螺旋盘管换热器的设计

一、铜盘管换热器相关计算条件：600kg 水 6小时升温30℃单位时间内换热器的放热量为q q=GC ΔT=600*4.2*10^3*30/(6*3600)= 3500 w 盘管内流速1m/s ，管内径为0.007m ，0.01m ， 盘管内水换热情况：定性温度40℃ 定性温度50℃ 管径0.014m Re 21244.31 Re 25179.86 管径0.20mRe 30349.01Re 35971.22湍流范围：Re=10^4~1.2*10^5 物性参数： 40℃饱和水参数。

黏度—653.3*10^-6 运动黏度—0.659 *10^-6 普朗特数—4.31 导热系数—63.5*10^2 w/(m. ℃) 求解过程：盘管内平均水温40℃为定性温度时换热铜管的外径，分别取d1=0.014m d2=0.02m 努谢尔特准则为0.4f8.0ff Pr 023Re.0*2.1Nu =＝ 1.2*0.023*21244.310.84.310.4=143.4（d1）0.4f8.0ff Pr 023Re.0*2.1Nu =＝ 1.2*0.023*30349.010.84.310.4=190.7（d2）管内对流换热系数为l Nu h ff i λ⋅==143.4*0.635/0.014=6503.39 （d1） lNu h ff i λ⋅==190.7*0.635/0.02=6055.63 （d2） 管外对流换热系数格拉晓夫数准则为（Δt=10）23/υβtd g Gr ∆==9.8*3.86*10^-4*10*.0163/(0.659*10^-6)2=356781.6（d1）23/υβtd g Gr ∆==9.8*3.86*10^-4*10*.0223/(0.659*10^-6)2=927492.9（d2）其中g=9.8 N/kgβ为水的膨胀系数为386*10^-6 1/K自然对流换热均为层流换热（层流范围：Gr=10^4~5.76*10^8）25.023w wPr t g l 525.0Nu ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⋅∆=να=0.525(356781.6*4.31)0.25=18.48755 （d1）25.023w wPr t g l 525.0Nu ⎪⎪⎭⎫⎝⎛⋅∆=να=0.525(927492.9*4.31)0.25=23.47504（d2）其中Pr 普朗特数为4.31 对流换热系数为dNu m λα==18.48755*0.635/0.014=838.5422（d1）dNu m λα==23.47504*0.635/0.014=677.5749（d2）其中λ为0.635w/(m. ℃) .传热系数Uλδ++=o i h 1h 1U 1=1/6503.39+1/838.5422+1/393=0.003891 U=257.0138 （d1）λδ++=o i h 1h 1U 1=1/6055.63+1/677.5749+1/393=0.004186 U=238.9191 （d2）h i －螺旋换热器内表面传热系数 J/㎡·s ·℃ h o －螺旋换热器外表面传热系数 J/㎡·s ·℃ δ－螺旋换热器管壁厚 m δ=1mλ－管材的导热系数 J/m ·s ·℃ λ=393W/m ℃k o －分别为管外垢层热阻的倒数（当无垢层热阻时k o 为1） J/㎡·s ·℃ 自来水 k o =0.0002㎡℃/W 换热器铜管长度 dq l απ70==3500/10/257.0138/3.14/0.014=27.1（d1） A=1.53dq l απ70==3500/10/238.9191/3.14/0.022=21.2（d2） A=1.65二、集热面积的相关计算（间接系统）条件：加热600kg 水，初始水温10℃，集热平面太阳辐照量17MJ/㎡以上，温升30℃，⎪⎪⎭⎫⎝⎛⋅⋅+⋅=hx hx CL R c IN AU A U F 1A A =9.5㎡ 式中IN A —间接系统集热器总面积，㎡L R U F —集热器总热损系数，W/（㎡·℃）对平板集热器，L R U F 宜取4～６W/（㎡·℃） 对真空管集热器，L R U F 宜取１～２W/（㎡·℃）取1hx U —环热器传热系数，W/（㎡·℃） hx A —换热器换热面积，㎡c A —直接系统集热器总面积，㎡ )1(J f)t t (C Q A L cd T i end w w c ηη--=w Q —日均用水量，kgw C —水的定压比热容，kJ/（kg ·℃） end t —出水箱内水的设计温度，℃i t —水的初始温度，℃f —太阳保证率，%；根据系统的使用期内的太阳辐照、系统经济以用户要求等因素综合考虑后确定，宜为30%～80% 取1T J —当地集热采光面上的年平均日太阳辐照量kJ/㎡η—集热器的年平均集热效率；根均经验值宜为0.25～0.5 取0.6 cdη—出水箱和管路的热损失率；根据经验取值宜为0.20～0.30 取L0.2结论：1）换热器入口流速在1 m/s 左右2）保证换热器内的平均温度在40℃左右3）换热器的入口压力不低于0.2 5MPa三、换热器计算 1.传热面积TU Q A ∆=(2.1.1)A — 传热面积 ㎡Q —传热量 J/sU —传热系数 J/㎡·s ·℃ ΔT －平均温度差 ℃2.平均温度差（考虑逆流情况）c1h2c2h1c1h2c2h1T T T T ln )T T ()T (T T -----=∆（2.2.1） 其中T c —冷流体温度 ℃ T h —热流体温度 ℃下标1为入口温度，下标2为出口温度 当c1h2c2h1T T T T --≤2时，可用算数平均值计算，即2)T T ()T (T c1h2c2h1-+-（2.2.2） 3.传热系数U)A A (k 11)k 1h 1()A A (h 1U 1io i o o o i o i ++++=λδη（2.3.1）h i －螺旋换热器内表面传热系数 J/㎡·s ·℃ h o －螺旋换热器外表面传热系数 J/㎡·s ·℃ δ－螺旋换热器管壁厚 mλ－管材的导热系数 J/m ·s ·℃k i ,k o －分别为管内外垢层热阻的倒数（当无垢层热阻时k i ,k o 均为1） J/㎡·s ·℃ηo －为肋面总效率（如果外表面为肋化，则ηo ＝1）ioA A －为换热管的外表面积与内表面积之比； 4.螺旋管内表面传热系数lNu h ff i λ⋅=（2.4.1） 其中h i —管内表面传热系数 J/㎡·h ·℃f Nu —努塞尔数f λ—流体导热系数 W/m ·K换热器设计流量为：4L/min ～14L/min ， 管内为湍流时实验关联式验证范围：Re f ＝104～1.2×105,Pr f ＝0.1～120，l/d ≥60; 管内径d 为特征长度。

