换热器设计、压力容器焊接与无损检Microsoft Word 文档

1、换热器设计传热学基础1. .1热传导（导热） 定义：指温度不同的物体各部分或温度不同的两物体间直接接触时，依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而进行的热量传递现象。物质的属性：可以在固体、液体、气体中发生1.2.导热的特点必须有温差物体直接接触依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而传递热量不发生宏观的相对位移1.3导热机理气体：气体分子不规则热运动时相互碰撞的结果。导电固体：自由电子运动。非导电固体：晶格结构的振动。液体：很复杂。1.4热传导基本方程傅里叶定律（Fourier）1.5热导率（导热系数） 具有单位温度差（1K）的单位厚度的物体(1m)，在它的单位面积上(1m2)、每单位时

2、间(1s)的导热量(J)。单位：w/(m.K)热导率表征物质导热能力的一个参数，为物质性质之一。热导率越大，物质的导热能力越强。热导率的大小与物质的组成、结构、状态（温度、湿度、压强）等因素有关。 1.6当<0.2 W/(m)时，这种材料称为保温材料。高效能的保温材料多为蜂窝状多孔结构1.7常压下气体混合物的导热系数可用下式估算：m气体混合物的导热系数，W/m；li气体混合物中i组分的导热系数，W/m；yi气体混合物中i组分的摩尔分数；Mi气体混合物中i组分的摩尔质量，kg/kmol。1.8液体混合物的导热系数在实验数据缺乏的情况下，可按下法估算：有机化合物水溶液的导热系数估算式为 有机

3、化合物的互溶混合液的导热系数估算式为 上两式中x和分别为混合液中i组分的质量分率及与混合液相同温度下i组分的导热系数。1.9导热的几个基本概念1） 传热速率Q（热流量）： 指单位时间内通过传热面的热量。整个换热器的传热速率表征了换热器的生产能力，单位为W；2 ）热通量q ： 指单位时间内通过单位传热面积所传递的热量。在一定的传热速率下，q越大，所需的传热面积越小。因此，热通量是反映传热强度的指标，又称为热流强度，单位为W/m2。3）稳定传热（又称定态传热） ：对于连续过程传热系统中不积累热量，即输入系统的热量等于输出系统的热量。稳定传热的特点：传热速率Q为常数，并且系统中各点的温度仅随位置变化

4、而与时间无关。对于间歇过程：传热系统中各点的温度不仅随位置变化且随时间变化，称为不稳定传热（又称非定态传热）。2.0平壁导热由傅立叶定律导过平壁的热流量：热流密度：2.1平壁导热由和分比关系 2.2平壁导热例3：硫酸生产中SO2气体是在沸腾炉中焙烧硫铁矿而得到的，若沸腾炉的炉壁是由23cm厚的耐火砖（实际各区段的砖规格略有差异）、23cm厚的保温砖（粘土轻砖）、5cm厚的石棉板及10cm厚的钢壳组成。操作稳定后，测得炉内壁面温度t1为900，外壁面温度t5为80。试求每平方米炉壁面由热传导所散失的热量，并求炉壁各层材料间交界面的温度为多少？由于沸腾炉直径大，可以将炉壁看作平面壁，已知： 耐火砖

5、， 保温砖， 石棉砖, 钢壳 解：由题意根据多层平壁热流量公式，得： 求耐火砖与保温砖的交界面温度t2 =806.8求保温砖与石棉板的交界面温度t3 =317.5 求石棉板与钢壳的交界面温度t4 =81.1计算结果表明，各分层热阻越大则温度降越大，沸腾炉壁主要温度降在保温砖和石棉板层。3.圆筒壁导热1)单层圆筒壁导热圆筒壁的导热面积随半径而变，S2rL。2) 多层圆筒壁导导热系数大的材料在外面，导热系数小的材料放在里层对保温更有利。4. 1热对流与对流换热定义与特征定义：流体中（气体或液体）温度不同的各部分之间，由于发生相对的宏观运动而把热量由一处传递到另一处的现象。 流体中有温差 热对流必然

