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F70螺旋板式換熱器設(shè)計
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、動力等各個領(lǐng)域，在國民經(jīng)濟生產(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，運行穩(wěn)定，可多臺機組運行，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：1、傳熱效率高；2、有效回收低溫?zé)崮埽?、運行可靠性強；4、可多臺組合使用；5、阻力??；等等。為了確保換熱器的強度和使用時間長度, 需要設(shè)計合理的結(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、清潔等因素。其中主要的過程有主體的結(jié)構(gòu)設(shè)計，材料選擇及零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計，強度計算與校核以及加工工藝、裝配程序、安全防腐等。在工程設(shè)計過程中，即使是相同形式的換熱器結(jié)構(gòu)也不盡相同，因為它們的使用方式不同。我們也應(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,從而達到令人滿意的工藝條件。
關(guān)鍵詞：螺旋板；結(jié)構(gòu)設(shè)計；換熱器；強度校核
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 2
1.3.2結(jié)構(gòu)型式 4
1.4 設(shè)計方向 6
2 設(shè)計方案的確定 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)計方案原則 8
3 螺旋板式換熱器的計算 9
3.1 傳熱工藝的計算 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的計算 10
3.1.4.雷諾數(shù)Re和普蘭特數(shù)Pr 11
3.1.5.給熱系數(shù)α的計算 11
3.1.6.總傳熱系數(shù)K 12
3.1.7.對數(shù)平均溫度差?tm 12
3.1.8.傳熱面積 13
3.1.9.螺旋通道的計算 13
3.1.10.螺旋圈數(shù)n和螺旋體外徑D0的驗算 13
3.2.壓差?p的計算 14
4 螺旋板強度、撓度計算與校核 15
4.1強度計算 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 23
5.8螺旋板式換熱器設(shè)計參數(shù) 23
總結(jié) 24
參考文獻 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，并申請了專利。此后，許多國家相繼設(shè)計了螺旋板式換熱器，應(yīng)用在各種場合。比如美國的AHRCO公司和Union Carbide公司，英國的APV公司，日本的“川化”和“大江”，德國的Roca公司等。
隨著進入21世紀以來，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。我國的能源危機也十分嚴重，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，環(huán)境污染嚴重。我國的能源利用效率仍相較于一些發(fā)達國家還是有很大的差距，因此還有很大的發(fā)展空間也。
面對能源危機，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)中達到節(jié)能降耗的目的。也有可能在全國工業(yè)中產(chǎn)生不可估量的經(jīng)濟效益，甚至深遠的社會效益。
目前，螺旋板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)形式之一。螺旋板式換熱器的特點是：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??；⑦價格低廉。但是也也維修困難的缺點。21世紀以來，各國加大了在能源項目的投資，出現(xiàn)了許多新型結(jié)構(gòu)換熱器螺旋板式換熱器也進行了許多優(yōu)化設(shè)計。
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，世界各國制造和使用的裝置總數(shù)已超過10000個。20世紀70年代，隨著規(guī)模的擴大，設(shè)計壓力達到了4MPa。
螺旋板式換熱器在中國的使用始于20世紀50年代中期，當(dāng)時它主要用于加熱電解質(zhì)和冷卻燒堿廠的濃堿液。20世紀60年代，中國機械制造部設(shè)計制造了一種卷繞螺旋板的專用卷繞機，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)造了良好的機會。自1968年前第一機械工業(yè)在蘇州召開一系列螺旋板式換熱器審查會議以來，已有20多家國內(nèi)制造商生產(chǎn)了這種換熱器，螺旋板式換熱器在中國得到了迅速的發(fā)展，如今在國內(nèi)應(yīng)用也是日趨廣泛。
目前的問題是如何進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度(即選擇質(zhì)量更好、具有一定塑性和高強度的鋼)。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其結(jié)構(gòu)，選用更好的材料。經(jīng)過多年使用和不斷改進，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
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)計時可以選擇較高的流速（液體的允許設(shè)計流速約為2m/s，氣體的允許設(shè)計流速約為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，國內(nèi)許多單位對螺旋板式換熱器和管式換熱器的傳熱系數(shù)進行了測量和比較。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。雖然流動方向和脈沖現(xiàn)象沒有劇烈變化，但螺旋通道較長，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)崮埽_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)動力。當(dāng)兩種流體在螺旋通道中完全逆流操作時，兩種流體之間的對數(shù)平均溫差較大，這有利于傳熱。根據(jù)換熱器設(shè)計中使用的經(jīng)驗數(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，也可以進行換熱。由于允許的溫差相對較低，世界上所有國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長的均勻螺旋通道，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單的。其次，由于螺旋板寬度的原因（一般不會超過2m），用高壓水來清洗管道也是簡易的。
