管式、板面式和其他型式。管式换热器以管子表面作为传热面，包括蛇管式换热器、套管式换热器和管壳式换热器等；板面式换热器以板面作为传热面，包括板式换热器、螺旋板换热器、板翅式换热器、板壳式换热器和伞板换热器等；其他型式换热器是为满足某些特殊要求而设计的换热器，如刮面式换热器、转盘式换热器和空气冷却器等沉浸式蛇管换热器蛇管多用金属管子弯制而成,或制成适应容器要求的形状,沉浸在容器中。两种流体分别在蛇管内、外流动而进行热量交换。这种换热器的优点是结构简单，价格低廉，便于防腐蚀，能承受高压。主要缺点是由于容器的体积较蛇管的体积大得多，故管外流体的a较小，1-2 喷淋式冷却器 因而总热系数K也较小1-直管；2-U形管；3-水槽；4 -齿形檐板 也显得笨重。 b、喷淋式换热器它多用作冷却器。固定在支架上的蛇管排列在同一垂直面上，热流体在管内流动，自下部的管进入，由上部的管流出冷水由上面的多孔分布管（淋水管）流下，分布在蛇管上，并沿其两侧下降至下面的管子表面，后流入水槽而排出。冷水在各管表面上流过时，与管内流体进行热交换。这种设备常放置在室外空气流通处，冷却水在空气中汽化时可带走部分热量，以提高冷却效果。与沉浸式蛇管换热器相比，还具有便于检修和清洗、传热效果也较好等优点，其缺点是喷淋不易均匀。套管式换热器套管式系用管件将两种尺寸不同的标准管连接成为同心圆的套管，然后用180°的回弯管将多段套管串联而成。每一段套管称为一程，程数可根据传热要求而增减。每程的有效长度为4～6m ,若管子太长，管中间会向下弯曲，使环形中的流体分布不均匀。在需要传热面积不太大且要求压强较高或传热效果较好时，宜采用该换热器。管壳式换热器板式换热器”首先提出了螺旋板式换热器的结构，并很快投入了批量生产，取得了专利权。此后英国的APV、美国的AHRCO和Union Carbide、联邦德国的ROCA、日本的“大江”、“川化”以及荷兰、捷克、前苏联等国也相继设计制造出同类产品。日本的螺旋板式换热器制造是在二次世界大战后星期的，各都制定了自己的系列标准。前苏联在1966年颁布了螺旋板式换热器的国家标准TOCT 2067-66。 我国从20世纪50年代开始在化工领域使用螺旋板式换热器，并进行了仿造。到60年代中期，由于采用了卷床卷制，提高了产品质量并能批量生产。1970原一机部通用机械研究所、苏州化工机械开始进行标准化、系列化工作，随后与原大连工学院协作对螺旋板式换热器的传热和流体阻力进行了系统的研究。1973年原一机部制定标准JB 1287-73，并由原一机部通用机械研究所负责编制了“螺旋板式换热器图纸选用手册”，对螺旋板式换热器的应用和推广起了很大的推动作用。 随着原南京化工学院和广西大学在螺旋板式换热器强度和刚度研究的进展，螺旋板式换热器的设计更加系统化。20世纪80年代末至90年代中期，机械工业部合肥通用机械研究所先后制定了JB/TQ 724-89《螺旋板式换热器制造技术条件》、JB 53012《螺旋板式换热器制造质量分等》、JB/T 4723《不可拆螺旋板式换热器型式与基本参数》、JB/T 6919《螺旋板式换热器性能试验方法》，形成了我国螺旋板式换热器的整个体系框架。1991～1997年机械部合肥通用机械研究所，苏州化工机械联合完成了基金课题“大型可拆螺旋板式换热器的研制”，将我国螺旋板式换热器的水平推上了一个新的台阶。即将颁布的综合性行业标准《螺旋板式换热器》标志着我国螺旋板式换热器的设计、制造、检验与验收更加规范化。 1997年由机械工业部组织实施了全国螺旋板式换热器的首次质量监督检查。这次螺旋板式换热器产品质量统检反映了我国螺旋板式换热器生产的节本格局。省是我国螺旋板式换热器生产密集的地区。其中苏州化工机械擅长生产可拆螺旋板式换热器，是我国加工螺旋板设备完善的企业；无锡雪浪铆焊擅长生产酒精、溶剂、变压器油冷却、重油加热系统的螺旋板式换热器换热器；无锡市换热器擅长生产制药、双氧水领域的螺旋板式换热器。而广东佛山化工机械擅长生产烧碱领域螺旋板式换热器；北京四季青换热器擅长生产采暖供热，油田领域的螺旋板式换热器。在我国使用院旋扳式换热器是从五十年代中期开始，当时主要用于烧碱中的电解液加热和浓碱液冷却。六十年,我国机械制造部门设计、制造了卷制螺旋扳的专用卷床，使卷制的工效提高了几十倍，为推广应用螺旋板式换热器创造了良好的条件。自1968年机械工业部在苏州召开的螺旋板式和固定管板式换热器系列审交会议后，国内已有计多家制造生产了这种换热器，在我国得到了迅速推广应用[4]。 1.2.2螺旋板换热器的优缺点 （1）传热效率高 由于螺旋板换热器具有螺旋通道，流体在通道内流动，在螺旋板上焊有保持螺旋通道宽度的定距柱或冲压出的定距泡，在螺旋流动的离心力作用下，能使流体在较底的雷洛数时发生湍流。考虑到压力降不致过大，所以合理地选择通道宽度和流体流速是较重要的，设计时一般可选择较高的流速，这样可使流体分散度高，接触好，有利于提高螺旋板换热器的换热效率。 （2）能有效地利用流体的压头损失 螺旋板式换热器中的流体，虽然没有流动方向的剧烈变化和脉冲现象，但因螺旋通道较长，螺旋板上又焊有定距柱，在一般情况下，这种换热器的流体阻力比管壳式换热器更大一些，但它与其它类型的换热器相比，由于流体在通道内是作均匀的螺旋流动，其流体阻力主要发生在流体与螺旋板的摩擦上，而这部分阻力可以造成流体湍流。