螺旋管式换热器工作原理
螺旋管式换热器是一种高效的换热设备，它主要由外壳、螺旋管和进出口管组成。

其
工作原理是利用螺旋管内外两个介质进行换热，使得热量从一个介质向另一个介质传递。

换热器内的螺旋管是由两个同心的圆柱面环绕而成，内外圆柱面的螺旋线以一定的角
度交错排列，形成一个相互错切的螺旋通道。

当两个介质分别进入螺旋管的内部和外部通
道时，它们就开始进行热量的传递。

热量传递的过程可以分为两种方式：一种是在螺旋通道内进行的强制对流传热，即介
质在经过螺旋通道时，受到外力的作用必须流过一定的转角和弯曲，因此会产生强烈的对流，使得热量可以快速传递。

另一种是在螺旋通道内进行的自然对流传热，即介质在进入
螺旋通道后，受到流动阻力的作用会形成旋涡和涡流，热量也会随之传递。

在工作过程中，由于两个介质的流速不同，会产生通道内的横向贯流，这种贯流可以
提高交换效率。

此外，螺旋管式换热器还可以根据不同的介质流量和温度来调整进出口位
置和角度，以达到最佳的热量传递效果。

总体来说，螺旋管式换热器的工作原理是利用螺旋管内外两个介质之间的对流和换热，在保持流动的同时实现热量传递，从而实现对介质的加热或降温。

其优点是热效率高，换
热效果好，且使用方便，非常适用于化工、制药、食品等各行业中的热量传递与处理。

盘管换热器的简捷优化设计法
Murty,KN
【期刊名称】《化工设计通讯》
【年(卷),期】1992(018)001
【摘要】螺旋形盘管换热器用来加热或冷却液体,如图1所示的装置。

该装置管内的流动型态按层流设计。

装置是简单的,但盘管最佳尺寸的计算却是复杂的。

然而,运用下面推导出的列线图,就可以避免复杂的计算。

对于盘管内的层流而言,摩擦系数为:
【总页数】2页(P69,68)
【作者】Murty,KN
【作者单位】无
【正文语种】中文
【中图分类】TQ051.5
【相关文献】
1.浅析浮动盘管换热器和U型管换热器在建筑热水中的应用 [J], 宋晓亭
2.风机盘管换热器遗传算法优化设计 [J], 李宁;崔增光;张信荣
3.干盘管换热器与湿盘管换热器热工性能试验研究 [J], 曹阳;刘刚
4.关于《干盘管换热器与湿盘管换热器热工性能试验研究》的几点疑问 [J], 周岸勋
5.浮动盘管换热器和U型管换热器在建筑热水中的应用 [J], 宋晓亭
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济宁宁鲁工程技术有限公司螺旋缠绕管式换热器研发背景:换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，又称热交换器。

由于常规的管壳式换热器的换热管设计都是采用直管或者是U型管。

所以困扰着设计工程师的一个问题是，采用什么样的方法可以让换热管变长，单位体积的换热面积加大，逆流换热而导致热传导由于结构的原因从根本上维持在一个理想的状态，同时换热设备本身体积要缩小，安全性能要更强。

为此宁鲁工程螺旋式换热管束缠绕技术的研发成功并日趋完善从根本上解决了这个问题，公司利用这一技术成功研发了螺旋缠绕管式换热器。

产品特点:1.结构特点:(1)任意一层相邻两换热管之间的净距相同。

(2)任意相邻两层换热管之间的净距相同(3)每一层换热管的根数由内层至外层的顺序递增，关键在于递增的结果应保证任意一层上、任意两相邻换热管之间的间距相同。

(4)同一层上的螺旋状换热管的螺旋角应相同。

(5)任意相邻两层螺旋换热管的螺旋角应互为相反数。

2.换热特点:(1)由于介质在螺旋流动的过程中将产生二次环流，故壳内及换热管内喘流度高，流束内外部热交换充分，所以热交换能力强。

(2)由于相邻两层螺旋管的螺旋角为相反数，故可以大大的增强壳体内相邻两流层的喘流度，增强热交换能力。

(3)由于换热管是螺旋状缠绕的，因此换热管的长度将远远大于换热器的长度，所以极大地增大了换热面积。

(4)因为螺旋管道的长度远远大于换热器的长度，故在介质流速为定值的情况下，将大大的延长换热的时间，从而达到提高换热效率的目的。

(5)根据缠绕管式换热器的布局特点不难发现壳体内任一空隙位置的换热环境均相同（壳体内任一空隙位置的大小相同），故可以在已知的情况下进行多股流的热交换。

产品优势:螺旋缠绕管式换热器具有换热效率高、能耗少、运行费用省、结垢倾向低、占用空间小，喘流度高，换热效率高，结构紧凑、空间利用效率高，无换热死区等诸多性能优势。

