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文檔簡介

1、F80螺旋板換熱器機械設計摘 要根據(jù)所給定的溫度、壓力、換熱面積等設計參數(shù),參考相關文獻和查閱相關設計資料,以給定的設計參數(shù)為基礎逐步計算出各項設計數(shù)據(jù),實現(xiàn)F80螺旋板式換熱器的工藝計算、結(jié)構(gòu)和強度設計。設計內(nèi)容包括螺旋通道的幾何設計、螺旋板等零件材料的選擇及強度剛度的計算。在進行結(jié)構(gòu)設計時,需要考慮的因素有適用壓力溫度的范圍,材料的性質(zhì),介質(zhì)性質(zhì),結(jié)垢特點,檢修清洗難易程度等。綜合考慮各種因素,選擇出最合理的結(jié)構(gòu)形式,并根據(jù)所設計的結(jié)構(gòu)繪制出符合要求的F80螺旋板式換熱器的圖紙。在F80螺旋板式換熱器設計過程中,設計要按照相關的步驟及規(guī)定進行,以使最后的設計成果符合規(guī)定要求,同時考慮實際生

2、產(chǎn)條件及生產(chǎn)要求,實現(xiàn)安全生產(chǎn)。關鍵詞:螺旋板;螺旋通道;換熱器;強度 ABSTRACTAccording to the given design parameters such as temperature, pressure, heat transfer area,reference literature and consult relevant design data,calculated on the basis of the design parameters of a given step by step all the design data, realize the F80 p

3、rocess calculation of spiral plate heat exchanger, the structure and strength design.Design content including spiral channel geometry design , spiral plate heat transfer components stiffness of the material selection and strength calculation. In structural design, factors to consider are suitable pr

4、essure and temperature range, the nature of the material, dielectric properties, scale, maintenance cleaning degree of difficulty. Comprehensive consideration of various factors, then choose the most reasonable structure form from them, and according to the designed F80 spiral plate heat exchanger s

5、tructure map to meet the requirements of the drawings. In the process of F80 spiral plate heat exchanger design, the design to be carried out in accordance with the relevant procedures and regulations, in order to make the final design results conform to the requirements of the regulations, at the s

6、ame time, considering the actual production conditions and production requirements, realize safe production.Key words spiral ;spiral passage ;heat exchanger ;strength 目 錄1 緒論11.1 換熱器的概念和意義11.2 換熱器的分類及特點11.2.1 板、管式換熱器11.2.2 直接接觸式換熱器11.2.3 蓄能式換熱器11.3 螺旋板換熱器21.3.1 螺旋板換熱器的國內(nèi)外發(fā)展概況21.3.2 螺旋換熱器的概述和分類31.3.3

7、 螺旋板式換熱器的結(jié)構(gòu)特點41.4 設計的任務和思想41.4.1 設計的任務41.4.2 設計的思想52 螺旋板式換熱器的結(jié)構(gòu)設計62.1 螺旋板式換熱器的外殼62.2 進出口的設計62.2.1 接管外伸長度72.2.2 接管最小位置72.3 殼體與各零部件的連接72.4 密封結(jié)構(gòu)72.4.1 焊接密封82.4.2 墊片端蓋密封82.5 螺旋板的剛度83 螺旋板式換熱器的設計計算103.1 螺旋板式換熱器的工藝參數(shù)103.2 選取設計數(shù)據(jù)103.3 螺旋板式換熱器的幾何設計103.3.1 螺旋體的繪制103.3.2 偏心距113.3.3 中心隔板寬度113.3.4 螺旋通道長度113.3.5

8、螺旋板圈數(shù)123.3.6 螺旋體有效換熱圈數(shù)123.3.7 螺旋體外徑124 螺旋板式換熱器的結(jié)構(gòu)尺寸134.1 密封結(jié)構(gòu)134.2 定距柱134.3 換熱器外殼134.4 進出口接管直徑144.5 中心隔板尺寸144.6 半圓端板154.7 法蘭154.8 支座164.9 接管外伸長度及接管位置165 螺旋板的強度、撓度計算與校核175.1 螺旋板的強度計算175.2 螺旋板的撓度計算185.3 螺旋板式換熱器的穩(wěn)定性校核185.4 水壓試驗時應力校核196 焊接工藝216.1 不銹鋼的焊接216.2 常用焊接結(jié)構(gòu)的設計原則226.3 主要部件的焊接工藝236.3.1 筒體的焊接工藝236.

9、3.2 卷制螺旋體焊接工藝236.3.3 中心隔板與螺旋板的焊接工藝247 螺旋板式換熱器的制造、安裝以及運輸267.1 材料的驗收267.2 螺旋板式換熱器的制造工藝277.3 螺旋板的制造277.3.1 螺旋板板材的下料277.3.2 螺旋板的定距柱277.3.3 中心隔板277.3.4 支承環(huán)287.3.5 特殊處理287.4 外殼的制造287.4.1 外殼的焊接287.4.2 外體主焊縫的檢測2875 螺旋板式換熱器的安裝297.6 容器的銘牌要求297.7 壓力容器的油漆、包裝、運輸29結(jié) 語30參考文獻31致 謝321 緒論1.1 換熱器的概念和意義換熱器(又稱熱交換器)是一種能將

10、能量從熱流體傳遞給冷流體,使流體溫度達到一定指標,使其滿足工藝流程的規(guī)定的熱量交換設備。換熱器能實現(xiàn)多種物料之間的熱量傳遞,并具有節(jié)能經(jīng)濟效果,因此不同種類的換熱器其廣泛應用于石油、化工、石油化工、冶金等重工業(yè),以及食品等輕工業(yè)。在煉油、化工裝置中換熱器占總裝備數(shù)量的40%左右,占企業(yè)的總投資的30%45%。隨著節(jié)能技術的不斷發(fā)展,不斷創(chuàng)新,換熱器的應用領域日益擴大,各類型具有不同功能的換熱器不斷推陳出新,各類技術不斷應用在換熱器上。換熱器的廣泛使用能讓有限的能源得到充分利用,能源的利用率不斷得到提高,這讓企業(yè)在生產(chǎn)過程中使用的成本得到降低,經(jīng)濟效益因此也得到提高。1.2 換熱器的分類及特點換

