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螺旋板式换热器的

使用与设计计算

孙 廷 璨

合肥通用机械研究所

本文叙述了螺旋板式换热器的结构选 型、

使用性能及螺旋 通道、

外壳、

封头等 基本构件 的 设

计,

并简要 地介 绍了强度、

刚度、

传热和流体阻力等的计算方法。

早在五十年代初,

我国 已开始使用螺旋板式换热器 了,

但由于当时制造条件的限制推广

很缓慢。

进入六十年代后,

机械制造部门在螺旋板式换热器的制造工艺上有所突破,

自行设

计的专用卷床可高效率地成批生产,

使其与其他型式的换热器相比加工工时 减 少、

成 本 降

低。

水!

水

∀衣

一九六七年,

一机部组织了有关单位对

螺旋板式换热器进行推广,

由于它具备体积

小、

传热性能好等优点,

同时又可用板材代

替管材,

所 以颇受欢迎,

在较短的时间内在

合成氮、

烧减、

联碱、

硫酸、

硝酸、

制冷、

电力等行业得到推广,

并取得了 可 喜 的 成

果。

由于生产发展 的需要 一机部于一九七三

年正式颁布 了部标准#∃ % & ∋ (一( ) “

不可拆 式

螺旋板换热器型式、

基本参数和尺寸” ,

与

此同时有关使用、

制造、

研究、

设计和高等

院校等一

单位对螺旋板换热器分别做了大最的

工作。

一、

结构概述

我国现在使用的螺旋板式换热器有三种

基本的结构型式,

最普遍应 用 的 为 “ 工 ”

型,

通常称为不可拆式,

如图 %。

它的螺旋

通道两端均为焊接密封,

不能进 行 机 械 清

洗,

但由于它具备传热性能好、

密封 可靠、

金属消耗量少、

加工方便等优点,

所以在同

类设备中推广最快。

·

∗衣

阁 % 不可拆式螺 旋板换热器

一+ + 一

“五 ” 型设备为可拆式,

如图 & ,

两螺旋通道分别为一端敞开,

一端为焊接密封。

敞开

的通道端 用平板盖加 像胶垫 或石棉橡胶垫 来密封,

这与“ 工 ”

型设备比除了增加平 板盖、

垫片、

法兰、

紧固件外,

还需对螺旋通道的端面进行机械加工,

以保证平板盖的密封。

也可将

设备设计成一端为“ 工” 型

,

而另一端为“ 且”

型,

如图 ) ,

即一个螺旋通道的两端均为焊接

密封,

另一个螺旋通道一端为焊接密封一端为敞开。

选用“ 互 ”

型设备是为了要进 行 机 械 清

洗,

但在实际操作中即使是把封头拆下来也很难进行机械清洗,

因为螺旋通道的间距很小,

并

且通道内均布着定距柱 或定距泡 。

文献

〔, 〕报 导“ 且 ”

型设备 比“工

”

型设备金属消耗

量高&+ 一 −. /,

加工工 时 高0. /,

成 本 高

0. / 以上。

从密封性能来看“ 亚 ” 型设备易

产生外漏与短路。

外漏系指介质漏到大气中

来。

短路是在平板盖 有变形的情况下介质不

在设备内旋转,

直接通过垫片与螺旋体端面

的间隙由里 圈跑到外圈 或反之 ,

这样传

热效果就受到影响。

一九七二年一机部在苏

州召开的螺旋板式换热器标准审查会上,

绝

大多数代表一致认为“

亚”

型设备应 暂不列入

标准之中。

国内还生产过“皿 ” 型设备

,

如图 −。

它是由 − 张钢板同时卷制而成,

一个螺旋通

道的两端完全焊死,

而另一个通道 的两端则

全敞开。

一种介质走螺旋通道而 另 一 介 质

走轴向直道。

它适用于纯蒸汽冷凝的条件。

这种结构螺旋通道的进出口 阻力很大,

并且

内积存杂质不易吹出所以推广很慢。

11111

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∗∗∗! ! !!! 一一一一一一一

22233 444

巨巨5555555 或 ! !!!!! ∗ 三门门

〔〔〔〔〔〔〔〔二二二

图 & 可拆式螺旋板换热器

1111111肚肚666

州州1 %%%即即汽汽!!!!!!!

