F70螺旋板式換熱器設計含10張CAD圖

F70螺旋板式換熱器設計含10張CAD圖,f70,螺旋,板式,換熱器,設計,10,cad F70螺旋板式換熱器設計摘 要 換熱器在許多工業(yè)部門中都有應用，而且非常廣泛，例如，石油化工、冶金、制冷、動力等各個領域，在國民經濟生產中至關重要。螺旋板式換熱器是一種新型換熱器，傳熱效率高，運行穩(wěn)定，可多臺機組運行，適用于蒸汽蒸汽、蒸汽液體、液體液體的傳熱。根據任務書的要求，本次的設計課題是F70螺旋板式換熱器。螺旋板式換熱器相較于其他換熱器的優(yōu)點：1、傳熱效率高；2、有效回收低溫熱能；3、運行可靠性強；4、可多臺組合使用；5、阻力小；等等。為了確保換熱器的強度和使用時間長度, 需要設計合理的結構，因此合理的結構需要考慮材料、壓力、溫度、壁溫、污染條件、流體性質、維護、清潔等因素。其中主要的過程有主體的結構設計，材料選擇及零部件結構設計，強度計算與校核以及加工工藝、裝配程序、安全防腐等。在工程設計過程中，即使是相同形式的換熱器結構也不盡相同，因為它們的使用方式不同。我們也應盡可能選擇定性產品范圍，或者根據客服特定需求來設計,從而達到令人滿意的工藝條件。關鍵詞：螺旋板；結構設計；換熱器；強度校核ABSTRACTHeat exchangers are widely used in many industrial sectors, such as petrochemical industry, metallurgy, refrigeration, power and other fields, which are very important in national economic production. Spiral plate heat exchanger is a new type of heat exchanger with high heat transfer efficiency and stable operation. It can be operated by multiple units. It is suitable for heat transfer of steam-steam, steam-liquid and liquid-liquid.According to the requirements of the task book, the design topic of this project is F70 spiral plate heat exchanger. Compared with other heat exchangers, spiral plate heat exchangers have the following advantages: 1. high heat transfer efficiency; 2. effective recovery of low-temperature heat energy; 3. strong operational reliability; 4. multiple combination; 5. low resistance; and so on. In order to ensure the strength of heat exchanger and the length of service time, it is necessary to design a reasonable structure, so reasonable structure needs to consider material, pressure, temperature, wall temperature, pollution conditions, fluid properties, maintenance, cleaning and other factors. The main processes include the structure design of the main body, material selection and component structure design, strength calculation and checking, as well as processing technology, assembly procedures, safety and corrosion protection, etc. In the process of Engineering design, even the same heat exchanger