螺旋缠绕管式换热器换热能力是传统换热器的4-8倍，换热系数最高可达15000W/㎡℃，同等换热量、相同的工况下，体积约为传统换热器的1/10，可为您节省宝贵的土地、空间资源。

螺旋缠绕管壳换热器在换热机组中的设计和应用作者：杨克素来源：《西部论丛》2017年第07期摘要：螺旋缠绕管式换热器又称螺纹管缠绕式换热器、螺旋螺纹管换热器，是一种新型高传热系数的换热器，主要适用于介质为汽液的换热。

螺旋缠绕管壳换热器体积小、节能效果明显，故障率低，维护保养工作量少，机组在运行期间可以采用巡检的方式，采用无人值守的方式进行运行；同时在故障时可以采用短信通知的模式及时通知维修人员进行故障的排除，降低人工成本。

基于此，本文主要对螺旋缠绕管壳换热器在换热机组中的设计和应用进行分析探讨。

关键词：螺旋缠绕管壳换热器；换热机组；设计；应用1、前言我国幅员辽阔、人口众多，城镇供暖虽然经过多年的快速发展，但是集中供热覆盖率仍处于较低水平。

目前仅在北方各省的主要城镇建有集中供热系统，且平均覆盖率不到50%；未来随着房地产业的蓬勃发展，城镇化率的提高，区域小锅炉的拆除和旧城区的管网建设改造等均为集中供热市场创造了巨大而持续的需求，居民采暖的热力消费随着经济收入的增加增速在不断增长，集中供热面积的快速增加给螺旋缠绕管壳换热器提供了广阔的应用市场。

2、螺旋管缠绕式换热器的换热机理螺旋缠绕管内的流体在弯曲通道内受到离心力的作用在流道的横截面上形成二次流。

螺旋管的几何形状产生的离心力在流动截面上形成一对对称的漩涡，与主流叠加流体在螺旋管内形成螺旋运动，从而大大增加了换热效果，同时，二次流的冲刷使污垢不易沉淀。

螺旋缠绕管式换热器的壳侧螺旋缠绕管缠绕方向逐层相反，缠绕角与纵向间距设计制造均匀，且管长相同。

因此，随着螺旋缠绕管缠绕直径的增加，各层螺旋缠绕管的数量也相应增加。

这些螺旋缠绕管组成管芯，在壳侧所形成的流道随圆周方向位置的不同而变化，相邻两个盘管呈直列、错列的变化，则流道构成变成为由螺旋缠绕管布置为直列、错列组合排列时的管外流动。

3、螺旋管缠绕式换热器的特点（1）成套设备，安装简易，体积小，（2）可直接利用高压蒸汽换热，无需二次减压；（3）无需密封垫，永不泄漏。

一、铜盘管换热器相关计算条件：600kg 水 6小时升温30℃ 单位时间换热器的放热量为q q=GC ΔT=600*4.2*10^3*30/(6*3600)= 3500w 盘管流速1m/s ，管径为0.007m ，0.01m ，物性参数：40℃饱和水参数。