%%%111 目且1111111111

益益 干干

图 ) 一端可拆式和另一端不可拆式 图 − 冷凝型螺旋 抓换热器 肠

一 + 0一

二、

使用情况

伴随有过热蒸汽冷却的蒸汽冷凝过程用螺旋板换热器是最理想的了。

大连制碱工业研究

所与通用机械研究所联合设计的真空冷凝器是在“ 7 ” 型设备的基础上改进的

,

如图 +。

过

热蒸汽从切向进入设备后进行旋转,

当冷却至饱和温度时,

饱和蒸汽可通过椭元形封头从轴

丢卉、比 ‘汤今式与

下魔递 经

吠 咐铸点

图 + 真空冷凝器

向进入螺旋通道内进行冷凝,

少部份饱和蒸

汽继续旋转前进。

结合传热过程进行分析这

种结构是合理的,

过热蒸汽冷却是属于对流

传热过程,

它的给热系数与流动状态有关,

旋转可增加 它的湍动状态,

故可起到提高给

热系数的作用。

饱和蒸汽的冷凝给热系数与

流动状态无关,

为了减少阻力 使 它 少 走 弯

路,

从过热燕汽和饱和蒸汽交界的地方开始

将蒸汽侧螺旋通道的上端打开,

之后在设备

的上端焊上椭元形封头。

过热蒸汽冷却用换

热面积和饱和蒸汽冷凝用换热面积均可由热

力学计算得 出。

试验结果表明取得的效果是

良好的,

在正常操作条件下冷却与冷凝的平

均传 热 系 数8 可 达 9 . .一 6. . . 8 : ; 6< =’ ·

>·

℃,

而列管换热器的平均传热系数 8 为 ) .. 8 : ;6 < =’ ·

>! ℃左右。

制冷机用的辅机—氨冷凝器也存在过热蒸汽的冷却问题。

上海第一冷冻机厂直接选用

“ 工 ” 型设备进行试验并 没有发现蒸汽侧阻力有明显 的增加。

他们 自行设计 了一台 )0 = &

螺旋

板式氨冷凝器 用于吴径砖瓦厂, %9 (% 年开始运转时传热系数 8 二 & . ?.8 : ; 6<’= & ·

%,·

: 左右,

取代了换热面积≅ Α ( + = “

的列管式冷凝器。

但他们的工作没有就此而结束,

他们对设备进行

了长期的运转考验,

以掌握设备的结垢规律及清洗办法。

至 % 9 ( 0年设备共运转了五年,

那时

设 备的传热系数下降至 8 Α 了+∋ 8 : 纽 < =“ ·

>! ℃,

水侧的阻力增加了 ) 倍,

这证明结垢是严重

的。

用酸洗的办法将设备进行清洗,

之后进行测试得知设备基本上又恢复了 % 9 (% 年刚开始运

转时的性能。

精馏塔的塔顶冷凝器选用螺旋板结构也是理想的。

将螺旋板冷凝器直接安装在塔顶上,

如 图 0 ,

这种配置不但节省 了冷凝器 的占地面积而且还省去了两个封头。

塔顶蒸汽沿螺旋板

冷凝器的中心半元管向上进入上封头空间之后,

再进入螺旋体进行冷凝,

冷凝液从外圈最低

处排除,

不凝气从封头最高处放空。

冷却水从外 圈切向进入,

经过旋转由塔 顶中心管排出。

排水管需穿过上封头,

这样就需要在封头上安装手孔 以便装拆冷却水出口管的法兰螺栓。

我国有数以千计的中小型化肥厂,

在这些厂 中推广螺旋板换热器经济意义是 巨大的。

合

成塔下加热器 由列管式改为螺旋板式取得 了良好的经济效果。

最早改革的是江苏省武进化肥

厂, % 9 0 9年 9 月正式投入生产

,

原来用中∋ Β %!

+毫米列管式,

换热面积 ≅ Α ) .!