因此相应地增加了给热系数，这就说明了螺旋板换热器能更有效的利用流体的压头损失。 （3）不易污塞 在螺旋板换热器中，由于介质走的是单一通道，而它的允许速度可以比其它类型的换热器高污垢不易沉积，如果通道内某出沉积了污垢，则此处的通道截面积就会减小，在一定的流量下，如截面积减小，局部的流速就相应的提高，对污垢区域起冲刷的作用，而在管壳式换热器中，如果一根管子有污垢沉积，此管的局部阻力增大，则流量受到限制，流速降低，介质就向其它换热管分配，使换热器内每根管子的阻力重新平衡，使得沉积了的污垢的管子的流速越来越低，越易沉积，后完全堵死。 （4）能利用低温热源，并能控制出口温度 为了提高螺旋板换热器的传热效率，就要求提高传热推动力。当两流体在螺旋通道内采用全逆流操作时，则两流体的对数平均温度差就较大，有利于传热。从换热器设计中采用的经验数据进行分析，螺旋板换热器允许的小温差为。在两流体温差为3度情况下仍可以进行热交换。 螺旋板换热器具有两个较长的均匀螺旋通道，介质在通道中可以进行均匀的加热和冷却，所以能够地控制其它出口温度。 （5）结构紧凑 一台直径为1.5m，宽为1.8m的螺旋板换热器，其传热面积可以达到200平方米，而单位面积的传热面积约为管壳式换热器的三倍。 （6）密封结构可靠 目前使用的螺旋板换热器两通道一般采用焊接密封。所以只要保证焊接质量，就能保证两介质之间不会产生泄露。在螺旋板换热器内的的介质与大气的密封是采用法兰连接密封结构。这种密封方法是很可靠的。 （7）温差应力小 螺旋板换热器的特点的允许膨胀，由于它有两个较长的螺旋形通道，当螺旋体受热或冷却后，可像钟表内发条一样伸长或收缩。而螺旋体各圈之间都是一侧为热流体，另一侧为冷流体，外圈与大气接触。在螺旋体之间的温差没有管壳式换热器中的管子与壳体之温差那样明显，因此不会产生大的温差应力。在国内外使用的螺旋板换热器实列中使用在两介质温差很大的场合。还未发现有较大的温差应力存在。 （8）热损失少 由于结构紧凑。即使换热器的传热面积很大，但它的外表面积还是较小的，又因接近常温的流体是从外边边缘处的通道流出，所以一般不需要保温 （9）制造简单 螺旋板换热器与其它类型的换热器相比，制造工时为少，机械加工量小，材料主要是板材，容易卷制，制造成本低。 （10）承受能力受限制 螺旋板换热器一般都按每一通道的额定压力设计由于螺旋板的直径较大，厚度较小，刚度差，每一圈均承受压力，当两通道见的压力差达到一定程度，亦即达到或接近临界压力时，螺旋板就会被压坏而丧失稳定性。 （11）修理困难 螺旋板换热器虽不易泄露，但由于结构上的限制，一旦产生泄露是不易修理往往只能整台报废，因此对具有腐蚀性介质时，应选用耐腐蚀性好的材料 （12）通道的清洗 由于螺旋通道一般较窄，螺旋板上焊有维持通道宽度的定距柱，使机械清洗困难。主要的清洗方法有热水冲洗，酸洗忽然蒸汽吹洗三种，国内多采用蒸汽吹洗。 1.3设计思路及工作方法 本次设计的题目是反应器的混合气体换热器设计（螺旋板式），其两通道的流体为混合气体和冷却水(工业循环用水)，实现的热交换是气-液热交换且两通道的设计压力为0.6MPa。根据前述螺旋板式换热器的三种型式的特点知道，型螺旋板式换热器主要是用于液-液的传热，使用的公称压力在2.5MPa以下。型 螺旋板式换热器主要用于气-液的热交换，使用压力在1.6MPa。1.6MPa。由于三种形式的螺旋板式换热器的使用公称压力差别不大，而主要表现在对物料的选择上，故为了更好的完成流体之间的传热工艺设计，本次设计的螺旋板式换热器为型结构。 第二章 传热工艺计算 2.1设计参数及任务 通道1 通道2 流体名称 混合气体 冷却水 总流体（kg/h） 56825.25 工作温度 进/出（℃） 110/60 29/39 操作压力（MPa） 1.6 0.4 2.2确定设计方案 2.2.1螺旋板换热器的分类 根据通道布置的不同和使用的条件，螺旋板换热器可以分成三种形式。 I型：它的主要特点是螺旋通道的两端全部垫入密封条后焊接密封，两流体都是呈螺旋流动，冷流体从外周沉向中心排出，热流体由中心沿螺旋流向外周排出，这种形式的换热器称为I型，见图2-1所示为不可拆结构。 图2-1 图2-1 I型螺旋板换热器 I型螺旋板换热器的特点：适用于对流传热，主要用于液—液流体的传热。在液一液热交换中，还可以用来加热和冷却高粘度的液体。由于单流道的特点流动分布情况较好。另一是用来满足控制温度的要求。除上述情况外，它还可用来冷却气体或冷凝蒸汽但受到通道断顶的限制，所以只能用在流量不大的场合，日前使用的公称压力在25×105Pa以下。 Ⅱ型：这种换热器的主要特点是螺旋通道两端面交错焊死。两端面的密封采用顶盖加垫片的密封结构，螺旋体由两端分别进行机械清洗，II型螺旋板换热器为可拆式，主要用于气一液的热交换，使用压力在16×105Pa。见图2-2所示 图2-2 Ⅱ型螺旋板换热器 图2-3 Ⅲ型螺旋板换热器 Ⅲ型：该换热器的特点是一个通道的两端全焊死，另一通道的两消全敞开。