螺旋板式換熱器設(shè)計(jì)畢業(yè)論文.doc

螺旋板式換熱器設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書一、設(shè)計(jì)任務(wù)題目：反應(yīng)器的混合氣體換熱器設(shè)計(jì)（螺旋板式）二、設(shè)計(jì)任務(wù)和設(shè)計(jì)條件生產(chǎn)過(guò)程的流程如圖所示，反應(yīng)器的混合氣體經(jīng)與進(jìn)料物流換熱后，用循環(huán)冷卻水將其從110進(jìn)一步冷卻至60之后，進(jìn)入吸收塔吸收其中的可溶組分。已知混和氣體的流量為56825.25/h，壓力為1.6 MPa，循環(huán)冷卻水的壓力為0.4MPa，循環(huán)水的入口溫度為29，出口溫度為39，試設(shè)計(jì)一臺(tái)列管式換熱器，完成該生產(chǎn)任務(wù)。物性特征：混和氣體在85下的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下（來(lái)自生產(chǎn)中的實(shí)測(cè)值）：密度=70/m3, 粘度=3.510-5 Pas,定壓比熱容 =3.297kj/kg，熱導(dǎo)率=0.0279w/m循環(huán)水在34下的物性數(shù)據(jù)：密度 =994.3/m3，定壓比熱容=4.174kj/kg，熱導(dǎo)率 =0.624w/m，粘度=0.74210-3 Pas：定壓比熱容=3.297kj/kg，熱導(dǎo)率=0.0279w/m，粘度循環(huán)水在34下的物性數(shù)據(jù)：密度=994.3/m3，定壓比熱容=4.174kj/kg，熱導(dǎo)率=0.624w/m。三、設(shè)計(jì)內(nèi)容1、換熱器熱設(shè)計(jì)2、換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3、換熱器強(qiáng)度設(shè)計(jì)4、設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書及圖紙 摘 要螺旋板式換熱器是以螺旋體為換熱元件的高效換熱設(shè)備，在化工、石油、輕工等許多工業(yè)部門有著廣泛應(yīng)用。它分為可拆和不可拆兩種結(jié)構(gòu)形式，螺旋體用兩張平行的鋼板卷制而成，具有使介質(zhì)通過(guò)的螺旋通道。本設(shè)計(jì)參照不可拆螺旋板式換熱器型式與基本參數(shù)和GB150-98鋼制壓力容器進(jìn)行螺旋體的幾何設(shè)計(jì)和強(qiáng)度計(jì)算以及螺旋板換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。采用的常規(guī)設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)的不可拆螺旋板式換熱器，實(shí)現(xiàn)了氣-液流體在兩螺旋通道內(nèi)的全逆流低溫差換熱。并在強(qiáng)度計(jì)算時(shí)采用增加定距柱數(shù)目的方法提高了螺旋體的強(qiáng)度和高度，從而提高了整個(gè)設(shè)備的承壓能力。關(guān)鍵詞：螺旋板式換熱器；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；強(qiáng)度計(jì)算；螺旋體 AbstractSpiral 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 錄中文摘要英文摘要第1章 緒論11.1換熱器簡(jiǎn)介1 1.1.1換熱器在工業(yè)中的應(yīng)用1 1.1.2換熱器的作用與發(fā)展歷史3 1.1.3換熱器的分類4 1.1.4各種換熱器的特點(diǎn)5 1.1.5換熱設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì)61.2螺旋板換熱器7 1.2.1螺旋板換熱器的發(fā)展概況7 1.2.2螺旋板換熱器的優(yōu)缺點(diǎn)81.3設(shè)計(jì)思路及工作方法10第2章 傳熱工藝計(jì)算 122.1 設(shè)計(jì)參數(shù)及任務(wù)122.2確定設(shè)計(jì)方案12 2.2.1螺旋板換熱器的分類12 2.2.2設(shè)計(jì)計(jì)算中應(yīng)考慮的問(wèn)題142.3 傳熱量的計(jì)算15 2.3.1傳熱量Q152.4 螺旋通道與當(dāng)量直徑的計(jì)算162.5 雷諾數(shù)與普蘭特準(zhǔn)數(shù)162.6通道傳熱系數(shù)的計(jì)算172.7總傳熱系數(shù)192.8對(duì)數(shù)平均溫差202.9換熱器傳熱面積212.10螺旋板的有效換熱長(zhǎng)度21第3章 幾何設(shè)計(jì)223.1螺旋板有效圈數(shù)223.2螺旋板圈數(shù)223.3螺旋通道長(zhǎng)度223.4螺旋體長(zhǎng)軸外徑22第4章 流體壓力降244.1第一種計(jì)算壓力降的方法244.2第二種計(jì)算壓力降的方法254.3第三種計(jì)算壓力降的方法264.4確定壓力降26第5章 螺旋板的強(qiáng)度與剛度295.1螺旋板的強(qiáng)度計(jì)算295.2螺旋板的撓度31第6章 