9 米’ ,

阻力降

△Χ 二 ∋ 公斤< 厘米& ,

选用螺旋板式≅ Α % +!

)米二 ,

阻力降Δ Ε 二 %. 公斤 < 厘米& ,

体积比 列 管

一+ (一

6谁’∀公

生兰声步

侧仁叫

誉钱

,

蜻羲凌

图 0 塔 顶冷‘

疑器

式 小 & < ),

可多装触媒。!

0 (吨,

氨产量 由 原

来的 & +吨 < 天,

增加为 )0 吨 < 天,

提 高 了

− − /。

现在国内大多数小化肥厂均采用螺旋

板式的加热器。

小化肥厂的变换热交换器的

改进是近几年的事情,

现在辽宁、

四川、

陕

西、

河南、

河北等地区 的几十个小化肥厂己

开始改革了,

根据文献〔& 〕介绍四川省资阳

县化肥厂加压变换热交换器原来 用 & 台≅ 二

% 9+ 米“

的列管式换热器, % 9 ( −年 ( 月用两台

≅ 二 − .米&

的螺旋板换热器取代,

效果 良好,

阻力比 列管换热器 小。

前者消耗钢材 % %吨,

投

资 ) ) . . .元,

后者消耗钢材 )!

+ 吨,

投资∋ . . .

元。

5# 前存在的主要间题是使 用寿命太短,

辽宁吕图县化吧厂用的没备寿命只有 0 一 (

个月,

一般寿命在 % 年半左右最高为 − 年。

寿命一

长短与材质和设计结构有 关,

有 待 进一 步研究

。

烧碱行业中电解液加热与浓碱液冷却用螺旋板式换热器己成为定型,

这里碱脆问题应特

别引起注意,

焊缝热影响区极 易引起碱的腐蚀,

将设 备进行整休退火 可解决这个问题。

还有很多部门都有使 用螺旋板式换热器的成功经验,

本文不予一一赘述,

但值得提出的

是堵塞与清洗问题,

这是选用者最关心的。

国外有很多文献均介绍过螺旋板式换 热 器 的 自

清洗作用,

其原理是因为螺旋通道是单通道,

如通道内某处沉积了污垢,

此处的通道截面积

就要减少,

介质在此处 的流速相应增高,

污垢易波冲刷掉。

国内于叹多 单位的使门经验也证明

了这一点。

上海红 旗化工厂使用的硝酸冷却器甲列管式换热器需经常清洗、

而选用螺旋板换

热器 以后连续一年半没清洗过。

上海第 一冷冻机厂 氮冷凝器试验表明,

别列管式结构每隔三

周就要清洗,

而用螺旋板冷凝器 运转了五年才清洗一次。

严洛地讲 自清洗作用不能保证设备

永不堵塞,

只是能延长它的清洗周期。

清洗的办法除了上海第一冷冻机厂采用的酸洗外,

山

东胜利炼油厂用过有机济剂洗。

最简而 易行的是用燕汽吹的办法,

将蒸汽通入螺旋通道内可

把杂质吹出。

我国南方很多小氮肥厂氮氢气压缩机一、

二、

三段冷却器 ∗尔令却水基本上都是

较脏的河水,

他们都是采用蒸汽吹的办法来解决清洗问题。

三、

基本构件设计

6 螺旋体的画法

首先确定螺旋板厚乙和通道间距 Φ,

Φ 上 乙二 Γ称 为一个 节距。

卷制螺旋板 的 卷 辊 直径为

Η!

