f50m2螺旋板换热器设计与分析(毕业设计)

F50M2螺旋板换热器设计与分析毕业设计四川理工学院毕业设计论文F50螺旋板换热器设计与分析学生学号专业过程装备与控制工程班级2009指导教师林四川理工学院机械工程学院二O一三年六月四川理工学院毕业设计论文任务书设计论文题目F50M2螺旋板换热器设计与分析院机械工程专业过程装备与控制工程班级学号0学生指导教师林海接受任务时间20系主任签名院长签名1毕业设计论文的主要内容及基本要求热程通道流体名称废热水总流量342M3/H工作温度进/出85/37设计压力06冷程通道流体名称冷却水总流量54M3/H工作温度进/出20/计算操作压力06螺旋板宽度1000MM通道间距10MM主要材质1CR18NI9TI2指定查阅的主要参考文献及说明1匡国柱,史启才化工单元过程及设备课程设计北京化学工业出版社,20012毛希谰主编换热器设计上海上海科学技术出版社,19883姚玉英主编化工原理,上册天津天津大学出版社,19994董大勤,袁凤隐压力容器设计手册北京化学工业出版社,20065GB1502011压力容器北京中国标准出版社,20116JB47512003,螺旋板式换热器7JB/T472392,不可拆式螺旋板换热器型式与基本参数3进度安排设计论文各阶段名称起止日期1资料收集,阅读文献,完成开题报告3月1日至3月24日2完成所有结构设计和设计计算工作3月25日至4月21日3完成所有图纸的绘制4月22日至5月22日4完成设计说明书的撰写5月23日至6月7日5完成图纸和说明书的修改,答辩的准备及毕业答辩6月8日至6月14日摘要本设计是关于螺旋板换热器的设计,主要进行了换热器的工艺计算、换热器的结构和强度设计。设计的前半部分是工艺计算部分,主要是根据给定的设计条件计算冷流体的传热量和出口温度,从而进行换热器的选型,校核传热系数,最后进行压力降计算和总传热系数的校核。设计的后半部分则是关于结构和强度的而设计,主要是根据已经选定的换热器型式进行设备内各零部件如接管、筒体、定距柱,螺旋体的设计,包括材料的选择、具体尺寸确定、确定具体位置、接管法兰选择、接管开孔补强计算等。还对部分部件的焊接工艺进行了说明。关键词螺旋板换热器螺旋板结构设计强度校核ABSTRACTTHISDESIGNISONTHESPIRALPLATEHEATEXCHANGERDESIGN,MAINLYFORTHEHEATEXCHANGERPROCESSCALCULATION,THESTRUCTUREANDINTENSITYOFTHEHEATEXCHANGERDESIGNTHEFIRSTPARTOFTHEDESIGNPROCESSCALCULATINGSECTIONISMAINLYDESIGNEDACCORDINGTOAGIVENCONDITIONCOMPUTINGANDCOLDHEATTRANSFERFLUIDOUTLETTEMPERATURE,THEREBYPERFORMINGTHESELECTIONOFTHEHEATEXCHANGER,THEHEATTRANSFERCOEFFICIENTCHECK,THEFINALTOTALPRESSUREDROPCALCULATIONSANDPASSTHERMALCOEFFICIENTCHECKEDTHELATTERPARTOFTHEDESIGNISABOUTTHESTRUCTUREANDSTRENGTHOFTHEDESIGNISMAINLYBASEDONTYPEOFHEATEXCHANGERHASBEENSELECTEDFORTHEVARIOUSCOMPONENTSWITHINTHEDEVICESUCHASRECEIVERSHIP,CYLINDER,SETTLINGCOLUMN,SPIROCHETESDESIGN,INCLUDINGMATERIALCHOICE,TODETERMINETHESPECIFICSIZETODETERMINETHESPECIFICLOCATIONOFCHOICETOTAKEOVERTHEFLANGE,RECEIVERSHIPOPENINGREINFORCEMENTCALCULATIONALSOPARTOFTHECOMPONENTSOFTHEWELDINGPROCESSAREDESCRIBEDKEYWORDSSPIRALPLATEHEATEXCHANGERSPIRALPLATESTRUCTURALDESIGNSTRENGTHCHECK目录摘要IABSTRACTII第1章绪论111换热器的概述112换热器的分类1121直接接触式换热器2122蓄热式换热器2123间壁式换热器2124中间载热体式换热器313螺旋板换热器的简介3131螺旋板换热器的发展历史4414螺旋体有效换热面积27415螺旋板圈速28416螺旋板有效长度及计算长度28417螺旋板有效宽度28418螺旋体长轴外径2842螺旋板换热器的结构设计28421密封结构29422螺旋板的定距柱30423螺旋板换热器的外壳31424进出口接管32425中心隔板35426接管法兰与支座36427水压试验38第5章焊接工艺3951不锈钢的焊接特点及焊接工艺39511不锈钢的概述39512奥氏体不锈钢的焊接特点39513奥氏体不锈钢的焊接工艺41514常用焊接结构的设计原则4265中心隔板5066螺旋体5067半圆筒体、连接板5168接管、法兰5169装配51610焊接51611热处理52612液压试验52613标志、包装和运输52结论54参考文献55致谢57第1章绪论11换热器的概述换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体,使流体温度达到工艺流程规定的指标的热量交换设备,又称热交换器。换热器是一种实现物料间热量传递的通用设备,广泛应用于石油、化工、轻工、食品、医药、制冷、空调、动力、核能、冶金、船舶、交通等工业部门及国防工程中。据统计,现代炼油厂中,各类型换热器约占全厂设备投资和设备总重的40左右,动力消耗占总能耗的2030,检修工作量可达总检修量的6070化工厂建设中,换热器约占总投资的11海水淡化工艺装置则几乎全部由换热器组成。的传质传热性能具有很明显现实意义。12换热器的分类在工业生产中,由于用途、工作条件和物料特性的不同,出现了各种不同形式和结构的换热设备。图11直接接触试换热器按作用原理或传热方式分类按换热设备热传递原理或传热方式进行分类,可分为以下几种主要形式。121直接接触式换热器这类换热器又称混合式换热器,它是通过冷、热流体的直接接触、混合进行热量交换的换热器。如冷却塔、冷却冷凝器等。为增加两流体的接触面积,以达到充分换热,在设备中常放置填料和栅板,通常采用塔状结构。直接接触式换热器具有传热效率高、单位容积提供的传热面积大、设备结构简单、价格便宜等优点,但仅适用于工艺上允许两种流体混合的场所。由于两流体混合换热后必须及时分离,这类换热器适合于气、液两流体之间的换热。例如,化工厂和发电厂所用的凉水塔中,热水由上往下喷淋,而冷空气自下而上吸入,在填充物的水膜表面或飞沫及水滴表面,热水和冷空气相互接触过,由蓄热体把热量释放给冷流体。由于两种流体交替与蓄热体接触,因此不可避免地会使两种流体少量混合。若两种流体不允许混合,则不能采用蓄热式换热器。蓄热式换热器结构紧凑、价格便宜、单体体积传热面积大,故较适合用于气气热交换的场合。如炼焦炉下方预热空气的蓄热室。这类换热器主要用于回收和利用高温废气的热量。以回收冷量为目的的同类设备称为蓄冷器,多用于空气分离装置中。如图12所示。123间壁式换热器图13管式换热器这种换热器又称表面式换热器。它是利用间壁固体壁面将进行热交换的冷、热两种流体隔开,互不接触,热量由热流体通过间壁传递给冷流体的换热器。间壁式换热器是工业生产中应用最为广泛的换热器,其形式多种多样,间壁式换热器分类1231管式换热器这类换热器都是通过管子壁面进行传热的换热器。按传热管的结构形式不同大致可以油化工业、冶金行业、造纸工业、制药工业、食品工业、印染工业、机械工业及供热系统,具有广泛应用价值,取得了较高的社会效益。131螺旋板换热器的发展历史1311国外研究发展情况螺旋板换热器最初是由瑞典罗森勃来特161ROSEMBLAD首先提出,1932年以此人命名的ROSEMBLAD公司就成批组织生产并形成专利“自问世以来,由于其结构紧凑,传热系数高尤其是两种介质温差小的情况下,可以回收低位热量自洁能力强设备造价低,地面积小等优点,得到了越来越广泛的应用随后许多国家根据这个公司乏的专利相继设计制造了螺旋板换热器,其中有英国APV公司、美国AHRCO公司、西德ROCA公司等。