螺旋板式换热器的设计

本科毕业设计

设计题目：螺旋板式换热器的设计

学生姓名：岳庆法

学号：201001030212

专业：化学工程与工艺

指导教师：王闰

学院：化学化工与材料科学学院

2014年5月20日

毕业论文（设计）内容介绍

摘要

该设计简要叙述了螺旋板式换热器的基本发展历程、自身的优缺点及其结构型式。本设计利用螺旋板换热器高效的换热性能对焦化产生的循环氨水进行余热回收以供采暖使用。根据焦化厂提供的工艺条件，通过热工计算、结构设计,确定出换热器的结构形式，并对螺旋板的阻力降进行了校核。最后在设计总结中提出自己对换热器的制造工艺及其注意问题的见解。

关键词：螺旋板式换热器，热工计算，结构设计，焦化节能

Abstract

This design briefly introduces the basic development process, the advantages and disadvantages and the structure of spiral-plate heat exchanger. Considering the high-efficiency of spiral-plate heat exchanger, we used it to recycle the waste heat from circling ammonia water in coking plant, which could be used to heat the heating water. Based on the technological conditions, I did the thermal calculation and structural design and proofread the strength and rigidity of the spiral-plate heat exchanger. I put forward my own suggestions about the heat exchanger design at the end.

Keywords: spiral-plate heat exchanger, thermal calculation, structural design, energy efficiency in choking plants

目录

前言.................................................... 错误！未定义书签。第1章螺旋板换热器简介................................. 错误！未定义书签。

1.1 发展历程.......................................... 错误！未定义书签。

1.2 主要优点 (2)

1.3 主要缺点.......................................... 错误！未定义书签。

1.4 结构型式 (3)

第2章热工计算......................................... 错误！未定义书签。

2.1介质的物性参数.................................... 错误！未定义书签。

2.1.1 采暖水侧物料的物性参数........................ 错误！未定义书签。

2.1.2 热负荷计算 (6)

2.1.3 循环氨水侧物料的物性参数 (6)

2.1.4热交换组合形式 (7)

2.2 △tm的计算 (7)

2.3 K的计算 (8)

2.3.1污垢热阻的选取 (8)

2.3.2管壁热阻的计算 (8)

2.3.3采暖水一侧给热系数的计算 (9)

2.3.4 循环氨水一侧传热系数的计算 (10)

2.3.5 K的计算 (10)

2.4 换热面积的计算 (10)

第3章结构尺寸计算..................................... 错误！未定义书签。

3.1 外径D的计算...................................... 错误！未定义书签。

3.2 定距柱的选择与计算................................ 错误！未定义书签。

3.3 中心隔板的计算.................................... 错误！未定义书签。

3.4 半圆端板的计算.................................... 错误！未定义书签。第4章筒体、椭圆封头和其他附件的选择和计算............. 错误！未定义书签。

4.1半圆筒体的计算.................................... 错误！未定义书签。

4.2椭圆封头的选择.................................... 错误！未定义书签。

4.3 接管的计算和选择.................................. 错误！未定义书签。

4.4容器法兰的选择 (17)

4.5接管法兰的选择 (17)

4.6支座的设计 (18)

第5章阻力降计算 (19)

5.1 螺旋通道的阻力降 (19)

5.2 轴向通道的阻力降 (19)

设计总结................................................ 错误！未定义书签。参考文献................................................ 错误！未定义书签。致谢.................................................... 错误！未定义书签。

前言

受内蒙古恒坤化工有限公司的委托，王闰老师的山东汉特工业设备制造有限公司要为内蒙古恒坤化工有限公司设计一组换热器，回收该公司焦化化产车间工艺系统中循环氨水携带的大量预热，用于该公司的采暖系统。恰巧学校安排我跟随王闰老师做毕业设计，我有幸参与了该换热组的设计。现将该设计整理出来，作为本人的毕业设计报告，向各位老师汇报几年来的学习成果。在王闰老师和山东汉特工业设备制造有限公司张海涛等多位师兄的热心指导下，通过本次设计，我对换热器设计以及所需要的化工原理、化工设备等学科的知识，有了进一步的理解，为自己即将毕业，走向新的工作和学习环境，打下了坚实的基础。自己感觉底气足了，信心强了，独立工作的能力也得到增强。在此我对指导我进行本次毕业设计的王闰老师表示诚挚的谢意。