中心隔板宽具二 Η 一 Γ

。

先 以中心隔板为基准画水平 及垂直中心线,

找出中心点,以此 为中

心在垂直中心线上、 一

万分别取牛 的距离定下了螺旋体的上、

下两个元心,

见 图 了。

先以上‘

一 + ∋一

口口口日日日日日

元心为中心 以 Ι∀ 一

华为半径由下往上旋

‘

图 ( 螺旋休的作图

转% ∋.“

与第二圈相切,

第二圈是以下元心为

中心,

以 Ιϑ Α Ι Κ Λ Γ为半径由上 往 下 旋 转

% ∋.。

与第三圈相切,

以此类推。

如两螺旋通

道 的间距 不等,

分 别为 Φ,

和 Φϑ

则节距 Γ Α 乙Λ

于 Φ, 十 Φ

∀

,

上下两元心与中心的距离分

别为专 乙Λ Φ上 和告 乙Λ Φ

ϑ

,

两螺旋通

道 的第一圈半径 Ι∀

分别为专 ∃ Λ 乙Λ Φ∀

和

于 ∃ 十 各十 Φϑ 。

画法均同前。

& 螺旋板长与螺旋通道长的计算

一张螺旋板的总长Μ Φ按下式计算∀

7 Φ 二

浮一 Ν 〔 Ν 一 , Φ Λ + Λ Η Λ 乙二

艺

式中∀ Ν一螺旋板的圈数

。

一条螺旋通道 的总长 Μ ∀按下式计算

∀

Μ Γ 二 一冬 Ο 〔Ο Φ Λ 乙 Λ ; Λ 乙〕艺

&

式中∀

Ο一螺旋通道的圈数。

) 外壳 的设计

外壳是受压元件,

因为是螺旋形,

设备的最外圈必定有两道角焊缝存在,

见图 ∋。

这种

结构对低压设备来讲是 简便 易行的,

但当设计压力提高到一定程度时角焊缝结 构 就 不 可靠

了。

为了消除角焊缝,

外圈可设计成具有对接焊缝的结构,

见 图 9。

这种结构关键的零件是

连接板,

见图%. 中件号 ) 。

首先将螺旋板与连接板对焊,

经探伤检查合格后再将两个半元形

的壳体与连接板对焊。

这样所构成的螺旋板换热器外壳是一个标准 的元柱体,

它可与其它容

器一样承受压力。

图 ∋ 外圈的角焊结构 图 9 外圈的对接焊结构

图 %. 螺旋板与连接板对焊、

螺旋板 Κ &、

壳体 Κ )、

连接板

一+ 9一

− 接管结构设计

筒体上的接管有两种基本结构,

一是切向接管,

如图 % % ,

一是垂直接管,

如图 % &。

一机

部 #∃ % & ∋ (一() 定型设计均采用切向接管,

这样的结构不但接管的局部阻力小而 且 还 便于杂

质从设备中排除。

但国内仍有采用垂直接管型式的,

大连工学院等单位做的流 阻 试 验〔幻表

明垂直接管的局部阻力系数要比切向接管高一倍左右。

拱图 %% 切向接管

图% & 垂直接管

+ “ 五 ”型设备封头的设计

在操作压力较低的情况下用平板盖结构 图 & 是方便的。

随着操作压力的提高,

平板

盖就要加厚,

由于平板盖刚度不够引起的变形会造成设备的外漏与短路。

采用椭元形封头,

如图%) 可改善这个问题,

这种结构可把外漏和短路两个矛盾分开解决。

椭元形封头、

法兰和

垫片保证介质不漏到大气中来,

而密封板则起到防止介质短路的作用。

密封板与螺旋通道端

面之间没有垫片,

这要求螺旋通道端面要进行机械加工,

使密封板放上去能紧密贴合。

密封

板是一个受内压零件,

不需要太大的紧固力,

它的外边缘由法兰垫片压紧即可,

见图 %− ,

设

计时要保证密封板的上板面比法兰密封面低。。

&毫米,

这样不会影响螺旋尺寸。

大直径 的 设

备需在封头上焊一钢管,

钢管另一端焊有压环 见 图% ) , 压环与密封板之间有垫片。

压环

的作用是 当产品做单通道水压试验时限制螺旋体使其不能产生宝塔状 的突起变形。

巴巴巴日日忍忍忍 「一 形形,, 尸4 州州叮面‘ ,,

兀兀目目6二夕夕

图 % ) 椭元形封头

%,

密封板 Κ &、

压环垫片 ,

管 Κ −、

压环

图 %− 封头与法兰联接结构

%、

密封板 Κ & 法兰垫片

一 0 .一

选用带椭元形封头的“ 丑 ” 型设备