11、熱器廣泛應用在各行業(yè)中,由于換熱器所處的工作環(huán)境不同,進行熱交換的介質(zhì)的種類不同,介質(zhì)的溫度不同,設計的壓力也不同,具體工作要求也不同,為此科技人員研發(fā)出了不同的種類的換熱器,結(jié)構(gòu)型式和所具備的功能亦不同??梢詮膫鳠嵩砩系牟煌瑢⑵浞诸悶橐韵聨追N:1.2.1 板、管式換熱器板、管式換熱器的原理是熱介質(zhì)通過金屬或非金屬材質(zhì)的換熱板、管將熱量傳遞到冷介質(zhì)中的傳熱裝置。這一類換熱器的使用量在企業(yè)裝置中占極大的部分,在各領域中都能見到其的存在。這類換熱器具有使用效率高、制造體積小、總重量輕、可同時處理兩種以上的介質(zhì)、結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)點。1.2.2 直接接觸式換熱器其工作原理主要是兩種介質(zhì)直接接觸時熱介質(zhì)立

12、即將熱量傳遞給冷介質(zhì),實現(xiàn)傳熱,接觸面積的大小決定了傳熱量的大小,因此這類換熱器又稱混合式換熱器。直接接觸式換熱器適合于氣、液兩流體之間的換熱,比如工廠中使用的冷卻塔、冷卻冷凝器等。這種換熱器設備結(jié)構(gòu)非常簡單,單位容積上同比其他換熱器,所能提供的傳熱面積大、傳熱效率高,因為結(jié)構(gòu)簡單制造過程難度小,所花成本更底。1.2.3 蓄能式換熱器蓄熱式換熱器的原理是以一種固體物質(zhì)為中介,熱介質(zhì)先將熱量傳遞給中介物質(zhì)讓其達到一定的溫度后,中介物質(zhì)的熱量才被冷介質(zhì)吸收,從而達到熱量的傳遞,故此類換熱器較適合于氣體與氣體的熱交換,如煉焦爐下方用于預熱空氣的蓄熱室。這類換熱器的優(yōu)點為結(jié)構(gòu)緊湊、單體體積傳熱面積大、

13、制造成本低。其可以讓高溫廢氣中的熱量得到有效回收和利用。1.3 螺旋板換熱器1.3.1 螺旋板換熱器的國內(nèi)外發(fā)展概況螺旋板式換熱器的結(jié)構(gòu)最早是由瑞典的羅森勃來特(Rosemblad)在1930年提出,在1932年用這個人的名字命名的Rosemblad公司為螺旋板式換熱器申請了專利,成批制造了這類換熱器。自從螺旋板換熱器問世以來,由于其具有傳熱性能好,傳熱溫差小,結(jié)構(gòu)緊湊,自潔能力強,設備制造成本較低,制造簡單,設備占地面積小,效率高等優(yōu)點,廣泛應用于各個工業(yè)領域。螺旋板換熱器被世界上其它國家先后設計并制造出來,這類產(chǎn)品一系列的標準也被制定了出來。其中著名的公司有英國APV公司、美國AHRCO公

14、司、西德ROCA公司、日本的“大江”和“川化”公司等。前蘇聯(lián)也于1966年頒布了關于螺旋板式換熱器的國家標準TOCT12067。無論是日本還是美國、西歐、北歐,這些國家在螺旋板式換熱器方面起步早,研究得更為深入,所得成果也更為豐富,在原來的基礎上不斷改進和研究,其制造水平已達世界前列。目前各國對螺旋板式換熱器的研制以西歐和北歐水平最高,目前公認的一流的螺旋板式換熱器制造廠商是來自瑞典的阿法一拉伐(ALFA-LAVAL)公司。而我國在1950年后才開始使用螺旋板式換熱器,相比國外有點晚,當時主要是仿制。標準化、系列化工作在1970年被原一機部機械研究所和蘇州化工機械廠不斷地開展,部頒標準JB12

15、8773也被成功制定了出來,同時“螺旋板式換熱器圖紙選用手冊”也被編制了出來,這些成果對螺旋板式換熱器的應用和推廣起到了極大的作用。螺旋板式換熱器強度和剛度在原南京化工學院和廣西大學的研究下得到好的進展,JB/TQ724-89螺旋板式換熱器制造技術條件、JB53012螺旋板式換熱器制造質(zhì)量分級,這三大標準的頒發(fā)構(gòu)成了我國螺旋板式換熱器的整個體系框架。而我國螺旋板式換熱器的設計、制造、檢驗與驗收更加規(guī)范化的標志是綜合性行業(yè)標準螺旋板式換熱器的頒發(fā)。國外螺旋板式換熱器的發(fā)展起步早,在材料應用,工藝選用,結(jié)構(gòu)設計,設計理論等方面都研究得更為深遠。定距柱接觸焊和螺旋板自動翻邊等先進工藝先后被生產(chǎn)企業(yè)采