它三十年代传入美国和英国,如美国的AHRCO公司和UNIONCARBIDE公司和英国的APV公司二战以后传入日本,如日本的“大江”、“川化”公司,随着战后日本经济的迅速发展也促进了螺旋板式换热器的研究改进和进一步使用,同时,苏联和东欧国家也相继研究和改造了该型式换热器,如苏联的标准TOCT12067,联邦德国的ROCA设备公司等“目前对该产品的研制以西欧和北欧水平最高,特别是瑞典阿法一拉伐ALFALAVAL公司,无论是制造规模和技术上都是世界上一流的国外螺旋板式换热器的发展无论材料、工艺、结构、设计理论都已日臻成熟。所有产生厂商都采用了定距柱接触焊和螺旋板自动翻边工艺,其应用领域也比我国深入、广泛。国外螺旋板式换热器共有四种型式1型、2型、3型和3H型。1型为最伐,提高效益、提高竞争力。工程技术人员必须勇敢地迎接挑战,设备制造厂家更应抓住机遇,在越来越激烈的竞争中求得更大发展的同时,为利国利民的节能工程共尽一份责任和义务。图17可拆式螺旋板换热器132螺旋板换热器的分类螺旋板换热器SPIRALHEATEXCHANGER。是由两张平行的金属板卷制成两个螺旋形通道,冷热流体之间通过螺旋板壁进行换热的换热器。螺旋板换热器有可拆的和不可拆的两种型式不可拆式螺旋板换热器的结构比较简单,螺旋通道的两端全部焊死。可拆式螺旋板换热器如图17所示。除螺旋通道两端的密封结构以外,其他与不可拆式完全相同。为达到机械清洗的目的,可拆式螺旋通道,一端敞开,用平扳盖和垫片密封,以防止流体漏到大气中或同一通道内的流体短路。为了提高螺旋板的承压能力,在板与板之间用定距柱支撑。筒体上的流体进出口有法向接管和切向接管两种。中国普遍使用切向接管,它的流体阻力小,杂质容易被冲出。使用回转支座比较方便,可使换热器立放或卧放。换热的A、B流体分别流过螺旋板的两侧,其中的一种流体沿螺旋通道由外向内,至中液体在设备内流动没有大的转向,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。3、I型不可拆式螺旋板式换热器螺旋通道的端面采用焊接密封,因而具有较高的密封性。图110螺旋板换热器4、II型可拆式螺旋板换热器结构原理与不可拆式换热器基本相同,但其中一个通道可拆开清洗,特别适用有粘性、有沉淀液体的热交换。5、III型可拆式螺旋板换热器结构原理与不可拆式换热器基本相同,但其两个通道可拆开清洗,适用范围较广。6、螺旋板式换热器按公称压力可分为PN06、10、16、25MPA系指单通道能承受的最大工作压力。按材质可分为碳素钢和不锈钢。用户可根据实际工艺情况选用。7甚高呈涡流状态,因而污物不易沉积。若通道内某处有异物或余渣滞,那么该处的通道随即变窄,在流量不变的情况下,该处的流速便相应增大,产生冲刷力便把该处的污物或余渣冲走,这种现象便是螺旋通道特有的自冲刷作用也叫自洁作用。而对于管壳式换热器,若某根管内壁某处有污垢沉积,则此管的局部阻力随即增大,则流量受到限制,流速降低,介质流量就向其它换热管分配,使换热器内每根换热管的阻力重新平衡,这样有污垢沉积的管子流速越来越低,流量越来越少,越易沉积,到最后完全堵死。在石化装置中,经常碰到管壳式换热器管子堵死现象。5温差应力小。在螺旋板换热器中,若传热系数为定值,冷热流体温度延螺旋板板长方向呈线性变化,由于螺旋通道为一整体,内部不存在温度的突变区,螺旋板的热胀冷缩量就被螺旋体的通道间隙均匀吸收。当冷热流体的温差达到200左右,螺旋板换热器仍然不需要设置热胀冷缩所需要的零部件。同时由于螺旋板换热器有两个较长的螺旋通道,当螺旋体受热或冷却时,可像钟表内的发条一样伸长或收缩。而螺旋体各圈之间都是一侧热流体,另一侧冷流体,且最外圈与大气接触,螺旋体之间的温差不像管壳式换热器那么明显,因此,不会产生大的温差应力,另外,在轴向上,由于螺旋体同步伸长或收缩,产生的温差应力也较小。在使用两介质温差很大的场合,均未发现有较大的温差应力存在。如某厂的甲醇合成塔换热器,热介质最高温度为470480,冷介质的温度为10,平均温差为200左右。6热量损失少。