6、同时伴随着热传导，自然界不存在单一的热对流 对流换热：流体与温度不同的固体壁间接触时的热量交换过程4.2对流换热的特点对流换热与热对流不同，既有热对流，也有导热；不是基本传热方式导热与热对流同时存在的复杂热传递过程必须有直接接触（流体与壁面）和宏观运动；也必须有温差5牛顿冷却公式（1701） 热流量W，单位时间传递的热量q 热流密度q 热流密度W/m2h 表面传热系数AA 与流体接触的壁面面积 tw 固体壁表面温度t 流体温度6. 表面传热系数（对流换热系数） 当流体与壁面温度相差1度时、每单位壁面面积上、单位时间内所传递的热量。h是表征对流换热过程强弱的物理量。影响h因素：流动原因、流动状态

7、、流体物性（、cp)有无相变、壁面形状大小等7. 1对流传热机理 对流传热是流体流动过程中发生的热量传递. 工业过程的流动多为湍流状态，湍流流动时，流体主体中质点充分扰动与混合，所以在与流体流动方向垂直的截面上，流体主体区的温度差很小。 由于壁面的约束和流体内部的摩擦作用，在紧靠壁面处总存在滞流底层，故主要热阻及温度差都集中在滞流底层。7.2对流传热特点 由于固体壁面对流体分子的吸附作用，使得壁面上的流体是处于不流动或不滑移的状态 在流体的黏性力作用下会使流体的速度在垂直于壁面的方向上发生改变。流体速度从壁面上的零速度值逐步变化到来流的速度值。 同时，通过固体壁面的热流也会在流体分子的作用下向

8、流体扩散(热传导)，并不断地被流体的流动而带到下游（热对流），因而也导致紧靠壁面处的流体温度逐步从壁面温度变化到来流温度。 流体与壁面之间的温度变化可认为全部发生在厚度为t的一个膜层内，通常将这一存在温度梯度的区域称为传热边界层。传热边界层以外，温度是一致的、没有热阻.8.对流换热过程的分类 对流换热：导热 + 热对流；壁面+流动 对流换热的分类：1）流动起因：2）换热表面的几何因素：3）流动状态：4）流体有无相变：9.对流传热系数的影响因素及其求流体的种类和性质；流体的流动形态：流体的对流状态传热壁面的形状、排列方式和尺寸10.对流传热过程中的准则数的物理意义10.1称为雷诺数，表征了给定流

9、场的惯性力与其黏性力的对比关系，也就是反映了这两种力的相对大小。利用雷诺数可以判别一个给定流场的稳定性，随着惯性力的增大和黏性力的相对减小，雷诺数就会增大，而大到一定程度流场就会失去稳定，而使流动从层流变为紊流。10.210.3努谢尔特（Nusselt）准则，它反映了给定流场的换热能力与其导热能力的对比关系。这是一个在对流换热计算中必须要加以确定的准则。 11.对流传热系数的影响因素(h = f ( 物性、流动状态、温度、边界状况)1)流体的种类和相变化的情况2)流体的物性导热系数 l 大，h 大；粘度 m 大，h 小；比热和密度 rCp 大，h 大；体积膨胀系数 b 大，h 大。3) 流体的

10、温度 流体物性、附加自然对流4)流体的流动状态 滞流小、湍流大5)流体流动的原因 自然对流小、强制对流大6)传热面的形状、位置和大小形状：管、板、环隙、翅片等位置：水平、垂直、管束的排列方式大小：管径、管长、板高、进口效应12应用准数关联式应注意的问题a 定性温度 b 特征尺寸c 特征流速d 应用条件13.特征尺寸、特征流速和定性温度的确定特征参数是流场的代表性的数值，分别表征了流场的几何特征、流动特征和换热特征。 特征尺寸，它反映了流场的几何特征，对于不同的流场特征尺寸的选择是不同的。流体平行流过平板：流动方向上的长度尺寸；管内流体流动：垂直于流动方向的管内直径；流体绕流圆柱体流动：流动方向