流体在全焊死的通道内由周边转到中心，然后再转到另一周边流出。另体只作轴向流动。这种结构主要用于蒸汽冷凝。蒸汽由顶部端盖进入，经由敞开通道向下作轴向流动而被冷凝，冷凝液由底部排出。这种换热器适用于两流体流量较大的情况使用的公称压力为16×105Pa[5]，如图2-3所示。 2.2.2设计计算中应考虑的问题 2.2.2.1流体流动路程的选择 为了提高螺旋扳式换热器的传热效率，在确定流向的时候，我们应该考虑以下的因素： （1）使两流体呈全逆流状态，提高两流体的对数平均温差，以增大传热的推动力，使传热效果更好。 （2）使直径较大的外圈螺旋板承受较小的压力，直径较小的内圈螺旋板承受较大的压力，以改善两螺旋板的受力状态。 （3）使螺旋通道不易堵塞，并且便于清洗，这涉及到定距柱(或定距泡)的布置问题。目前定距柱多采用等边三角形排列的方式，因为这种排列比按正方形排列能有效地干扰流体的流动，使其易产生湍流，从而提高传热效率。 2.2.2.2流体流速的选择： 增大流速能提高雷诺数，亦即提高给热系数α值，低从而提高了换热器的总传热系数K值，使所需要的换热面积F减少，还可以减少污垢沉积在螺旋通道中的可能性。由流体力学可知，流体压力降与流速的二次方成正比。因此，增大流速，流体压力降随之增加，所以选择流速时应综合考虑，选择经济之流速，这往往需要用几种方案进行计算比较方能确定。 提高流速后，如果增大的给热系数对总传热系数K值起着决定性的影响，这时提高流速就有实际意义了。由于螺旋通道一般较长，因此通道越长，沿程阻力也越大，故选择流速时，只要能使流体在通道内形成湍流，这样既能提高流体对流传热效率，也可降低阻力损失，减少动力消耗。 2.2.3确定设计方案和流体的流动型式 通过对以上螺旋板换热器的几种类型的特点的比较和设计中应考虑的问题结合本设计的的流体流动形式，和操作压力分析后：本设计选择Ⅰ型螺旋板换热器来满足工艺上的要求，并使流体呈对流状态。 2.3 传热量的计算 2.3.1传热量Q 流体受到单独加热或冷却而不发生相态变化时，流体所放出或吸入的热量由公式[6]（2-1）计算： Q1＝W1CP1（T1－T2） （2-1） 式中： Q1—热流体混合气体放出的热量，W W1—热流体混合气体的质量流量,kg/s CP1—热流体的定压比热容,J/（㎏·℃） T1—热流体的进口温度,℃ T2—热流体的出口温度,℃ 已知： 热流体的质量流量：W1＝56825.25kg/h＝15.785kg/s 热流体入口温度:T1＝110℃； 热流体出口温度:T2＝60℃； 确定热流体的物性数据: 热流体的定性温度:对于本设计为低黏度的气体.所以定性温度可取流体进出口温度的平均值. TA＝（T1+T2）/2＝（110+60）/2＝85℃ 由已知条件可知热流体水溶液的物理参数: 密度 ρ1＝70kg/ m3 定压比热容 Cp1＝3297 J/（㎏·℃） 热导率 λ1＝0.0279 W/（m·℃） 粘度 μ1＝3.5×10-5 Pa·s 将已知数据代入公式（2-1）得 Q1＝W1CP1（T1－T2） ＝15.785×3297×（110－60） ＝2602157.25W 因为在这里传热过程中热流体放出的热量等于冷流体吸收的热量 所以: Q放＝Q吸＝Q1＝2602157.25W 2.4螺旋通道与当量直径的计算 2.4.1混合气体（热程）通道： 由查相关参数表知：常压气体速度推荐值为（5~30）m/s 设在本设计中混合气体的流速： u1＝20 m/s 则 混合气体的体积流量: V1＝W1/ρ1 ＝15.785/70＝0.2255 m3/s 所以通道的截面积为： F1＝V1/ u1＝0.2255/20 ＝0.01128 m2 根据工艺条件一般通道宽度取5~20mm，所以本设计取b1＝10mm 因为： b1＝F1/ H （2-6） 式中 H—螺旋板宽度, m 由公式（2-6）可得： H＝F1/ b1＝0.01128/0.010＝1.13m 所以热程通道的当量直径de1为： de1＝（2H b1）/（H+ b1） （2-7） 将已知数据代入（2-7）得： de1＝（2×1.13×0.010）/（1.13+0.010） ＝0.0198 m 2.5.2冷程（冷却水）通道 由于 Q放＝Q吸＝Q1＝2602157.25W 且 Q吸＝W2Cp2 (t2－t1) （2-8） 式中: Q2—冷流体的吸热量, W W2—冷流体的质量流量, ㎏/S Cp2—冷流体的定压比热容, J/（㎏·℃） t2—冷流体的出口温度, ℃ t1—冷流体的进口温度, 由已知条件知： Cp2＝4174 J/（㎏·℃） t2＝39℃ t1＝29℃ 将已知数据代入公式（2-8）得 Q吸＝W2Cp2 (t2－t1) 2602157.25＝W2×4174×(39－29) 得 W2＝62.342kg/s 同理冷流体的质量流量W2为 W2＝ρ2·V2 （2-9） 式中: ρ2—冷流体的密度 ,㎏/m3 V2—冷流体的体积流量 ,m3/s 将已知数据带入公式（2-9） 得 V2 ＝0.0627 m3/s 设水的流速为： u2＝2 m/s 通道的截面积F2为： F2＝V2/u2＝0.0627/2＝0.0314 ㎡ 通道宽度 b2＝F2/H＝0.0314/1.13＝0.0278m 所以冷程通道的当量直径等于 de2＝（2H b2）/（H+ b2） （2-10） 将已知数据代入公式（2-10）得 de2＝（2×1.13×0.0278）/（1.13+ 0.0278） ＝0.0543m 2.6雷诺数Re和普兰特准数Pr[6] 混合气体（热程）通道雷诺数 Re＝（de1 u1ρ1）/μ1 （2-11） 将已知数据代入公式（2-11）得 Re1＝（0.0198×20×70）/1.5×10-5 ＝1848000 混合气体的普兰特准数 Pr1＝（CP1μ1）/ （2-12） 将已知数据代入公式（2-12）得 Pr1＝（3297×3.5×10-5 ）/0.0279 ＝4.14 式中 ：de—通道的当量直径， m μ—流体的粘度，Pa·s u —流体的速度，m/s ρ—流体的密度，㎏/m3 λ—流体的导热系数，W/（m·℃） 冷程通道的雷诺数Re2由（2-11）得： Re2＝（de2 u2ρ2）/μ2 （2-13） 将已知数据代入（2-13）可得： Re2＝（0.0543×2×994.3）/0.742×10-3 ＝145527 冷流体的普兰特准数Pr2由（2-12）得： Pr2＝（Cp2μ2）/ （2-14） 将已知数据代入（2-13）可得： Pr2＝（4174×0.742×10-3）/0.624 ＝4.96 2.7给热系数α的计算 因为构成传热面的螺旋形通道，考虑到螺旋板式换热器的强度和刚度，并使其传热效果较好，通常在螺旋板上安装了一定数目的定距接。由于通道不是直线状而是螺旋形，因此，通道传热系数的计算就要考虑到上述的情况。由于流体在换热器中是对流传热，而对流传热的关键是通道中流体的流动状态，当流体的扰动越激烈时，传热就越好。流体在通道中扰动的激烈程度与流体的流速、物理性能及通道的几何形状有关，这些关系用一个相似准数雷诺数来表示。在圆形截面的直管中，当雷诺准数Re≥10000时，流体为湍流状态，这个数称为临界雷诺数。但对螺旋板式换热器，它的通道为矩形截面，在这种情况下的临界雷诺数是多少呢?从已发表的文献资料来看，对达到湍流时的临界雷诺数的大小有不同的看法。目前来说，很难准确的定出一个达到湍流时的雷诺准数，近年来，我国一些研究单位用DIHn-B09ltor公式计算湍流状态下的传热系数，临界雷诺准数按Re＝6000，其计算结果与试验结果相近似，因此，推荐湍流状态下的临界雷诺数按Re＝6000计算[1]。 计算螺旋板换热器的传热系数的推荐公式是在圆形直管计算公式的基础上，考虑到螺旋矩形通道的影响，用一个含有当量直径de的参数进行修正而得出计算螺旋板式换热器的传热器的传热系数的公式。 由前面计算出来所得的雷诺数Re可以看出Re1和Re2均大于6000。属于湍流状态的，下面就按湍流状态下流体无相变的计算公式计算冷却介质和被冷却介质热传热系数[1]： （2-14） 式中：—螺旋通道的平均直径，m （2-15） —中心管的直径，m M—指数，对被加热的液体而言m＝0.4,对介质为气体时，无论被加热或冷却 m＝0.4,对被冷却的液体而言m=0.3， —流体的导热系数，W/（m·℃） —流体的定压比热容，J/（㎏·℃） —流体的粘度，Pa·s 设中心管直径： d＝300 ㎜ 螺旋体外径： D0＝1000㎜ 将数据代入（2-15）可得平均直径： Dm＝ ＝650㎜ 2.7.1对被冷却介质（热程通道） 因为对冷却介质m＝0.4 已知 ＝0.0279 W/（m·℃）， ＝0.0198 m ＝1848000 Pr1＝4.14 根据（2-14）可得热程通道的传热系数为： （2-16） 将已知数据代入（2-16）可得热程通道的传热系数为： ＝6535.87W/（㎡·℃） 2.7.2 对被加热介质（冷程通道） 因为对被加热介质m＝0.4 已知 ＝0.624 W/（m·℃）， de2＝0.0543 m Re2＝145527 Pr2＝4.96 根据（2-14）可得热程通道的传热系数为： （2-17） 将已知数据代入（2-17）可得： ＝8773.51 W/（㎡·℃） 2.8 总传热系数K[6] 总传热系数K是评价换热器性能的一个重要参数，也是换热器的传热计算所需的基本数据。K的数值与流体的物性、传热过程的操作条件和换热器的类型等有和很多因素有关，因此K值的变动范围较大。 在螺旋板换热器中它对换热面积的大小起着很大的作用，在设计中可以从三种途径得到总传热系数。 K值的计算； 实验查定； 经验数据； 在本设计中采用计算的方法来确定总传热系数K值。 用串联热阻的概念计算总传热系数K值。 总热阻的计算公式为： R＝＝ （2-18） 对螺旋板换热器， （2-19） 将（2-19）代入（2-18）变形可得 （2-20） （2-21） 式中：—为垢层总热阻，㎡·℃/w； —为伴材热阻，㎡·℃/w； 所以根据本设计的的具体要求由公式（2-21）可得总传热系数K为： （2-22） 螺旋板为不锈钢， ㎜ 导热系数查得 ＝17.4 W/（m·℃） 污垢热阻选 r1＝r2＝㎡·℃/w 将、、、和、代入（2-22）可得： K ＝1805.3 W/（㎡·℃） 2.9 对数平均温差 由于本设计中的流体的流动方向采用的是全逆流操作。