螺旋板換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)346.1密封結(jié)構(gòu)346.2定距柱尺寸356.3換熱器外殼356.4壓力實(shí)驗(yàn)356.5中心隔板尺寸36 6.5.1中心隔板寬度36 6.5.2中心隔板厚度37 6.5.3偏心距376.6接管386.7法蘭39 6.8鞍座支座選取及安裝位置396.9半圓端板40第7章 螺旋板換熱器的穩(wěn)定性校核417.1設(shè)備校核417.2鞍座校核427.3筒體校核437.4殼體接管開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)校核44第8章 螺旋板換熱器的制造簡(jiǎn)介 46 8.1 制造工藝程序 46 8.2 螺旋板式換熱器制造質(zhì)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卷制螺旋體 47 8.2.5焊接螺旋通道 47 8.2.6 螺旋板換熱器的裝配與試壓 47第9章 總結(jié)49參考文獻(xiàn)51致謝52延安大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第一章 緒 論1.1 換熱器簡(jiǎn)介 1.1.1 換熱器在工業(yè)中的應(yīng)用1 在工業(yè)生產(chǎn)中，為了實(shí)現(xiàn)物料之間熱量傳遞的設(shè)備，統(tǒng)稱為換熱器。換熱器作為通用工藝設(shè)備，在化工、石油、動(dòng)力、原子能、食品、輕工等許多工業(yè)部門有著廣泛的應(yīng)用。出于不同的使用目的和工藝要求，換熱器的形式很多（如：熱交接器、加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器和再沸器等）而且仍在不斷發(fā)展?，F(xiàn)在，為了適應(yīng)我國(guó)現(xiàn)代化的需要，無(wú)論從有關(guān)工業(yè)本身的發(fā)展或從能源的開(kāi)發(fā)、利用和節(jié)約來(lái)看，對(duì)換熱器都提出了更高的要求，現(xiàn)在對(duì)于迅速發(fā)展的化工、煉油等工業(yè)生產(chǎn)來(lái)說(shuō)，換熱器尤為重要。 （1）換熱器在近代工業(yè)中的應(yīng)用 在化工生產(chǎn)中，換熱氣是主要的工藝設(shè)備之一。例如，在氮肥生產(chǎn)中，氮?dú)夂蜌錃獾幕旌蠚怏w要在500左右的高溫才能在催化劑的作用下合成氨，而氨與未反應(yīng)的氮、氫氣體的分離，則需要通過(guò)冷卻與冷凝的辦法以液體的形式分離出來(lái)。這一生產(chǎn)過(guò)程中的加熱、冷卻與冷凝就是通過(guò)換熱器實(shí)現(xiàn)的。在酒精生產(chǎn)中，酒精精餾塔在操作時(shí)候，原料液需預(yù)熱，釜底液體需要在再沸器中加熱，塔頂產(chǎn)生的蒸氣需冷凝。這一生產(chǎn)過(guò)程中的預(yù)熱、加熱和冷凝也都是通過(guò)換熱器實(shí)現(xiàn)的。換熱氣在化工行業(yè)中的應(yīng)用是十分廣泛的，各種化工生產(chǎn)工藝幾乎都要甬道它。 在制冷工業(yè)中，以食品的冷藏業(yè)常用的以氨為制冷劑的蒸氣壓縮制冷裝置為例，經(jīng)過(guò)壓縮機(jī)壓縮后的氣態(tài)氨在冷凝器中被冷凝為液體；液化后的高壓液態(tài)氨在膨脹機(jī)或節(jié)流閥中絕熱膨脹，使溫度下降到遠(yuǎn)低于周圍環(huán)境的溫度；這種低溫氨流體在流經(jīng)蒸發(fā)器時(shí)（布置在冷藏室中）吸熱蒸發(fā)而回復(fù)到原先進(jìn)入壓縮機(jī)時(shí)的氨氣狀態(tài)。然后，再重復(fù)新的循環(huán)。在其它各種制冷裝置中，都存在冷凝器和蒸發(fā)器等換熱器。 在火力發(fā)電廠中，裝有預(yù)熱器、燃油加熱器、給水加熱器、蒸汽冷凝器等一系列的換熱氣。其實(shí)，蒸汽鍋爐本身也可以看作是一個(gè)大型復(fù)雜的換熱氣。燃料在爐膛中燃燒產(chǎn)生的熱量，通過(guò)爐膛受熱面、對(duì)流蒸發(fā)受熱面、過(guò)熱器及省煤器加熱共質(zhì)，使工質(zhì)汽化、過(guò)熱成為能輸往蒸汽輪機(jī)的符合要求的過(guò)熱蒸汽。 在核電廠中，蒸汽發(fā)生器是一項(xiàng)很重要的工藝設(shè)備。核燃料裂變所產(chǎn)生的大量的熱量首先傳給冷卻劑，冷卻劑在蒸汽發(fā)生器中再將熱量傳給水、使水汽化成蒸汽，由蒸汽來(lái)轉(zhuǎn)動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)發(fā)電。此外，在核電廠系統(tǒng)中還裝有各種加熱器、蒸汽冷凝器等換熱器。 （2）換熱器在節(jié)能降耗中的應(yīng)用 換熱器在節(jié)能技術(shù)改造中具有很重要的作用，表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是在生產(chǎn)工藝流程中使用著大量的換熱氣，提高這些換熱氣的效率，顯然可以減少能源的消耗；另一方面，用換熱器來(lái)回收工業(yè)余熱，可以顯著地提高設(shè)備的熱效率。1.1.2 換熱器的作用與發(fā)展歷史換熱器的主要功能是保證工藝過(guò)程對(duì)介質(zhì)所要求的特定溫度，同時(shí)也是提高能源利用率的主要設(shè)備之一，在日常生活中取暖用的暖氣散熱片、汽輪機(jī)裝置中的凝汽器和航天火箭上的油冷卻器等，都是換熱器。