structure is not the same, because they are used in different ways. We should also choose the range of qualitative products as far as possible, or design according to the specific needs of customer service, so as to achieve satisfactory process conditions.Key words：Spiral plate; Structural design; Heat exchanger; Strength check目 錄1 概論11.1 螺旋板式換熱的研究背景11.2 螺旋板式換熱器現(xiàn)狀和發(fā)展21.3 螺旋板式換熱器的結構21.3.1結構特點21.3.2結構型式41.4 設計方向62 設計方案的確定72.1螺旋板式換熱器的選型和流道布置72.2流速的選擇72.3螺旋中心直徑和螺旋板寬度的選擇72.4最合適的出口溫度設置72.5確定設計方案原則83 螺旋板式換熱器的計算93.1 傳熱工藝的計算93.1.1傳熱量Q93.1.2. 冷卻水出口溫度93.1.3.螺旋通道截面積與當量直徑de的計算103.1.4.雷諾數(shù)Re和普蘭特數(shù)Pr113.1.5.給熱系數(shù)的計算113.1.6.總傳熱系數(shù)K123.1.7.對數(shù)平均溫度差tm123.1.8.傳熱面積133.1.9.螺旋通道的計算133.1.10.螺旋圈數(shù)n和螺旋體外徑D0的驗算133.2.壓差p的計算144 螺旋板強度、撓度計算與校核154.1強度計算154.2螺旋板撓度164.3校核螺旋板換熱器的穩(wěn)定性165 螺旋板換熱器的結構尺寸及加工方法185.1密封結構185.2換熱器外殼195.3定矩柱的尺寸195.4進出口接管的直徑205.5中心隔板尺寸205.6螺旋板式換熱器的加工方法215.7防腐設計235.8螺旋板式換熱器設計參數(shù)23總結24參考文獻25致謝261 概論1.1 螺旋板式換熱的研究背景最早提出螺旋板式換熱器結構是1930年瑞典的Rosembla，1932年以此人命名成立的Rosembla公司，已經開始批量生產此種換熱器了，并申請了專利。此后，許多國家相繼設計了螺旋板式換熱器，應用在各種場合。比如美國的AHRCO公司和Union Carbide公司，英國的APV公司，日本的“川化”和“大江”，德國的Roca公司等。隨著進入21世紀以來，全球能源短缺，解決能源問題的重要途徑之一是節(jié)能增效，世界上絕大多數(shù)國家都開始重視這方面的研究，所以，這方面的投資也在不斷的增加。我國的能源危機也十分嚴重，不均衡的能源分布以及正處于發(fā)展階段的重工業(yè)，能源工業(yè)設備的落后導致能源的有效利用效率低下。最后，由于公眾普遍缺乏環(huán)保意識，環(huán)境污染嚴重。我國的能源利用效率仍相較于一些發(fā)達國家還是有很大的差距，因此還有很大的發(fā)展空間也。面對能源危機，能源的利用率就顯得極為重要，研發(fā)高效節(jié)能設備也是工業(yè)重中之重了，如新熱交換設備的研發(fā)。換熱器可以根據工藝要求控制介質的溫度和熱量，同時可以有效回收甚至再生余熱和廢熱。因此，換熱器已成為工業(yè)部門廣泛使用的工藝設備，能源工程項目總投資的很大一部分投資于換熱器的生產和制造。在化工廠，換熱器投資約占總投資的35%，所有海水淡化工藝裝置都由換熱器組成。然而，目前廣泛使用的換熱器能耗利用率較低。因此，只有有效提高換熱器的工作效率，才能在工程生產中達到節(jié)能降耗的目的。也有可能在全國工業(yè)中產生不可估量的經濟效益，甚至深遠的社會效益。目前，螺旋板式換熱器是能源工程項目中使用最為廣泛的換熱器結構形式之一。螺旋板式換熱器的特點是：傳熱效能好；具有自清洗作用；不可拆式結構密封性能好，適用于易爆、易燃、劇毒或貴重流體的換熱；有利于小溫差傳熱，回收低溫熱能；溫差應力?。粌r格低廉。但是也也維修困難的缺點。21世紀以來，各國加大了在能源項目的投資，出現(xiàn)了許多新型結構換熱器螺旋板式換熱器也進行了許多優(yōu)化設計。1.2 螺旋板式換熱器現(xiàn)狀和發(fā)展螺旋板式換熱器早期使用于回收廢氣和廢液中的能量,冷卻和加熱果汁、糖汁以及各種化工溶液,同時也用于冷卻發(fā)煙硫酸、酸性物質和啤酒麥芽汁等。隨著化工等行業(yè)的快速發(fā)展，以及制造技術的不斷改進和提高，螺旋板式換熱器的應用范圍越來越廣泛。