以下是本设计的相关技术数据：根据内蒙古恒坤化工有限公司的要求，用一组螺旋板式换热器回收利用循环氨水的热量加热公司整个采暖系统，根据用户提供的采暖面积等要求，初步估算需循环水约300 m3 /h，以下列出设备设计工艺条件：

第1章螺旋板换热器简介

根据与客户的交流和综合考虑，双方确定本装置选用螺旋板式换热器。

螺旋板式换热器是由两块平行的钢板，在中间布焊定距柱，在专用卷床上卷制而成，两端可以采用板条（圆钢）密封，形成不可拆式结构；也可以只密封一个通道，然后两端用盲板密封，形成可拆式结构；按照要求使两流体按照不同的方式流动，可以形成逆流流动，也可形成错流流动。由于螺旋般换热器流道内布焊了定距柱，介质在流道内流动时受到定距柱的扰动，加上螺旋状的流道随时改变介质的流动方向，使得介质在流道内即使流速很低的时候，也能形成湍流，所以螺旋板式换热器的传热效率很高，一般能达到管壳式换热器的三至四倍。

1.1 发展历程

螺旋板式换热器是瑞典罗森布拉德公司于1930年首先推荐使用的，很快就开始成批生产并取得了专利权。随后许多国家根据这个公司的专利相继仿照。英国APV公司、美国AHRCO公司、西德ROCA公司、日本大江和川化公司以及荷兰、捷克、苏联等国都以成批生产。日本是第二次世界大战以后才开始生产，各工厂均制定了各自的系列标准。苏联在1966年颁布了国家标准-----гOCT2067—66。

我国在五十年代已在化学工业中开始制造和使用了螺旋板式换热器。到了六十年初期，由于采用了专用的卷床卷制，提高了产品质量并能成批生产。到了1970年，苏州化工机械厂和一机部通用机械研究所开始进行标准化，系列化生产，随后并与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年一机部制定了部标准JB1287-73。2003年3月，国家经济贸易委员会发布螺旋板式换热器行业标准JB/T4751-2003,该标准更详细的规范了螺旋板式换热器的设计、制造、生产、检验及验收等工作。

1.2 主要优点

A.传热效率高

流体在螺旋板换热器中做螺旋流动，由此产生的离心力提高了流体的湍流程度。此外，在通道中的定距柱也破坏了边界层而产生涡流。因此，在较低的雷诺数下就可以形成湍流，一般Re=1400~1800之间，最低的在Re=500时就能形成湍流，视定距柱的布置情况和数目而定。

B．两流体逆流和低温传热

两种流体在较长的螺旋通道内可进行完全逆流的热交换。当两流体的进出口温度一定时，逆流的对数平均温度差要比并流、错流或折流时的大，因而单位面积的传热量也大。另一方面，如果要求单位面积传热量相等，则采用逆流传热就能以较小的对数平均温度差来完成。这对于低温热源的利用是十分有利的。

C．不易结垢

流体在螺旋板换热器中走的是单通道，它的允许流速又比其他类型的换热器高（通常，对粘度不大的液体为2米/秒，对气体为20米/秒），因此不易结垢。

D．结构紧凑、不用管材、制造简便

螺旋板换热器是用金属板卷制的，因此没有管板、官箱等不起热交换作用的部件，在传热面积相同时，比列管式换热器紧凑得多，单位体积的传热面积约为列管式换热器的2~3倍。制造时机械加工量少，成本低。不用无缝钢管这一点对我国是有现实意义的。

1.3 主要缺点

A．操作压力受到限制

螺旋板换热器的操作压力主要由一定厚度的金属板材和密封结构来承受。为了提高操作压力，相应的就要增厚板材，对密封结构的要求也提高了。有的厂家为了保证外壳强度，采取加厚最外一层螺旋板的办法。这也给加工制造带来了一些困难。