16、用,其螺旋板式換熱器在各個領域的應用相比我國更為深入和廣泛,而我國相對要落后。我國研究人員需要努力克服困難,不斷鉆研技術,創(chuàng)新,為早日達到行業(yè)前列而努力。1.3.2 螺旋換熱器的概述和分類螺旋板換熱器是由兩張平行的金屬板卷制成兩個螺旋形通道,冷熱流體之間通過螺旋板壁進行換熱的換熱器。其由外殼、螺旋體、密封及進出口等零部件組成。螺旋板換熱器有可拆的和不可拆的兩種不同的型式是由于其結(jié)構(gòu)的可拆性而形成。 圖1 不可拆式螺旋板式換熱器如圖1所示的是不可拆式螺旋板換熱器,它的總體結(jié)構(gòu)非常簡單,采用將密封條墊入通道兩端后密封的方式(稱為I型)??刹鹗铰菪鍝Q熱器按通道兩端是否敞開也可以分兩種。一種是螺旋通

17、道兩端面被交錯焊死,兩端面的密封結(jié)構(gòu)為端蓋加墊片的方式,可分別從兩端進行螺旋體內(nèi)的清洗工作(稱為II型)。另一種是焊死一個通道兩端,敞開另一個通道兩端,端蓋加墊片的密封結(jié)構(gòu)被用于兩端面(稱為III型)。在可拆式螺旋通道中為了避免流體泄漏或者短路一般采用平扳蓋和墊片密封。用定距柱支撐住兩板可以很好地讓螺旋板的承壓能力得到提高,筒體上的流體進出口接管一般有兩種設置方式,法向或者切向??紤]到流體阻力和雜質(zhì)是否容易被沖掉等因素,目前在國內(nèi)一般使用切向接管。為了換熱器可被立放,也可被臥放,一般采用回轉(zhuǎn)支座。冷熱流體在螺旋通道中的流動阻力小,因而將設計流速提高是個可行的提高傳熱能力的方法。1.3.3 螺旋

18、板式換熱器的結(jié)構(gòu)特點(1)傳熱性能好。流動死區(qū)在螺旋通道中是不存在的,定距柱及螺旋通道的擾動可以讓流體的臨界雷諾數(shù)得到降低。(2)自我清潔能力強、不容易污染堵塞。螺旋板式換熱器的污垢熱阻之所以相比管殼式換熱器污垢熱阻降低了30%左右是因為通道的形狀,以及等截面矩形的螺旋通道的緣故(3)散熱造成的損失小。熱流體可直接經(jīng)接管進入換熱器內(nèi)部,且保溫措施可加裝于兩側(cè)螺旋通道端面,這樣可以減少熱量散發(fā)到環(huán)境中。(4)傳熱溫差小。全程采用逆流的操作方式,均勻的螺旋通道可以讓流體不斷地傳熱,可以做到精確地人為控制出口溫度。(5)溫差應力小。溫度的突變區(qū)在螺旋通道內(nèi)部不存在的,螺旋板的熱脹冷縮量可以被螺旋體的

19、通道間隙均勻的吸收掉(6)結(jié)構(gòu)緊湊、密封結(jié)構(gòu)可靠。同體積管殼式換熱器的傳熱面積只有螺旋板式換熱器的三分之一。換熱器兩通道端部采用焊接密封和端蓋壓緊,可防止介質(zhì)內(nèi)漏。承受壓力壓強能力受到限制,在發(fā)生故障時檢測維修的難度太大等問題一直困擾著螺旋板式換熱器的發(fā)展。1.4 設計的任務和思想1.4.1 設計的任務當今世界經(jīng)濟發(fā)展的主題不再是追求經(jīng)濟的增長,而是節(jié)能環(huán)保。世界經(jīng)濟日益全球化,各個企業(yè)的生產(chǎn)規(guī)模日益擴大,經(jīng)濟的發(fā)展離不開能源,經(jīng)濟的快速發(fā)展需要更多的能源來支持,開發(fā)節(jié)能設備和提高設備的能源利用率成為企業(yè)發(fā)展的重中之重。現(xiàn)如今提高傳熱推動力對于螺旋板式換熱器的發(fā)展而言是一種趨勢,傳熱推動力決定

20、了換熱器的傳熱效率,而且污垢對換熱器的傳熱效果也有較大的影響,這就需要減少換熱器中的污垢,在設計時合理選擇設計流速,降低動力損失,提高傳熱效率。本課題是螺旋板式換熱器中的機械設計部分,主要內(nèi)容是完成換熱器的總體結(jié)構(gòu)設計以及零件的強度校核等。結(jié)構(gòu)設計需要考慮制造成本和加工合理的前提,選擇合適的零件材料與結(jié)構(gòu),設計過程要考慮是否容易生產(chǎn)、安裝和檢驗、清洗以及維修等;強度計算及校核主要是針對螺旋板式換熱器半圓簡體、中心隔板、螺旋板等零件的強度,厚度的計算,保證結(jié)構(gòu)強度符合生產(chǎn)使用要求。1.4.2 設計的思想設計過程要嚴格按照國家和行業(yè)的執(zhí)行標準,參考行業(yè)目前現(xiàn)有的先進技術,最終達到生產(chǎn)效率較高,加工

21、制造成本合理,產(chǎn)品質(zhì)量較好,而且符合安全生產(chǎn)的要求。具體要求主要有以下幾點:(1) 設計過程主要按照國標GB16409-1996板式換熱器與GB150-1998鋼制壓力容器。(2) 加工工藝要符合要求,設計完成的工藝流程與裝置能確保獲得合格的產(chǎn)品質(zhì)量,同時保證可以控制流速和提高傳熱效率。(3) 符合合理的制造成本要求,設計過程中要考慮到制造的各個方面,比如能源的消耗,制造裝置和運輸?shù)慕?jīng)費,以確保在符合工藝要求的前提下,使制造成本達到最合理的范圍。(4) 確保生產(chǎn)安全,使螺旋板、殼體的剛度和強度符合加工要求2 螺旋板式換熱器的結(jié)構(gòu)設計 2.1 螺旋板式換熱器的外殼螺旋板式換熱器的結(jié)構(gòu)示意圖,如圖