如图2-4所示 图2—4 逆流操作图 所以： ＝110－39 ＝71℃ ＝60－29 ＝31℃ 对数平均温差 （2-23） 由（2-23）可得 （2-24） 将已知数据代入（2-24）可得： =＝48.3 ℃ 2.10螺旋板换热器传热面积F 已知传热量Q＝2602157.25W 由传热方程式： （2-25） 由（2-25）变形可得 （2-26） 将已知数据Q、K、代入（2-26）可得： ＝ ＝29.84㎡ 由查相关标准可以知道＝（32.83～35.81）㎡ 选择 F实＝34㎡ 2.11螺旋板的有效换热长度[7] （2-27） 式中：—螺旋板有效换热长度;m 将已知数据代入（2-27）可得 ＝＝15m 第三章 几何设计 3.1螺旋板有效圈数 由前面的设计可知螺旋中心直径 ㎜，板厚 ㎜，螺旋板的有效换热长度＝11.5m，螺旋通道宽度b1＝10㎜, b2＝27.8㎜。 不等通道宽度的螺旋板换热器，其有效换热圈数为： （3-1） ＝15.52 圈 3.2螺旋板圈数 [7] 在本次设计中螺旋板是有外圈板的 ＝＝15.52圈 3.3 螺旋体长轴外径 本设计中螺旋板终端的截面法线与中心隔板垂直，即长轴在中心隔板所构成的平面内如图3-1所表示。 图 3-1中心隔板与螺旋体连接图 所以 （3-4） 将数据代入（3—4）可得： ＝(0.3－0.01＋0.002) ＋15.52×（0.01＋0.0278＋2×0.002） ＝0.9407 m 前面设计时假设了螺旋体的外径为1.0m 所以计算值与假设值之间相差为： ＝5.9% 所以前面的假设是可行的。 第四章 流体压力降 由于螺旋板换热器流体压力降的计算没有一个较准确的公式供计算螺旋板压力降的时候选用。所以选择几种计算螺旋板压力降的公式后分别计算出螺旋板冷、热通道的压力降后。比较它们的结果从中选择一种的计算螺旋板换热器的压力公式，确定得出准确的压力降。 流体流动的压力降的计算，在螺旋板换热器中，流体流动的压力损失受多方面因素的影响 4.1种计算压力降的方法： 因为螺旋通道为矩形通道一般将其作为以通道当量直径为直径的圆管，按（范宁）公式[6]计算所得的值乘以系数计算其压力降。 其公式为： （4-1） 式中：—摩擦系数，对于钢管，或由图4-1 与Re的关系图查得。 —系数，与流速、定距柱直径和间距有关，其值（） 其中取。 在前面的计算中得到热程通道的 m，L＝15m, u1＝20 m/s ρ1＝70kg/ m3㎏/，＝1848000 将已知数据代入（4-1）可得热程通道的压力降为 ＝325519.04 同理可以知道冷程通道的de2＝0.0543m，L＝15m，u2＝2m/s ρ2＝994.3㎏/，Re2＝145527 将冷程通道的数据代入（4-1）可得: =11211.74 图4-1 与Re关系图 4.2第二种计算压力降的方法： 还是将螺旋通道的矩形通道作为以通道当量直径为直径的圆管，按（范宁）公式计算，并考虑其壁温粘度的影响。 （4-2） 式中：摩擦系数近似采用流体流经直径为当量直径的圆管时的摩擦系数，其值可由与Re关系图[6]查得。查得其热程通道摩擦系数0.0054 冷程通道摩擦系数 为求壁温下的粘度，需求出壁温的大小，其求壁温的大小的计算公式为： = （4-3） 式中：—热流体的定性温度 ℃ —冷流体的定性温度 ℃ 已知热流体的定性温度：=85 ℃ 冷流体的定性温度：＝34 ℃ 冷流体的传热系数：＝8773.51 W/（㎡·C） 热流体的传热系数：＝6535.87 W/（㎡·C） 将冷、热流体的定性温度和传热系数代入（4-3）可得 = = ＝55.773 ℃ 当螺旋板壁温=55.773℃时，查得 ＝44.53× Pa·s 已知热程通道的各参数为 m，L＝15m, u1＝20 m/s ρ1＝70kg/ m3㎏/，＝1848000 μ1＝3.5×10-5 Pa·s 将以上的已知数据代入（4-2）可得： ＝327076.775 已知冷程通道的各个参数为 de2＝0.0543m，L＝15m，u2＝2m/s ρ2＝994.3㎏/，Re2＝145527 ，μ2＝0.742×10－3 pa·s 将冷程通道的各个已知参数代入（4-2）可得： ＝10433.352 Pa 4.3第三种计算压力降的方法： 此方法是基于直管压力降的计算公式中以当量直径代替公式中的圆管直径，再针对螺旋板换热器的具体情况确定阻力系数值，其计算公式公式[1]为： （4-3） 在此次讨论中的范围，计算流体阻力系数的公式可以近似定距柱来定。 选择具有圆柱状定距柱的通道窄： （4-4） 4.3.1热程通道的压力降： 将代入（4-4）可得： ＝0.02322 已知热程通道的各个参数为：m m m/s ㎏/ 将上面热程通道的各个已知数据代入（4—3）可得： ＝ ＝246272.727 4.3.2 冷程通道的压力降： 将代入（4-4）可得： 已知冷程通道的各个参数为：m m m/s ㎏/ 将上面冷程通道的各个已知数据代入（4-3）可得： ＝24060.961 Pa 4.4确定压力降： 通过以上三种计算压力降的方法中的结果比较中可以看出，第二种方法计算出来的压力降相比其他几种方法计算出来的压力将要小（2～3）倍。