热流体可以通过中心接管直接进入螺旋板换热器内部,并且两侧螺旋通道端面易于采取保温措施,使螺旋板换热器散发于环境的热损失很小。同时由于该型式换热器结构紧凑,即使换热器的换热面积很大,但它的外表面还是较小的。另外,冷、热保证承受外压时的刚度。尽管螺旋体的内部焊有很多定距柱,提高了螺旋体的承压能力。目前,各国生产螺旋板式换热器的最高工作压力为40MPA。当设计压力超过16MPA时,螺旋体的最大直径也限于2000左右。2检修难度大。螺旋板式换热器虽然不易泄漏,但由于结构的限制,一旦产生泄漏就很难查找和维修特别对不可拆螺旋板式换热器,往往只能整台报废。因此对具有腐蚀性介质时,应采用耐腐蚀性能好的材料制造。3清洗难度大。通道清洗用机械方法清洗较为困难,通常采用热水、蒸汽吹扫或其它清洗剂清洗,不适合于含有固体颗粒或粘性大的介质。1333螺旋板式换热器的操作形式一般有三类1、两流体在螺旋通道的两侧均作螺旋流动“通常是冷流体由外周边流向中心并排出,热流体由中心流向外周排出,可以实现严格的逆流传热,常用于液液换热。2、一种流体在螺旋流道内进行螺旋流动,而另一种流体在另外的一条流道内作轴向流动。这种形式适合于两侧流体的体积流量差别很大的情况,常用作冷凝器和气体冷却器等。3、在这种形式中,一种流体在螺旋流道内进行螺旋流动,而另一种流体在另一侧的流道内作轴向流动和螺旋流动的组合。这种形式适合于蒸汽的冷凝冷却。134螺旋板换热器的应用3螺旋板用作铜氨液、冷却器的情况1965年从英国引进的泸州天然气化工厂铜氨液冷却器采用了48,5的螺旋板换热器。可拆式结构保证了铜氨液侧固态铜沉积时可打开头盖,用04MPA的水冲洗掉。20世纪70年代南京化肥厂、淮南化肥厂、广西河池化肥厂等铜氨液冷却器均采用过螺旋板式换热器,测得其传热系数K5801100W/。我国从法国引进的南京、安庆、广州30万吨/年合成氨化肥厂中冷却器采用4台130/台的螺旋板式换热器叠加使用,水通道两端焊接密封冷却水并联走螺旋通道。串联走两端敞开的垂直通道。2、在烧碱、硫酸工业上的应用1在烧碱行业的应用。太原化工厂烧碱是我围最早应用螺旋板的行业,从1955年开始应用至今。在隔膜法烧碱生产中,螺旋板式换热器在蒸发工段应用于含NAOH电解液的预热,含NAOH碱液的冷却,电解液经螺旋板预热后的温度达到120左右。据大沽化工厂测定,用于电解液预热的传热系数K6001900W/。而传统的列管式换热器测定的K450750W/。太原化工厂、西安化工厂、广州化工厂对碱液冷却用螺旋板式换热器测定的K350790W/,与列管式换热器比较则螺旋板式换热器高。据衡州化工厂、北京第二化工厂、广州化工厂使用螺旋板与列管式对比后认为一台30的螺旋板式换热器能替代一台45的列管式换热器。2在硫酸工业上的应用南京化肥厂与1955年8月用四台传热面积为149的螺旋板换热器代替原面积为243的冷却器。北京化工厂在100万千卡/时氨吸收式制冷机组中采用型号为T16II40129的可拆式螺旋板作为氨水冷却器,测得当水流速为216M/S、稀氨水流速为148M/S时传热系数K970W/,水侧阻力01MPA。前大连工学院、前大连冷冻机等厂1974年8月至1975年1月对I型不可拆式和1通道两端焊接密封、1通道两端敞开的型螺旋板作氨冷凝器进行试验。I型当水流速为053106M/S时,测得传热系数K17402186W/III型换热器中水走两端密闭的螺旋通道,氨气走两端敞开的直通道,当水流速为053106M/S时,测得传热系数K1203605W/。结果表明I型氨气走螺旋通道比III型氨气走螺旋通道具有较高的传热系数。由于螺旋通道截面积小于直通道截面积,因此只有当气量较小时方可走螺旋通道。4、在煤焦化工程上的应用国外从20世纪50年代中期开始,将螺旋板用于钢铁厂煤焦化工程,我国从20世纪80年代初开始,以煤焦化制气的城市煤气工程及钢铁厂中使用了螺旋板。我国1978年从日本引进、1985年投产的上海宝山钢铁总厂焦化厂一期工程中采用了十个规格、近40台螺旋板式换热器用于煤气精致,换热面积打4600,占煤气精致总换热面积的1/4,在水白白地放掉,特别是一些火力发电厂,有近2/3的热能未能充分利用。苏联库尔恰托夫电站,利用余热水建设起大型渔场,投入少量饲料,使鱼生长很快。