它還廣泛應(yīng)用于化工、石油、動(dòng)力和原子能等工業(yè)部門。 換熱器既可是一種單獨(dú)的設(shè)備，如加熱器、冷卻器和凝汽器等；也可是某一工藝設(shè)備的組成部分，如氨合成塔內(nèi)的熱交換器。換熱器在節(jié)能技術(shù)改造中具有很重要的作用,表現(xiàn)在兩個(gè)方面:一是在生產(chǎn)工藝流程中使用著大量的換熱器,提高這些換熱器的效率,顯然可以減少能源的消耗;另一方面,用換熱器來(lái)回收工業(yè)余熱,可以顯著地提高設(shè)備的熱效率。工業(yè)爐煙氣的余熱回收，應(yīng)滿足爐內(nèi)需要以節(jié)省爐用高質(zhì)燃料；考慮外部需要，爭(zhēng)取得到更大的經(jīng)濟(jì)效益。對(duì)于其它余熱的回收，也應(yīng)遵守以節(jié)約燃料為中心進(jìn)行綜合利用的原則。由于工業(yè)余熱分布廣、形式各種各樣，故節(jié)能方案也各不相同，但在各種節(jié)能方案中，換熱器幾乎是不可缺少的。所以換熱器在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有重要的地位和作用。換熱器在工業(yè)中的應(yīng)用，至少已有200余年的歷史。瓦特的蒸汽機(jī)誕生于1774年，瓦特蒸汽機(jī)的突出特點(diǎn)是配置有專門的冷凝器。紐可門于1712年制成的蒸汽機(jī)，冷凝是在汽缸里進(jìn)行的，效率低，煤耗大，且不能連續(xù)作功，所以不能用于工業(yè)生產(chǎn)。瓦特對(duì)紐可門的蒸汽機(jī)進(jìn)行了改造，讓冷凝這道工序由與汽缸脫離的冷凝器來(lái)完成。使蒸汽機(jī)的效率提高了五倍，煤耗減少了四分之三，更重要的是改造后的蒸汽機(jī)可以連續(xù)作功，使工業(yè)應(yīng)用成為可能。瓦特蒸汽機(jī)的推廣使用，使人類進(jìn)人了一個(gè)新的時(shí)代蒸汽時(shí)代。從此，換熱器也就越來(lái)越受到人們的重視。由于制造工藝和科學(xué)水平的限制，早期的換熱器只能采用簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，而且傳熱面積小、體積大和笨重，如蛇管式換熱器等。隨著制造工藝的發(fā)展，逐步形成一種管殼式換熱器，它不僅單位體積具有較大的傳熱面積，而且傳熱效果也較好，長(zhǎng)期以來(lái)在工業(yè)生產(chǎn)中成為一種典型的換熱器。二十世紀(jì)20年代出現(xiàn)板式換熱器，并應(yīng)用于食品工業(yè)。以板代管制成的換熱器，結(jié)構(gòu)緊湊，傳熱效果好，因此陸續(xù)發(fā)展為多種形式。30年代初，瑞典首次制成螺旋板換熱器。接著英國(guó)用釬焊法制造出一種由銅及其合金材料制成的板翅式換熱器，用于飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的散熱。30年代末，瑞典又制造出第一臺(tái)板殼式換熱器，用于紙漿工廠。在此期間，為了解決強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)的換熱問(wèn)題，人們對(duì)新型材料制成的換熱器開(kāi)始注意。60年代左右，由于空間技術(shù)和尖端科學(xué)的迅速發(fā)展，迫切需要各種高效能緊湊型的換熱器，再加上沖壓、釬焊和密封等技術(shù)的發(fā)展，換熱器制造工藝得到進(jìn)一步完善，從而推動(dòng)了緊湊型板面式換熱器的蓬勃發(fā)展和廣泛應(yīng)用。此外，自60年代開(kāi)始，為了適應(yīng)高溫和高壓條件下的換熱和節(jié)能的需要，典型的管殼式換熱器也得到了進(jìn)一步的發(fā)展。70年代中期，為了強(qiáng)化傳熱，在研究和發(fā)展熱管的基礎(chǔ)上又創(chuàng)制出熱管式換熱器。1.1.3換熱器的分類換熱器按作用原理或傳熱方式的不同可分為混合式、蓄熱式和間壁式三類。 混合式換熱器是通過(guò)冷、熱流體的直接接觸、混合進(jìn)行熱量交換的換熱器，又稱接觸式換熱器。由于兩流體混合換熱后必須及時(shí)分離，這類換熱器適合于氣、液兩流體之間的換熱。例如，化工廠和發(fā)電廠所用的涼水塔中，熱水由上往下噴淋，而冷空氣自下而上吸入，在填充物的水膜表面或飛沫及水滴表面，熱水和冷空氣相互接觸進(jìn)行換熱，熱水被冷卻，冷空氣被加熱，然后依 圖1-1 混合式換熱器示意圖靠?jī)闪黧w本身的密度差得以及時(shí)分離。 蓄熱式換熱器是利用冷、熱流體交替流經(jīng)蓄熱室中的蓄熱體(填料)表面，從而進(jìn)行熱量交換的換熱器，如煉焦?fàn)t下方預(yù)熱空氣的蓄熱室。這類換熱器主要用于回收和利用高溫廢氣的熱量。以回收冷量為目的的同類設(shè)備稱蓄冷器，多用于空氣分離裝置中。 間壁式換熱器的冷、熱流體被固體間壁隔開(kāi)，并通過(guò)間壁進(jìn)行熱量交換的換熱器，因此又稱表面式換熱器，這類換熱器應(yīng)用最廣。 間壁式換熱器根據(jù)傳熱面的結(jié)構(gòu)不同可分為管式、板面式和其他型式。管式換熱器以管子表面作為傳熱面，包括蛇管式換熱器、套管式換熱器和管殼式換熱器等；板面式換熱器以板面作為傳熱面，包括板式換熱器、螺旋板換熱器、板翅式換熱器、板殼式換熱器和傘板換熱器等；其他型式換熱器是為滿足某些特殊要求而設(shè)計(jì)的換熱器，如刮面式換熱器、轉(zhuǎn)盤式換熱器和空氣冷卻器等。