黏度—653.3*10^-6运动黏度—0.659*10^-6 普朗特数—4.31 导热系数—63.5*10^2 w/(m.℃)求解过程：盘管平均水温40℃为定性温度时换热铜管的外径，分别取d1=0.014m d2=0.02m 努尔特准那么为0.4f 8.0f f Pr 023Re .0*2.1Nu =＝1.2*0.023*21244.310.84.310.4=143.4 〔d1〕 0.4f8.0ff Pr 023Re.0*2.1Nu =＝1.2*0.023*30349.010.84.310.4=190.7 〔d2〕管对流换热系数为l Nu h ff i λ⋅==143.4*0.635/0.014=6503.39 〔d1〕 lNu h ff i λ⋅==190.7*0.635/0.02=6055.63 〔d2〕 管外对流换热系数格拉晓夫数准那么为〔Δt=10〕23/υβtd g Gr ∆==9.8*3.86*10^-4*10*.0163/(0.659*10^-6)2=356781.6 〔d1〕 23/υβtd g Gr ∆==9.8*3.86*10^-4*10*.0223/(0.659*10^-6)2=927492.9〔d2〕其中g=9.8 N/kgβ为水的膨胀系数为386*10^-6 1/K自然对流换热均为层流换热〔层流围：Gr=10^4~5.76*10^8〕25.023w wPr t g l 525.0Nu ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⋅∆=να=0.525(356781.6*4.31)0.25=18.48755 〔d1〕25.023w wPr t g l 525.0Nu ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⋅∆=να=0.525(927492.9*4.31)0.25=23.47504 〔d2〕其中Pr 普朗特数为4.31 对流换热系数为dNu m λα==18.48755*0.635/0.014=838.5422 〔d1〕 dNu m λα==23.47504*0.635/0.014=677.5749 〔d2〕其中λ为0.635w/(m.℃) .传热系数Uλδ++=o i h 1h 1U 1=1/6503.39+1/838.5422+1/393=0.003891 U=257.0138 〔d1〕λδ++=o i h 1h 1U 1=1/6055.63+1/677.5749+1/393=0.004186 U=238.9191 〔d2〕h i －螺旋换热器外表传热系数 J/㎡·s ·℃ h o －螺旋换热器外外表传热系数 J/㎡·s ·℃ δ－螺旋换热器管壁厚 m δ=1mλ－管材的导热系数 J/m ·s ·℃λ=393W/m ℃k o －分别为管外垢层热阻的倒数〔当无垢层热阻时k o 为1〕 J/㎡·s ·℃自来水 k o =0.0002㎡℃/W换热器铜管长度 dq l απ70==3500/10/257.0138/3.14/0.014=27.1 〔d1〕A=1.53dq l απ70==3500/10/238.9191/3.14/0.022=21.2 〔d2〕A=1.65二、集热面积的相关计算〔间接系统〕条件：加热600kg 水，初始水温10℃，集热平面太阳辐照量17MJ/㎡以上，温升30℃，⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⋅⋅+⋅=hx hx CL R c IN AU A U F 1A A =9.5㎡式中IN A —间接系统集热器总面积，㎡L R U F —集热器总热损系数，W/〔㎡·℃〕对平板集热器，L R U F 宜取4～６W/〔㎡·℃〕 对真空管集热器，L R U F 宜取１～２W/〔㎡·℃〕取1hx U —环热器传热系数，W/〔㎡·℃〕 hx A —换热器换热面积，㎡c A —直接系统集热器总面积，㎡ )1(J f)t t (C Q A L cd T i end w w c ηη--=w Q —日均用水量，kgw C —水的定压比热容，kJ/〔kg ·℃〕 end t —出水箱水的设计温度，℃i t —水的初始温度，℃f —太阳保证率，%；根据系统的使用期的太阳辐照、系统经济以用户要求等因素综合考虑后确定，宜为30%～80%取1T J —当地集热采光面上的年平均日太阳辐照量kJ/㎡cd η—集热器的年平均集热效率；根均经历值宜为0.25～0.5取0.6L η—出水箱和管路的热损失率；根据经历取值宜为0.20～0.30取0.2结论：1） 换热器入口流速在1m/s 左右2） 保证换热器的平均温度在40℃左右 3） 换热器的入口压力不低于0.2 5MPa三、换热器计算1.传热面积TU Q A ∆=(2.1.1)A — 传热面积 ㎡ Q —传热量 J/sU —传热系数 J/㎡·s ·℃ ΔT －平均温度差 ℃2.平均温度差〔考虑逆流情况〕c1h2c2h1c1h2c2h1T T T T ln )T T ()T (T T -----=∆〔2.2.1〕 其中T c —冷流体温度 ℃ T h —热流体温度 ℃下标1为入口温度，下标2为出口温度 当c1h2c2h1T T T T --≤2时，可用算数平均值计算，即2)T T ()T (T c1h2c2h1-+-〔2.2.2〕3.传热系数U)A A (k 11)k 1h 1()A A (h 1U 1io i o o o i o i ++++=λδη〔2.3.1〕h i －螺旋换热器外表传热系数 J/㎡·s ·℃h o －螺旋换热器外外表传热系数 J/㎡·s ·℃ δ－螺旋换热器管壁厚 mλ－管材的导热系数 J/m ·s ·℃k i ,k o －分别为管外垢层热阻的倒数〔当无垢层热阻时k i ,k o 均为1〕 J/㎡·s ·℃ ηo －为肋面总效率〔如果外外表为肋化，那么ηo ＝1〕ioA A －为换热管的外外表积与外表积之比； 4.螺旋管外表传热系数lNu h ff i λ⋅=〔2.4.1〕 其中h i —管外表传热系数 J/㎡·h ·℃f Nu —努塞尔数f λ—流体导热系数 W/m ·K换热器设计流量为：4L/min ～14L/min ，管为湍流时实验关联式验证围：Re f ＝104～1.2×105,Pr f ＝0.1～120，l/d ≥60; 管径d 为特征长度。

一、铜盘管换热器相关计算条件：600kg 水 6小时升温30℃ 单位时间内换热器的放热量为q q=GC ΔT=600*4.2*10^3*30/(6*3600)= 3500 w 盘管内流速1m/s ，管内径为0.007m ，0.01m ，盘管内水换热情况：定性温度40℃定性温度50℃管径0.014m Re 21244.31Re 25179.86管径0.20mRe 30349.01Re 35971.22湍流范围：Re=10^4~1.2*10^5物性参数：40℃饱和水参数。