试验数据表明鲤鱼在水温低于23时,生长缓慢,如果水温提高至26之后,其鱼长势很快,如果保持27左右的最佳水温,一年四季都可以养殖鱼类现在火电厂的循环冷却水均可达到,进而满足偏远电站职工生活需要。试验还证明鱼在热水中的生长速度比在背通水中快12倍废热水除了用来养鱼之外,还可以种蘑菇和蔬菜,如果合理的利用电站废热水来给土壤加热,使农作物生长期可延长225个月。其方法是在地里埋设聚乙烯管道,通热水加温。另据有关资料介绍装机容量为100104KW的核电站的废热水可给35004000公顷的土地加温,提高农产品的产量。据苏联有关资料介绍,在苏联发电站和工业部门经常排掉的热水的数量比伏尔加河的流量还要多,如果把这些水加热要消耗大量煤、天然气、石油、铀等能源。现有火力发电站仅有1/3的能源发挥效益,其余2/3的热能随着废热水白白跑掉。所以对发电厂和一些有排放废热水的工厂要进行废热水的合理利用。采用螺旋板式换热器将回收的废热用来加热自来水,使进入热水器的自来水温度升高,这样可以节约天然气以天然气热水器为例,节约了能源。1342应用实例螺旋板式换器是一种结构紧凑,占地面积小的高效换热设备,目前在各个领域内已得到广泛使用。江苏江山制药有限公司发酵车间,采用两套I型螺旋板式换热器,换热面积为60、40,分别用于一步、二步发酵液培养基的预热与冷却,制造材料为碳钢和不锈钢,分别用于一步、二步发酵液的预热与冷却。尽管换热效率很高,优点很多,但因使用和维护不周,堵塞、结垢不易清理且难以发现。经过多年使用总结,发现许了多问题,并找到一些预防措施。1、问题的发现与状况新螺旋板式换热器投入运行后,半年左右,就出现换热效率下降,灭菌不彻底而染菌,进行化学清洗后,效果不显著,只有将换热器报废,重新购买,方能满足生产。为分析换热器报废的原因,对其中已报废的40M2培养基循环水碳钢换热器进行解剖检查,发现存在螺旋芯堵塞情况水的一侧十分洁净,无水垢。物料侧有异物,堵塞十分严重,且堵塞在死角区。2、问题的原因分析型螺旋板式换热器在较短时间就的一出现不能满足生产与工艺要求,主要原因有换热器的结垢与内漏。关于结垢1发酵液培养基料中含有淀粉等营养物料,熟料的温度高于淀粉糊化温度,糊精是致垢因子,是介质的物性,无法依靠改善换热器的结构来改变其物性,使其不结垢,但可依靠改善换热器的结构来弱化其结垢倾向。2换热器流态不均匀有死角,K值,使所需要的换热面积F减少,还可以减少污垢沉积在螺旋通道中的可能性。由流体力学可知,流体压力降与流速的二次方成正比。因此,增大流速,流体压力降随之增加,故应选择最经济之流速,这往往需要用几种方案进行计算比较方能确定。提高流速后,如果增大的给热系数对总传热系数K值起着决定性的影响,这时提高流速就有实际意义了。例如,一个螺旋通道走液体,另一个螺旋通道走气体,那么提高气体的流速可以提高气体侧的给热系数,则K值也随之提高,这时气体的流速就起着决定性的作用。由于螺旋通道一般较长,因此,通道越长,沿程阻力也越大,故选择流速时,只要能使流体在通道内形成湍流,这样既能提高流体对热传热效率,也可降低阻力损失,减少动力消耗。下面介绍一些常用流速的经验数据,以供选择时参考,其值见表22表22换热器中常用流速范围介质种类介质速度M/S介质种类介质速度M/S一般液体0530常压气体530冷却水或与其相似的水溶液0725油蒸气515低粘度油0818气液混合液体26高粘度油0515水蒸气103022传热工艺计算221传热量QM3/HM3/S16501000103105326350010027720009723001、选择该型号的换热器,要求通过的总传热系数为公式262、通道中的流速废热水通道热程通道的流速为公式27冷却水通道冷程通道的流速为公式283、当量直径的计算公式294、雷诺数和普兰特数公式210公式211废热水通道代入已知数据得第3章螺旋板换热器的强度和稳定性设计螺旋板换热器是由两张平行的钢板。在专用的卷床上卷制成具有两个螺旋通道的螺旋体,然后加上外壳和端面密封结构及流体进、出口接管而构成。在换热器进行操作时,相邻两通道内介质的压力往往是不相同的。设两通道介质的压力分别为和,其压力差当通道压力突然终止时,即使时,就是作用在螺旋板上的载荷。