從開始使用螺旋板式換熱器到1962年期間，世界各國制造和使用的裝置總數(shù)已超過10000個。20世紀70年代，隨著規(guī)模的擴大，設計壓力達到了4MPa。螺旋板式換熱器在中國的使用始于20世紀50年代中期，當時它主要用于加熱電解質和冷卻燒堿廠的濃堿液。20世紀60年代，中國機械制造部設計制造了一種卷繞螺旋板的專用卷繞機，將卷繞效率提高了幾十倍，為螺旋板式換熱器的推廣應用創(chuàng)造了良好的機會。自1968年前第一機械工業(yè)在蘇州召開一系列螺旋板式換熱器審查會議以來，已有20多家國內制造商生產了這種換熱器，螺旋板式換熱器在中國得到了迅速的發(fā)展，如今在國內應用也是日趨廣泛。目前的問題是如何進一步提高換熱器的承壓能力，使其應用范圍更廣。提高承載力的方法有很多，如增加間隔柱的數(shù)量、增加螺旋板的厚度或提高板的強度(即選擇質量更好、具有一定塑性和高強度的鋼)。然而，如果采用增加板材厚度的方法，必然需要提高板材彎曲機的能力，導致消耗功率的相應增加，并且也給制造過程帶來困難并增加成本。目前，提高其承壓能力的途徑是改進其結構，選用更好的材料。經過多年使用和不斷改進，螺旋板換熱器目前最大外徑為2000米，板寬為180米，最大工作壓力為4MPa，最高工作溫度為10001.3 螺旋板式換熱器的結構1.3.1結構特點 傳熱效率高。由于螺旋板式換熱器有螺旋通道，通道內流動著流體，螺旋板上焊接有保持螺旋通道寬度的限位柱或沖孔限位氣泡，在螺旋流離心力的作用下，流體可以在較低雷諾數(shù)下產生湍流?？紤]到壓降不太大，更重要的是合理選擇通道寬度和流體流速。一般來說，在設計時可以選擇較高的流速（液體的允許設計流速約為2m/s，氣體的允許設計流速約為20m/s），這樣可以使流體高度分散、接觸良好，有利于提高螺旋板換熱器的傳熱效率。近年來，國內許多單位對螺旋板式換熱器和管式換熱器的傳熱系數(shù)進行了測量和比較。例如，冰箱的輔助氨冷凝器使用熱交換面積為f=30m2的螺旋板式換熱器，而不是熱交換面積為f=70m2的管式熱交換器，因此效率加倍。另一個例子是小型化肥廠氨合成塔的下部加熱器。原管狀結構的換熱面積為f=30.9m2，只要用螺旋板式換熱器代替f=15.5m2，其加熱器的效率就翻倍。 流體的壓頭可以有效地用于在螺旋板式換熱器損失流體。雖然流動方向和脈沖現(xiàn)象沒有劇烈變化，但螺旋通道較長，螺旋板焊接有定距柱。在正常情況下，該熱交換器的流體阻力大于管狀熱交換器的流體阻力。然而，與其他類型的熱交換器相比，由于通道中均勻的螺旋流，流體的正作用力主要出現(xiàn)在流體和螺旋板之間的摩擦以及間隔柱的沖擊中，這部分阻力會引起流體湍流，從而相應地增加傳熱系數(shù)，這使得螺旋板式換熱器能夠更有效地利用流體的壓頭損失。 能利用低溫熱能，精確控制出口溫度。為了提高螺旋板式換熱器的傳熱效率，有必要提高傳熱驅動力。當兩種流體在螺旋通道中完全逆流操作時，兩種流體之間的對數(shù)平均溫差較大，這有利于傳熱。根據換熱器設計中使用的經驗數(shù)據分析，螺旋板式換熱器允許的最小溫差最低，即使兩種流體之間的溫差為3C，也可以進行換熱。由于允許的溫差相對較低，世界上所有國家都使用這種換熱器來回收低溫熱能。螺旋板式換熱器有兩個長的均勻螺旋通道，介質可以在其中均勻加熱和冷卻，因此其出口溫度可以精確控制。 不易污垢堵塞。在管殼式換熱器中，如果一根換熱管有污垢沉積，換熱管的局部阻力增大，流量受到限制，流量減小，介質轉向其他換熱管，換熱器中各換熱管的阻力重新平衡，有污垢沉積的換熱管的流量越來越小，污垢沉積越來越容易，最終換熱管被完全堵塞。但在螺旋板式換熱器，由于介質通過單一通道，流速相比較于其他種類的換熱器要高，通道又是螺旋形狀的，可以起到自我沖刷的作用，流體中的污垢不易沉積。即使產生污垢，應用化學方面的方法來處理也是比較簡單的。其次，由于螺旋板寬度的原因（一般不會超過2m），用高壓水來清洗管道也是簡易的。 密封結構可靠。目前，螺旋板式換熱器的雙通道端通過焊接(不可拆卸)和壓蓋(可拆卸)進行密封。在保證焊接質量的同時，不可拆卸式可以保證兩種介質之間沒有內部泄漏?？刹鹦秲啥擞啥松w壓緊，端蓋上設有整體密封板。只要螺旋通道兩端的面粉加工順利，就可以防止同一側的流體從一圈流到另一圈。 溫差應力小。螺旋板式換熱器的特點是允許擴張。因為它有兩個長螺旋通道，當螺旋板被加熱或冷卻時，它可以像時鐘里的發(fā)條彈簧一樣伸展和收縮。螺旋體的一側是熱流體，另一側是冷流體，最外環(huán)與大氣接觸。螺旋之間的溫差不如管殼式換熱器中換熱管與殼體之間的溫差明顯，因此不會產生大的溫差應力。 結構緊湊。