因为在第二种的计算方法中它只考虑了流体粘度的影响，在螺旋板换热器中流体的粘度对其压力降的影响不是很大的。因为在其螺旋流的通道中其流速比较稳定，流动方向为连续性的变化，避免了死区和回流。从圆心到壳体半径方向上存在着较大的速度梯度，使螺旋板边界层呈螺旋流动，使边界层减薄及分离。这样就会使得其粘度对螺旋板压力降的影响较小。所以在计算螺旋板压力降的时候一般不采取第二种计算方法。 第三种计算螺旋板换热器压力降的时候是按照计算直管压力降的方法来确定一个阻力系数，而且它还要视定距柱的形状，通道的间距来确定其选择具体的阻力系数。还具有局限性。因为要使时，其公式才使用，不具有普遍性。 种计算螺旋板换热器压力降的大小。考虑到流体流动的压力损失受定距柱间距、定距柱的数目、通道长度、螺旋圈数、流体速度等影响。种方法是为了简化按（）公式乘以一个系数。其选择的不同就有不同的压力降。所以在选择计算螺旋板压力降的时候应选择种方法。所以在本设计中冷热通道的压力降为： 325519.04 第五章 螺旋板的强度与刚度 由螺旋板的横截面可知，每一块螺旋板是由若干个光滑衔接的半圆弧组成的其圆弧半径依次为、、…、，而在相互衔接处的曲率半径有突然变化，若将其拆成若干个彼此相衔接的柱形薄板，见图5-1所示。由图看出，螺旋板成了具有许多支撑点并受均布压力P作用的柱形薄板。这种受力状态的柱形薄板，其应力与位移的计算是相当复杂的。因为在两块螺旋板构成的通道内，当介质具有一定压力时，对每一块螺旋板来说既承受内压又承受外压的作用，在这种受力状态下，其破坏形式有两种，一种是强度破坏，另一种是螺旋板丧失了稳定性使设备不能进行正常的操作。 假设定距柱按等边三角形(或正方形)排列，并由于螺旋板长度与宽度远比定距柱的间距大，作用在螺旋板上的载荷是均匀分布的。因此，可以假设所有远离边界的每一小块等边三角形板均有相同的受力状态，故只须讨论其中的一个等边三角形即可。当螺旋板的曲率半径远大于定距往的距离时，该三角形板还可简化为平板，于是计算螺旋板的应力与位移的问题就简化为一个有一系列点文承的板的弯曲问题。但对这种多支承板的应力与位移的计算过程是很繁杂的，为了导出计算公式，可以按平板理论公式再根据螺旋板的特点加以修正后得出的公式来计算螺旋板的强度与刚度[1]。 图 5-1螺旋板受力图 5.1螺旋板的强度 由平板理论可知，板的承压能力与板厚的平方成正比，而与定距往距离的平方成反比并与材料的强度成正比这些关系可与成如下的形式： （5-1） 式中：p—螺旋板所承受的压力，Pa —板厚，m —定距拄的距离，m —螺旋板材料的屈服限，Pa C—比例常数由实验确定。 其中有实验数据作出的图中求出：对于定距柱 c＝4.7 对于定距泡 c＝5.36 在本次设计中采用的是定距柱所以c＝4.7 实验证明，曲板的承压能力比同样规格的平板承压能力大，两者之比值以表示即令： 值随螺旋板曲率半径的减小而增大，并与曲率半径成线性关系，当板的曲 率半径大600mm时，此值接近于1(见图5-2)。 图5-2 与D的关系图 图5-2的直线） 式中： R—螺旋板的曲率半径，m 将系数代入（5-1）可得： （5-3） 式中： —许用操作压力，Pa； —材料屈服限作为强度准则的许用应力，Pa； （5-4） —安全系数，取[10]＝1.6。 取许用操作压力[11] （5-5） P—工作压力 ，Pa 在本设计中P=0.6 ；代入（5-5）得 ＝＝1.76M 在本次设计中螺旋板的材料为： 查得 E＝2× 则： 因为㎜ 则： ㎜＝0.6 m 所以将其代入（5-1）可得曲率影响系数： ＝ ＝1 将（5-3）变形可得： （5-6） 将已知数据代入（5-6）可得： ＝0.0548＝55 ㎜ 由计算可知：在计算压力降的时候所设定定距柱间距50㎜小于计算值。所以设定的定距柱间距是合理的。 故：定距柱间距㎜ 5.2螺旋板的挠度 螺旋板的挠度计算，也是基于平板理论。按照平板理论：板的挠度与定距柱间距的四次方成正比，而与板厚的三次方成反比，这个关系用公式表示： （5-7） 式中： ：—板的柱状刚度， Nm （5-8） Y—板的挠底；m t—定距柱的间距，m p—操作压力，Pa； —系数，由实验确定； E—材料弹性模量，Pa； —材料的泊松比，对钢扳。 由（5-7）可得： （5-9） 在一定板厚和定距柱间距条件下，不同的压力就产生不同的挠度，将压力作为纵坐标，挠度作为横坐标，即可作出（压力～挠度）曲线），计算出各实验曲线的情况下的值，然后取其平均值： 对于定距柱： 对于定距泡： 在本次的设计中采用的是定距柱所以取： 贴图： 图[1]（5-3） （压力～挠度）曲线）可得板的挠度为： （5-10） 将已知数据代入（5-10）可得板的挠度为： ＝m 第六章螺旋板换热器的结构设计 6.1密封结构 密封结构的好坏，直接影响到螺旋板换热器能否正常运转，因为微小的泄漏使两流体相混，而使传热不能正常进行，所以密封结构的设计是一个很重要的问题。 在本设计中选择焊接密封结构。 因为螺旋板换热器有三种类型，每种类型的密封情况不同。