同时用来维持通道宽度且按一定规则如等边三角形或正方形排列的定距柱或定距泡,就成了螺旋板的许多支撑点。由螺旋板的横截面可知,每一块螺旋板是由若干个光滑衔接的半圆弧组成的,其圆弧半径依次为,而在相互衔接处的曲率半径有突然变化,若将其拆成若干个彼此相衔接的柱形薄板。螺旋板成了具有许多支撑点并受均布压力P作用的柱形薄板。这种受力状态的柱形薄板,其应力与位移的计算是相当复杂的。因为在两块螺旋板构成的通道内,当介质具有一定压力时,对每一对螺旋板来说,既承受内压又承受外压的作用,在这种受力状态下,其破坏形式有两种,一种是强度破坏,另一种是螺旋板丧失了稳定性使设备不能进行正常的操作。为了简化计算,假设定距柱按等边三角形或正方形排列,并由于螺旋板长度与宽度远比定距柱的间距大,作用在螺旋板上的载荷是均匀分布的。因此,可以假设所有远离边界的每一小块的等边三角形板均有相同的受力状态,故只须讨论其中的一个等边三角形即可。当螺旋板的曲率半径远大于定距柱的距离时,该三角形板还可简化为平板,于是计算螺旋板的应力与位移的问题就简化为一个有一系列点支撑的板的弯曲问题。但对这种多支撑板的应力与位移的计算过程是很繁杂的,为了导出计算公式,可以按平板理论公式再根据螺旋板的特点加以修正后得出的公式来计算螺旋板的强度与刚度。31符号说明设计压力,系数设计温度下材料的许用应力,系数板厚,M板的最大挠度,M板的许用挠度,M系数板的柱状刚度设计温度下材料的弹性模量,材料的泊松系数定距柱的间距,M32强度计算根据平板理论,板的承压能力与板的厚度的平方成正比,而与定距柱泡的间距的平方成反比。但螺旋板是弯曲的,考虑到曲率的影响、定距柱和定距泡的差别,通过实验得出许用压力的计算公式公式31已知公式311已知设备的操作压力为所以因此设备稳定,操作安全。第4章螺旋板换热器的几何设计和结构设计41螺旋板换热器的几何设计411符号说明螺旋板宽度方向两端换热介质未润湿的宽度之和,MM换热器螺旋通道间距,MM螺旋体长轴外径,MM螺旋中心直径,MM偏心距,MM有效换热面积,换热器螺旋通道截面积,螺旋板宽度,MM螺旋板有效换热宽度,MM螺旋板有效换热长度,M螺旋板计算长度,M螺旋板圈速螺旋体有效换热圈速中心隔板宽度螺旋板厚度412中心隔板宽度当中心隔板与螺旋板的焊接结构为侧面搭接时,中心隔板宽度为公式41413偏心距公式42414螺旋体有效换热圈数已知螺旋体通道长度公式43公式44连解公式33、34可得螺旋体有效换热圈数为41对于大直径的螺旋板换热器,为保证密封板与螺旋端面紧密贴合,需要在椭圆形端盖内中心部分焊接一定直接的钢管,钢管直径D最好在以内为螺旋体内直径,在钢管另一端焊有金属压环,压环与密封板之间有一压环垫片,要求此垫片比法兰密封垫片薄05MM。当用螺栓拉紧椭圆端盖与筒体法兰时,焊接的钢管随之向下压紧在密封板上,这样密封板可受到一定的压力,使密封更为可靠。这种结构的承压能力比平盖高。但由于密封板与螺旋通道两端之间没有再安装垫片,加上机械加工上的尺寸误差等因素的影响,可能有的地方密封不严,以致使少量的介质在换热器内不走螺旋通道而发生短路,使传热效率受到一定的影响,2、焊接密封结构螺旋板换热器有三种类型,每一种形式的密封情况不同,I型是通道两端全密封II型为通道交替封闭III型是通道封闭,另一个通道敞开。不论哪一种形式都有密封问题。从焊接密封来讲,常用的又三种形式1将需要密封的通道用方钢条垫进钢板中,卷制后进行焊接。2用于通道宽度相同的圆钢条垫进钢板中卷好进行焊接。3将通道一边的钢板压成一斜边后与另一通道的钢板焊接。由于圆钢条的摩擦力比方钢小,故采用圆钢作密封条后,卷床消耗的功率比用方钢作密封条消耗的功率小,而且圆钢条与通道两侧板是线接触,故圆钢条与螺旋板容易焊接密封。所以在螺旋板式换热器的焊接密封结构中,普遍采用圆钢条垫进通道两端焊接的结构。3、密封选择螺旋板换热器采用垫入圆钢条焊接密封。已知两通道的宽度都为10MM的I型换热器。422螺旋板的定距柱螺旋板的定距柱有三方面的作用1控制螺旋通道的间距2增加螺旋体的刚度和强度3使流动介质易产生湍流、强化传热。JB/TO72489规定“定距柱一段应有的倒角,高度偏差为”。