11、上的圆柱体外直径。非圆管：取当量直径4´流动截面积/传热周边长特征流速，它反映了流体流场的流动特征。流体流过平板：来流速度；流体管内流动：管子截面上的平均流速；流体绕流圆柱体流动：来流速度。定性温度，无量纲准则中的物性量是温度的函数，确定物性量数值的温度称为定性温度。外部流动：来流流体温度和固体壁面温度的算术平均值，称为膜温度；内部流动：管内流体进出口温度的平均值（算术平均值或对数平均值）.14.对流传热膜系数 （无相变）1)低粘度流体在管内强制湍流传热：Dittus-Blelter当液体被加热：n=0.4 液体被冷却：n=0.3 气体被加热或冷却：n=0.4上式的适用范围1）Re1

12、04，流体呈湍流状态。2）若Re=2300104属于过渡区，上式计算的传热系数h作修正3）要求管长与管径之比，l/d>60。如果l/d60，由于入口处的影响使增加较多，可将×【1+（d/l)0.7】进行修正。4）用于粘度小于2倍水的粘度的流体。5）定性温度：液体进出口温度的算术平均值;6) 特征尺寸: 管内径。b、高粘度流体Nu=0.027Re0.8Pr0.33(w )0.14:液体在主体平均温度下的粘度w：液体在壁温下的粘度其中（/w）0.14一项是考虑热流方向影响的校正项。在工程计算时，液体加热(/w）0.14=1.05 ，液体被冷却时（/w）0.14=0.95 由于滞流内

13、层的厚度粘度随热流方向的不同而不同，液体被加热时，滞流内层的温度比主体温度高，又粘度反比于温度，因此滞流内层厚度减薄，致使对流传热系数增大。液体被冷却时，情况相反，对于液体Pr>1 即 Pr0.4>Pr0.3.因此加热时n=0.4。 15.液体有相变时的对流传热系数a. 蒸气冷凝化工生产中多见的相变给热是液体受热沸腾和饱和水蒸气的冷凝。滴状冷凝的给热系数比膜状冷凝的给热系数可高出数倍乃至数十倍，工业上遇到的大多是膜状冷凝，因此冷凝器的设计总是按膜状冷凝来处理，下面介绍纯净的饱和蒸气膜状冷凝的传热系数的计算方法 。1） 竖直平壁：2）倾斜平壁：3）单根水平园管：4）蒸气在水平管束外的

14、冷凝5）蒸气在垂直管内、外或垂直平板侧的冷凝6）影响冷凝传热的因素液膜两侧温差凝液物性蒸气的流向与速度蒸气中不凝性气体含量的影响过热蒸气冷凝壁面的影响16. 液体沸腾液体通过固体壁面被加热的对流传热过程中，若伴有液相变为气相，即在液相内部产生气泡或气膜的过程称为液体沸腾，又称沸腾传热。当温差较小时，加热面上的液体仅产生自然对流在液体表面蒸发，如图中AB段曲线；当t逐渐增高时，由于气泡的产生、脱离和上升对液体剧烈扰动，此段情况称为泡核沸腾，如BC段曲线；图4-9 水的沸腾曲线：17.工业上的液体沸腾将加热壁面浸没在液体中，液体在壁面处受热沸腾，称为大容积沸腾；液体在管内流动时受热沸腾，称为管内沸

15、腾。18.热辐射（Thermal radiation）1定义物体通过电磁波来传递热量的方式物体的温度越高、辐射能力越强；若物体的种 类不同、表面状况不同，其辐射能力不同辐射换热：物体间靠热辐射进行的热量传递2辐射换热的特点不需要冷热物体的直接接触；即：不需要介质的存在，在真空中就可以传递能量在辐射换热过程中伴随着能量形式的转换 物体热力学能 电磁波能 物体热力学能无论温度高低，物体都在不停地相互发射电磁波能、相互辐射能量；高温物体辐射给低温物体的能量大于低温物体辐射给高温物体的能量;总的结果是热由高温传到低温。19.斯蒂芬-玻尔兹曼定律（Stefan-Boltzmann law）黑体：能全部吸