22、2所示。內(nèi)壓或外壓作用于螺旋板式換熱器的外殼上,部分螺旋板式換熱器制造廠商在制造加工時將最外一圈螺旋板增加一定的的厚度以防外殼的承壓能力不足,因為螺旋形的外圈在焊接時產(chǎn)生了一條縱向的角焊縫,而且角焊縫的受力較差,外殼強度不易得到保證,所以一般不采用這種結(jié)構(gòu)。而改進的方法是采用兩個半圓環(huán)組合焊接成外殼,這樣可以提高外殼的承壓 圖2 螺旋板式換熱器結(jié)構(gòu)示意圖能力,連接板是將螺旋板與外殼連接的零件,極其重要。為了讓連接板與螺旋板及外殼得到很好的連接,首先需要用對接焊接的方式將螺旋板與連接板焊接,再經(jīng)過無損探傷,確定合格后,兩個半圓形的外殼被采用有襯板的對接焊縫的結(jié)構(gòu)與連接板焊接,這種焊接結(jié)構(gòu)可以將焊

23、件牢固的焊接在一起而不會產(chǎn)生角焊縫,既保證了焊接質(zhì)量,也提高了螺旋板式換熱器的承壓壓力。殼體厚度計算及校驗在之后進行。2.2 進出口的設計在螺旋板式換熱器的殼體通常會安裝有進出口接管、支座等等,進出口接管在殼體焊接安裝,需要在殼體開孔,而開孔一定會削弱殼體的局部位置的強度。進出口接管的設置需要考慮傳熱的影響和壓降的影響,同時也需要考慮這些結(jié)構(gòu)對殼體局部強度的影響,外觀是否美觀和諧,安裝是否合理、方便等等因素。在不可拆式螺旋板式換熱器中一般都要有中心管,而中心管被安置在垂直于筒體的橫截面,而螺旋通道的接管存在兩種形式,一種是法向接管,接管垂直于筒體軸線方向。流體需要旋轉(zhuǎn)90.才能進入螺旋通道。另

24、一種是切向接管。流體經(jīng)接管逐漸流入進入通道時,沒流動方向上沒有突變,阻力較小,利于雜質(zhì)從螺旋體中排出,在加工難度上切向接管加工要比垂直接管大。所以兩種接管各有千秋,設計是要根據(jù)具體情況和要求來定。2.2.1 接管外伸長度 通常是指接管法蘭面與管箱殼體外壁之間的長度,影響其的因素有法蘭種類,焊接條件,螺栓裝卸,以及保溫情況等。最短長度范圍可由公式(1)計算確定: (mm) (1) 式中:h接管法蘭厚度,mm; h1接管法蘭的螺母厚度,mm; 保溫層厚度,mm; 接管外伸長度,mm。 接管伸身長度具體在之后計算出。2.2.2 接管最小位置在設計接管位置時要從降低殼體長度,減輕設備的重量,充分利用換

25、熱面積等方面考慮,同時要保證設備的制造和便于安裝。設接管的最小位置在殼體的高度的一半。2.3 殼體與各零部件的連接由于設計的是不可拆式螺旋板式換熱器,均采用焊接的方式將其連接。將密封條墊入螺旋通道兩端后采用焊接方式密封;將側(cè)面搭接選為中心隔板與螺旋板的焊接結(jié)構(gòu);采用全熔透焊縫的焊接方式將半圓端板與中心隔板;采用雙面V形坡口對接焊縫的方式將連接板與殼體連接,采用兩個半圓對接焊接形成外殼;采用插入式焊接法焊接接管與殼體,要求與管箱殼體的內(nèi)壁平整。按照GB150-1998鋼制壓力容器中有關章節(jié)的規(guī)定計算接管最大直徑與殼體允許開孔直徑范圍,開孔補強。2.4 密封結(jié)構(gòu)螺旋板式換熱器是否能正常的運轉(zhuǎn)取決于

26、密封結(jié)構(gòu)的好壞,。一點點的泄漏也會使得螺旋板式換熱器的承壓能力下降,冷熱兩流體相混不能正常傳熱,所以如何設計好密封結(jié)構(gòu)成為重中之重。螺旋板式換熱器一般是采用焊接密封和墊片端蓋密封,這兩種結(jié)構(gòu)各有優(yōu)點缺點。2.4.1 焊接密封 焊接密封一般是將通用方鋼或者與通道寬度相同的圓鋼條墊入鋼板,然后卷制焊接。方鋼的摩擦力相比圓鋼較大,在卷床上卷制時消耗的功率比較大,從節(jié)省能源方面考慮,更傾向于采用圓鋼焊接密封,這是國內(nèi)大多采用的焊接密封結(jié)構(gòu)。還有一種焊接結(jié)構(gòu)是將一邊通道的鋼板壓成斜邊后與另一通道的鋼板焊接。而這種焊接密封結(jié)構(gòu)更簡單,加工起來也更方便。2.4.2 墊片端蓋密封 為了更好地焊接密封,卷制好的

27、螺旋板,需要磨平螺旋通道的兩端,使其光潔度達到規(guī)定要求,將螺旋通道需要一片墊片封住,墊片的外徑要與端蓋密封面外徑相等,墊片材料的選擇,應考慮根據(jù)冷程和熱程介質(zhì)特性以及溫度;為達到密封要求需要把端蓋上螺栓與外殼上法蘭連接。密封時需要端蓋來壓緊墊片,當采用平蓋形式時,受壓過大時容易產(chǎn)生撓度,短路時常在螺旋通道中發(fā)生,傳熱效果不好,容易導致?lián)Q熱器失效。所以在設計壓力較低時才會采用平蓋。一定直徑的鋼管被焊接在橢圓形端蓋內(nèi)中心部分,主要是保證大直徑的換熱器的螺旋通道端面和密封板能很好的貼合,不發(fā)生泄漏。鋼管直徑最好在(0.250.35)Di以內(nèi)(Di為螺旋體內(nèi)徑),金屬壓環(huán)被焊在在鋼管另一端,壓環(huán)墊片被