傳熱面積為180m2的螺旋板式換熱器只需直徑1.5m、高1.2m就行，節(jié)約了空間成本，管殼式換熱器的單位體積傳熱面積只有螺旋板式換熱器的1/3.。 制造簡單。相較于其他換熱器，螺旋板式換熱器制造時間短、加工量小，以板材為主、易于軋制、制造成本低的優(yōu)點。損失的熱量少。由于其緊湊的結構，即使熱交換器的傳熱面積很大，其外表面面積仍然很小。由于接近正常溫度的流體從最外邊緣的通道流出，通常不需要保溫。 修理困難。雖然螺旋板式換熱器不容易泄漏，但由于結構限制，一旦泄漏發(fā)生，就不容易修復，往往只有整個機組可以報廢。因此，腐蝕介質應選用耐腐蝕材料。在嚴重積垢的情況下，也無法使用。 承壓能力受限。在設計螺旋板式換熱器時，每個螺旋通道的最大壓力都是確定好了的。由于螺旋板寬度大、剛性差、厚度小，每個圓都承受壓力。當兩個通道之間的壓力差達到一定程度時，即達到或接近臨界壓力時，螺旋板將塌陷并失去穩(wěn)定性。因此，目前更多的方法是從結構上考慮的。目前，各國在螺旋板式換熱器產生的最高工作壓力為4兆帕。 清洗通道。因為螺旋通道通常較窄，螺旋板焊接有間隔柱以保持通道寬度，這使得機械清理困難。螺旋板的清洗方法主要采用熱水沖洗、酸洗和蒸汽吹洗，蒸汽吹洗在我國應用廣泛。1.3.2結構型式為了防止冷熱流體在螺旋板換熱器相互混合，流體通道必須密封良好。根據通道的密封形式，更常用的螺旋板換熱器可分為以下三種結構形式(也有其他分類)。1.I型結構如圖1所示，兩個螺旋流道的兩側完全焊接和密封，因此它們也被稱為不可拆卸結構。兩個流體通道都以螺旋形流動。通常，冷流體從外周流向中心，而熱流體從中心流向外周，完全逆流。當流體在單一通道中流動時，流體分布良好。然而，轉輪的兩側都被焊接死了，使得轉輪的清潔更加困難。該熱交換器的中心軸可以垂直或水平安裝。這種類型主要用于清潔液和液體之間的熱交換，也可用于氣體熱交換或流量小時的蒸汽凝結。圖1 （型） 不可拆式螺旋板式換熱器2. 型結構如圖2所示，兩個流動通道的兩側交替焊接和密封，并且開口由墊圈密封。流體仍然在兩個流動通道中螺旋流動。如果密封墊損壞，只有一種液體會泄漏，而兩種液體不會混合。因為兩個流動通道都有開口，所以只能通過打開頂蓋來進行清潔，所以也稱為可拆卸結構。然而，由于狹窄的流道和固定距離的柱子，機械清理仍然不容易。這種類型主要用于液-液熱交換，也可用于氣體熱交換或流量小的蒸汽凝結。3型結構如圖2所示，一個通道的兩側被焊死，另一個通道的兩側是敞開的。流體在焊接通道中螺旋流動，在開放通道中軸向流動。這種類型適用于兩種流體流速相差很大的情況。它通常用作冷凝器和氣體冷凝器等。圖2 （, ）可拆式螺旋板式換熱器1.4 設計方向螺旋板式換熱器是一個高效換熱器。雖然我國從國外進口了生產線。鋁鎂合金具有較高的耐腐蝕性和導熱系數(shù)，其價格低于鈦，值得重視。國內在改善換熱器性能、提高傳熱效率、減小傳熱面積、降低壓降、提高設備熱強度等方面的研究取得了顯著成果。然而，如何有效提高螺旋板換熱器的能源利用率，降低企業(yè)成本，提高效益還不是很詳細。本文對螺旋板換熱器的傳熱性能進行了有效的研究和分析。每章的主要內容如下:第一章 概論；第二章 設計方案的確定；第三章 螺旋板式換熱器的計算；第四章 螺旋板強度、撓度計算與校核；第五章 螺旋板換熱器的結構尺寸及加工方法；2 設計方案的確定 設計方案的確定包括熱交換器類型的選擇、流道的布置、流速的選擇和最合適出口溫度的確定。2.1螺旋板式換熱器的選型和流道布置 當流量小時，如果是液-液換熱或氣體換熱或蒸汽冷凝，可選型或型結構。也就是說，這兩種流體都是螺旋狀流動的，一般是將冷流體從外圍流向中心，熱流體從中心流向外圍逆流。 如果兩種流體的流速相差很大，例如氣體的冷卻或加熱、蒸汽冷凝或用作再沸器時，可以選擇類型結構。小流量流體螺旋流動，而大流量流體軸向流動。例如，當用于冷凝時，蒸汽從頂部進入，冷凝物從底部排出，冷流從外圍流動并以螺旋方向流動。從中心流出。2.2流速的選擇 根據流體種類的不同，選擇了標準流體在直管或盤管中的常用流量范圍。 因為螺旋通道通常相對較長并且沿著路徑具有大的阻力，所以當選擇流速時，只有流體能夠在通道中形成湍流，并且沒有必要追求過大的流速。這不僅可以提高對流傳熱膜的系數(shù)，還可以降低流體阻力損失和功耗。2.3螺旋中心直徑和螺旋板寬度的選擇 換熱器的結構類型確定后，可根據標準系列和規(guī)格進行選擇。2.4最合適的出口溫度設置 在熱交換器的設計中，通常規(guī)定待處理材料的入口和出口溫度，設計者可以根據情況選擇加熱劑或冷卻劑。發(fā)熱劑和冷卻劑的初始溫度通常由熱源決定，但最終溫度（出口溫度）可由設計者適當選擇。