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)進行密封。在保證焊接質(zhì)量的同時，不可拆卸式可以保證兩種介質(zhì)之間沒有內(nèi)部泄漏?？刹鹦秲啥擞啥松w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是允許擴張。因為它有兩個長螺旋通道，當(dāng)螺旋板被加熱或冷卻時，它可以像時鐘里的發(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 制造簡單。相較于其他換熱器，螺旋板式換熱器制造時間短、加工量小，以板材為主、易于軋制、制造成本低的優(yōu)點。
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)，往往只有整個機組可以報廢。因此，腐蝕介質(zhì)應(yīng)選用耐腐蝕材料。在嚴重積垢的情況下，也無法使用。
⑾ 承壓能力受限。在設(shè)計螺旋板式換熱器時，每個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，每個圓都承受壓力。當(dāng)兩個通道之間的壓力差達到一定程度時，即達到或接近臨界壓力時，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。因為螺旋通道通常較窄，螺旋板焊接有間隔柱以保持通道寬度，這使得機械清理困難。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)。兩個流體通道都以螺旋形流動。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時，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，兩個流動通道的兩側(cè)交替焊接和密封，并且開口由墊圈密封。流體仍然在兩個流動通道中螺旋流動。如果密封墊損壞，只有一種液體會泄漏，而兩種液體不會混合。因為兩個流動通道都有開口，所以只能通過打開頂蓋來進行清潔，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，一個通道的兩側(cè)被焊死，另一個通道的兩側(cè)是敞開的。流體在焊接通道中螺旋流動，在開放通道中軸向流動。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)計方向
螺旋板式換熱器是一個高效換熱器。雖然我國從國外進口了生產(chǎn)線。鋁鎂合金具有較高的耐腐蝕性和導(dǎo)熱系數(shù)，其價格低于鈦，值得重視。國內(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。本文對螺旋板換熱器的傳熱性能進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)計方案的確定；
第三章 螺旋板式換熱器的計算；
第四章 螺旋板強度、撓度計算與校核；
第五章 螺旋板換熱器的結(jié)構(gòu)尺寸及加工方法；
2 設(shè)計方案的確定
設(shè)計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，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，可以選擇類Ⅲ型結(jié)構(gòu)。小流量流體螺旋流動，而大流量流體軸向流動。例如，當(dāng)用于冷凝時，蒸汽從頂部進入，冷凝物從底部排出，冷流從外圍流動并以螺旋方向流動。從中心流出。
2.2流速的選擇
根據(jù)流體種類的不同，選擇了標準流體在直管或盤管中的常用流量范圍。
因為螺旋通道通常相對較長并且沿著路徑具有大的阻力，所以當(dāng)選擇流速時，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)標準系列和規(guī)格進行選擇。
2.4最合適的出口溫度設(shè)置
在熱交換器的設(shè)計中，通常規(guī)定待處理材料的入口和出口溫度，設(shè)計者可以根據(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)計者適當(dāng)選擇。例如，當(dāng)選擇冷水作為材料的冷卻劑時，如果出口溫度較低，耗水量大，運行成本高，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，出口溫度不應(yīng)超過50℃，否則水垢會顯著增加，應(yīng)予以注意。
2.5確定設(shè)計方案原則
⑴ 滿足工藝和操作要求。設(shè)計的工藝和設(shè)備必須首先確保質(zhì)量和穩(wěn)定運行，這需要配備必要的閥門和計量儀器。在確定方案時，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，在工藝流程和操作中，必須考慮必要的安全措施。另一個例子是設(shè)備材料強度的檢查計算。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)濟要求。在確定某些操作指標、選擇設(shè)備類型和儀器配置時，了解經(jīng)濟核算的觀點，不僅能滿足技術(shù)和操作的要求，而且施工簡單、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)計計劃可能無法一次很好地決定，需要以后修改。但是，物料循環(huán)路線和運行指標的變化會對以后的計算產(chǎn)生影響。因此，在第一次做決定時最好仔細考慮。
3 螺旋板式換熱器的計算
3.1 傳熱工藝的計算
取一生活中的實際問題。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和普蘭特數(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的計算
兩種介質(zhì)的雷諾準數(shù)Re均大于60000，即均在端流范圍內(nèi)，用以下公式計算
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的計算
由于沒有更精確的公式來計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行計算
?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 螺旋板強度、撓度計算與校核
4.1強度計算
按下面公式進行計算
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
對于定矩柱β0=0.00638
將數(shù)據(jù)代入(22)計算，得
y=0.00638×0.5×0.084×12×0.912.03×105×0.0023
=8.878×10-4=0.88mm
對于定矩泡β0=0.00681
將數(shù)據(jù)代入計算，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，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到臨界值時，它們會突然失去平衡、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)計中的一個重要問題。非鋼薄壁圓筒或殼體在外部壓力下存在穩(wěn)定性，其穩(wěn)定性破壞先于強度破壞。穩(wěn)定性計算是外壓容器設(shè)計中的主要考慮因素。
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
計算定矩柱間距
t,=1.764H2Rδ (23)
=1.76×41×0.55×0.002
=0.32m=320mm
由強度計算 t=80mm
因為t
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