28、放置于壓環(huán)與密封板之間,同時要求此墊片的厚度比法蘭密封墊片的厚度薄0.5。采用橢圓端蓋時,橢圓端蓋與筒體法蘭被螺栓拉緊,密封板被鋼管向下壓緊,使得密封更加牢靠。橢圓端蓋的承壓能力是比平蓋形端蓋要高,但同樣有缺點,容易受加工尺寸的誤差影響,從而影響密封效果。 2.5 螺旋板的剛度螺旋體是由較薄的鋼板焊接而成,而且通道間距遠大于螺旋體厚度。,在制造或者搬運過程受壓容易被壓癟或者壓破,所以螺旋板的剛度是設計過程需要著重考慮的問題。在制造生產(chǎn)中,設備之所以會被壓癟而失穩(wěn),不能正常工作,是因為換熱器兩通道的壓力差大于一定的數(shù)值,設備剛度不夠引起的。而一味的增加板厚來提高螺旋板剛度不是最有效的辦法,卷制螺

29、旋體對所需的功率會隨著板厚得增加而增加,這無疑會使得設備的制造成本提高,而且設備的總重也會隨著螺旋板厚度的增加而增加。所以為了增加螺旋板的剛度,同時又要保持螺旋通道的寬度一致,定距柱和定距泡被普遍的應用在螺旋通道中,目前普遍采用提高螺旋板的剛度和承壓能力的辦法是把定距柱或者定距泡的距離縮短,同時把定距柱或者定距泡的數(shù)量增大。一般使用短圓鋼條作為定距柱,其材料根據(jù)情況來確定。定距泡是在螺旋板上沖出一泡,螺旋體通道的寬度決定了圓柱或泡大小,一般為520,定距柱的直徑一般為1215,提前將其焊在鋼板上以防在卷制螺旋體時無法固定。定距柱(或定距泡)雖然有提高螺旋板的剛度的作用,但數(shù)量過多時會增大流體阻

30、力,通道中的雜質(zhì)有可能會沉淀而不易排出,所以定距柱的數(shù)量要合理。采用不同的排列方式,定距柱的數(shù)量會有差別。按等邊三角形排列,其間距常用的為8080,100100,150150,200200,安置的定距柱數(shù)量較多,而按正方形排列的,安置的定距柱數(shù)量較少,但清洗較容易。通道間距的不同,以及偏心距使得兩板的曲率半徑不一樣,在相同的受力狀態(tài)下,由于外圈螺旋體比內(nèi)圈螺旋體的曲率半徑要大,經(jīng)強度計算,板的厚度會大一點。由于兩通道的受力不同,壓力小的通道,鋼板的厚度也會小一點。因此,用來卷制成螺旋體的螺旋板的厚度可以不同。但是,由于螺旋通道寬度一般為520,所以兩螺旋體的曲率半徑相差不會很大,按溫度計算出的

31、兩板厚度相差也不會很大。選擇一樣厚度的鋼板來卷制螺旋體。3 螺旋板式換熱器的設計計算3.1 螺旋板式換熱器的工藝參數(shù)選取如表1的工藝參數(shù)表1 螺旋板式換熱器的工藝參數(shù)設 計 條 件: 熱 程 冷 程工作介質(zhì): 廢熱水 空氣設計溫度: 85 40設計壓力: 0.75 MPa 0.65MPa 焊縫系數(shù): 0.85 0.85 腐蝕余量: 3 2換熱面積: 80m23.2 選取設計數(shù)據(jù)根據(jù)換熱器設計手冊第3章 表2-3-1 螺旋板式換熱器的主要設計參數(shù) 選取螺旋板厚度= 2 mm;螺旋板寬度H=900 mm;螺旋體外徑=1200 mm;螺旋通道間距 =10 mm、=14 mm;中心管直徑=300mm3

32、.3 螺旋板式換熱器的幾何設計3.3.1 螺旋體的繪制前面選定的螺旋板厚度,螺旋通道間距、,設+=t,t為節(jié)距。卷輥直徑是由卷制螺旋板的卷床設備決定,半卷輥的直徑分別為、,則中心隔板寬W可由W=-+=-+求出。以中心隔板為基本零件畫水平及垂直中心線,確定中心點o。螺旋通道的左右兩圓心、分別在水平中心線兩側(cè)取、的距離而得。以左圓中心為圓心,=為半徑,從右往左開始畫半圓,旋轉(zhuǎn)180進入第二圈;第二圈以右圓心為中心,以=+t為半徑畫圓,第三圈以左圓心為中心,以 =+t=+2t為半徑畫圓,依次計算畫出一條螺旋體,而另一條螺旋體以右圓心為中心,=為半徑,從左往右畫圓,第二圈是以左圓心為中心,以=+t為半

33、徑畫圓;第三圈以右圓心為中心,以=+t=+2t為半徑畫圓,依次類推可以畫出另一條螺旋體。這樣通道間距為、,螺旋板厚度為的螺旋體就畫出來了。螺旋體通道如圖3所示 如圖3 螺旋體通道3.3.2 偏心距參考換熱器設計手冊,由公式(2)和公式(3)計算偏心距。 (2) (3)其中=10 mm、=14 mm;= 2 mm,代入數(shù)據(jù)得=6 mm、=8 mm3.3.3 中心隔板寬度選取側(cè)面搭接將中心隔板與螺旋板焊接起來,中心隔板寬度參考換熱器設計手冊,由公式(4)計算 (4)其中=10 mm、=14 mm、300mm、= 2 mm,代入數(shù)據(jù)得W=286 mm3.3.4 螺旋通道長度由于 (5)其中F=80