例如，當選擇冷水作為材料的冷卻劑時，如果出口溫度較低，耗水量大，運行成本高，但傳熱的平均溫差較大，因此所需的傳熱面積較小，設備成本也較低。冷卻水最經濟的出口溫度應根據冷卻水消耗成本和冷卻設備投資成本的最小總和來確定。此外，在選擇河水作為冷卻劑時，出口溫度不應超過50，否則水垢會顯著增加，應予以注意。2.5確定設計方案原則 滿足工藝和操作要求。設計的工藝和設備必須首先確保質量和穩(wěn)定運行，這需要配備必要的閥門和計量儀器。在確定方案時，沒有必要采取任何措施來調整各種流體的流速、溫度和壓力變化。如果設備出現(xiàn)故障，維護應該是方便的。 確保生產安全。如果有燃燒、中毒、爆炸、燙傷等危險，在工藝流程和操作中，必須考慮必要的安全措施。另一個例子是設備材料強度的檢查計算。除了根據規(guī)定具有一定的安全系數(shù)外，還應考慮防止安全閥因設備中壓力突然升高或真空而被安裝。以上所述都是確保安全生產所必需的。 滿足經濟要求。在確定某些操作指標、選擇設備類型和儀器配置時，了解經濟核算的觀點，不僅能滿足技術和操作的要求，而且施工簡單、材料來源容易、成本低。如果可以利用余熱，就必須盡可能節(jié)約熱能，充分利用熱能，或者采取適當措施降低成本。設計計劃可能無法一次很好地決定，需要以后修改。但是，物料循環(huán)路線和運行指標的變化會對以后的計算產生影響。因此，在第一次做決定時最好仔細考慮。3 螺旋板式換熱器的計算3.1 傳熱工藝的計算取一生活中的實際問題。將21.6 m3/h(0.006 m3/s)的水溶液從75冷卻到30，冷卻水入口溫度為25，冷卻水量為48.6 m3/h（0.0135 m3/s）。換熱器設計壓力為1.0MPa。3.1.1傳熱量Q 已知水溶液流量為V=0.006m3/s,人口溫度T1= 75; 出口溫度T2=30，定性溫度 Tc=T1+T22 1 =75+302=52.5 在此定性溫度下，水溶液的物理參數(shù)為1=0.5510-3Pas r1= 1000kg/m3 Cp1= 4186J/kg 1=0.65W/m Q=WCp1（T1+T2)= Vr1 Cp1（T1+T2) (2)將數(shù)據代入公式(2)計算 Q=0.0061000418075-30=1128600W 3.1.2. 冷卻水出口溫度 t2=t1+QW2Cp2 (3)已知 t1=25， Cp2=4186J/kgC，V2=0.0135m3/s 將上述數(shù)據代入公式(3)可得t2=45定性溫度tc=t1+t22=25+452=35在此定性溫度下，水的物理參數(shù)為2=0.72310-3Pasr2= 995.3kg/m3 Cp2= 4186J/kg 2=0.622W/m 3.1.3.螺旋通道截面積與當量直徑de的計算熱程通道。設水溶液流速為1=0.6m/s求出通道截面積F1 F1=V1 (4) =0.0060.6=0.01m2選取螺旋板寬度H=1m通道寬度 b1=F1H (5) =0.011=0.01m當量直徑 de1=2Hb1H+b1 (6) =210.011+0.01=0.0198m冷程通道。設水流速為2=1.35m/s求出通道截面積F1F2=V2=0.01351.35=0.01m2通道寬度b2=F2H=0.011=0.01m當量直徑de2=2Hb2H+b2=210.011+0.01=0.0198m3.1.4.雷諾數(shù)Re和普蘭特數(shù)Pr熱程通道 Re=de11r11 (7)將已知數(shù)據代入公式(6)可得Re1=0.01980.610000.5510-3=21600 Pr1=Cp111 (8)將已知數(shù)據代入公式(7)可得Pr1=41860.5510-30.65=3.54 冷程通道，將已知數(shù)據代入公式(6) (7)中得Re2=0.01981.35995.30.72310-3=36797Pr1=41860.72310-30.622=3.54 3.1.5.給熱系數(shù)的計算 兩種介質的雷諾準數(shù)Re均大于60000，即均在端流范圍內，用以下公式計算 =0.023de1+3.54deDmRe0.8Prm (9)熱程通道中心管直徑d=300mm螺旋體外徑D0=1100mm平均直徑 Dm=d+D02 (10)=0.7m對被冷卻介質m=0.3將已知數(shù)據代入公式(9)可得h=0.0230.650.01981+3.540.01980.7216000.83.540.3 =3562W/m2冷程通道對被冷卻介質m=0.4c=0.0230.650.01981+3.540.01980.7367970.84.870.4 =7032W/m23.1.6.