第三章+高效间壁式热交换器(1)

0.17
1.3 0.8 7 lt 0.0315 Re 6.65 10 b de
（式3.4）
换热系数的计算
无相变气体的螺旋流（补充）
Re 20000 d e Dm
0.32
流体的质量流速, kg/(m2·s)
（式3.7）
Cs—传热表面状态系数，传热板用铜或铁时，Cs＝1.0；不锈 钢板时，Cs＝0.7
σ—沸腾液体的表面张力，N/m
r —汽化潜热
换热系数的计算
无相变流体的轴向流（补充）
对于无相变液体的轴向流，Re>10000时，传热系数按 下式计算
＝0.023c p G Re 0.2 Pr 2 / 3
表3.1 螺旋板式热交换器的主要设计参数
单台 螺旋 螺旋 换热 板厚 板宽 面积 度 度 （mm）（mm）（m2） 定距 螺旋 中心 螺旋 设计温 设计压 柱直 体外 管直 通道 度 力 径 径 径 间距 （MPa） （℃） （mm）（mm）（mm）（mm） 一般推 荐小于 2.5，设 计压力 大于2.5 时，应 进行必 要的评 审过程 -90～ 450℃， 按 GB1501998， 不锈钢 可不高 于700℃
n li ,l n d1 2 n 1 c 2 1
lo,l
n n d1 2n b2 2 n 1 c 2 1
lo ,r
n li ,r n d 2 2n b1 2 n 1 c 2 1 内侧螺旋板总长度 2 n c li li ,l li ,r n d 2 b 4 d 2 n 1 1 2 2 外侧螺旋板总长度 2 lo lo ,l lo,r n d 2 b 4 d d 2 n c 1 2 2 2 2

Gd e Re
螺旋板有效宽度 通道间距
2 H eb de He b
G—质量流速 kg/(m2·s)
无相变液体的螺旋流
湍流时（Re>6000）
换热系数的计算
de 0.8 m 0.023 Re Pr 1 3.54 de Dm
（式3.1）
4 换热面积及螺旋通道的计算
通道宽b1、b2 板厚δ 节距 t1＝b1＋δ t2＝b2＋δ 板卷辊直径d1、d2 中心隔板宽 B＝d1－b1＋δ ＝d2－b2＋δ 偏心距t1/2、 t2/2 螺旋板有效长度 F le 2H e
c b1 b2 2
螺旋板长度计算
中心线左侧 内侧 外侧 中心线右侧 外侧 内侧
流道的密封形式
a. 螺旋板两端开放，利用头盖和垫片压紧螺旋形断面的两端。拆 下头盖即可清洗．但垫片损坏会使两种流体温合，除了两种流 体混合不会带来危害的场合外很少采用； b. 螺旋断面两端完全焊接密封．不会发生两种流体混合，但拆洗 检修困难,只能用化学方法清洗，除清洁流体外很少采用。
流道的密封形式（续）
150～ 1900
2～6
0.5～ 300
5～40
150～ 300
<3000 5~14
螺旋板式热交换器的特点
优点：
① 传热系数高：相同的流动阻力下，K值可比管壳式换热器 提高0.5~1倍，最高达3000W/m2·℃，一般582～1163 W/m2·℃ 。更能有效地利用流体的压力损失。 结构紧凑：紧凑性达到100m2/m3，约为管壳式的2倍。 传热温差小：两种传热介质可进行全逆流热交换，且具有 两个较长的均匀通道。螺旋板的长度可通过板宽的调整在 较大范围内变化。介质可进行均匀加热和冷却，可准确控 制出口温度，冷热流体温差的最小值仅为2℃左右。适于小 温差传热，有利于回收低温热能。 热损失少：结构紧凑、体积小。外表面积小，接近常温流 体外缘通道流（出）入，不需保温。
② ③
④
螺旋板式热交换器的特点
优点：