,

冷热介质进出口 的安排又有 了新的影响因素。

众 所

周知,

换热器由于存在阻力损失,

进出口 之间总是有一个压差,

如介质是从封头接管进入设

备则椭元形封头内腔 的压力将高于螺旋通道内的压力,

这样密封板受到压差的作用使其产生

自紧密封。

反之,

如果介质从壳体接管进入设备则密封板受到的压力使其对密封不利。

当按排

冷热介质进行逆流换热时,

必定要有一种介质从壳体接管进入设备,

要取得好的传热效果,

让给热系数高的一侧介 质从壳体接管进入设备是合理的。

四、

螺旋体的强度与刚度计算

为保证螺旋通道 不被压破与压瘪,

通常在螺旋通道中焊上定距柱或在螺旋板本体上冲压

出定距泡,

以起到螺旋板之间相互支承的作用。

当设计压力与螺旋板 的材料、

厚度一定,

定

距柱 泡 的间距为多少才能保证设备不被压破与压瘪,

这个问题是设 汁者必知的,

但长期

以来没有得到解决。

% 9了&年南京化工学院等单位在这方面傲了细致的工作典 〕,

通 过 试 验他

们总结出了保证螺旋板强度和刚度的关系式。

强度计算∀

〔Ε ∀、⋯今∀一仁。

Π二

)

式中∀〔Ε 〕

—许用操作压力,

Θ Ρ·

Σ< : =ϑ Κ

Τ

— 曲率影响系数,

丫 Α % Λ .!

9 0 %!

& ∋ 一 ϑΙ Κ

Ι

—螺旋板曲率半径,

= Κ

—系数

,

对于定距柱。 Α −

!

( ,

对于定距泡。 二 +

!

)七

各— 螺旋板厚

, : = Κ

%

—定距柱 泡 的间距 三角形排列

二;Υ〕

—以屈服限作为强度准则的许用应力

,

刚度计算∀

ς = Κ

Θ Ρ·

Σ<: = ϑ 。

Ω Α Η!

Χ%−

Ξ

% & ,一

件“

〔Ω 〕

式中∀

Ω—最大挠度

, : = Κ

Η

—系数

,

定距柱Η Α .!

. . 0 ) ∋ ,

定距泡Η Α .!

. . 0 ∋ % Κ

各

—螺旋板厚, : = ,

Ε

—操作压力,

Θ Ρ!

Σ<。=

ϑ Κ

%

—定距柱 泡 的间距 三角形排列 , : = Κ

Ξ

—材料 的弹性模数,

Θ Ρ·

Σ<: = ϑ Κ

卜

— 材料的泊松系数,

〔Ω 〕

—允许挠度, 3 =

。

式 − 适用于弹性范围之内。

五、

流体阻力及传热计算

国外有不少研究单位和大学对螺旋板式换热器的传热及流阻进行过实验研究,

但均没考

虑定距柱 泡 的影响,

因此对解决具体的工程间题意义是不大的。

由于生产发展 的需要,

大连工学院等单位于 % 9了)年开始针对一机部定型产品 #∃ % & ∋ (一 () 定型设计 进行传热与流阻

的实验研究,

初步找出了定距柱 泡 的影响因素哪。

现将流阻及传热的计算式分别列于下。

6 介质为液体的流阻计算公式

厂 Μ么 Ε 二 6 一了 一

, 、 以 3

.。

) 0 +!

哀乎订了

Ψ Ψ

一、 ! 、

、 丫·

Ζ “

Λ [! [ 6 。

,”Φ

’ “ Υ 宁 任

夕 ∴ 么 +

式中∀△Ε

—阻力降

,Θ Ρ

·

Σ< =‘Κ

Μ

—螺旋通道长

,

= Κ

Ι 3

—雷诺数 ,

Ν 、

—定距柱密度,

个 < 。& Κ

丫

—重度,

Θ岁=) ,

Κ

一重力加速度,

= <Υ3: ϑ Κ

Ζ

—通道中流体流速

, 。 < Π 3 : ,

Η 。 一一通道 当量直径, =

。

& 介质为气体的流阻计算公式

、Ε Α

冥二 ‘·

只兰 Λ & Σ: ·

Χ &

] 、,<ΜΗ3

式中∀

]

—质 最流速,

Θ Ρ < =ϑ · Υ 3 : Κ

丫=

—平均重度

,

Θ Ρ < = ) Κ

Ε , 、

Ε ∀

一一 进出口压力

,

Θ罗叮=ϑ Κ

了。

—系数

,

当Ν Υ 二 % %0 时,

Σ。 Α 。

!