16、收投射到其表面辐射能的物体。 或称绝对黑体。（Black body）黑体的辐射能力与吸收能力最强黑体向外发射的辐射能： 绝对黑体辐射力 黑体表面的绝对温度（热力学温度） 斯蒂芬-玻尔兹曼常数， 20.化工生产中的传热过程及常见换热器 实际上，传热过程往往并非以某种传热方式单独出现，而是两种甚至是三种传热方式的组合。20.1 传热过程与热阻 传热过程：热量由热流体通过间壁传给冷流体的过程。20.2热阻分析类比方法 对各种转移过程的规律进行分析与比较，充分揭示出相互之间的类同之处，并相互应用各自分析的结论，是研究转移过程的一种行之有效方法。 热电类比（热阻分析）是传热学常用的研究方法：即将电学中的

17、欧姆定律及电学中电阻的串并联理论应用于传热学热量传递现象的研究。20.3热阻1）热阻定义：热转移过程的阻力称为热阻。2）热阻分类：不同的热量转移有不同的热阻，其分类较多，如：导热阻、辐射热阻、对流热阻等。3）热阻的特点 串联热阻叠加原则：在一个串联的热量传递过程中，若通过各串联环节的热流量相同，则串联过程的总热阻等于各串联环节的分热阻之和。 20.4系统内由于温度的差异使热量从高温向低温转移的过程称之为热量传递过程，简称传热过程 化工生产对传热的要求有两类，一是要求热量的传递速率要高，目的是增大设备的传热强度、提高生产能力或减小设备尺寸、降低生产费用；另一类则是要求尽量避免热量传递，需要采用隔

18、热等方法减小传热速率。 传热过程也分为定态传热和非定态传热两种，换热器传热面上各点温度不随时间而改变的过程称为定态传热，反之，称为不定态传热。21.工业上传热的三种基本方式直接接触式 间壁式蓄热式21.1 间壁式换热器中，热量自热流体传给冷流体的过程包括三个步骤：热流体将热量传到壁面一侧；热量通过固体壁面的热传导；壁面的另一侧将热量传给冷流体。即给热一导热一给热的串联过程。 21.2 依传热面的结构可分为管式换热器和板式换热器。管式换热器的传热面是由管子做成的，包括套管式、列管式、蛇管式、喷淋式和翅片管式等；板式换热器的传热面是由板材做成的，包括夹套式、螺纹板式、螺旋板式等。21.3间壁式换热

19、器的传热总方程，适用于传热面为等温面的间壁式热交换过程。 说明定态传热总过程的推动力和阻力亦具加和性24.传热过程的平均温度差 冷、热流体温度差沿换热器壁面的分布情况，决定了整个换热过程的温度差。 （1）定态恒温传热（2）定态变温传热 在相同情况下，逆流传热的平均温度差大于并流传热的平均温度差，这意味着采用逆流传热要比并流传热相应减少传热面积或载热体使用量。 25.热负荷及热量衡算 生产工艺对换热器换热能力的要求称为换热器的工艺热负荷L。26. 传热过程的强化 传热过程的强化目的是充分利用热能，提高换热器单位面积的传热速率；力图以较小的传热面积或较小体积的换热器完成一定的传热任务。 26.1强

20、化传热过程的主要途径有三条: （1）增大传热面积A（2）增大平均温度差tm（3）增大传热系数K 26.2 提高h和、降低都能使K值增大。提高K值的具体办法，可以从以下几个方面考虑。 增加湍流程度、减小对流传热的热阻、提高h值。尽量选择h大的流体给热状态。提高、降低.压力容器焊接与无损检测1 焊接方法的分类 a熔焊 b压焊 c 钎焊2.同一种焊缝形式可以连接成多个接头形式对接接头不一定用对接焊缝连接连接角接接头的焊缝也不一定是角焊缝 3.焊接性能、焊接工艺评定和焊接工艺规程掌握焊接性能、焊接工艺评定和编制焊接工艺规程是焊接压力容器中的三个重要环节。焊接性能是焊接工艺评定的基础焊接工艺评定是焊接工