在本设计中选择的是型螺旋板式换热器，所以其两端是全封闭的。从焊接密封来讲，常用的有三种形式，其焊接密封结构见图6-1。种焊接密封结构，是将需要密封的通道用方钢条垫进钢板电卷制后进行焊接。第二种结构是用与通道宽度相同的圆钢条垫进钢板卷然后好再进行焊 图6-1 圆钢焊接密封结构{1} 接。第三种结构是将通道一边的钢板压成一斜边后与另一通道的钢板焊接。由于圆钢条的摩擦力比方钢小，故采用圆钢作密封条后，卷床消耗的功率比用方钢作密封条消耗的功率小，而且圆钢条与通道两钢板是线接触，故圆钢条与螺旋板容易焊接密封。 所以在本实际的螺旋板式换热器的焊接密封结构中，采用圆钢条垫进通道两端焊接的结构。 6.2定距柱尺寸 螺旋体是一个弹性体，对这样的弹性构件，当其受压时往往不是被压破而是被压瘪，故螺旋板的刚度是一个重要问题。在实际生产中，当换热器两通道的压力差达到一定数值时，螺旋板可能被压瘪而产生失稳现象，使设备不能正常操作。如用增加板厚的方法提高螺旋板的刚度，并不是解决问题的途径，板厚增加，卷制螺旋体时所需要的动力增大，这不是经济的。所以目前采用在两通道内安置定距柱的办法来提高螺旋板的刚度和承压能力。 定距柱用来维持通道宽度，增加螺旋板的刚度。定距柱使用短圆钢条，其直径大小视螺旋通道宽度而定。可选直径为10mm、长12mm的圆钢条作定距柱，因此定距柱的长度为12mm，圆钢条的材料选不锈钢，并且在卷制螺旋体以前就被焊接在钢板上。 6.3换热器外壳 换热器外壳采用两个半圆对接结构，外壳主要受内压作用，其厚度按承受内压的圆筒计算。 换热器的材料同样 查得[10]：屈服极限： ，安全系数： 强度极限： ，安全系数： 许用屈服极限： 许用强度极限： 因为：、 ＝、 ＝192.6 圆筒半径： ㎜ 设计压力： 其计算厚度为： （6-1） 式中：—焊缝系数， 在本设计中焊接采用单面焊对接接头。进行无损检测时 查得焊缝系数[11] 将上面的已知数据代入（6-1）可得计算厚度为： ＝ ＝5.5 ㎜ 在本设计中采用的钢板为不锈钢，所以腐蚀余量： ㎜ 查得厚度负偏差： ㎜ 厚度附加量：＝0 ㎜ 所以有效厚度：＝5.5+0+0＝5.5 ㎜ 按板材的标准厚度选取：半圆筒体的厚度为6㎜ 6.4压力实验 试验液体一般采用洁净的水，也可采用不会导致发生危险的其它液体。试验时液体的温度应低于其闪点或沸点。 由于螺旋板材料为奥氏体不锈钢，故在进行水压实验时，应严格控制水中氯离子含量不超过25，并在试验后立即将水渍清除干净。如果氯离子过量，材料易发生“氯脆”现象，即发生应力腐蚀破坏。 按GB 150-1998《钢制压力容器》 液压实验中其实验压力 ＝1.25 ＝1.25×1.6×=2 在此试验压力下，壳体所产生的应力按下式校核 已知：，6，C=0, 0.9 ，故满足强度要求。 6.5中心隔板尺寸[7] 6.5.1中心隔板宽度 螺旋板板厚为2㎜，宽度为 H＝1130㎜ 中心隔板的宽度见图6-2所示为： 图 6-2中心隔板与螺旋板连接图 所以中心隔板的宽度为： （6-2） 将已知数据代入（6-2）可得： ＝279.1㎜ 中心隔板的高度等于螺旋板的宽度为1130㎜， 6.5.2 中心隔板厚度[7] 中心隔板厚度按公式（6—3）计算； （6-3） 式中：— 螺旋板换热器中心隔板的宽度， ； —设计压力， ； —系数，据图6-3查得，0.34； —设计温度下材料的许用应力，； 中心隔板的材料选则不锈钢在其设计温度 将已知数据代入（6-3）得中心隔 板的厚度为： 图6-3 I/J关系图 ＝ ＝11.968㎜ 将其圆整取㎜ 6.5.3偏心距e 偏心距e位置见图6—2所示。 其大小的计算公式为： ， （6-4） 将已知数据代入（6—4）得：㎜㎜ 6.5.4 进出口接管直径d 中心管采用垂直螺旋板式横断面的结构，螺旋通道的接管，为了减少加工量，也采用垂直接管。 由传热工艺计算可知 热程（混合气体）通道截面积 0.01128 冷程（冷却水）通道截面积 0.0314 设管内流量与通道内流量相等，亦即它们的截面积相等。 热程（混合气体）通道的接管直径为 选=120×4的不锈钢管，配管法兰为平焊法兰PN1.6,DN120. 冷程（冷却水）通道的接管直径为 选200×4的不锈钢管，配管法兰为平焊法兰PN1.6,DN200. 6.6 接管[13] 对于Ⅰ型螺旋板式换热器，中心管一般安置成垂直于筒体的横截面，而螺旋通道的 图6-5 接管形式图 接管有两种布置形式，一种是接管垂直于筒体轴线(a)所示的垂直接管。这种接管，流体进入螺旋通道时突然转,由流体力学可知,当流体流动方向有突变时,阻力较大。另一种接管布置成切向，如图b所示。这种布置，当流体由接管进入通道时是逐渐流入的，没有流动方向的突变，故阻力较小，而且还便于从设备中排出杂质。综上所述，将螺旋通道的接管布置为如图6-5（b）所示的切向接管。 选取接管为120×4和200×4的不锈钢管。 在接管上配法兰为管法兰中的板式平焊钢制法兰。 6.7法兰 前述选择配管法兰为板式平焊法兰，根据密封面形式，板式平焊法兰又有突面和全平面两种。