⑤ 自洁污垢：介质走单通道，允许流速比其他换热器高。污 垢不易沉积，通道内有自身清洗作用，污垢很容易被冲刷 掉。污垢热阻仅为管壳式换热器的70%左右。 ⑥ 温差应力小：若K为定值，流体温度沿螺旋方向呈线性变 化，内部不存在温度突变区，螺旋板热胀冷缩量被螺旋体 的通道间隙均匀吸收。冷热流体温差可达200℃以上而不需 考虑热补偿。 ⑦ ⑧ 结构可靠：两通道为焊接密封，保证两种热交换介质不混 合。 价格低廉：制造简便，材料利用率高。以板代管，成本低。 采用整板卷制保证质量。
我国工程计算中，对于液体 0.784 n （式3.2） 0.0397 Re Pr 螺旋流最常运用的公式为：
de
层流时（Re<2000）
Mc p 8.4 d e lt
0.2
（式3.3）
过渡流至湍流（Re>1000）
Nu Pr
0.25
w
气体介质螺旋运动
空气质量流速， kg/(m2·s)
lt 9.80665G 2 p1 p 2 fc ln m de p2
流体进出口平均密度 进出口压 力，Pa 平均摩擦系 数，无因次
当Re>15000时，空气摩擦系数fc基本不随Re数而变； 而Re<15000时，fc将随Re的降低而稍稍增大。 对于无定距柱的螺旋通道：ns＝0，fc＝0.020；ns＝116， fc＝0.022；ns＝232，fc＝0.034。
螺旋板式热交换器的结构
“I”型结构 图（a） 不可拆式：两个螺旋流道的两侧完全焊接密封，所以也称为不 可拆结构。两流体在流道中均作螺旋流动。冷流体从外周向中 心，热流体从中心向外周，完全是逆流。由于流体是在单流道 中流动，流动分布情况良好。这种形式主要用于液体与液体。 工作压力在2.5MPa以下。 可拆式：流动方式相同，但通道两端交错焊接，两端面的密封 采用顶盖加垫片的结构，故为可拆式，主要用于气—液交换， 工作压力为1.6MPa以下。
换热系数的计算
图3.4 凝结换热系数计算曲线
换热系数的计算
冷凝液的低温冷却(过冷)
当螺旋板式换热器立式安装时，由于传热面积一般较大，冷凝 液被过冷到蒸气饱和温度以下。在这种情况下，可将换热器看 成无过冷的冷凝器和过冷却器串联组成，分别求出冷凝部分和 过冷却部分的传热面积，叠加后则为总传热面积。 过冷却部分的换热系数：
第三章 高效间壁式热交换器
换热器紧凑程度的衡量标准：
某侧传热面积 2 3 m m 700 m 2 m3 同侧流道体积
第三章 高效间壁式热交换器
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 螺旋板式热交换器 板式热交换器 板翅式热交换器 翅片管热交换器 热管热交换器 蒸发冷却(冷凝)器 微尺度热交换器
3 流体压降的计算(续)
流体轴向流动无相变时（Re>10000）
0.2 He d eG 4G p 1 0.046 2 de 2
蒸气轴向流动冷凝时，是无相变时的一半
0.2 He d eG 2G p 1 0.046 2 de 2
H2——过冷部分的传热板宽(高度)，m
换热系数的计算
沸腾传热
核态沸腾
c pl 0.225Cs r
0.69
用于立式热虹吸重沸器
p l
0.31
l 1 v
0.33 3.22

t 2.22
c. 螺旋断面两端交错焊接密封，即每一流道有一端是焊接密封 的，而另一端则依靠头盖和垫片密封。不会发生两种流体的混 合，垫片不坏不会造成同一种流体短路，打开头盖即可检修或 用机械清洗流道，故是一种常用的密封型式； d. 一个流道两端焊接密封，另一流道两端开放借助头盖垫片密封。 不会造成两种流体的混合，但焊接密封的那一流道检修困难， 只能用化学清洗， II型常用此型式．
3.1 螺旋板式热交换器