. & & ,其他符号同前

。

) 介质为液体和气体的给热系数计算公式

。 二 。!

。− 一

莽一Ι 3 。 · 了 , !

Χ 2 。

Η 3

式中∀ 。一一给热系数

,

8:、%< =

&·

>! ℃ Κ

!

—介质的导热系数,

8 : ;6< =

·

>! ℃ ,

Χ 2

—普兰特准数,

Ν

—指数

,

介质被加热Ν 二 .

!

− ,

介质被冷却Ν 二 .

!

) Κ

其他符号同前。

公式 ( 适用于定距柱间距 为% .. 毫米即

Ν ∀ 二 〕% 0并且介质为湍流状态,

一 0 &一

参 考 资 料

% %刘汉城、

徐玮琦,

螺旋板式换热器 的结构选型,

《化工与通用机械 》 % 9 了+!

+。

《辽宁化肥技术通讯》,

% 9 ((。

) 。

大连工学院等,

螺旋板式换热器的流体阻力研究,

《化工与通用机械 》% 9 ( −!

(。

南京化工学院等,

螺旋板式换热器强度刚度的实验研究,

大连工学院等,

螺旋板换热器的流体阻力及传热研究,

《

《化工与通用机械 》 % 9 ( −!

(。

化工与通用机械 》% 9 ( 0!

+。

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平 头 型 多 孔 喷 嘴 的 设 计 问 题 。嫉 ? 炎 ∀夭二洲 福 州

张 英 辉

本文从环境保 护的角度出发,

讨论 了如何在平头型喷嘴设计上采取措施,

即 采 用 二 次 空 气

法,

这不仅降低了加热炉排气中的 Ο ? Β 含量,

而且还带来了均匀炉内温度场的傅益。

一、

概述

无论是石油炼制加热炉、

合成氨造气炉、

烯烃裂解炉,

或者是锅炉、

冶金工业炉,

在应

用液体或气体作燃料时,

大多数都是通过喷嘴燃烧器进行燃烧的。

因此,

喷嘴燃烧器是工业

加热炉的重要零部件之一。

为了使燃料的燃烧合理,

根据燃料性质和燃烧要求的不 同,

目前国内外已有多种型式的

燃烧喷嘴。

按种类不同可分为∀

气体燃烧器、

液体燃烧器和油一气联合燃烧器Κ按燃烧方法可

分为扩散燃烧和爆式燃烧Κ按雾化方法可分为雾化剂雾化

、

机械雾化和联合雾化Κ按油气棍

合型式 可分为内混、

外混、

揣流及涡流等等型式。

在工业炉设计中,

对喷嘴燃烧器 的设计也

是一项重要的内容。

选用是否适当,

将直接影响到炉子的热工性能、

生产能力和炉管寿命。

喷嘴燃烧器型式的选择,

首先要考虑燃料间题,

其次,

还要根据雾化情况,

考虑加 压设施和

炉型的特点。

随着我国石油工业的迅速发展,

以天燃气、

石油作为能源,

已经越来越普遍,

由此也引

起人们对环境保护问题的重视,

其中大气污染就是环境保护 的重要内容之一。

因此,

以最佳

的设计方案,

最大限度地降低工业加热炉排气所造成的环境污染,

已引起了国内外的极大重

视。

由此可见,

喷嘴燃烧器的设计好坏,

不但直接影响到加热炉的热工效率及工艺过程,

而

且也关系到排放气体中Ο ?、 、

ς ?等的含量问题,

所以,

务须在设计加热炉 的喷‘

嘴 燃 烧 器

时,

将环境保护这一因素也加 以考虑。

本文就是从降低排气中Ο ? Β等气体的含量出发

,

对喷

嘴嫩烧器设计提出的看法。

一0 )一