黏度—653.3*10^-6 运动黏度—0.659 *10^-6 普朗特数—4.31 导热系数—63.5*10^2 w/(m. ℃)求解过程：盘管内平均水温40℃为定性温度时换热铜管的外径，分别取d1=0.014m d2=0.02m努谢尔特准则为＝1.2*0.023*21244.310.84.310.4=143.4 （d1）0.4f 8.0f f Pr 023Re .0*2.1Nu =＝1.2*0.023*30349.010.84.310.4=190.7（d2）0.4f8.0f f Pr 023Re .0*2.1Nu =管内对流换热系数为=143.4*0.635/0.014=6503.39 （d1）l Nu h ff i λ⋅==190.7*0.635/0.02=6055.63 （d2）lNu h ff i λ⋅=管外对流换热系数格拉晓夫数准则为（Δt=10）=9.8*3.86*10^-4*10*.0163/(0.659*10^-6)2=356781.6 （d1）23/υβtd g Gr ∆==9.8*3.86*10^-4*10*.0223/(0.659*10^-6)2=927492.9（d2）23/υβtd g Gr ∆=其中g=9.8 N/kg为水的膨胀系数为386*10^-6 1/Kβ自然对流换热均为层流换热（层流范围：Gr=10^4~5.76*10^8）=0.525(356781.6*4.31)0.25=18.48755 （d1）25.023w w Pr t g l 525.0Nu ⎪⎪⎭⎫⎝⎛⋅∆=να=0.525(927492.9*4.31)0.25=23.47504 （d2）25.023w w Pr t g l 525.0Nu ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⋅∆=να其中Pr 普朗特数为4.31对流换热系数为=18.48755*0.635/0.014=838.5422 （d1）dNu m λα==23.47504*0.635/0.014=677.5749 （d2）dNu m λα=其中为0.635w/(m. ℃)λ.传热系数U=1/6503.39+1/838.5422+1/393=0.003891λδ++=o i h 1h 1U 1U=257.0138（d1）=1/6055.63+1/677.5749+1/393=0.004186λδ++=o i h 1h 1U 1 U=238.9191（d2）h i －螺旋换热器内表面传热系数 J /㎡·s ·℃h o －螺旋换热器外表面传热系数 J /㎡·s ·℃δ－螺旋换热器管壁厚 m δ=1mλ－管材的导热系数 J /m ·s ·℃ λ=393W/m ℃k o －分别为管外垢层热阻的倒数（当无垢层热阻时k o 为1） J /㎡·s ·℃ 自来水k o =0.0002㎡℃/W换热器铜管长度 =3500/10/257.0138/3.14/0.014=27.1 （d1）dq l απ70=A=1.53=3500/10/238.9191/3.14/0.022=21.2 （d2）dq l απ70=A=1.65二、集热面积的相关计算（间接系统）条件：加热600kg 水，初始水温10℃，集热平面太阳辐照量17MJ /㎡以上，温升30℃，=9.5㎡ ⎪⎪⎭⎫⎝⎛⋅⋅+⋅=hx hx CL R c IN AU A U F 1A A 式中—间接系统集热器总面积，㎡IN A —集热器总热损系数，W/（㎡·℃）L R U F 对平板集热器，宜取4～６W/（㎡·℃）L R U F 对真空管集热器，宜取１～２W/（㎡·℃）取1L R U F —环热器传热系数，W/（㎡·℃）hx U —换热器换热面积，㎡hx A —直接系统集热器总面积，㎡ c A )1(J f )t t (C Q A L cd T i end w w c ηη--=—日均用水量，kgw Q —水的定压比热容，kJ/（kg·℃）w C —出水箱内水的设计温度，℃end t —水的初始温度，℃i t —太阳保证率，%；根据系统的使用期内的太阳辐照、系统经济以用户要求等因素综合考f 虑后确定，宜为30%～80% 取1—当地集热采光面上的年平均日太阳辐照量kJ/㎡T J —集热器的年平均集热效率；根均经验值宜为0.25～0.5 取0.6cd η—出水箱和管路的热损失率；根据经验取值宜为0.20～0.30 取0.2L η结论：1）换热器入口流速在1 m/s 左右2）保证换热器内的平均温度在40℃左右3）换热器的入口压力不低于0.2 5MPa三、换热器计算1.传热面积TU QA ∆=(2.1.1)A—传热面积 ㎡Q—传热量 J/sU—传热系数 J /㎡·s ·℃ΔT －平均温度差 ℃2.平均温度差（考虑逆流情况）c1h2c2h1c1h2c2h1T T T T ln)T T ()T (T T -----=∆（2.2.1）其中T c —冷流体温度 ℃T h —热流体温度 ℃下标1为入口温度，下标2为出口温度当≤2时，可用算数平均值计算，即c1h2c2h1T T T T --2)T T ()T (T c1h2c2h1-+-（2.2.2）3.传热系数U)A A(k 11)k 1h 1(A A (h 1U 1io i o o o i o i ++++=λδη（2.3.1）h i －螺旋换热器内表面传热系数 J /㎡·s ·℃h o －螺旋换热器外表面传热系数 J /㎡·s ·℃δ－螺旋换热器管壁厚 m λ－管材的导热系数 J /m ·s ·℃k i ,k o －分别为管内外垢层热阻的倒数（当无垢层热阻时k i ,k o 均为1） J /㎡·s ·℃ηo －为肋面总效率（如果外表面为肋化，则ηo ＝1）－为换热管的外表面积与内表面积之比；ioA A4.螺旋管内表面传热系数lNu h ff i λ⋅=（2.4.1）其中h i —管内表面传热系数 J /㎡·h ·℃—努塞尔数f Nu —流体导热系数 W/m ·Kf λ换热器设计流量为：4L/min ～14L/min ，管内为湍流时实验关联式验证范围：Re f ＝104～1.2×105,Pr f ＝0.1～120，l/d≥60; 管内径d 为特征长度。

螺旋折流板换热器管束及管板的结构设计国德文邢芳刘晓凤（大庆石油化工机械厂，黑龙江大庆１６３７１１）摘要：文中介绍了螺旋折流板的几何形状及螺旋折流板换热器管束的结构型式，并据此说明了螺旋折流板换热器管束的设计方法。

