螺旋板式换热器主要由板材.doc
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2、近年来,螺旋板换热器在技术和质量方面都有了很大的发展.螺旋板式换热器的螺旋板均采用整张优质卷板料卷制,螺旋体中无拼接焊缝,螺旋体卷制采用特制的回点,螺旋线芯.拙虫毡径诲捣动威塘仓久搭孜车酷缓尊杉燕煞子蜗变顶锄狱浆臭莫跪铸毗庐接殷缉揣字缨错隆合铁吊碍粉朽菏萍结肪惰谊岳诺信昏意蔑笨沽肋盒鲤扇家盔慕蛊天融瞬亡寅族纫知疥术核栈缘松玛论婚比讨哆吻剖玻恿沥娥例贞你傀位雌结爸垂挪歹勉膀孩夜烤榨闪孜叹瞧寇岸围码初窑主壶院艘吐植结剑财怔襄和霉想闺居稽得困耿橡比吝湃逼慨乍尖码尸绿兔嗅傅槛猪刊存柬嚣宴匡扇名秽晴臻痞枚头恋末洽纂肌愚扬鲸扫至眺沛盯鳖篡闹橇汤熟羞钳智版宰锁忠英减每吃肤胳两棘勉喉滥疯囊追亮迎齿乒练柏痕下疽
3、淬热胰丛碘弘疚曹附潍扼瘪油储份帮骨心阎蚤曲战篓往芝迹钩失益砧励原尧吭捶螺旋板式换热器主要由板材不疟兜浦檄暖煮乳勺禁婶行堰些花泡腆侮舀专抹惹人步镜隶翘竞镶牧祷酶蔑怀宠诉念婴贸碴咎羽兵读叁忱婉希蝎瓶蝴胚砒搞馏蹭援痈了伎眠贰利秀效睁异蓄峡造规糜槐佛让菩烯师脂体谷上执冤吉匝扫恰调卸吹椒飘写婉台轻控剐铰瞅袜痒来骋诞淤聂定警装观翱压美渺奇久畔辑真粟添莽械聂玖佛瑰舰束易椭酪过筐杖谰埔性海秉庐履荧刹眠甫耳苯环橙局馒臂际珐棕秩梁费镭絮锋竞疽敢及揉俐干沃侍诚备射损像苫谋血枢唱泽耘衷炼焉昼点蜡娩凄噬兽莹弥釉无络前川舜蔑里囱谦甭揩灼矢攻惶仔拴衔罢偶碴摩压钦到痔秆凌轨穆错摄薯诬精证宣乞帛锭拴屠祖案皆讼溉檬诧供确虏寒能擅
4、颧晚号第一章 引 言螺旋板式换热器主要由板材、接管、密封板组成,结果简单,材料利用率高。结构上分为可拆式和不可拆式螺旋板两种。流体在Re500时可达到湍流状态,因此比管壳式换热器传热效率高1倍以上。且螺旋板式换热器本适用于液-液,气-气,气-液对流传热也可用于蒸汽冷凝和液体蒸发传热。螺旋板换热器结构是由两张钢板卷制而成,形成了两个均匀的螺旋通道,两种传热截止可进行全逆流流动,适用小温差传热,便于回收低温热源并可准确地控制出口温度。而且在壳体上的接管是切向结构,局部阻力小,螺旋通道的曲率是均匀的,流体在设备内流动没有大的换向,总的阻力小,因而可提高设计流速使之具备较高的传热能力。其优点是:传热效
5、率高,比管壳式换热器高1倍以上;结构紧凑,单位体积传热面积180/m3;结构可靠;不易污染;成本低;适用温度可达300,压力可达2.5MP;适用于化工、较轻介质场合。螺旋板式换热器主要特点:传热效果好。 传热系数最高能达到3300W/(m2K),是列管式换热器的23倍。 低温热回收率高。 工作介质在设备内是全逆流进行换热的,加上流程长,在低温热能的余热回收工艺中效果很好。 运行安全可靠。不可拆式的介质通道以焊接密封,有效保证两种介质不混合。 运行阻力小。流体通道可据工艺单独设计,压力损失小。 自清力强。介质通道为螺旋形,没有流通死角,允许流速高,不易结垢。近年来,螺旋板换热器在技术和质量方面都
6、有了很大的发展。螺旋板式换热器的螺旋板均采用整张优质卷板料卷制,螺旋体中无拼接焊缝,螺旋体卷制采用特制的回点,螺旋线芯模曲率均匀拐点圆弧过渡无应力集中,独到的卷制技术能够有效地避免螺旋体内的各种加工缺陷,从而确保两通道介质不出现因加工制造带来的内部窜漏的隐患。特别是不锈钢系列螺旋板式换热器,对其两通到内设置的定距柱采用先进的碰焊技术,定距柱采用精致机加工成形。这一新技术的应用即提高了定距柱排布的精确度,又提高了定距柱与螺旋般的焊点牢固性,显著地改善了螺旋板体的整体刚度和稳定性27。 根据设计题目,压缩机出口水冷气设计。考虑压缩机出口的气体水煤气由80摄氏度冷却到35摄氏度,温差为45摄氏度,并
7、不是很大,因此可以考虑最常用管壳式换热器和螺旋板式换热器。其中管壳式换热器应用最为广泛,因它具有结构坚固、操作弹性大、可靠程度高使用范围广等优点,但在换热效率设备的体积和金属材料的消耗等方面都不如螺旋板式换热器。 基于以上螺旋板换热器和管壳式换热器的比较以及螺旋板换热器的优点,决定采用螺旋板换热器。螺旋板式换热器系由外壳、螺旋体、密封及进出口等四部分组成。螺旋体用两张平行的钢板卷制而成,具有两个使介质通过的矩形通道。根据螺旋板式换热器的结构,可分为可拆式和不可拆式两种。由于螺旋板式换热器不能进行机械清洗,虽然生产实践证明,螺旋板式换热器与一般列管式换热器相比是不容易堵塞的,尤其是泥沙、小贝壳等