34、;H=0.9 m代入得L=44.4 m3.3.5 螺旋板圈數(shù)選取的螺旋中心管直徑d=0.3 m;螺旋板厚度=2 mm;L=44.4 m;=10 mm、=14 mm不等通道寬度的螺旋圈數(shù)由以下公式(6)(化工設備設計全書 換熱器第257頁)計算 (6)將以上數(shù)據(jù)代入公式(6)得=35.4圈3.3.6 螺旋體有效換熱圈數(shù)螺旋體有效換熱圈數(shù)與換熱器螺旋通道圈數(shù)相等。在設計螺旋板式換熱器時,采用外圈板,所以螺旋板圈數(shù)參照換熱器設計手冊,由公式(7)計算: (7) 所以 =35.4 圈3.3.7 螺旋體外徑按公式(8)(化工設備設計全書 換熱器第257頁)計算 (8)將d=0.3 m; =2 mm; =

35、10 mm、=14 mm代入式子得=1303.2 mm而前面選取的螺旋體外徑=1200 mm,所以假設值與計算值之間相差: 即相差8.6%說明前面選取的螺旋體外徑=1200 mm可用。4 螺旋板式換熱器的結(jié)構(gòu)尺寸因為是廢熱水與空氣的熱量交換。廢熱水可能具有酸性或堿性,因此換熱器的零部件大多采用不銹鋼0Cr18Ni9材料制造。本換熱器的結(jié)構(gòu)采用不可拆式設計。選擇流體的流向:廢熱水經(jīng)熱程接管從中心管流入換熱器,沿著螺旋通道向外周流出,空氣經(jīng)冷程接管從外周流向中心,經(jīng)過螺旋通道的充分換熱后向中心排出,熱程、冷程流體均呈螺旋流動,全逆流操作。4.1 密封結(jié)構(gòu) 圓鋼條被墊入螺旋通道進行焊接密封,其它結(jié)構(gòu)

36、也是通過焊接來密封。鋼條材料選用Q235B。4.2 定距柱之所以在螺旋通道中安置定距柱,是因為定距柱的作用有:(1)可以控制通道間距;(2)可以增加螺旋體的強度和剛度;(3)使湍流更容易在流動介質(zhì)中發(fā)生,同時傳熱的作用得到強化。一般將短圓鋼條作為定距柱,定距柱的尺寸與螺旋通道寬度和相同。由選取的通道寬度=10 mm、=14 mm,可選取直徑為10 mm,長分別為12mm和16mm的定距柱,其排列方式按等邊三角形排列。定距柱采用0Cr18Ni9材質(zhì)。4.3 換熱器外殼外殼是由兩個半圓對接焊接而成的,其主要受到內(nèi)力作用,外力作用忽略不計,所以外殼的厚度按承受內(nèi)壓的圓筒計算公式來計算,由公式(9)(

37、化工設備設計全書 換熱器第259頁)計算得: (9)其中設計壓力為=0.825 ,圓筒半徑R=600 mm,壁厚附加量=0,不銹鋼0Cr18Ni9材料同樣被選作殼體材料。其=520;=205;=3;=1.5 取最小值136.7又因為是采用雙面V形坡口對接焊縫的方式來把連接板與殼體連接,所以取=0.85將已知或算出的數(shù)據(jù)代入公式(9)可得: 4.3從換熱器設計手冊表1-6-3中取不銹鋼板厚度為8 mm。4.4 進出口接管直徑中心管與螺旋板橫斷面垂直,螺旋通道上的接管也采用垂直設置。熱程(廢熱水)通道截面積為 = (10)將已知數(shù)據(jù)代入公式得=0.0126 冷程(空氣)通道截面積為 = (11)將

38、已知數(shù)據(jù)代入得=0.009 設通道截面積等于管的截面積,那么熱程通道的接管直徑為 (12)將上式所得數(shù)據(jù)代入公式得=0.127=127選用的鋼管冷程通道的接管直徑為 (13)將上式所得數(shù)據(jù)代入得=0.107=107選用的不銹鋼管接管的材質(zhì)均采用0Cr18Ni9不銹鋼。4.5 中心隔板尺寸0Cr18Ni9同樣被選做螺旋板的材質(zhì),其厚度=2 mm,寬度H=900 mm.由3.3.3計算出中心隔板寬度W=286 mm中心隔板的高度要與螺旋板的高度一致,即900mm隔板寬度、螺旋板寬度、壓力等決定了中心隔板的厚度 參考換熱器設計手冊,由公式(14)計算: (14)公式中W中心隔板寬度 J系數(shù)根據(jù)I值按

39、換熱器設計手冊圖2-3-20查得J=0.75,代入上式得15 mm.腐蝕余量為3mm所以15+3=18mm4.6 半圓端板半圓端板的材料選用Q235B。全熔透焊縫的結(jié)構(gòu)被半圓端板與中心隔板連接采用,按換熱器設計手冊公式(15)計算其厚度: (15)式中r卷輥胎模半徑,取r=600 mm 代入數(shù)據(jù)得39 mm4.7 法蘭壓力容器法蘭按照其自身結(jié)構(gòu)形式的不同可以大致分為:整體法蘭、活套法蘭和任意形式法蘭三種類型。(1) 整體法蘭:法蘭和容器筒身通過焊接連成一個整體,故稱為整體法蘭。整體法蘭中又有平板法蘭和錐頸法蘭兩種。平板法蘭是通過法蘭環(huán)和圓筒相連接,一般適用于壓力較低且尺寸較小的場合。錐頸法蘭是