通过图示证明螺旋折流板的曲线边是一条椭圆曲线，给出螺旋折流板几何尺寸的计算方法。

关键词：螺旋折流板；管束；结构设计中图分类号：ＴＫ１７文献标识码：Ｂ文章编号：１６７１－４９６２（２００８）０２－００３９－０２近年来，国内采用新型高效螺旋折流板换热器的企业逐渐增多。

大庆石油化工机械厂也经常采用螺旋折流板来设计管壳式换热器。

文中对螺旋折流板管束的结构设计［１］进行了探讨。

１螺旋折流板的几何形状螺旋折流板换热器的折流板为准扇形。

与壳体横截面有一定的安装倾角α，其在壳体横截面上的投影刚好为１／４圆面。

见图１。

根据折流板间距所需要的若干个螺旋折流板与管束轴线以某一角度呈连续螺旋状排列，这种排列须保证介质自壳程进口向出口呈螺旋状推进，避免了采用弓形折流板时，介质以“Ｚ”字形流动剧烈折返带来的严重压降。

管壳式换热器采用螺旋折流板是基于这样一种思想：通过改变壳程侧折流板的布置，使壳程侧流体呈连续螺旋流动，因此，理想的折流板布置应该为连续的螺旋曲面。

但是，螺旋曲面加工困难，而且换热管与折流板的配合很难实现。

考虑到加工上的方便，采用一系列的准扇形平面板（称之为螺旋折流板）替代曲面相间连接，在壳程侧形成近似的螺旋面，使换热器的壳程侧流体产生连续的螺旋状流动，见图２。

２螺旋折流板间距螺旋折流板布置应使壳程内介质的螺旋状流场稳定，这就要求螺旋折流板之间有一致的间隔称为折流板间距Ｆ），相同的安装角α，一般还应要求：螺旋折流板应布置在上方进出口轴线的下方或下方进出口轴线的上方，见图３。

从图３可以看出，在１个螺旋节距Ｈ（波长）长度上等距依次安装４个螺旋折流板，环绕壳程轴线位置的１根与换热管规格相同的中心管，用定距管定位，形成螺旋状。

、铜盘管换热器相关计算条件：600kg水6小时升温30 C 单位时间内换热器的放热量为qq=GC A T=600**10A3*30/(6*3600)= 3500 w盘管内流速1m/s，管内径为0.007m，0.01m，定性温度40 C定性温度50 C管径0.014m Re Re管径0.20m Re Re湍流范围：Re=10A4~*10A5物性参数：40 C饱和水参数。

黏度一*10A-6 运动黏度一*10八-6 普朗特数一导热系数一*10八2 w/(m. °c)求解过程：盘管内平均水温40 C为定性温度时换热铜管的外径，分别取d1=0.014m d2=0.02m努谢尔特准则为NU f 1.2* 0.023Re f0.8Pr f0.4= ** (di)NU f 1.2* 0.023Re f0.8Pr f0.4= ** (d2) 管内对流换热系数为h i Nu f(di)其中Pr普朗特数为对流换热系数为NuNu其中为(m. C ) .传热系数U丄丄丄U h i h o —=1/+1/+1/393=h i Nu f(d2)管外对流换热系数格拉晓夫数准则为（△t=10） 3 2Gr g td / =**i0A-4*io*.oi6 3/*10A-6) 2= (d1)Gr …3 # 2g td / =**10A-4*IO* .022 3 2/*10人-6) = (d2)其中g= N/kg为水的膨胀系数为386*10A-6 1/K自然对流换热均为层流换热（层流范围：Gr=10A4~*10A8）Nu w 0.5253i w g t20.25Pr (di)Nu w 0.525 l w3g t20.25Pr (d2)U= (di)丄丄」U h i h-=1/+1/+1/393=h i -螺旋换热器内表面传热系数 J/ m 2・ s •C h o -螺旋换热器外表面传热系数 J/ m 2・ s •C3—螺旋换热器管壁厚mS =1m入一管材的导热系数 J/m • s • C 入=393W/mCk 。

一、铜盘管换热器相关计算条件：600kg 水 6小时升温30℃ 单位时间内换热器的放热量为q q=GC ΔT=600＊4。

2＊10^3＊30/（6＊3600)= 3500 w 盘管内流速1m/s ，管内径为0。

007m,0.01m ，湍流范围:Re=10^4~1.2＊10^5 物性参数:40℃饱和水参数。

黏度—653。

3＊10^—6 运动黏度-0.659 ＊10^—6 普朗特数—4。

31 导热系数—63。

5*10^2 w/(m 。

℃）求解过程:盘管内平均水温40℃为定性温度时换热铜管的外径,分别取d1=0.014m d2=0.02m 努谢尔特准则为0.4f 8.0f f Pr 023Re .0*2.1Nu =＝1。

2*0。

023＊21244.310.84。

310。

4=143.4 (d1) 0.4f8.0f f Pr 023Re .0*2.1Nu =＝1.2＊0.023*30349。

010。

84.310。

4=190。

7 (d2）管内对流换热系数为l Nu h ff i λ⋅==143。

4*0.635/0.014=6503.39 （d1） lNu h ff i λ⋅==190。

7*0.635/0.02=6055。

63 （d2) 管外对流换热系数格拉晓夫数准则为(Δt=10）23/υβtd g Gr ∆==9。

8*3.86＊10^—4＊10*.0163/（0.659＊10^—6)2=356781。

6 （d1） 23/υβtd g Gr ∆==9.8*3.86＊10^—4*10*.0223/(0.659*10^—6)2=927492。

9(d2）其中g=9.8 N/kgβ为水的膨胀系数为386*10^-6 1/K自然对流换热均为层流换热（层流范围：Gr=10^4～5.76＊10^8）25.023w w Pr t g l 525.0Nu ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⋅∆=να=0。