在本次设计中选择了板式平焊钢制法兰，其板式平焊钢制法兰的具体形式见图[13]6-6为： 图6-6 平焊法兰 其平焊法兰具体尺寸为： ：公称直径 ：管子直径 ：法兰外径 K：螺栓孔中心直径 L：螺栓孔直径 N：螺栓孔数量 C：法兰厚度 ：螺纹 PN：公称压力 D（㎜） （㎜） D（㎜） K（㎜） L（㎜） N（个） C（㎜） （㎜） PN（MP） 200 200 210 170 10 4 18 110 M16 1.6 6.8鞍座支座选取及安装位置[14] 根据螺旋板DN＝1000 ㎜， 鞍座按选用，材料选用，选用鞍座,如图6-7所示: 所选鞍座参数如下: 公称直径1000 ㎜ 允许载荷562 鞍座高度200 ㎜ 底板： ㎜ 腹板： ㎜ 图 6 图6-7 鞍座结构图 筋板：㎜ 垫板： ㎜ 螺栓间距： ㎜ 鞍座质量/：70 安装尺寸: 取＝ 6.9半圆端板[7] 可得半圆端板的厚度计算公式为： （6-7） 式中：h—半圆端板的高度 ㎜ 根据本设计中 ㎜ 将已知数据代入（6-7）可得 ㎜ 将其圆整取半圆端板厚度为15㎜。 第七章 螺旋板换热器的稳定性及强度校核 7.1设备校核 对这种螺旋板换热器的每一通道来说，螺旋板既受到内压又受到外压的作用，当其所受外压力达到一定值时，螺放板就会被压瘪而丧失稳定性此时的压力称为临界压力，为了维持换热器的正常操作，必须使操作压力小于临界压力。 在本设计中定居柱按等边三角形排列四个定距柱组成的菱形长对角线 定距柱排列形式图 则系数： （7-1） 已知：m，0.05m，m，.13 m 代入（7-1）得系数： ＝0.0034 根据弹性模量E和设计温度查图7-2可得系数B： 用内查法查得：B＝600 根据： （7-2） 式中：—螺旋板材料实际屈服限， 在本设计中没有实际屈服限取 所以：代入（7-2）得： 图[7]7-2圆筒和球壳厚度计算图 因为 （7-3） 将已知数据代入（7-3）可得： ＝＝2 因为 故： 所以 设备稳定，操作安全。 7.2筒体校核 当已知圆筒尺寸、对圆筒进行强度校核时，其应力强度判别按下式进行： （7-4） 式中:—设计温度下圆筒的计算应力，； 将已知数据:, mm,代入公式（7-4）得: 已知：，因为其焊接接头系数，则有： （7-5） 由上的计算可知 ，故筒体所取厚度满足强度要求，设备操作安全。 7.4壳体接管开孔补强的校核[11] 开孔补强采用等面积法，由工艺设计给定的接管尺寸为200×4，根据实际 需要选取壳体接管材料为不锈钢，选用标准为 ，取焊缝系数，则 接管计算厚度 ==0.22 (mm) （7-6） 接管有效厚度 (mm) (7-7) 开孔直径 (mm) （7-8) 接管有效补强宽度 (mm) （7-9) 接管外侧有效补强高度 (mm) (7-10) 需要补强的面积 (mm2) (7-11) 可以作为补强的面积 =(mm2) (7-12) 接管材料在设计温度下的许用应力大于筒体材料在设计温度下的许用应力, =(mm2) (7-13) (7-14) 壳体接管自身补强的强度足够，不需要另设补强结构。  第八章 螺旋板式换热器的制造简介 8.1 螺旋板式换热器制造质量的控制 目前我国对螺旋板式换热器制造质量的监控标准《螺旋板式换热器制造技术条件》，该标准从材料、制造、装配、焊接、特殊处理及检验、检漏和水压试验等方面制定了比较详细、操作性强的条款，对我国螺旋板式换热器的生产现状起了规范和促进的作用。 8.2 制造工艺程序 螺旋板式换热器的制造工艺程序大致如下： 放样、下料拼接探伤焊定距柱卷制螺旋体焊接螺旋通道装配金加工总装实压检验成品油漆出。 8.2.1 螺旋板板材的下料 放样划线以后，用气割下料，两侧要直，不可弯曲或凹凸，断口要与两侧垂直。 下料的关键是控制好下料余量，下料余量按公式（5-1）计算： （5-1） 式中： ---螺旋板的圈数； ----螺旋通道间距的偏差系数，对于不锈钢，当通道间距小于等于 时，； 由前面工艺计算求得螺旋板圈数为15.52圈，将数据代入公式（5-1）可得： =141.5 对于下料余量的规定主要是为了控制好螺旋板式换热器卷制的松紧程度，此松紧程度直接影响到螺旋板整体的强度和刚度。 8.2.2 板材的拼接 用来卷制螺旋板的钢板长度一般都较长，这需要进行拼接（卷筒钢板除外），拼接时要求钢板平直，并磨平焊缝，否则在卷制过程中会出现偏移，使用过程中易发生应力腐蚀，不锈钢板厚拼接时，不开坡口，两板间距。拼接焊缝要求无损探伤，且必须采用全熔透的结构。 8.2.3 焊定距柱 螺旋板的定距柱有三方面的作用：（1）控制螺旋通道的间距；（2）增加螺旋体的强度和刚度；（3）使流动介质容易产生湍流，强化传热。定距柱要有的倒角，高度偏差为。如果定距柱的加工有负偏差存在，螺旋体卷制成型时，定距柱与螺旋体板不能切实地贴合，消弱了定距柱增强螺旋体强度与刚度的作用。 不同的压力等级其定距柱的间距大小不一，根据间距划线后焊定距柱。车好后的定距柱与螺旋板的连接采用沿长度（或板宽）方向两点对称点板固定。点焊后打掉焊渣并检查定距柱的质量，要求焊牢，点焊定距柱时要避免烧穿钢板。 对于不锈钢的螺旋板，定距柱焊完后应检查无定距柱侧螺旋

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