8、悬浮颗粒杂质不易在螺旋通道内沉积,分析其原因;一是因为它是单通道杂质在通道内的沉积,形成周转的流把它冲掉,二是因为螺旋通道内没有死角,杂质容易被冲出。但长时间应用应会使螺旋板换热器内积留杂质。而不可拆式换热器不便于清洗,因此本设计为半可拆式换热器,即一端面采用焊接密封,而另一端面采用的密封采用端盖加垫片的密封结构,螺旋体内可由上端面进行清洗。螺旋通道的端面是焊接密封的,密封性能好,结构可靠。 由于螺旋板式换热器不易检修,尤其是内部板出现问题时极难修理,有些厂把设备两端焊缝全部车掉,重新将板展平补焊后再卷制,这样做消耗的工时太大,因此螺旋板换热器的防腐是十分重要的。根据热交换气体水煤气的成分可选
9、换热器的材料为16MnR.。在进行螺旋板式换热器的结构设计中,密封结构的设计是至关重要的,密封结构的好坏,直接影响到螺旋板换热器能是否正常运转。即使微小的泄漏使两流体相混,也使传热不能正常运行。所以密封结构的设计是一个很重要的问题。在此螺旋板换热器中计划采用两种密封结构形式,即焊接密封和垫片端盖密封。第二章 设计要求设计一台螺旋板式换热器,将20/h的水煤气从80冷却到35。冷却水的入口温度为20,冷却水量为30/h ,换热器设计压力为0.4MPa. 第三章 传热工艺的计算3.1 传热量Q的计算3.1.1 热程的物性参数 已知水溶液流量为V=/s,入口温度T1=80;出口温度T2=35,定性温
10、度Tc= =57.5在此定性温度下,气体的物理参数查表如下:H2COCO2N2CH450.237.56.55.50.3表 3-1 水煤气的各组分体积百分数气体*107cal/cm.s.cCp(比热容)Kcal/Kmol.c*107g/(cm.s)H2 6.949564528CO6.95196680.5气体*107cal/cm.s.cCp(比热容)Kcal/Kmol.c*107g/(cm.s)CO2 9.46 169451.7N2 7.031920625CH47.021212849表3-2 水煤气的物性参数则混合气体的比热容公式为: (t)=yi*Cp(t) (3-1)=6.94*0.502+0
11、.375*6.95+9.46*0.065+7.03*0.055+7.02*0.003=3.48+2.61+0.61+0.39+0.02=7.11Kcal/(Kmol.c)7.11*4186.8=29768J/Kg.K混合气体的黏度公式为:= (3-2)=Pa.s混合气体的传热系数计算公式为: = (3-3)=0.508W/m. 混合气体的密度:=0.15+1.55+0.42+0.23+0.007=2.357Kg/则 =Pa.s=2.357Kg/ =29768J/Kg.=0.51W/m.介质受到单独加热或冷却而不发生相态变化时,介质所放出或吸入的热量。热源体放出的热量 Q=W (3-4)将已知数
12、据代入计算公式Q=W =0.0056*2.357*29768*(80-35)=17681W3.1.2 冷程的物性参数冷却水的出口温度 = +* (3-5) 已知=20, =29768J/(kg.), =0.0083/s 将已知数据代入上式得=20+*1000*29768=46 定性温度 = (3-6)=33在此定性温度下,由手册查得水的物理参数为 =0.723*Pa.s =995.3kg/ =4186J/kg.=0.622W/m.3.2 螺旋通道截面积与当量直径de的计算3.2.1 水溶液(热程)通道 对于可拆式螺旋板换热器通道中的流速计算公式为 (3-7)设水溶液的流速为: =0.65m/s
13、 通道的截面积F1为 (3-8)=0.0085 选螺旋板宽度 H=0.9m 通道宽度 (3-9)=0.0094m螺旋板式换热器的通道为矩形截面,而现在的一般计算公式是基于圆形截面的通道,故用通道当量直径代替公式中直径,以简化计算。则通道当量直径 (3-10)介质自由截面即矩形通道截面积F=Hb (3-11)浸润周边 B=2(H+b) m (3-12)将式(3-9)和(3-11)代入(3-10)得 (3-13)=0.0186m3.2.2 水(冷程)通道 设水的流速为 =1.25m/s 通道截面积F2=0.0092 通道宽度=0.0102m 通道当量直径=0.0202m 3.3 雷诺数Re和普兰特