按生產(chǎn)中使用目的分類：可分成冷卻器、加熱器、冷凝器、汽化器 (或再沸器)和換熱器等。按換熱器所用材料分類：可把換熱器分成金屬材料和非金屬材料兩類。按換熱器傳熱面的形狀和結(jié)構(gòu)分類：它用于區(qū)分各種形式的間壁式換熱器，其分類有：1通過(guò)管壁傳熱的換熱器(即“管式”)(1)蛇管式換熱器；(2)套管式換熱器；(3)管殼式(列管式)換熱器：這類換熱器又可分為固定管板式、U形管式和浮頭式等2通過(guò)板面?zhèn)鳠岬膿Q熱器(即“板面式”)(1)螺旋板式換熱器；(2)板式換熱器；(3)傘板式換熱器；(4)板翅式換熱器；(5)板殼式換熱器；3其它形式的換熱器； 這類換熱器一般都是為了滿足某些特殊要求而出現(xiàn)的，有些還處于發(fā)展階段，其中比較成熟的，如回轉(zhuǎn)式換熱器和熱管等。1.1.4 各種換熱器的特點(diǎn) 管式換熱器；這一類型的換熱器，雖然在換熱效率、設(shè)備結(jié)構(gòu)的緊湊性(換熱器在單位體積中的傳熱面積m/m)、和金屬消耗量(/m)等方面都不如其它新型換熱器，但它具有結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，操作彈性大(指流體的溫度和流量等參數(shù)在一定范圍內(nèi)有短時(shí)間的波動(dòng)，對(duì)生產(chǎn)不會(huì)帶來(lái)太大的影響)和使用材料范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。尤其在高溫、高壓和大型換熱器中，仍占著相當(dāng)優(yōu)勢(shì)。(1)蛇管式換熱器：它是最早出現(xiàn)的一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和操作方便的傳熱設(shè)備。它本身又可分成沉浸式和噴淋式等兩種。a、沉浸式蛇管換熱器：蛇管多用金屬管子彎制而成,或制成適應(yīng)容器要求的形狀,沉浸在容器中。兩種流體分別在蛇管內(nèi)、外流動(dòng)而進(jìn)行熱量交換。這種換熱器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，便于防腐蝕，能承受高壓。主要缺點(diǎn)是由于容器的體積較蛇管的體積大得多，故管外流體的a較小， 圖1-2 噴淋式冷卻器因而總傳熱系數(shù)K也較小，并且設(shè)備 1-直管；2-U形管；3-水槽；4 -齒形檐板 也顯得笨重。 b、噴淋式蛇管換熱器：它多用作冷卻器。固定在支架上的蛇管排列在同一垂直面上，熱流體在管內(nèi)流動(dòng)，自下部的管進(jìn)入，由上部的管流出，冷水由最上面的多孔分布管（淋水管）流下，分布在蛇管上，并沿其兩側(cè)下降至下面的管子表面，最后流入水槽而排出。冷水在各管表面上流過(guò)時(shí)，與管內(nèi)流體進(jìn)行熱交換。這種設(shè)備常放置在室外空氣流通處，冷卻水在空氣中汽化時(shí)可帶走部分熱量，以提高冷卻效果。與沉浸式蛇管換熱器相比，還具有便于檢修和清洗、傳熱效果也較好等優(yōu)點(diǎn)，其缺點(diǎn)是噴淋不易均勻。(2)套管式換熱器：套管式系用管件將兩種尺寸不同的標(biāo)準(zhǔn)管連接成為同心圓的套管，然后用180的回彎管將多段套管串聯(lián)而成。每一段套管稱為一程，程數(shù)可根據(jù)傳熱要求而增減。每程的有效長(zhǎng)度為46m ,若管子太長(zhǎng)，管中間會(huì)向下彎曲，使環(huán)形中的流體分布不均勻。在需要傳熱面積不太大且要求壓強(qiáng)較高或傳熱效果較好時(shí)，宜采用該換熱器。(3)管殼式換熱器：它是目前應(yīng)用最為廣泛的一種換熱設(shè)備，已作為一種標(biāo)準(zhǔn)換熱設(shè)備。為了增加流體在管外空間的流速，以改善它的給熱情況，在筒體內(nèi)間隔安裝了多塊折流擋板。換熱器的殼體上和兩側(cè)的端蓋上(對(duì)偶數(shù)管程言，則在一側(cè))裝有流體的進(jìn)出口，有時(shí)還在其上裝設(shè)檢查孔，為安置測(cè)量?jī)x表用的接口管、排液孔和排氣孔等。這種換熱器的特點(diǎn)是易于制造，生產(chǎn)成本較低，選用的材料范圍廣，換熱表面的清洗比較方便，適應(yīng)性強(qiáng)，處理能力大，高溫和高壓下亦能應(yīng)用。但從傳熱效率、結(jié)構(gòu)的緊湊性和單位換熱面積所需金屬的消耗量等均不如一些新型高效緊湊式換熱器。 (4)板面式換熱器：這類換熱器的傳熱性能要比“管式”換熱器優(yōu)越，由于結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)使流體能在較低的速度下就達(dá)到湍流狀態(tài)，從而強(qiáng)化了傳熱。該設(shè)備采用板材制做，故在大規(guī)模組織生產(chǎn)時(shí)，可降低設(shè)備成本，但其耐壓性能比“管式”的差。1.1.5 換熱設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì) 當(dāng)前換熱器發(fā)展的基本趨勢(shì)將是：繼續(xù)提高設(shè)備的傳熱效率，促進(jìn)設(shè)備結(jié)構(gòu)的緊湊性，加強(qiáng)生產(chǎn)制造的標(biāo)準(zhǔn)系列化和專業(yè)化，并在廣泛的范圍內(nèi)繼續(xù)向大型化的方向發(fā)展。