總傳熱系數(shù)K應用由串聯(lián)熱阻推導出的計算公式 1K=1h+1c+r1+r2 (11) K=11h+1c+r1+r2 (12)螺旋板材質選取不銹鋼，板厚=2mm導熱系數(shù)=17.4W/m污垢熱阻選取r1=r2=1.510-4m2/W將h、c、r1、r2代入公式(12)，得K=113526+0.00217.4+17032+1.510-4+1.510-4= 1189 W/m2 3.1.7.對數(shù)平均溫度差tm 全逆流 tm=T1-t1-T2-t2lnT1-t1T2-t2 (13)已知T1=75，T2=30，t1=25，t2=45將上述數(shù)據代入公式(13)可得tm=13.953.1.8.傳熱面積 已知傳熱量Q=1128600W由傳熱方程 Q=KFtm (14) F=QKtm (15)將已知數(shù)據Q、K、tm代入方程式(15)，可得F=1128600118913.95=68m2取 F=70m23.1.9.螺旋通道的計算 L=F2H (16) H=1m L=35m3.1.10.螺旋圈數(shù)n和螺旋體外徑D0的驗算已知螺旋體中心直徑d=0.3m，板厚=0.002m，L=35m ，b1=b2=0.01m等通道寬度的螺旋圈數(shù)按下面公式 n=-d0+d02+8Lb1+2b1+ (17)n=-0.3+0.09+8350.01+0.00220.01+0.002=32.37螺旋體外徑D0 D0=d+2n+1b1+ (18)=1.089 前面已知螺旋體直徑D0=1.1m1.1-1.0891.1=0.01即1，螺旋體外徑可行3.2.壓差p的計算由于沒有更精確的公式來計算螺旋板式換熱器的流體壓降，因此采用大連理工學院等單位推薦的公式來進行計算 p=Lde0.365Re0.25+0.0153Ln0+4r22 (19) 設定矩柱間距t=0.08m， 螺旋通道長度L=35m熱程通道壓差ph=350.01980.365216000.25+0.015335181+410000.622 =27746Pa冷程通道壓差pc=350.01980.365367970.25+0.015335181+410001.3522=134418Pa 4 螺旋板強度、撓度計算與校核4.1強度計算按下面公式進行計算 pD=r0C2t2 (20)已知D0=1.1m ，H=1m，=0.002m換熱器操作壓力p=0.45MPa其設計壓力pD=1.1p=0.5MPa選取Q235鋼作為螺旋板材料，s=235MPa，ns=1.6=sns=146.9MPa曲率影響系數(shù)r0=1+0.961.28-2R=1.17 定矩柱間距t按下式 tr0C2pD (21)采用定矩柱，C=4.7將數(shù)據代入公式(21)，得t1.174.70.220.5146.9=8.04cm80mm采用定矩泡，C=5.36t1.175.360.221.1128.1=8.58cm86mm經過上述計算，取定矩柱t=80mm4.2螺旋板撓度撓度公式 y=0pt4E3121-v2 (22)已知v=0.3，E=2.03105MPa，p=0.5MPa對于定矩柱0=0.00638將數(shù)據代入(22)計算，得y=0.006380.50.084120.912.031050.0023=8.87810-4=0.88mm 對于定矩泡0=0.00681將數(shù)據代入計算，得y=0.006811.10.054120.912.031050.0023=9.38610-4=0.94mm 4.3校核螺旋板換熱器的穩(wěn)定性螺旋板是螺旋板換熱器的主要壓縮元件。一系列間隔柱支撐著相鄰的螺旋板。當熱交換器工作時，螺旋板受到高壓蒸汽或液體的作用。當螺旋板凸面上的壓力達到臨界值時，它們會突然失去平衡、失去穩(wěn)定性和彎曲。螺旋板變得不穩(wěn)定后，其承載能力將大大降低，導致結構的突然損壞。因此，分析螺旋板的穩(wěn)定性并確定其臨界荷載是工程設計中的一個重要問題。非鋼薄壁圓筒或殼體在外部壓力下存在穩(wěn)定性，其穩(wěn)定性破壞先于強度破壞。穩(wěn)定性計算是外壓容器設計中的主要考慮因素。 已知數(shù)據可知，板寬H=1m 板厚=0.002m,螺旋板曲率半徑R=0.55m計算定矩柱間距 t,=1.764H2R (23) =1.76410.550.002 =0.32m=320mm 由強度計算 t=80mm因為tt,，在此條件下計算臨界壓力 pk=ER2.14t2+0.76310-2t6R2H4 (24)將已知數(shù)據代入式(24)，得pk=2.031050.0020.552.140.0030.052+0.76310-20.0560.55214=2.22MPa p=pkm=pk3=0.74MPa 由于故設備穩(wěn)定,操作安全 設計壓力p=0.45MPapp，故設備穩(wěn)定，操作安全。