40、法蘭環(huán)不與圓筒直接相連,而是通過錐頸與其間接連接。這個過渡錐頸可以使整個結(jié)構(gòu)受力均勻,從而使其強度較高。一般適用于溫度、壓力較高且尺寸較大的場合。(2) 活套法蘭:即法蘭環(huán)和容器筒身或其它零部件之間,不是通過焊接連成一個整體,而是相互之間可以保持一定的自由移動。其特點就是安裝、更換、檢測非常方便。由于活套法蘭本身的強度不高,一般只應用在低壓和小尺寸的容器中。(3) 任意形式法蘭:要先在法蘭環(huán)上打上坡口,然后再將法蘭環(huán)和筒體或其他零件通過焊接固定在一起,整個結(jié)構(gòu)強度較高,且結(jié)構(gòu)簡潔,制造簡單,使用的設計方法可與整體法蘭相同。一般適用于中低壓容器。根據(jù)4.4計算出的進出口接管直徑及GB9119-2

41、000 板式平焊鋼制管法蘭選擇熱程通道的接管法蘭外徑為D=245mm,螺栓孔的中心圓直徑為K=210mm,孔直徑為L=18mm,螺栓的規(guī)格為M168,法蘭的厚度為C=28mm,法蘭的內(nèi)徑為B=135mm.冷程通道的接管法蘭外徑為D=215mm,螺栓孔的中心圓直徑為K=180,孔的直徑為L=18mm,螺栓的規(guī)格為M168;法蘭的厚度為C=26mm,法蘭的內(nèi)徑為B=110 mm.4.8 支座 選用耳式支座,支座如圖4所示,墊板、筋板和底板組成了支座,墊板材料一般與容器材料相同,選不銹鋼0Cr18Ni9材料,不銹鋼0Cr18Ni9材料同樣被選為筋板和底板材料,結(jié)合殼體的公稱直徑大小及最大總重量,JB

42、/T 4712.3選取支座允許載荷,高度H=250 mm,底板=200mm;=140mm;=14mm;=70mm;筋板=290mm;=140mm;=10mm;墊板=315mm;=250mm;=8mm;=40mm;蓋板=70mm;地腳螺栓規(guī)格,=30mm;支座質(zhì)量為15.7kg。 圖4 耳式支座4.9 接管外伸長度及接管位置 接管采用垂直于殼體設計,根據(jù)已知條件設計接管外伸長度均為200mm,冷程進口接管和熱程出口接管設置為h=450 m。5 螺旋板的強度、撓度計算與校核5.1 螺旋板的強度計算由平板原理可知,板的承受壓力能力與板的厚度的平方成正比,而與定距柱(泡)的間距t成反比。許用壓力的計算

43、需要充分考慮到曲率的影響、定距柱和定距泡的差別等因素,參考化工設備設計全書 換熱器,由公式(16)計算 (16)從前述可知=1200 mm ;=900 mm;=2 mm 設定的換熱器操作壓力為: =0.75 其設計壓力為 =0.825 選用0Cr18Ni9為螺旋板材料,其=205 其式中材料屈服限作為準則的許用應力, 安全系數(shù),碳鋼材料=1.6;不銹鋼材料=1.5計算出=136.7 曲率影響系數(shù): =1+0.96(1.28-2R) (17)而0.6 m計算出=1.08參照換熱器設計手冊,定距柱的間距t由公式(18)可得 (18)當采用定距柱時,C=4.7代入數(shù)據(jù)得58 mm當采用定距泡時,C=

44、5.3662 mm5.2 螺旋板的撓度計算 參照換熱器設計手冊,由公式(19)計算板的最大撓度: (19) 式中系數(shù),對于定距柱=0.00638;對于定距泡=0.00681; 板的柱狀剛度,,Nm 設計溫度下材料的彈性模量, 材料的泊松系數(shù),對于鋼板=0.3 定距柱的間距,m 由前述計算或已知得=1.79,=0.3,=0.825 將以上數(shù)據(jù)代入,可以把板的柱狀剛度求出 =148.7 Nm所以當采用定距柱時,板的撓度為:5.6 m=0.56 mm當采用定距泡時板的撓度為:=7.6 m=0.76 mm因為螺旋板允許撓度的推薦范圍是0.51mm,無論是采用定距柱還是定距泡許用撓度都小于0.8mm,所

45、以不用再進行許用壓力的校核。5.3 螺旋板式換熱器的穩(wěn)定性校核對于每一條通道而言,螺旋板外壓和內(nèi)壓同時作用在螺旋板上,當螺旋板所受外壓達到或超過某一定值時,其會被壓癟從而失去穩(wěn)定性,此時的壓力被稱為臨界壓力。所以為了能讓換熱器正常工作運轉(zhuǎn),其操作壓力必須小于臨界壓力。螺旋板式換熱器的穩(wěn)定性校核可以用“計算法”來進行。所得已知數(shù)據(jù)為板寬=900 mm;板厚=2 mm;螺旋板曲率半徑0.6 m再根據(jù)化工設備全書 換熱器公式(5-82)計算定距柱間距 =1.76=0.312 m=312 mm由強度計算,取50 mm由于,參照化工設備全書 換熱器由公式(20)算出臨界壓力 (20)已知=2.03;0.