1、管殼式換熱器：由于它具有結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、彈性大和使用材料范圍廣等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，今后仍將在廣泛的領(lǐng)域內(nèi)得到繼續(xù)發(fā)展。尤其在高溫、高壓和大型化的場(chǎng)合下，更有其廣闊的發(fā)展前途。但為了加強(qiáng)其傳熱效率，在高溫和高壓的條件下，采用電焊焊接式翅片管的結(jié)構(gòu)將會(huì)得到重視和發(fā)展。制造工藝上進(jìn)一步機(jī)械化和自動(dòng)化以及采用各種新技術(shù)，在發(fā)展管殼式換熱器方面仍將占有重要的地位。2、各種新型高效緊湊式換熱器的應(yīng)用范圍將得到進(jìn)一步擴(kuò)大。在壓力、溫度和流量的許可范圍內(nèi)，尤其是處理強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)而需要使用貴重金屬材料的場(chǎng)合下，新型高效緊湊式換熱器將進(jìn)一步取代管殼式換熱器。3、板式換熱器：雖然它具有某些優(yōu)異的性能，但尚存在一些問(wèn)題，有待今后繼續(xù)加以妥善解決。該種形式的換熱器進(jìn)一步發(fā)展的趨勢(shì)，將是提高操作溫度和操作壓力，設(shè)計(jì)大型板片以增大它的處理量，擴(kuò)大它的使用范圍，并采用新的結(jié)構(gòu)材料和新的制造工藝。其中尤以研制新的墊片材料，改進(jìn)密封結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)板片的剛度，以便提高操作溫度和操作壓力，擴(kuò)大使用范圍等，將是今后發(fā)展的重點(diǎn)。 4、板殼式換熱器：由于它較好地從結(jié)構(gòu)上解決了耐溫、抗壓與高效之間的矛盾，它兼有管殼式與板式換熱器的優(yōu)點(diǎn)，因而在化學(xué)工業(yè)中得到很快地推廣應(yīng)用。今后將進(jìn)一步擴(kuò)大其使用范圍。另一方面，由于它的制造工藝比較復(fù)雜，焊接要求高，今后發(fā)展的趨勢(shì)將如何進(jìn)一步改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，發(fā)展新的成型和焊接工藝等。5、螺旋板換熱器的近期發(fā)展，將對(duì)其各種結(jié)構(gòu)形式的換熱器擴(kuò)大其應(yīng)用場(chǎng)合，同時(shí)，如何進(jìn)一步提高其承壓能力，增大處理量，并改進(jìn)焊接工藝，以適應(yīng)石油及化學(xué)工業(yè)的要求。6、板翅式換熱器：雖然由于釬焊技術(shù)的發(fā)展和不斷完善而得到較快的發(fā)展。但是，因一般硬釬焊的成本還是較高，而且要使用具有腐蝕性的焊劑。 目前已出現(xiàn)不使用焊劑的各種硬針焊方法，如真空釬焊和無(wú)焊劑釬焊等。但這些方法還有待進(jìn)一步研究。因此板翅式換熱器今后發(fā)展的趨勢(shì)，主要是進(jìn)一步完善各種新的釬焊方法和研究采用新的制造工藝，并使板束尺寸和總組合體向大型化發(fā)展。另外，在采用新材料和進(jìn)一步擴(kuò)大在化工和石油化工的使用范圍也將得到發(fā)展。7、新型材料換熱器：由于它們?cè)谀蛷?qiáng)腐蝕性能方面具有特殊的優(yōu)點(diǎn)，今后將隨著化學(xué)工業(yè)的發(fā)展，進(jìn)一步得到推廣和應(yīng)用，并且還將研究擴(kuò)大所使用的材料，如碳化硅陶瓷的應(yīng)用。為了節(jié)約各種貴重材料，還將繼續(xù)研究和發(fā)展各種新工藝和新技術(shù)，如復(fù)合、襯里及表面處理等技術(shù)。8、新型熱管換熱器：近幾年來(lái)，熱管換熱器已在化工和石油化工等生產(chǎn)部門中推廣應(yīng)用，由于它具有效率高，壓力降小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和緊湊等優(yōu)點(diǎn)，發(fā)展較為迅速。今后發(fā)展的趨勢(shì)，將一面擴(kuò)大熱管在化工領(lǐng)域中的應(yīng)用，另一面將對(duì)熱管換熱器，加強(qiáng)其高性能工作介質(zhì)的研究以及提高翅片制造、安裝工藝水平和翅片的傳熱性能等。1.2螺旋板換熱器1.2.1螺旋板換熱器的發(fā)展概況21930年瑞典“Rosenblad”公司首先提出了螺旋板式換熱器的結(jié)構(gòu)，并很快投入了批量生產(chǎn)，取得了專利權(quán)。此后英國(guó)的APV公司、美國(guó)的AHRCO公司和Union Carbide公司、聯(lián)邦德國(guó)的ROCA公司、日本的“大江”、“川化”公司以及荷蘭、捷克、前蘇聯(lián)等國(guó)也相繼設(shè)計(jì)制造出同類產(chǎn)品。日本的螺旋板式換熱器制造是在二次世界大戰(zhàn)后星期的，各公司都制定了自己的系列標(biāo)準(zhǔn)。前蘇聯(lián)在1966年頒布了螺旋板式換熱器的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)TOCT 2067-66。我國(guó)從20世紀(jì)50年代開(kāi)始在化工領(lǐng)域使用螺旋板式換熱器，并進(jìn)行了仿造。