21、艺规程的依据焊接工艺规程是确保压力容器焊接质量的行动准则4.焊接性能4.1金属材料的焊接性能是指在限定的施工条件下，焊接成符合设计要求的构件，并满足预订服役要求的能力。亦即材料对焊接加工的适应性和使用可靠性。施工条件包括：材料牌号、结构条件、焊接设备条件、工艺条件、焊接环境。设计要求包括：焊接尺寸、形位偏差、焊缝内外缺陷要求，焊接接头的性能、焊接技术条件。服役要求包括：焊接接头结合性能、具体工艺介质条件下焊接接头的使用性能及使用环境下结构抗断裂能力。4.2材料的焊接性能与条件有关，在不同条件下有不同表现。焊接性能可分为工艺焊接性能和使用焊接性能：工艺焊接性能是指在一定焊接工艺条件下，能否获得优

22、质、无缺陷或少缺陷的焊接接头能力。使用焊接性能是指焊接接头或整体结构满足各种使用要求的程度。影响焊接性能的因素为材料、焊接方法、结构类型和使用要求。5.焊接工艺焊接工艺是指制造焊件所有相关的加工方法和实施要求，包括焊接设备、材料选用、焊接方法选定、焊接参数、操作要求等6.焊接工艺评定为验证所拟定的焊件焊接工艺的正确性而进行的试验过程及结果评价称为焊接7.工艺评定。正确认识焊接工艺评定的目的和作用，是执行焊接工艺评定标准的前提。焊接工艺评定通过焊接试件，进行验证性试验，因此焊接工艺评定结果只对焊接接头有效，焊接工艺评定不能保证产品整体质量符合要求，更不能确保压力容器安全可靠使用。焊接工艺评定规则

23、只对标准规定的检验要求负责，当增加焊接工艺评定试件检验项目时，原标准规定的焊接工艺评定规则对新增加的检验项目便不再适用。8.GB150规定：容器施焊前的焊接工艺评定，应按JB4708进行。焊接工艺评定报告、焊接工艺规程、施焊记录及焊工的识别标记，其保存期不少于7年。9.焊接工艺规程9.1按照压力容器焊接工艺评定标准，评定合格的焊接工艺只能确保焊接接头的力学性能或堆焊层化学成分或T形接头符合要求。对于焊接接头作为压力容器的一部分还有缺陷、应力、外观要求；对于整个产品还有外形尺寸、位置偏差、使用性能及其它性能要求；对于生产管理来讲，还要求提高生产率、操作方便、安全生产等要求。这是焊接工艺指导书不能

24、解决的，也不是焊接工艺评定的范围，这只能由焊接工艺规程来实现。9.2焊接工艺规程是制造焊件所有相关的加工和实践要求的细则文件，可保证由熟练焊工操作时的质量再现性。焊接工艺规程是焊接工艺人员依据评定合格的焊接工艺，针对具体的焊接接头，根据本单位能力与条件，运用焊接实践知识和理论知识编制而成的。焊工必须严格执行焊接工艺规程，才能确保压力容器的焊接质量。10.压力容器常用焊接方法及特点 手工电弧焊 埋弧自动焊 钨极气体保护焊 熔化极气体保护焊 等离子弧焊 电渣焊11.焊接材料包括焊条、焊丝、焊带、焊剂、保护气体等12. 焊接设计是压力容器设计一个重要组成部分，包括焊接方法 层间温度焊接材料 后热焊接

25、坡口 焊后热处理焊接接头型式 检验预热 检测 13. 压力容器焊接设计原则13.1选用焊接性能良好的母材13.2尽量减少焊接工作量a减少焊缝数量b减少坡口截面积c焊缝最好为直线或圆以利使用机械化、自动化焊接方法 13.3合理布置焊缝a焊缝宜对称布置b不采用十字交叉c两焊缝之间最小距离最好不小于100mmd不在受力截面突变处设置焊缝13.4焊接施工及焊接检验方便，减少现场焊接工作量13.5有利于生产组织与管理 14.选择焊接方法应符合以下要求a能保证压力容器质量可靠、生产效率高、生产成本低。b焊接方法一经确定，则坡口形式、焊接材料、焊工合格项目、焊接工艺、所需工艺装备（装置）等则随之确定。c各种