525（356781。

6*4.31）0。

一、铜盘管换热器相关计算条件：600kg 水 6小时升温30℃ 单位时间内换热器的放热量为q q=GC ΔT=600*4.2*10^3*30/(6*3600)= 3500 w 盘管内流速1m/s ，管内径为0.007m ，0.01m ， 盘管内水换热情况：湍流范围：Re=10^4~1.2*10^5 物性参数：40℃饱和水参数。

黏度—653.3*10^-6 运动黏度—0.659 *10^-6 普朗特数—4.31 导热系数—63.5*10^2 w/(m. ℃)求解过程：盘管内平均水温40℃为定性温度时换热铜管的外径，分别取d1=0.014m d2=0.02m 努谢尔特准则为0.4f 8.0f f Pr 023Re .0*2.1Nu =＝1.2*0.023*21244.310.84.310.4=143.4 （d1） 0.4f8.0ff Pr 023Re.0*2.1Nu =＝1.2*0.023*30349.010.84.310.4=190.7 （d2）管内对流换热系数为l Nu h ff i λ⋅==143.4*0.635/0.014=6503.39 （d1） lNu h ff i λ⋅==190.7*0.635/0.02=6055.63 （d2） 管外对流换热系数格拉晓夫数准则为（Δt=10）23/υβtd g Gr ∆==9.8*3.86*10^-4*10*.0163/(0.659*10^-6)2=356781.6 （d1） 23/υβtd g Gr ∆==9.8*3.86*10^-4*10*.0223/(0.659*10^-6)2=927492.9（d2）其中g=9.8 N/kgβ为水的膨胀系数为386*10^-6 1/K自然对流换热均为层流换热（层流范围：Gr=10^4~5.76*10^8）25.023w wPr t g l 525.0Nu ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⋅∆=να=0.525(356781.6*4.31)0.25=18.48755 （d1）25.023w wPr t g l 525.0Nu ⎪⎪⎭⎫⎝⎛⋅∆=να=0.525(927492.9*4.31)0.25=23.47504 （d2）其中Pr 普朗特数为4.31 对流换热系数为dNu m λα==18.48755*0.635/0.014=838.5422 （d1） dNu m λα==23.47504*0.635/0.014=677.5749 （d2）其中λ为0.635w/(m. ℃) .传热系数Uλδ++=o i h 1h 1U 1=1/6503.39+1/838.5422+1/393=0.003891 U=257.0138 （d1）λδ++=o i h 1h 1U 1=1/6055.63+1/677.5749+1/393=0.004186 U=238.9191 （d2）h i －螺旋换热器内表面传热系数 J/㎡·s ·℃ h o －螺旋换热器外表面传热系数 J/㎡·s ·℃ δ－螺旋换热器管壁厚 m δ=1mλ－管材的导热系数 J/m ·s ·℃ λ=393W/m ℃k o －分别为管外垢层热阻的倒数（当无垢层热阻时k o 为1） J/㎡·s ·℃ 自来水 k o =0.0002㎡℃/W换热器铜管长度 dq l απ70==3500/10/257.0138/3.14/0.014=27.1 （d1）A=1.53dq l απ70==3500/10/238.9191/3.14/0.022=21.2 （d2）A=1.65二、集热面积的相关计算（间接系统）条件：加热600kg 水，初始水温10℃，集热平面太阳辐照量17MJ/㎡以上，温升30℃，⎪⎪⎭⎫⎝⎛⋅⋅+⋅=hx hx C L R c IN A U A U F 1A A =9.5㎡式中IN A —间接系统集热器总面积，㎡L R U F —集热器总热损系数，W/（㎡·℃）对平板集热器，L R U F 宜取4～６W/（㎡·℃） 对真空管集热器，L R U F 宜取１～２W/（㎡·℃）取1hx U —环热器传热系数，W/（㎡·℃） hx A —换热器换热面积，㎡c A —直接系统集热器总面积，㎡ )1(J f)t t (C Q A L cd T i end w w c ηη--=w Q —日均用水量，kgw C —水的定压比热容，kJ/（kg ·℃） end t —出水箱内水的设计温度，℃i t —水的初始温度，℃f —太阳保证率，%；根据系统的使用期内的太阳辐照、系统经济以用户要求等因素综合考虑后确定，宜为30%～80% 取1T J —当地集热采光面上的年平均日太阳辐照量kJ/㎡cd η—集热器的年平均集热效率；根均经验值宜为0.25～0.5 取0.6—出水箱和管路的热损失率；根据经验取值宜为0.20～0.30 取0.2 L结论：1）换热器入口流速在1 m/s 左右2）保证换热器内的平均温度在40℃左右3）换热器的入口压力不低于0.2 5MPa三、换热器计算1.传热面积TU QA ∆=(2.1.1)A — 传热面积 ㎡ Q —传热量 J/s U —传热系数 J/㎡·s ·℃ ΔT －平均温度差 ℃2.平均温度差（考虑逆流情况）c1h2c2h1c1h2c2h1T T T T ln )T T ()T (T T -----=∆（2.2.1） 其中T c —冷流体温度 ℃ T h —热流体温度 ℃下标1为入口温度，下标2为出口温度 当c1h2c2h1T T T T --≤2时，可用算数平均值计算，即2)T T ()T (T c1h2c2h1-+-（2.2.2）3.传热系数U)A A (k 11)k 1h 1()A A (h 1U 1io i o o o i o i ++++=λδη（2.3.1）h i －螺旋换热器内表面传热系数 J/㎡·s ·℃ h o －螺旋换热器外表面传热系数 J/㎡·s ·℃ δ－螺旋换热器管壁厚 m λ－管材的导热系数 J/m ·s ·℃k i ,k o －分别为管内外垢层热阻的倒数（当无垢层热阻时k i ,k o 均为1） J/㎡·s ·℃ ηo －为肋面总效率（如果外表面为肋化，则ηo ＝1）ioA A －为换热管的外表面积与内表面积之比； 4.螺旋管内表面传热系数lNu h ff i λ⋅=（2.4.1） 其中h i —管内表面传热系数 J/㎡·h ·℃f Nu —努塞尔数f λ—流体导热系数 W/m ·K换热器设计流量为：4L/min ～14L/min ，管内为湍流时实验关联式验证范围：Re f ＝104～1.2×105,Pr f ＝0.1～120，l/d ≥60; 管内径d 为特征长度。