如果定距柱加工有负偏差存在,螺旋体卷制成形时,定距柱与螺螺旋板换热器的外壳是承受内压的部件,为了提高外壳的承压能力,国外使用的产品,往往采取增加最外一圈螺旋板的厚度,但因外圈仍是螺旋形,就有一个纵向的角焊缝存在。由于角焊的强度不易保证,受力差,所以这种结构不易承受较高的压力。为了改善外壳与螺旋板的连接结构,提高外壳的承压能力,我国有关单位经过研究而设计的螺旋板换热器的外壳是采用两个半圆环组合焊接而成的圆筒,这种组合焊接的关键零件是连接板,连接板与螺旋板及外壳的连接方式。其连接方法,首先将螺旋板与连接板对接焊接,经过探伤检查合格后,再将两个半圆形的外壳与连接板焊接,焊接结构采用有衬板的对接焊缝。对接焊缝容易保证质量,并且受力较好,故这种连接牢固可靠,并避免了受压容器中的角焊缝,从而提高了换热器的操作压力。换热器的外壳为受压的圆筒,采用两个半圆对接焊结构,外壳主要受内压作用,其厚度按承受内压的圆筒计算,即按GB150压力容器标准释义中的公式计算公式411已知设计压力为圆筒半径为壁厚附加量壳体材料选F钢材的标准抗拉强度下限值RM540MP时,接管与壳体的连接宜采用全焊透的结构形式2、允许不另行补强的最大接管外径为本开孔外径等于100MM,故需另行考虑其补强。1在圆筒上开孔的限制圆筒公称直径DN1000MM1500MM,开孔直径开孔的最大直径D100MMDN/2514MM。满足等面积法开孔补强计算的适用条件,故可采用等面积法进行开孔补强计算。2开口所需补强面积公式416100424110400MM2式中D开孔直径壳体开孔处的计算厚度接管有效厚度强度削弱系数,等于设计温度下接管材料与壳体材料许用应力之比,当该值大于10时,取10,此处取10。3有效补强范围1有效宽度B公式417公式418螺旋板式换热器最大质量隐患之所在。通道发生泄露都可以补焊,而这四条焊缝是无法返修的。因此在制造过程中一定要控制好中心隔板与螺旋板的连接焊缝的焊接质量。为了根本消除加载和卸载的周期性作用对焊缝的损坏,应采用改进型中心隔板结构如图41所示。图42中心隔板结构螺旋板为不锈钢板,厚度,宽度中心隔板的宽度为中心隔板的高度等于螺旋板的宽度。厚度则为426接管法兰与支座4261、接管法兰1、接管法兰分类接管与管法兰的连接及管法兰的紧密面型式,一般根据操作压力,温度、介质的腐蚀性与毒性情况,按有关标准选择材料、结构和紧密面形式。1平焊法兰平焊法兰连接刚性较差,只能在低压,直径不太大,温度不高的情况下使用。材料为碳钢时,温度,材料为不锈钢时,使用温度。密封面的形式,应根据介质情况及气密性要求而定,一般有三种第一种为光滑面形式,制造简单,加工容易,在气密性要求不高的一般介质情况,广泛使用。对于有毒、易燃易爆等介质及气密性要求较高的设备上应采用槽面或凹凸面密封面形式。槽面虽有良好的密1001143108210170184M16181161101442图43平面板式焊接管法兰4262支座选型螺旋板换热器选择回转支座。427水压试验换热器总装好后,必须进行试压。其目的一是检漏,二是校核设备强度。采用液压试验时,其试验压力为设计压力的125倍。采用气压试验时,其试验压力为设计压力的115倍。一般情况均采用水压试验。对06MPA级以下的换热器可以单通道试压,16MPA级的换热通道,蚀。在此基础上,再加入一定数量的NI、TI、NB、W等元素,则能形成具有特殊耐腐蚀性、抗高温氧化或具有一定高温强度等性能的各类不锈钢钢种。不锈钢按其显微组织不同可分为五类铁素体型、马氏体型、奥氏体型、奥氏体铁素体型和沉淀硬化型不锈钢。奥氏体不锈钢通常在常温下的组织为纯奥氏体,也有一些为奥氏体少量铁素体,这种少量铁素体有助于防止热裂纹。奥氏体不锈钢因焊接性良好,在化工、石油容器等行业应用较为广泛。512奥氏体不锈钢的焊接特点奥氏体不锈钢具有良好的可焊性,但焊接材料或焊接工艺不正确时,会出现以下缺陷1晶间腐蚀1晶间腐蚀产生原因晶间腐蚀发生于晶粒边界,所以叫晶间腐蚀。它是奥氏体不锈钢最危险的一种破坏形式,它的特点是腐蚀沿晶界深入金属内部,并引起金属机械性能和耐腐蚀性能的下降。奥氏体不锈钢在450850E温度区间范围内停留一定时间后,则在晶界处会析出CR23C6,其中的铬主要来自晶粒表层,内部的铬如来不及补充,会使晶界晶粒表层的含铬量下降而形成贫铬区,在强腐蚀介质的作用下,晶界贫铬区受到腐蚀就会形成晶间腐蚀。