5 螺旋板換熱器的結構尺寸及加工方法5.1密封結構密封結構直接影響螺旋板式換熱器的正常運行。即使冷熱流體混合有少量內部泄漏，傳熱也無法正常進行。因此，端面密封結構的設計是螺旋板式換熱器的關鍵問題。為了保證螺旋板兩側流體短路造成的內部泄漏，螺旋通道的端部必須密封，采用封頭墊片密封結構。頭部通過焊接法蘭與螺旋板連接，螺栓與殼體相等，螺旋通道由填充鋼筋焊接和密封。為了提高可拆卸螺旋板式熱交換器的耐壓性和密封性能，開發(fā)了如圖3所示的橢圓形端蓋結構，其將介質和大氣之間的外部密封和螺旋通道之間的內部密封分開。其中，橢圓形封頭、氣缸法蘭和墊片起到防止介質泄漏到大氣中的作用，而密封板起到防止各螺旋通道介質短路的作用。密封板外緣由法蘭墊片壓緊，設計應保證密封板表面比氣缸法蘭密封面低約0.2毫米，以免影響螺栓強度。本發(fā)明為了保證密封板與螺旋端面之間的緊密配合，需要在橢圓形端蓋的內中部焊接一定直徑的鋼管，鋼管的另一端焊接壓力環(huán)，壓力環(huán)與密封板之間設置低于法蘭密封面的壓力環(huán)墊片， 從而使密封板的中心在工作時受到鋼管的壓力，密封更加可靠。圖3 橢圓形端蓋密封結構5.2換熱器外殼螺旋板式換熱器的殼體是承受內部壓力或外部壓力的部件。為了提高殼體的承載能力，一些制造商采用增加最外層螺旋板厚度的方法。然而，因為外環(huán)仍然是螺旋形的，所以存在縱向角焊縫。為了改善殼體與螺旋板之間的連接結構，提高殼體的承壓能力，螺旋板換熱器的殼體是由兩個半圓環(huán)焊接而成的圓柱體，這種組合焊接的關鍵是連接板，連接方法包括以下步驟:螺旋板與連接板對接焊接；無損探傷合格后，焊接兩個半圓形殼體和連接板；焊接結構采用帶襯板的對接焊縫。對接焊縫易于保證焊接質量，承載能力好，連接牢固可靠，避免角焊縫，增加了螺旋板式換熱器的工作壓力。外殼厚度由下式計算 =pR+C (25) 已知設計壓力=0.45MPa,圓桶半徑R=550mm，壁厚附加量e=0，殼體材料Q235。b=400Pa,s=235Panb=3,ns=1.6=bnb=4003=133.3MPa=sns=2351.6=146.9MPa取=133.3MPa代入=0.5550133.30.85=2.42選不銹鋼板厚為5mm。5.3定矩柱的尺寸螺旋體是一種彈性成分。它不能被壓碎，只能被壓變形。因此，剛性是螺旋體的一個關鍵問題。一旦換熱器兩個通道之間的壓差達到一定值，螺旋板可能會被壓縮而變得不穩(wěn)定，使設備無法正常工作。增加板的厚度以增加螺旋的剛性不是解決問題的最佳方式，因為板厚度的增加將增加鋼板在軋制過程中的功耗，同時浪費材料，并降低螺旋板換熱器相對于其他類型換熱器的競爭優(yōu)勢。因此，通過增加板厚來解決螺旋板式換熱器的承壓和大規(guī)模問題不符合“節(jié)能降耗減排”的新設備設計理念?；谏鲜隹紤]，通常采用增加設定距離柱的方法來提高螺旋體的剛度。定距柱在螺旋體上的作用主要體現(xiàn)在三個方面:(1)增加螺旋體的剛度；(2)控制螺旋通道之間的距離；(3)使流動介質易于湍流并增強熱傳遞。一般來說，減小固定節(jié)距柱之間的距離，增加固定節(jié)距柱的數(shù)量，可以顯著提高螺旋板的承壓能力和傳熱效率，但同時會增加流動阻力，沉積物不易清洗。因此，必須綜合考慮固定節(jié)距柱的布置，使剛度和傳熱增強效益大于流動阻力壓降。通常當壓力較大時，定距柱之間的距離可以較小。由于螺旋外環(huán)直徑較大，外部壓力的穩(wěn)定性減弱，定距柱可以相對致密。由于本換熱器的螺旋管通道寬度一樣，取定距柱長度為10mm，定距柱按正方形排列。5.4進出口接管的直徑中心管的結構垂直于螺旋板式的橫截面。為了減少工作量，螺旋通道噴嘴也采用垂直噴嘴。從傳熱過程的計算可以看出。熱程通道跟冷程通道截面積F1=F2=0.01m2所以兩通道的接管直徑均為 d1=4F1 (26) =40.01=0.113m=113mm由上可選取1154的不銹鋼管，配管法蘭為平焊鋼制法蘭PN6，DN1200。5.5中心隔板尺寸對于螺旋板式熱交換器，中心管的直徑是設計時候非常重要的指標。通常，中心管的直徑設計得越小，螺旋板式換熱器的單位體積傳熱面積就越大，即結構就越緊湊。此外，隨著螺旋通道曲率半徑的減小，熱傳遞也增強。因此，中心管的直徑應在設計中最小化。應綜合考慮提高設備的密實度，保證接頭質量，擴大設備的換熱能力。螺旋板式換熱器中心管的結構形式采用厚中心隔板與螺旋板的角連接結構。如圖4所示：圖4 中心板結構示意圖不銹鋼板作為螺旋板，厚度=2mm，長度H=1000mm。