到60年代中期，由于采用了卷床卷制，提高了產(chǎn)品質(zhì)量并能批量生產(chǎn)。1970原一機(jī)部通用機(jī)械研究所、蘇州化工機(jī)械廠開(kāi)始進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化、系列化工作，隨后與原大連工學(xué)院協(xié)作對(duì)螺旋板式換熱器的傳熱和流體阻力進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。1973年原一機(jī)部制定標(biāo)準(zhǔn)JB 1287-73，并由原一機(jī)部通用機(jī)械研究所負(fù)責(zé)編制了“螺旋板式換熱器圖紙選用手冊(cè)”，對(duì)螺旋板式換熱器的應(yīng)用和推廣起了很大的推動(dòng)作用。隨著原南京化工學(xué)院和廣西大學(xué)在螺旋板式換熱器強(qiáng)度和剛度研究的進(jìn)展，螺旋板式換熱器的設(shè)計(jì)更加系統(tǒng)化。20世紀(jì)80年代末至90年代中期，機(jī)械工業(yè)部合肥通用機(jī)械研究所先后制定了JB/TQ 724-89螺旋板式換熱器制造技術(shù)條件、JB 53012螺旋板式換熱器制造質(zhì)量分等、JB/T 4723不可拆螺旋板式換熱器型式與基本參數(shù)、JB/T 6919螺旋板式換熱器性能試驗(yàn)方法，形成了我國(guó)螺旋板式換熱器的整個(gè)體系框架。19911997年機(jī)械部合肥通用機(jī)械研究所，蘇州化工機(jī)械廠聯(lián)合完成了基金課題“大型可拆螺旋板式換熱器的研制”，將我國(guó)螺旋板式換熱器的水平推上了一個(gè)新的臺(tái)階。即將頒布的綜合性行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)螺旋板式換熱器標(biāo)志著我國(guó)螺旋板式換熱器的設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)與驗(yàn)收更加規(guī)范化。 1997年由機(jī)械工業(yè)部組織實(shí)施了全國(guó)螺旋板式換熱器的首次質(zhì)量監(jiān)督檢查。這次螺旋板式換熱器產(chǎn)品質(zhì)量統(tǒng)檢反映了我國(guó)螺旋板式換熱器生產(chǎn)的節(jié)本格局。江蘇省是我國(guó)螺旋板式換熱器生產(chǎn)最密集的地區(qū)。其中蘇州化工機(jī)械廠擅長(zhǎng)生產(chǎn)可拆螺旋板式換熱器，是我國(guó)加工螺旋板設(shè)備最完善的企業(yè)；無(wú)錫雪浪鉚焊廠擅長(zhǎng)生產(chǎn)酒精、溶劑、變壓器油冷卻、重油加熱系統(tǒng)的螺旋板式換熱器換熱器；無(wú)錫市換熱器廠擅長(zhǎng)生產(chǎn)制藥、雙氧水領(lǐng)域的螺旋板式換熱器。而廣東佛山化工機(jī)械廠擅長(zhǎng)生產(chǎn)燒堿領(lǐng)域螺旋板式換熱器；北京四季青換熱器廠擅長(zhǎng)生產(chǎn)采暖供熱，油田領(lǐng)域的螺旋板式換熱器。在我國(guó)使用院旋扳式換熱器是從五十年代中期開(kāi)始，當(dāng)時(shí)主要用于燒堿廠中的電解液加熱和濃堿液冷卻。六十年,我國(guó)機(jī)械制造部門設(shè)計(jì)、制造了卷制螺旋扳的專用卷床，使卷制的工效提高了幾十倍，為推廣應(yīng)用螺旋板式換熱器創(chuàng)造了良好的條件。自1968年第一機(jī)械工業(yè)部在蘇州召開(kāi)的螺旋板式和固定管板式換熱器系列審交會(huì)議后，國(guó)內(nèi)已有計(jì)多家制造廠生產(chǎn)了這種換熱器，在我國(guó)得到了迅速推廣應(yīng)用4。1.2.2螺旋板換熱器的優(yōu)缺點(diǎn)（1）傳熱效率高 由于螺旋板換熱器具有螺旋通道，流體在通道內(nèi)流動(dòng)，在螺旋板上焊有保持螺旋通道寬度的定距柱或沖壓出的定距泡，在螺旋流動(dòng)的離心力作用下，能使流體在較底的雷洛數(shù)時(shí)發(fā)生湍流。考慮到壓力降不致過(guò)大，所以合理地選擇通道寬度和流體流速是較重要的，設(shè)計(jì)時(shí)一般可選擇較高的流速，這樣可使流體分散度高，接觸好，有利于提高螺旋板換熱器的換熱效率。（2）能有效地利用流體的壓頭損失 螺旋板式換熱器中的流體，雖然沒(méi)有流動(dòng)方向的劇烈變化和脈沖現(xiàn)象，但因螺旋通道較長(zhǎng)，螺旋板上又焊有定距柱，在一般情況下，這種換熱器的流體阻力比管殼式換熱器更大一些，但它與其它類型的換熱器相比，由于流體在通道內(nèi)是作均勻的螺旋流動(dòng)，其流體阻力主要發(fā)生在流體與螺旋板的摩擦上，而這部分阻力可以造成流體湍流。因此相應(yīng)地增加了給熱系數(shù)，這就說(shuō)明了螺旋板換熱器能更有效的利用流體的壓頭損失。（3）不易污塞 在螺旋板換熱器中，由于介質(zhì)走的是單一通道，而它的允許速度可以比其它類型的換熱器高污垢不易沉積，如果通道內(nèi)某出沉積了污垢，則此處的通道截面積就會(huì)減小，在一定的流量下，如截面積減小，局部的流速就相應(yīng)的提高，對(duì)污垢區(qū)域起沖刷的作用，而在管殼式換熱器中，如果一根管子有污垢沉積，此管的局部阻力增大，則流量受到限制，流速降低，介質(zhì)就向其它換熱管分配，使換熱器內(nèi)每根管子的阻力重新平衡，使得沉積了的污垢的管子的流速越來(lái)越低，越易沉積，最后完全堵死。