受到晶间腐蚀的不锈钢在表面上没有明显的变化,但在受力时会沿晶界断裂,几乎完全丧失强度。2防止晶间腐蚀的措施1选用超低碳C003、添加钛或铌等稳定元素的不锈钢焊条。2采用小规范,目的是为了减少危险温度范围停留时间,采用小电流、快焊速、短弧焊及不作横向摆动。焊缝可采用强制冷却如铜垫板、水冷方法加快焊接接头的冷却速度,减少热影响区。多层焊时,应控制层间温度,要前一道焊缝冷却至60E以下时再焊。3接触介质的那面焊缝最后焊接。4焊后固溶处理。将工件加热至10501150E后淬火,使晶界上的CR23C6溶入晶粒内部,形成均匀奥氏体组织。2热裂纹1热锰含量比母材高的焊丝,以补偿焊接过程中合金元素的烧损。6在焊接过程中,必须将焊件保持较低的层间温度,最好不超过150E。不锈钢厚板焊接时,为加快冷却,可从焊缝背面喷水或用压缩空气吹焊缝表面,但层间必须注意清理,防止压缩空气污染焊接区。7手工电弧焊时,应在焊条说明书规定的电流范围内选择焊接电流。由于不锈钢电阻值较大,靠近夹持端的一段焊条容易受电阻热的作用而发红,在焊至后半段焊条时应加快熔化速度,使焊缝熔深减少,但熔化速度太快又会造成未熔合和熔渣等缺陷。从保证接头的耐腐蚀性考虑,也要求选用较小的焊接电流,减少焊接热输入量,防止焊接热影响区的过热。8在操作技术上应采用窄焊道技术,焊接时尽量不摆动焊条,在保持良好熔合的前提下,尽可能提高焊接速度。9不锈钢焊件焊后一般不作消除应力处理。虽然在不锈钢的焊接中也存在较高的残余应力,但由于接头各区在焊后具有良好的塑性和韧性,使残余应力的有害影响显著减小。更重要的是消除应力处理的温度范围正好处于不锈钢的敏化温度区,消除应力处理反而导致耐蚀性的降低。因此不锈钢焊件的焊后热处理的目的不应是消除接头的残余应力,而应是提高接头的耐蚀性。主要有固溶处理和稳定化处理。514常用焊接结构的设计原则为减少压力集中,设计容器焊接结构时,应避免采用几何形状或截面形状突变的受力元件,同时应尽量可能避免将小配件与主要的受力元件焊在一起。化工容器常用的焊接接头是对接接头、角接头、T字形接头、和搭接接头四种。其形式的选择主要根据结构形式,焊件厚度及对强度的要求以及施工条件等情况决定。1、对接接头对接接头图52角接接头形式3、T字形接头两块板成T字形结合的接头,又称T字焊缝。它的受力状态比角焊缝好,特别是双面焊的K形和U形。在容器中如加强管的焊接和内部的焊接附件。T字接头分为不开破口形、单边V形、K形及双U形四中形式,对于承受动载荷和大厚度的重要结构应选用K形及双U形,如图53所示。在焊缝处截面发生突变,应力集中比较严重,同时焊缝强度系数比较低,用于低压不重要的低压容器环焊缝上,厚度一般在12MM以下。油罐的壁板环焊缝有时是采用搭接结构。在设计低温下使用的容器或储罐时尽量采用对接焊焊缝,以发生低压力破坏的危险。除筒体的纵、环焊缝外,如容器与加强圈,设备支座垫板与器壁等大多采用搭接焊缝。52主要部件的焊接工艺521筒体的焊接工艺1、用两个半圆环组合焊接而成的圆筒,这种组合焊接的关键零件是连接板,连接板与螺旋板及外壳的连接方式。其连接方法,首先将螺旋板与连接板对接焊接,经过探伤检查合格后,再将两个半圆形的外壳与连接板焊接,焊接结构采用有衬板的对接焊缝。对接焊缝容易保证质量,并且受力较好,故这种连接牢固可靠,并避免了受压容器中的角焊缝,从而提高了换热器的操作压力。连接板和半圆筒体的焊缝应采用带坡口的结构形式,采用V形坡口。这种坡口便于加工,但焊件焊后容易变形。坡口角度通常是坡口要留一个钝边以拖住熔融金属使其不易从底部流出。2、连接板与半圆筒体的对接错边量应不大于,且不大于1MM,如图55所示卷筒钢板除外,拼接时要求钢板平直,并磨平焊接,否则在卷制过程中产生偏移。对于用增厚的螺旋体作为外壳时,增厚的板材与螺旋体本身的焊接采用对接双面焊焊缝。不锈钢的螺旋体采用平板焊接,板厚拼接时,每板边铲坡口双面刨槽。不锈钢板厚拼接时,不开坡口两板间距。碳钢螺旋体,因板较薄,一般采用卷筒钢板,可减少拼接及焊缝探伤工序。拼接焊缝要求无损探伤。拼接焊缝两端处应磨平,其厚度与母材之差不得大于,拼板焊缝应按JB4730进行射线检测,以不低于两级为