B.检修困难

螺旋板内部损坏了很难修理。因此处理易腐蚀的介质时应选择耐腐蚀的金属材料来制造。

1.4 结构型式

国际上习惯按流体流过通道的方式分为四类：I型、II型、III型和G型。而我国又习惯于按端面焊接的方式来分类：I型、II型、III型。这里我们主要介绍国内分法，对于国际上的分类不做讨论。

凡是两端面全部焊死，两个通道都不能进行机械清洗时，国内统称为I型，或称为不可拆式螺旋板换热器。凡是在螺旋板两个端面进行交错焊接密封，并用可拆卸的顶盖和垫片密封的就称为II型。这种设备的的两个通道均可在拆卸顶盖后进行机械清洗，故又称可拆式螺旋板换热器。还有I型和II型的混合型，此型螺旋体的一个端面全部焊死，而另一个端面则留下一个通道不焊接，另一个通道仍焊死。所以混合型的一个流体通道的两端全部焊死，不能进行机械清洗（只能化学清洗），而另一通道的一

端是焊死的，另一端是敞开的，可以进行机械清洗。

此外，还有用四张钢板卷制成的螺旋体，其中一个通道的两端全部焊死，而另一个通道则两端全敞开。甲介质在两端全焊死的通道内由周边旋转至中心，然后又由中心旋转至周边排出，也即甲介质的的进口和出口都在周边上；乙介质只能作轴向流动，这种类型在我国统称III型。

第2章 热工计算

本章符号说明

A ——换热面积 2m

a ——轴向通道截面积 2m

b ——截面通道宽度 mm

c p C ,、h p C ,——采暖水、氨水的比热 ）

kg /(C kJ ? de ——当量直径 mm

G ——重量速度 时）（米/公斤2?

H ——螺旋板板宽 m

K ——总的传热系数 ）C m （W/2 ? L ——螺旋板板长 m

Pr ——普朗特数，量纲为1。

c Q 、h Q ——冷侧、热侧的热负荷 h kJ /

Re ——雷诺数，量纲为1。

si R ——采暖水一侧的污垢热阻 W C /)m (2 ? so R ——循环氨水一侧的污垢热阻 W C /)m (2 ? c t 、h t ——采暖水一侧、循环氨水一侧平均温度 C ?

w t ——定性温度 C ?

u ——流体流速 s m /

V ——采暖水或氨水的体积流量 h m /3

c W 、h W ——采暖水、氨水的质量流量 h kg / c ρ、h ρ——采暖水、氨水的密度 3/kg m

c λ、h λ——采暖水、氨水的导热系数 )m /(C W ?

c α——采暖水一侧的传热系数 )m （/

2C W ?

h α——循环氨水一侧的传热系数 )m （/

2C W ? c μ、h μ——采暖水、氨水的粘度 s a ?P

δ ——螺旋板板厚 mm λ ——螺旋板的换热系数 )m /(C W ?

c t ?、h t ?——冷侧、热侧的温差 C ? m t ?——对数平均温差 C ?

'm t ?——按逆流计算的对数平均温度差, C ?

t ??——温度差校正系数，量纲为1.

2.1介质的物性参数

2.1.1 采暖水侧物料的物性参数

定性温度计算：C ?=+5.562/)6845( 查该温度下采暖水的物性参数如下： 粘度：s a 1088.465-c ??=P μ 比热：)kg /(176.4,C kJ C c p ?= 密度：3/kg 2.983m c =ρ 导热系数：)m /(1094.652C W c ??=-λ 2.1.2 热负荷计算

采暖水质量流量：h kg W c /2956952.9831000300=??= 温差:C t c 234568=-=?