长江大学毕业设计(论文)任务书学院（系）机械工程学院专业过程装备与控制工程班级装备10901学生姓名指导教师/职称1．毕业设计(论文)题目：螺旋板式换热器的设计2．毕业设计（论文）起止时间：2013 年3月20日～2013年6月13日3．毕业设计(论文)所需资料及原始数据（指导教师选定部分）毕业设计所需资料：（1）钱颂文.换热器设计手册[M].北京：化学工业出版社，2002（2）史美中,王中铮.热交换器原理与设计[M].南京：东南大学出版社，1989 （3）潘国昌,郭庆丰.化工设备设计[M].北京：清华大学出版社，1996（4）尾花英朗著,徐忠权译.热交换器设计手册[M].北京：石油工业出版社,1982原始数据：4．毕业设计(论文)应完成的主要内容1）换热器发展概述2）方案设计3）换热计算4）结构设计5）换热性能预测及分析6）壳体的有限元分析5．毕业设计(论文)的目标及具体要求毕业设计文说明书：字数不少于1.2万字或1.2万字篇幅的内容；翻译：与研究课题有关的译文不少于3千汉字（或2万印刷字符的外文原文的翻译）；阅读与研究课题相关的有代表性的参考文献资料15篇以上。

绘图要求：（1）总装图1张，（2）零件图4张（3）实体图6、完成毕业设计(论文)所需的条件及上机时数要求AutoCAD、Aspen Plus、Ansys上机200小时。

任务书批准日期2011 年 3 月20 日教研室(系)主任(签字)任务书下达日期2011年3 月28 日指导教师(签字)完成任务日期年月日学生（签名）II长江大学毕业设计开题报告题目名称螺旋换热器的设计院（系）机械工程学院专业班级过程装备与控制工程10901班学生姓名指导教师辅导教师开题报告日期2011年4月19日III螺旋换热器的设计1题目来源题目来源于生产实际。

2研究目的和意义管壳式换热器是石油、化工、轻工、食品、冶金及动力等工业部门广泛应用的节能设备。

相对水- 水管壳式换热器而言，一般壳程流体流速较低，换热热阻较大，因此增强壳程换热效果显得尤为重要。

一、铜盘管换热器相关计算条件:6０0kｇ水6小时升温30℃ 单位时间内换热器得放热量为qq=GＣΔＴ=６00*4.2＊10^3＊３０/(6*3600)= 3５00w盘管内流速1m/s,管内径为0。

0０7m,0.０１m,湍流范围:Rｅ＝１0^4～1、２*１0^5物性参数:40℃饱与水参数。

黏度—653、3＊10^—６运动黏度—０。

6５9 *10＾-6 普朗特数—4。

31 导热系数—63。

5＊10＾2 w/(m、℃)求解过程:盘管内平均水温4０℃为定性温度时换热铜管得外径,分别取ｄ1=０。

014m d2=0．02m努谢尔特准则为=１、2＊0。

02３＊２12４4.310。

８4。

310。

4=14３.4 (ｄ1)＝1、2*０、023＊30349、010。

84、310、4=１90。

7(d2)管内对流换热系数为=１４３。

4＊0.６35／0、014=６5０３。

3９(ｄ1)=１90。

7＊0。

635/0.02＝6０５5、６3 (d2)管外对流换热系数格拉晓夫数准则为(Δｔ=１0)=9、8*３、86＊1０^－4*１0＊、016３/(０.659＊10＾-6)２=356７81.６(d1)=９、8＊３。

86＊10^－4*1０*。

0223/(0、6５9*10^－6)2=9２74９２。

9(d2)其中g=9、8Ｎ/kｇ为水得膨胀系数为386*1０^—６1/K自然对流换热均为层流换热(层流范围:Gr＝10^4~5.７６*1０＾８)=０.５25(３567８1、6＊４、31)0。

25=18、４8755 (d1)=０、５２5(927４92.9＊４、３１)0。

２5＝23、475０4 (d2)其中Pr普朗特数为４。

3１对流换热系数为=1８.487５5＊0。

635／0、01４＝838、5４22 (d1)=２３。

47504*０、63５/０.0１４=６77、5749 (d２)其中为0.635ｗ／(m、℃)、传热系数U=1/６503。

３９＋1/838.5422＋1/393=0。