46、6 m;=2 mm;=900 mm;50 mm,將數(shù)據(jù)代入上式可知 =2.44 將所得=2.44 代入 則=0.81 而設備的設計壓力為=0.75 ,由于,所以設備運轉(zhuǎn)穩(wěn)定,操作安全。5.4 水壓試驗時應力校核 以GB1501998鋼制壓力容器為基礎 采用水壓試驗壓力,參照化工設備全書 換熱器由公式(21)校核水壓試驗壓力 (21)其中則1.03在試驗壓力下,可以按公式(22)校核殼體產(chǎn)生的應力 (22)由前述已知:=1200 mm;= 8m;C=0將數(shù)據(jù)代入上式得91.5而由于,所以滿足強度要求。6 焊接工藝6.1 不銹鋼的焊接0Cr18Ni9不銹鋼被選作螺旋板式換熱器的材質(zhì),而0Cr18N

47、i9不銹鋼屬于奧氏體不銹鋼。雖然奧氏體不銹鋼具有良好的焊接性,但選用的焊接材料不正確或所選用的焊接工藝不正確時,會出現(xiàn)以下這兩種缺陷:1. 晶間腐蝕 (1) 晶間腐蝕產(chǎn)生原因在晶粒邊界會發(fā)生晶間腐蝕。它一旦出現(xiàn),會讓奧氏體不銹鋼變得很危險,它會沿著晶粒邊界深入金屬內(nèi)部進行腐蝕,降低金屬的機械性能和耐腐蝕性能。奧氏體不銹鋼在450850溫度區(qū)間范圍內(nèi)停留一定時間后,Cr23C6會被析出,其中的鉻主要來自晶粒表層,如果不能及時補充內(nèi)部的鉻, 貧鉻區(qū)就會因為晶界晶粒表層的含鉻量下降而形成,由于有些介質(zhì)具有強腐蝕性,晶界貧鉻區(qū)接觸到介質(zhì)就會被腐蝕進而形成晶間腐蝕。雖然不銹鋼被腐蝕后在表面上看不出什么的

48、變化,但內(nèi)部結(jié)構(gòu)已經(jīng)被破壞,在受力時就會沿晶界斷裂,已經(jīng)沒有什么強度可言。 (2) 防止晶間腐蝕的措施 1)選用的不銹鋼焊條要具有一定穩(wěn)定元素,比如超低碳、添加鈦或鈮等。 2)規(guī)范要盡量小,這樣可以降低焊條在焊件表面的停留時間,采用小電流、快焊速、短弧焊及不作橫向擺動。焊縫可采用噴水的方式來加快焊接接頭的冷卻,使因焊熱產(chǎn)生影響區(qū)域面積減少。有多層焊時, 層間溫度要控制好,必須要前一道焊縫冷卻后再焊下一道。 3)與介質(zhì)有接觸的那面焊縫在最后進行焊接。 4)焊后固溶處理。奧氏體組織是在將工件加熱至10501150后淬火,晶粒內(nèi)部逐漸被晶界上的Cr23C6溶入而形成。2. 熱裂紋熱裂紋之所以會產(chǎn)生是

49、因為焊縫中存在的有害雜質(zhì)而產(chǎn)生焊接應力奧氏體的焊接注意事項: 1)在焊前不用預熱 由于奧氏體具有很好的塑形,冷裂紋傾向很小,在多層焊接過程中,焊件的層間溫度必須保持較低,,次層一般是等上一層冷卻后才焊。 2)防止接頭過熱 采用較小焊接電流以及用短弧快速焊,直線運條,避免重復加熱,為了防止接頭過熱,需要將焊縫進行強制冷卻。 3)注意保護工件表面 焊件表面損傷容易造成腐蝕,因此要避免碰撞損傷焊件表面,避免在焊件表面進行引弧而造成局部燒傷,防止焊件表面濺落飛濺物。 4)焊后熱處理 在將不銹鋼焊件焊接后不作殘余應力的消除,因為即使焊接后接頭仍然具有很好的塑性和韌性,焊件不會因為焊接而不會失去塑性和韌性

50、,所以殘余應力的影響不大。而且不銹鋼的敏化溫度區(qū)與消除應力處理的溫度范圍相吻合,如果還做殘余應力的處理反而多余,還會降低焊件耐蝕性。 5)在焊接時,,焊接電流的選擇要符合焊條說明書規(guī)定的電流范圍。之所以靠近夾持端的一段焊條容易出現(xiàn)發(fā)紅的現(xiàn)象是因為不銹鋼電阻值較大產(chǎn)生的電阻熱較多的緣故。為使焊縫熔深減少應適時提高熔化速度,但同時要注意熔化速度太快容易造成熔合不完全和出現(xiàn)熔渣等缺陷。盡量選用較小的焊接電流,這樣可以讓接頭的耐腐蝕性得到保證,同時讓焊接熱輸入量得到減少,防止焊接區(qū)域溫度過高。 6)采用窄焊道技術進行焊接。6.2 常用焊接結(jié)構(gòu)的設計原則在設計容器焊接結(jié)構(gòu)時,不能讓壓力集中的現(xiàn)象出現(xiàn),幾

51、何形狀或截面形狀突變的受力元件因其受力集中不能采用。如果將主要受力元件與小配件焊在一起,可能會因為焊接使小配件變形,影響其性能,所以應避免?;と萜鞒S玫暮附咏宇^可分為對接接頭、角接頭、T字形接頭、和搭接接頭四種。應根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)形式,焊件厚度及對強度的要求,以及具體施工條件等因素來選擇其形式。各類型焊接接頭如圖5所示 (a) (b) (c) (d) 圖5 常用焊接接頭示意圖 (a)對接接頭;(b)角接接頭;(c)塔接接頭;(d)T形接頭1、 對接接頭 之所以稱為對接接頭是因為將兩塊鋼板一端對在一起焊接形成的。鋼板卷成圓筒后將兩端分別對在一起焊接也屬于對接。對接接頭具有能容易焊透焊件,受力情況良好,應力分布均勻,焊件連接強度高,接頭質(zhì)量能得到保證等優(yōu)點。2、角接頭角接頭是兩焊件端面構(gòu)成角度在30到150之間形成的接頭。角接頭的焊縫的承載能力低,不能用于重要的焊件結(jié)構(gòu)中,一般只多用于箱型構(gòu)件。3、T形接頭因兩塊板焊成T字形而形成的接頭,同時也可稱為T字焊縫。T字焊縫中的雙面焊的K形和U形的受力狀態(tài)要比角焊縫好。

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