一、选题背景和意义：
常用的弓形折流板管壳式换热器方案存在流动死区，流动阻力较大，传热系数较低，并且在缺口处管束支撑跨距较大，容易诱导管束振动破坏，容易结垢。螺旋折流板换热器则在这些方面表现出极大的优越性，具有研究意义。
由于连续螺旋板制作工艺极其复杂，权衡成本与性能问题，目前采用的是以倾斜平板代替螺旋曲面板的方案。捷克的Lutcha等人[1]提出了四分扇形折流板的结构，其特点是适用于正方形排列，对于多数管壳式换热器所使用的正三角形排列方式来说，并不便利。陈亚平教授[9]提出了三分螺旋折流板的结构，并且使中心布管周向重叠，进一步加强换热。在总体性能以及成本控制上，三分螺旋折流板换热器都具有很好的应用前景。
本次毕业设计编制的程序可以进行三分、六分(留有四分选项)螺旋折流板换热器的热力设计和主要结构设计，将给使用者在设计过程中带来极大的便利，以更少的时间和更高的效率完成换热器相关参数的计算与布管的设计排列，促进螺旋折流板换热器的推广使用，具有广泛的用途以及影响力。
二、课题关键问题及难点：
- 深入了解螺旋折流板换热器的热力知识以及结构特点；
- 编制的程序需可以进行三分、六分(留有四分选项)螺旋折流板换热器的热力设计和主要结构设计。包括管束传热管直径的选项；壳体直径系列、折流板倾斜角、拉杆、套管直径选择、螺旋头数有1、2、3、4四种，根据强度要求由管子直径确定支撑距离限制值；布管方案为正三角形，留有正方形选项，管程数目有1和2，双管程时中间去掉几排管子，留出约50mm的空档；根据所确定的布管方案的投影图之螺旋折流板的几何尺寸、倾斜角转换为螺旋折流板的下料尺寸，根据当量矩形模型和螺旋通道的假设编制热力计算程序和确定折流板等零件的计算子程序。
- 结合某个应用项目，对所编制的螺旋折流板换热器热力及结构设计程序进行验证，并绘制出图纸。
三、调研报告：
热交换器在工业应用中具有重要的意义，由于其热负荷根据不同的应用场合变化，各种形状和尺寸的热交换器被设计出来，其中管壳式换热器（STHX）是工业上使用最广泛的热交换器之一。管壳式换热器最常用的折流板是弓形折流板，这些折流板使壳侧流沿着蛇形运动横掠管束，增加了接触时间和接触面积，改善了热传递。 然而弓形折流板有许多缺点，例如在壳侧较高的压降，每个折流板后面都有死区会增加结垢并传热系数较低，流动的锯齿形会在管壳中产生振动等。
为了解决弓形折流板带来的问题 ，目前已有几种解决方法，其中一种就是采用螺旋折流板。螺旋折流板最早是由Lutcha和Nemcansky（1990）[1]提出的，其后许多研究人员对螺旋折流式换热器进行了研究。Lutcha等[1]预测螺旋折流板换热器的壳侧流型与塞流非常接近，指出扇形折流板的最佳螺旋角为40°。Kral[2]等通过水到水的传热性能实验研究了五个螺旋折流板换热器方案和弓形折流板方案。Stehlik（1994）[3]等回顾了三个螺旋形折流板的布置，最后得出结论建议使用轴向搭接折流板来减少管的支撑跨度和相邻板之间的泄漏。Andrews和Master[4]开发了一种基于分布阻力概念以及体积孔隙率和表面渗透率的三维CFD方法，以模拟螺旋折流板交换器中的流动和传热。 张等[5]通过实验测量了一系列不同管长和缸径的中间搭接的四份螺旋折流板换热器的壳程和传热特性，发现最佳方案是倾斜角为30°的方案。Nemati Taher等[6]数值检查了40个螺旋折流板式换热器， 倾斜角随不同的折流板空间而变，发现综合指数随着轴向搭接尺寸的增加而减小。关于连续螺旋折流板换热器，Peng等[7]和Wang等[8]通过实验研究了连续螺旋折流板换热器与非连续螺旋折流板方案和弓形式折流板方案，并显示了连续螺旋折流板换热器的性能增益是相当有限的。由于四分折流板方案更适合用于正方形布管，Chen等人[9]提出了最常用的等边三角管布局的周向重叠的三等分螺旋折流板换热器，以及通过在相邻折流板的三角形区域中用一排管加宽扇形折流板的直边来实现反捷径折流板结构，有效提高传热性能。
对于连续螺旋折流板、四分折流方案或三等分、六等分折流方案中哪个效果更好的问题，Chen等人[10,11]通过数值模拟与仿真，给出了相应试验结果。对具有六个折流板形状和组装结构不同的螺旋形折流板的换热器的流动和传热性能进行了数值模拟，两个三等分折流板方案，一个20°倾斜的成角度的圆周重叠折流板（20°TCO）和 一个36.2°斜角轴向中间搭接折流板1（36.2°TMO），两个四分折流板方案，一个18°斜角周向重叠折流板（18°QCO）和一个18°斜角端对端折流板1（18° QEE）以及两个连续的螺旋折流板方案，其螺旋角分别为18.4°（18.4°CH）和16.8°（16.8°CH），结果表明在六种配置中的最佳方案是具有20°TCO的20°TCO方案的周向三分螺旋折流板式换热器方案，该方案具有第二个最高的压降Delta;po ，最高总传热系数K，壳侧传热系数ho和壳侧平均综合指数ho /Delta;po[10]。对于六分和三分螺旋折流板，Chen等人[11]研究发现六分方案的壳侧传热系数和综合指标均优于三等分方案，并且分布证明六分方案的更好性能是相邻折流板之间的泄漏流受到限制的结果，并且随着螺旋折流板数量的增加，间隙被最小化，除了周向重叠螺旋折流板的反捷径结构。
基于螺旋折流板换热器的良好应用前景，本次毕业设计将开发螺旋折流板的设计程序，包括三分、四分和六分螺旋折流板的选项。
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