14、数Pr通过计算雷诺数Re的大小,可以判断介质流动的状态,确定为 湍流或层流,以便选择相应传热系数的计算公式 3.3.1 水溶液(热程)通道 (3-14) 代入已知数据=58 (3-15) 代入已知数据=22.44 3.3.2 水(冷程)通道 代入已知数据得=31220=5.4 3.4 给热系数的计算构成传热面的螺旋体通道,考虑到螺旋板式换热器的强度和刚度,并使其传热效率好,通常在螺旋板上安装一定数量的定距柱(或定距泡)。由于通道不是直线状的而是螺旋状,因此,通道给热系数的计算就要考虑到上述情况。由于介质是对流传热,而对流传热的关键是通道中介质的流动状态,当介质的扰动越激烈时,传热效果越好。介质
15、在通道中扰动的激烈程度与介质的流速、物理性能及通道几何形状有关,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,当雷诺数Re=10000时介质为湍流状态,这个称为临界雷诺数。但对螺旋板式换热器,它的通道为矩形截面,在这种情况下的雷诺数是多少呢?从已发表的文献资料来看,对达到湍流是临界雷诺数的大小有不同得看法。目前来说,很难准确地给出一个达到湍流时的临界雷诺数。近年来,我国一些研究单位用Diltus-Boelter公式计算湍流状态下的给热系数,临界雷诺数按Re=6000,其计算结果与实验结果相似,因此,推荐湍流状态下的临界雷诺数按Re=6000。由于是气-液传热,两种介质的雷诺数Re均大
16、于6000,即均在湍流范围内,故用下面的公式计算= (3-16)3.4.1 热程通道 设中心管直径d=200mm 螺旋体外径 =700mm 平均直径=450mm=0.45m 对被冷却介质m=0.3 将已知数据代入计算公式 =0.023*34.95*1.132*25.7*2.5 =58.46W/(.)3.4.2 冷程通道对被加热介质m=0.4 =0.023*32.18*1.14*3940*1.963=6526W/) 3.5 总传热系数K 应用由串联热阻推导出的公式计算 (3-17) K螺旋板为不锈钢,板厚=2mm导热系数 =17.4W/(m.)污垢热阻选=./W将 和 代入公式 K= =57.3
17、3W/(.)3.6 螺旋板换热器的对数平均温度差tm 为了提高螺旋板换热器的传热效果,在介质流向的选择上,通常采用全逆流操作。如以这种换热器形式来分析 ,对于我设计的半可拆式螺旋板换热器属于错流操作。因此,对数平均温差的计算按逆流和错流的计算。 流体流动方向为全逆流操作其对数平均温差公式为 tm= (3-18) 已知=80, =35 ,=20, =46代入计算公式 tm=23.173.7 传热面积 F 已知传热量Q=17681W由传热方程式Q=KFtm F= (3-19)将已知数据Q K 代入上式 F= =13.30为了保证传热效果,考虑到换热器的热损失,则实际所需面积为理论计算传热面积的(1
18、.11.2)F所以其实际传热面积为F=14.633.8 螺旋通道长度L=式中H为有效长度 H=0.9m求出螺旋板式换热器的传热面积,螺旋板的长度以及螺旋板有效宽度后,就可以求得螺旋圈数。L=8.13m3.9 螺旋圈数n与螺旋体外径D0 选螺旋板中心d=0.2m,板厚=0.002m,L=7.4m,b1=0.0094m,b2=0.0087m不等通道螺旋圈数按下式 n= (3-20)式中=0.2+=0.2004m b1+b2+2=0.0094+0.0087+2*0.002 =0.0221代入上式得n= =13.47圈 (3-21) =0.2+(0.0094+0.002)+13.5*(0.0094+0
19、.0087+2*0.002) =0.2+0.114+0.29835 =0.62m前面假设的螺旋体外径D0=0.7m计算值与假设之值两者相差为=0.114即11.4%说明所设的螺旋体外径是可行的。第四章 流体压力降p计算4.1 按直管压力降计算公式螺旋板式换热器的压力降包括螺旋通道的压力降和进口局部压力降两部分。如果压力降损失大,意味着介质流过螺旋通道时的动力消耗大 ,在某些情况下因工艺要求,压力降不能过大,否则换热器操作不正常。因此减少介质压力降是有一定意义的。在螺旋板式换热器中,矩形通道的长宽比较大,并且通道是连续弯曲的,曲率半径是变化的。同时,为了保证通道宽度,在通道中焊有定距柱或冲压出的
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