根据式c C c p c W C Q t ,???= 可以求得采暖水的总吸热量。

h kJ Q c /1084.229569523176.47?=??=

2.1.3 循环氨水侧物料的物性参数

已知换热过程无相变，冷侧和热侧热交换量相等，即h Q Q =c 此时：)/(191.4,C kg kJ C h p ?= h kg W /10778.95h ?=

根据h

h p h W C Q ?=

?,h t

C C 7932.610778.9190.41084.257

≈=???=

故循环氨水一侧的出口温度大约为C 73。 循环氨水侧定性温度计算：C 5.762/)7380(=+ 查该温度下水的物性参数如下： 粘度:s a 1013.385-h ??=P μ 比热:)kg /(191.4,C kJ C h p ?= 密度:3/kg 8.974m h =ρ 导热系数:)m /(10105.672C W h ??=-λ 2.1.4热交换组合形式

热交换温度示意图如下：

80℃73℃ 68℃

45℃

图2-1 热交换示意图

根据螺旋板换热器的一般设计经验，通道宽度多选择在30mm 以下，否则容易产生层流，影响换热效果。如果通道宽度30mm ≤，按螺旋板换热器一般设计原则，流速取

s /1m ，螺旋板宽度1.5m ，可通过的介质流量不超过h /170m 3。本课题由于采暖水侧h /300m 3，循环氨水侧h /1000m 3，介质流量都很大。而现场安装空间有限，无法采

用多台设备并联安装。因此，经业主同意，本设计确定采用立式组合式结构。将两台螺旋板换热器上下叠加组合，让采暖水并联走螺旋通道，，循环氨水沿轴向通道流动，这样，介质换热为错流换热。由于缺少错流换热计算公式，以下计算均按照完全逆流换热的公式进行，然后通过相关资料，查得纠正系数后进行调整。 2.2 △tm 的计算

对于错流和折流的平均温度差,可采用安德伍德(Underwood)和鲍曼提出的图算法。

该法是先按逆流时计算对数平均温度差，再乘以考虑流动方向的校正因素。即

't m t m t ?=???

温度差校正系数的t ??与冷热流体的温度变化有关，是P 和R 两因数的函数，即

),(R P t =??

两流体的最初温度差冷流体的温升

t t 式中1112=

--=

T t P

冷流体的温升热流体的温降

1221=

--=

t t T T R

该工程实例中的657.03523

45-8045-68===

P

304

.0237

45-6873-80===

R

查图[3]4-19 对数平均温度差校正系数a)（t ??单壳程得92.0=?t ?

C m 884.181228

ln 12-28

△t △t ln

△t -△t 't 1212===

?

C t m t m ??=?=?=?373.1792.0884.18't ? 2.3 K 的计算 2.3.1污垢热阻的选取

污垢热阻根据经验值选择，循环氨水一侧取W C R so /)m (10424 ??=- 采暖水一侧取W C R /)m (10224si ??=- 2.3.2管壁热阻的计算

材料为304，壁厚mm 3=δ 采暖水一侧平均温度C t c 5.56245

68=+=

循环氨水一侧平均温度C t h 5.762

73

80=+=

取两侧的平均温度为定性温度C t w 5.662

5

.765.56=+=

此温度下，导热系数）℃m （17W/?=λ。 管壁热阻

W C m /)(10765.117

003

.024 ??==-λδ 2.3.3采暖水一侧给热系数的计算

采暖水一侧：根据一般的工艺设计计算经验值，按水的流速s m /0.1u =初步选取通道宽度。已知制造螺旋板式换热器的卷板宽度m 5.1H =，采暖水流量

h m V /3003=。

则：m u

H V b 0278.036002

/=??=

通道宽度实际选取为mm 25。 则实际流速为：s m H V /111.1025

.05.136002

/300b 36002/u =??=??=

m d e 0492.0）025.05.1（2025.05.14传热周边流动截面积4=+???=?=

5

5

-10146.11088.462.983111.10492.0c μde Re ?=???=??=

ρu

因为10000e >R 且

60de

>L

查相关资料，对应该种工况的螺旋板换热器传热系数计算公式为：

n e

Pr Re d 023

.08.0c λ

α=

将各部分参数代入，得：

n e

Pr Re d 023

.08

.0c λ

α=n

c c p,8

.0c λμC μde 023

.0???

? ??????

? ??=ρλ

u d e

)

m （/501.53121094.651088.4610176.41088.462.983111.10492.00492.01094.65023.024

.02-5-38

.05

-2-C W ?=???

?

???????????