（4）能利用低溫?zé)嵩?，并能精確控制出口溫度 為了提高螺旋板換熱器的傳熱效率，就要求提高傳熱推動(dòng)力。當(dāng)兩流體在螺旋通道內(nèi)采用全逆流操作時(shí)，則兩流體的對(duì)數(shù)平均溫度差就較大，有利于傳熱。從換熱器設(shè)計(jì)中采用的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，螺旋板換熱器允許的最小溫差為最低。在兩流體溫差為3度情況下仍可以進(jìn)行熱交換。 螺旋板換熱器具有兩個(gè)較長(zhǎng)的均勻螺旋通道，介質(zhì)在通道中可以進(jìn)行均勻的加熱和冷卻，所以能夠精確地控制其它出口溫度。（5）結(jié)構(gòu)緊湊 一臺(tái)直徑為1.5m，寬為1.8m的螺旋板換熱器，其傳熱面積可以達(dá)到200平方米，而單位面積的傳熱面積約為管殼式換熱器的三倍。（6）密封結(jié)構(gòu)可靠 目前使用的螺旋板換熱器兩通道一般采用焊接密封。所以只要保證焊接質(zhì)量，就能保證兩介質(zhì)之間不會(huì)產(chǎn)生泄露。在螺旋板換熱器內(nèi)的的介質(zhì)與大氣的密封是采用法蘭連接密封結(jié)構(gòu)。這種密封方法是很可靠的。（7）溫差應(yīng)力小 螺旋板換熱器的特點(diǎn)的允許膨脹，由于它有兩個(gè)較長(zhǎng)的螺旋形通道，當(dāng)螺旋體受熱或冷卻后，可像鐘表內(nèi)發(fā)條一樣伸長(zhǎng)或收縮。而螺旋體各圈之間都是一側(cè)為熱流體，另一側(cè)為冷流體，最外圈與大氣接觸。在螺旋體之間的溫差沒(méi)有管殼式換熱器中的管子與殼體之溫差那樣明顯，因此不會(huì)產(chǎn)生大的溫差應(yīng)力。在國(guó)內(nèi)外使用的螺旋板換熱器實(shí)列中使用在兩介質(zhì)溫差很大的場(chǎng)合。還未發(fā)現(xiàn)有較大的溫差應(yīng)力存在。（8）熱損失少 由于結(jié)構(gòu)緊湊。即使換熱器的傳熱面積很大，但它的外表面積還是較小的，又因接近常溫的流體是從最外邊邊緣處的通道流出，所以一般不需要保溫（9）制造簡(jiǎn)單 螺旋板換熱器與其它類型的換熱器相比，制造工時(shí)為最少，機(jī)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 螺旋板換熱器一般都按每一通道的額定壓力設(shè)計(jì)由于螺旋板的直徑較大，厚度較小，剛度差，每一圈均承受壓力，當(dāng)兩通道見(jiàn)的壓力差達(dá)到一定程度，亦即達(dá)到或接近臨界壓力時(shí)，螺旋板就會(huì)被壓壞而喪失穩(wěn)定性。（11）修理困難 螺旋板換熱器雖不易泄露，但由于結(jié)構(gòu)上的限制，一旦產(chǎn)生泄露是不易修理往往只能整臺(tái)報(bào)廢，因此對(duì)具有腐蝕性介質(zhì)時(shí)，應(yīng)選用耐腐蝕性好的材料（12）通道的清洗 由于螺旋通道一般較窄，螺旋板上焊有維持通道寬度的定距柱，使機(jī)械清洗困難。主要的清洗方法有熱水沖洗，酸洗忽然蒸汽吹洗三種，國(guó)內(nèi)多采用蒸汽吹洗。1.3設(shè)計(jì)思路及工作方法 本次設(shè)計(jì)的題目是反應(yīng)器的混合氣體換熱器設(shè)計(jì)（螺旋板式），其兩通道的流體為混合氣體和冷卻水(工業(yè)循環(huán)用水)，實(shí)現(xiàn)的熱交換是氣-液熱交換且兩通道的設(shè)計(jì)壓力為0.6MPa。根據(jù)前述螺旋板式換熱器的三種型式的特點(diǎn)知道，型螺旋板式換熱器主要是用于液-液的傳熱，使用的公稱壓力在2.5MPa以下。型 螺旋板式換熱器主要用于氣-液的熱交換，使用壓力在1.6MPa。型螺旋板式換熱器主要用于蒸汽冷凝，使用的公稱壓力為1.6MPa。由于三種形式的螺旋板式換熱器的使用公稱壓力差別不大，而主要表現(xiàn)在對(duì)物料的選擇上，故為了更好的完成流體之間的傳熱工藝設(shè)計(jì)，本次設(shè)計(jì)的螺旋板式換熱器為型結(jié)構(gòu)。51第二章 傳熱工藝計(jì)算2.1設(shè)計(jì)參數(shù)及任務(wù)通道1通道2流體名稱混合氣體冷卻水總流體（kg/h）56825.25工作溫度 進(jìn)/出（）110/6029/39操作壓力（MPa）1.60.42.2確定設(shè)計(jì)方案 2.2.1螺旋板換熱器的分類根據(jù)通道布置的不同和使用的條件，螺旋板換熱器可以分成三種形式。I型：它的主要特點(diǎn)是螺旋通道的兩端全部墊入密封條后焊接密封，兩流體都是呈螺旋流動(dòng)，冷流體從外周沉向中心排出，熱流體由中心沿螺旋流向外周排出，這種形式的換熱器稱為I型，見(jiàn)圖2-1所示為不可拆結(jié)構(gòu)。 圖2-1圖2-1 I型螺旋板換熱器I型螺旋板換熱器的特點(diǎn)：適用于對(duì)流傳熱，主要用于液液流體的傳熱。在液一液熱交換中，還可以用來(lái)加熱和冷卻高粘度的液體。由于單流道的特點(diǎn)流動(dòng)分布情況較好。另一是用來(lái)滿足精確控制溫度的要求。除上述情況外，它還可用來(lái)冷卻氣體或冷凝蒸汽但受到通道斷頂?shù)南拗疲灾荒苡迷诹髁坎淮蟮膱?chǎng)合，日前使用的公稱壓力在25105Pa以下。型：這種換熱器的主要特點(diǎn)是螺旋通道兩端面交錯(cuò)焊死。兩端面的密封采用頂蓋加墊片的密封結(jié)構(gòu)，螺旋體由兩端分別進(jìn)行機(jī)械清洗，II型螺旋板換熱器為可拆式，主要用于氣一液的熱交換，使用壓力在16105Pa。