适用于化学、石油、溶 剂、医药、食品、轻工、 纺织、冶金、轧钢、焦 化等工业部门中的液液、气-液、气-气对流 传热，废热回收，也可 用于蒸汽冷凝和液体蒸 发传热。
3.1.1
基本构造和工作原理
螺旋板式换热器是由两张 间隔一定的平行薄金属板在专用 的卷床上卷制而成，在其内部形 成两个同心的螺旋形通道。换热 器中央设有隔板，将螺旋形通道 隔开，两板之间焊有定距柱以维 持通道间距。在螺旋板两侧焊有 盖板。冷热流体分别通过两条通 道，在换热器内逆流流动，通过 薄板进行换热。
液体介质螺旋运动
定距柱密 度，个/m2
lt 3.58 w2 p 0.15lt ns 39.23 0.25 d e Re 2
弯曲通道的阻力 定距柱 的影响 进出口局部阻力
适用范围：Re＝5000～44000
ns＝116～232。
3 流体压降的计算(续)
螺旋板式热交换器的特点
缺点：
① ② 操作压力和温度不能太高：一般压力不超过2Mpa，温 度不超过300～400℃。 不易检修：由于结构上的限制，一旦发生中间泄露或 其他故障，就很难查找和检修（对不可拆螺旋板式换 热器更是如此），往往只能整台报废。因此对具有腐 蚀性介质时，应选用耐腐蚀性能好的材料制造。 单台流量比较小：因流道较窄，单台换热器的流量受 限。
de 0.8 0.2 c G de 0.00303 1 3.54 p Dm
换热系数的计算
蒸气冷凝
立式安装
Re 4 l 2100 Re 4 l >2100
4 1.47 l
查图3.4
1/ 3
g
g c 0.67 l H g
3 2 l l 2 l
5/ 3 pl l 2 / 3 1/ 3 2 l

1/ 3
4 l
1/ 9
（式3.6）
适用于
Re 4 l 2000
③
3.1.2 设计计算
换热系数的计算 传热系数的计算 流体压降的计算 换热面积及螺旋通道的计算
1 换热系数的计算
影响螺旋板式换热器换热系数的因素很多，有关传热系数的计算 公式也是多种多样的。一般都是在圆形直管计算公式的基础上， 考虑到螺旋矩形通道的影响，用含有当量直径de的参数进行修正 而得出螺旋板式换热器换热系数的计算公式。在螺旋通道的流动 中，推荐湍流状态下的临界雷诺数按Rec＝6000计算。 无相变液体的螺旋流 无相变气体的螺旋流 蒸汽冷凝 沸腾换热 无相变流体的轴向流
2 l 3 2 l l
1/ 3
（式3.5）
冷凝液的低温冷却(过冷) 卧式安装（补充）
Re 4 l 2100 Re 4 l >2100
4 1.51 l
查图3.4
1/ 3
g
2 l 3 2 l l
1/ 3
Γ—单位通道长的凝液量, kg/(s·m) ρl、λl、μl—凝液的密wenku.baidu.com、导热系数、动力粘度。
螺旋板式热交换器的结构（续）
“II”型结构 图（b） 一种流体在螺旋流道中进行螺旋流动，另一种则在另一螺旋 流道中进行轴向流动。所以轴向流道的两侧是敞开的，螺旋流 道两侧则焊接密封。这种型式适用于两种介质流率差别很大的 情况，常用作冷凝器、气体冷却器等气—液热交换器。工作压 力为1.6MPa。 “III”型结构 图（c） 一种流体是螺旋流动，另一种是轴向流动和螺旋流动的组合。 适用于蒸汽的冷凝冷却，蒸汽先进入轴流部分，当冷凝后体积 减少时，才转入螺旋流道以进一步冷却。
对于无相变气体的轴向流，Re>10000时，传热系数按 下式计算
＝0.00303c p G 0.8 d e 0.2
2 传热系数的计算
螺旋板式热交换器的传热板片很薄，在计算传热 系数时可不考虑传热板内外侧面积的影响。
1 K 1 1 r1 r2 1 2
3 流体压降的计算