????????≡ 公式中：流体被加热时n=0.4,被冷却时n=0.3，采暖水侧n=0.4。

2.3.4 循环氨水一侧传热系数的计算

预估换热面积2m 500, 螺旋板板宽m H 5.1= 根据HL A 2=,求得2333.835

.122

/500m L =?=

预设mm b 122=,则mm b de 2422== 流速s

m /278.0333.83012.036001000

u =??=

083.1705710

13.388

.974278.0024.0μde Re 5

-h =???=??=

ρu 因为10000e >R ,故采用无相变轴流传热膜系数的经验公式。 所需轴向通道截面积2000.1278

.036001000

u a m V =?==

重量速度时）（米/公斤10748.9000

.18

.974100025??=?=

G

3

/22.0Pr e c 023.0--=GR h

α 3

/2-2532.0510105.671013.3810191.4083.1705710748.9191.4023.0???

?

???????????=---）

C m （W/167.75052 ?= 2.3.5 K 的计算

根据式

so si c 111R R K

h

+++

+=λ

δ

αα可得。 h

c

R R K αλδα11

1

so si +++

+=

带入数据求得）C m （910.766W/K 2 ?=

2.4 换热面积的计算

根据公式m KA Q t ?=求换热面积A 。

2

27500579.4983600373.17766.91010001084.2m m t K Q A m <=????=?=

所以，预定的换热面积是合理的。 换热面积的确定：

计算得出的换热面积2579.498m A =，圆整后取2500m A = 此时的裕度为%285.0。

第3章 结构尺寸计算

本章符号说明

1b ——螺旋通道截面宽度 mm

2b ——轴向通道截面宽度 mm

b ——平均通道宽度 mm

D ——螺旋板的外径 mm

DN ——螺旋板换热器的公称直径 mm

d ——卷辊直径 mm

I ——当支承环与中心隔板未贴紧，或支承环刚性不足时，I 为两半圆端板之间

的距离，mm ;

当支承环与中心隔板贴紧，且满足GB150-1998中6.3的要求，I 取以下两

者中的较大值：

两支承环之间的距离，mm ；半圆端板与支承环之间的距离，mm ;

J ——系数，根据W I /的比值按表2查取

K ——系数 )500/28.1(96.01R K -+=,且1≥K 。由于K 的计算小于1，

故K 取1。

r ——卷辊胎膜半径 m t ——定距柱之间的间距 mm

W ——中心隔板的宽度 m

[]t

σ——设计温度下材料的许用应力，查表

8-9压力容器用高合金钢钢板的许用

应力得[]

MPa 137t

=σ

B δ——半圆端板的厚度 mm Z δ——中心隔板的厚度 mm

3.1 外径D 的计算

根据多年的工程设计经验，外径D 求取采用如下经验公式：

2)()

(8000b d b L D -++=

π

δ

2)5.18325()

35.18(333.838000-++??=

π

mm 861.2157=

式中的m L 333.83= mm 325d =

mm b b 5.182

12

252

b 2

1=+=

+=

设备公称直径：为了方便椭圆封头的选择与筒体的配套，确定设备的公称直径

mm DN 2200=，则螺旋板换热器的型号为KLS0.6－500-1.5/2200-G 。 3.2 定距柱的选择与计算

螺旋板换热器中，螺旋板与螺旋板之间用定距柱支撑，定距柱的摆放方式有如下三种:

图3-1 定距柱的三种摆放方式

本次设计中,选取图一所示的正菱形摆放定距柱。 定距柱之间的间距采用如下公式计算:

[]2

17.4t ???

?

?

?=p K t

σδ

代入数据求得2

16.013717.43t ????

????= mm 278.98=

故定距柱之间的间距选为100mm 。 3.3 中心隔板的计算

中心隔板的宽度δ--=b W d 312325--= mm 310=

中心隔板的计算厚度按下式计算： []

t

Z Jp

W

σδ5.1=

代入数据求得mm Z 840.10=δ，所以Z δ选择12mm 。 3.4 半圆端板的计算

半圆端板与中心隔板连接采用全熔透焊缝，其计算厚度按下式计算：

[]

t

B p

r

σδ65.0=

代入数据求得mm B 270.8=δ，所以B δ选择10mm 。