26、压力容器常用焊接方法各有不同特点和适用条件，应根据产品特点和制造厂的生产条件选用。 15焊接接头设计15.1压力容器焊接结构设计时，为做到合理地选择焊接接头的类型，应综合考虑如下因素：a设计要求：保证接头满足使用要求。b焊接和无损检测的难易与焊接变形：操作容易实现，焊接应力小，变形能够控制。c焊接成本：接头准备和施工时费用低，经济性好。d施工条件：制造施工单位具备完成施工要求所需的技术、人员和设备条件。16压力容器焊后热处理及其目的16.1焊后热处理 是指为改善焊接接头的组织和性能，消除焊接残余应力等影响，将焊接接头及其邻近局部在金属相变点以下均匀加热到足够高的温度，并保持一定的时间，然后缓慢

27、冷却的过程。 16.2焊后热处理的目的a焊后热处理可以松弛焊接残余应力，软化淬硬区，改变组织形态，减少含氢量，尤其是提高某些钢种的冲击韧性，改善力学性能。b如果焊后热处理的温度过高或保温时间过长，反而会使焊缝金属中碳化物聚集、粗化，或脱碳层厚度增加，从而造成力学性能、蠕变强度及缺口韧性的下降。16.3需要进行焊后热处理的条件a容器的焊后热处理需要大型热处理装备，消耗大量能源。所以，应综合考虑容器的安全性与经济性，科学设定是否需要进行焊后热处理。b由于影响因素较多，尚难判断将焊接应力限制在什么水平是适宜的。c焊接应力的大小一般与材质、钢材厚度、预热温度三个因素有关 16.4影响焊接应力的大小的因

28、素a材质 随着钢材强度级别的提高及合金含量的增加，其焊接性变差，在相同的焊接工艺条件下易产生焊接缺陷。b钢材厚度 钢材厚度越大则意味着焊缝越深，焊缝冷却后收缩的倾向越强；且刚性增大，抵抗局部收缩变形的能力越强，从而产生较大的焊接残余应力。c预热温度 焊前预热可减缓焊缝部位与其它部位的温度梯度，能减缓高峰值焊接应力的产生。16.5GB150等标准依据各种材质、厚度以及预热温度设定压力容器需进行焊后热处理的条件 16.6但是，如果是图样上注明有应力腐蚀的容器、盛装毒性为极度或高度危害介质的容器，不论其材质、厚度和预热温度如何，都应进行焊后热处理。16.7除图样另有规定，奥氏体不锈钢的焊接接头可不进

29、行焊后热处理。 17焊后热处理的方法1)炉内整体热处理2)分段炉内热处理3)局部热处理4)现场热处理18预热、层间温度和后热18.1层间温度相当于预热，当不要求预热时，层间温度应加以控制，尽量降低层间温度；而要求预热时，应控制层间温度不得低于预热温度。18.2后热的目的是加快焊接接头中氢的逸出，是防止焊接冷裂纹的有效措施。18.3后热应在焊后立即进行，后热温度与钢材有关，但一般为200350。温度太低，消氢效果不明显；温度过高，若超出马氏体转变终了温度则容易在焊接接头中保留残存的马氏体组织。19焊接变形与焊接应力的产生a焊接是一种局部加热过程。b熔池冷却凝固成为焊缝后将继续冷却到环境温度。c随

30、着温度的变化，体积相应发生变化，即局部的膨胀和收缩。d焊件局部膨胀和收缩，会引起焊件的变形。e当上述局部体积变化受到限制，就造成焊件内的应力。f在焊后残留于工件的变形和应力称为残余变形和残余应力。 20焊接变形的种类a纵向（沿焊缝方向）和横向（垂直于焊缝方向）变形b是焊接变形的最基本形式c角变形，亦称转角变形21.焊接变形的种类a弯曲变形b波浪变形c.扭曲变形，亦称螺旋变22减少焊接变形的措施a设计方面b工艺方面c焊后矫形23焊接残余应力产生原因 总的来说，焊接应力是焊接过程中焊件体积变化受阻而产生。在焊接过程中引起体积变化的主要原因是：由于温度降低体积收缩和低温时组织转变而引起的体积变化。 24降低焊接残余应力的措施 a设计方面b工艺措施25焊接残余应力的消除25.1对于有