見(jiàn)圖2-2所示圖2-2 型螺旋板換熱器 圖2-3 型螺旋板換熱器型：該換熱器的特點(diǎn)是一個(gè)通道的兩端全焊死，另一通道的兩消全敞開(kāi)。流體在全焊死的通道內(nèi)由周邊轉(zhuǎn)到中心，然后再轉(zhuǎn)到另一周邊流出。另一流體只作軸向流動(dòng)。這種結(jié)構(gòu)主要用于蒸汽冷凝。蒸汽由頂部端蓋進(jìn)入，經(jīng)由敞開(kāi)通道向下作軸向流動(dòng)而被冷凝，冷凝液由底部排出。這種換熱器適用于兩流體流量較大的情況使用的公稱壓力為16105Pa5，如圖2-3所示。 2.2.2設(shè)計(jì)計(jì)算中應(yīng)考慮的問(wèn)題2.2.2.1流體流動(dòng)路程的選擇為了提高螺旋扳式換熱器的傳熱效率，在確定流向的時(shí)候，我們應(yīng)該考慮以下的因素：（1）使兩流體呈全逆流狀態(tài)，提高兩流體的對(duì)數(shù)平均溫差，以增大傳熱的推動(dòng)力，使傳熱效果更好。（2）使直徑較大的外圈螺旋板承受較小的壓力，直徑較小的內(nèi)圈螺旋板承受較大的壓力，以改善兩螺旋板的受力狀態(tài)。（3）使螺旋通道不易堵塞，并且便于清洗，這涉及到定距柱(或定距泡)的布置問(wèn)題。目前定距柱多采用等邊三角形排列的方式，因?yàn)檫@種排列比按正方形排列能有效地干擾流體的流動(dòng)，使其易產(chǎn)生湍流，從而提高傳熱效率。2.2.2.2流體流速的選擇：增大流速能提高雷諾數(shù)，亦即提高給熱系數(shù)值，低從而提高了換熱器的總傳熱系數(shù)K值，使所需要的換熱面積F減少，還可以減少污垢沉積在螺旋通道中的可能性。由流體力學(xué)可知，流體壓力降與流速的二次方成正比。因此，增大流速，流體壓力降隨之增加，所以選擇流速時(shí)應(yīng)綜合考慮，選擇最經(jīng)濟(jì)之流速，這往往需要用幾種方案進(jìn)行計(jì)算比較方能確定。提高流速后，如果增大的給熱系數(shù)對(duì)總傳熱系數(shù)K值起著決定性的影響，這時(shí)提高流速就有實(shí)際意義了。由于螺旋通道一般較長(zhǎng)，因此通道越長(zhǎng)，沿程阻力也越大，故選擇流速時(shí)，只要能使流體在通道內(nèi)形成湍流，這樣既能提高流體對(duì)流傳熱效率，也可降低阻力損失，減少動(dòng)力消耗。2.2.3確定設(shè)計(jì)方案和流體的流動(dòng)型式通過(guò)對(duì)以上螺旋板換熱器的幾種類型的特點(diǎn)的比較和設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮的問(wèn)題結(jié)合本設(shè)計(jì)的的流體流動(dòng)形式，和操作壓力分析后：本設(shè)計(jì)選擇型螺旋板換熱器來(lái)滿足工藝上的要求，并使流體呈對(duì)流狀態(tài)。2.3 傳熱量的計(jì)算2.3.1傳熱量Q流體受到單獨(dú)加熱或冷卻而不發(fā)生相態(tài)變化時(shí)，流體所放出或吸入的熱量由公式6（2-1）計(jì)算： Q1W1CP1（T1T2） （2-1）式中： Q1熱流體混合氣體放出的熱量，W W1熱流體混合氣體的質(zhì)量流量,kg/s CP1熱流體的定壓比熱容,J/（） T1熱流體的進(jìn)口溫度, T2熱流體的出口溫度,已知： 熱流體的質(zhì)量流量：W156825.25kg/h15.785kg/s熱流體入口溫度:T1110；熱流體出口溫度:T260；確定熱流體的物性數(shù)據(jù): 熱流體的定性溫度:對(duì)于本設(shè)計(jì)為低黏度的氣體.所以定性溫度可取流體進(jìn)出口溫度的平均值. TA（T1+T2）/2（110+60）/285由已知條件可知熱流體水溶液的物理參數(shù): 密度 170kg/ m3 定壓比熱容 Cp13297 J/（） 熱導(dǎo)率 10.0279 W/（m） 粘度 13.510-5 Pas 將已知數(shù)據(jù)代入公式（2-1）得 Q1W1CP1（T1T2） 15.7853297（11060） 2602157.25W因?yàn)樵谶@里傳熱過(guò)程中熱流體放出的熱量等于冷流體吸收的熱量所以: Q放Q吸Q12602157.25W 2.4螺旋通道與當(dāng)量直徑的計(jì)算2.4.1混合氣體（熱程）通道：由查相關(guān)參數(shù)表知：常壓氣體速度推薦值為（530）m/s設(shè)在本設(shè)計(jì)中混合氣體的流速： u120 m/s則 混合氣體的體積流量: V1W1/1 15.785/700.2255 m3/s所以通道的截面積為： F1V1/ u10.2255/20 0.01128 m2根據(jù)工藝條件一般通道寬度取520mm，所以本設(shè)計(jì)取b110mm因?yàn)椋?b1F1/ H （2-6）式中 H螺旋板寬度, m由公式（2-6）可得： HF1/ b10.01128/0.0101.13m所以熱程通道的當(dāng)量直徑de1為： de1（2H b1）/（H+ b1） （2-7）將已知數(shù)據(jù)代入（2-7）得： de1（21.130.010）/（1.13+0.010） 0.0198 m2.5.2冷程（冷卻水）通道由于 Q放Q吸Q12602157.25W且 Q吸W2Cp2 (t2t1) （2-8） 式中: Q2冷流體的吸熱量, W W2冷流體的質(zhì)量流量, /S Cp2冷流體的定壓比熱容,