中心隔板寬度為 B0=d-+b1+b22 (27)將已知數(shù)據代入式(27)，得B0=200-2+10=188mm中心隔板和螺旋板寬度相同。5.6螺旋板式換熱器的加工方法螺旋板式熱交換器的加工制造工藝流程大致方向如下:放樣下料拼接探傷壓泡或焊定距柱卷制螺旋體焊接螺旋通道裝配金加工總裝試壓檢驗出廠。下料布局和標記后，應使用氣體切割材料。兩邊應是直的，不委屈或者不平的，裂縫應垂直于兩邊。板材拼接用于軋制螺旋的鋼板長度通常較長，這需要拼接(軋制鋼板除外)。螺旋板只能焊接在橫向對接接頭上。拼接時，鋼板應平直光滑。焊縫厚度與母材厚度之差不得大于0.5毫米，否則在軋制過程中會出現(xiàn)偏差。以加厚的螺旋體為外殼時，加厚板與螺旋體通過對接雙面焊縫焊接，不銹鋼螺旋體通過平板對接。當板厚為四到六毫米時，每塊板邊鏟一個三十度的槽，槽兩邊刨平。不銹鋼板拼接厚度為二到三毫米時，不開坡口，兩板間距為一毫米。螺旋板較薄時，一般采用鼓形鋼板，可以減少拼接焊縫和焊縫探傷工序。拼接焊縫需要一百次探傷，并根據JB4730壓力容器無損檢測焊縫射線探傷標準評定為合格的一級件。壓鼓泡或焊定距柱間隔柱(氣泡)之間的距離隨著不同的壓力水平而變化。根據間距線，距柱(泡)線偏差為0.2毫米，拼接焊縫邊緣與距柱(泡)中心的間距得大于或等于20毫米，泡或焊后距柱線。沖出氣泡，要求氣泡減薄量不超過板厚的20%，否則會出現(xiàn)裂紋。氣泡高度公差符合技術標準。距離柱的一端應有(1至2)毫米45的倒角，高度偏差小于0.3毫米。通道螺旋板上的間隔柱必須具有相同的規(guī)格。汽車制造的間隔柱應點焊在標記板上。點焊應在兩點對稱進行。當距離柱直徑小于或等于10毫米時，各焊點長度不小于6毫米，當距離柱直徑大于10毫米時，各焊點長度不小于8毫米，點焊后距離柱位置偏差為5.0毫米，實際高度與距離柱高度之差不大于0.6毫米，剔除焊渣，檢查距離柱質量。要求焊接牢固。纏繞螺旋時，距離柱不得脫落。點焊定距柱時，要求避免鋼板被燒穿。卷制螺旋體按圖紙的要求來調整胎模的偏心率，并將中心隔板夾在胎膜上。然后把兩塊螺旋板依次焊接在中心隔板的兩端根據不同的通道，填充所需的圓鋼條作為螺旋通道的密封條。在兩片之間的兩端各填入兩片，在第二塊板的兩端各填入兩片。對于槽鋼大于14毫米的圓鋼，應預熱頭部，對接圓鋼應平直，并在焊縫處預先退火。螺旋卷繞時，進料應整齊。升高壓力輥以保持恒定壓力，并讓其自然卷起。隨著主軸上的螺旋體變得越來越大，為了保持一定的壓力，壓輥必須緩慢下降。如果壓輥的下降速度低于螺旋直徑的增加速度，壓力將增加，這將導致螺旋通道變窄。如果壓輥的下降速度大于螺旋直徑的增加速度，螺旋體將會松動，并且不容易形成。卷取過程中，圓鋼應適當控制，使其在兩塊板的端部卷取。點焊應分別在兩塊板的端部進行。卷繞成螺旋體后，螺旋體和輪胎模具從卷繞床上卸下，脫模，完成卷繞過程。螺旋體通道的焊接焊接螺旋通道時，需要對通道中填充的圓鋼的高低距離進行分類，使圓鋼的端面略低于氟鋼板的端面。不可拆卸的螺旋板式熱交換器可以保持在適當?shù)木嚯x。型可拆卸螺旋板式換熱器應控制圓鋼與鋼板端面之間的距離。當槽鋼寬度小于6 mm時，螺旋體先吊起端面，圓鋼略低于鋼板端面，然后焊接；當通道B的寬度大于10至15毫米時，圓鋼比鋼板端面低12至15毫米，然后試著焊接。裝配組裝時，當外環(huán)板與螺旋板這兩者間的厚度差超過了3毫米時，外環(huán)板應變薄，外環(huán)板與螺旋體之間的偏移量為小于或等于10%時，不大于1毫米。連接板與半圓圓柱體之間的偏移量為小于或等于10%時，不大于1毫米。試壓熱交換器組裝后，必須進行壓力測試。它的目的一方面是檢漏，另一方面是檢查設備的強度。5.7防腐設計在金屬表面，通過一定的涂覆方法覆蓋耐腐蝕涂層保護層，以避免金屬表面與腐蝕介質直接接觸。這種技術方法是最經濟有效的。它最初用于防止氣體介質的腐蝕。使用的涂層是有機聚合物混合物溶液。5.8螺旋板式換熱器設計參數(shù)換熱面積F=70m2螺旋板長度L=35m螺旋板寬度H=1000mm螺旋體外徑D0=1100mm螺旋通道寬度 熱程通道b1=10mm 冷程通道b2=10mm 螺旋板厚度=3mm 螺旋中心直徑d=300mm 定矩柱間距t=80mm 定矩柱數(shù)n=80個/m2熱程、冷程進出口管均為1154的不銹鋼管總結這是一個瞬間的畢業(yè)季節(jié)，我仍然記得，當我初選畢業(yè)設計主題時，我只被“換熱器”這三個字所吸引。當我在網上閱讀書籍和詢問這個話題時，我對這個話題有了更深的理解。當然，當我做畢業(yè)設計的時候，我在專業(yè)知識上遇到了很多問題。幸運的是，我遇到了一位非常優(yōu)秀的指導老師，他非常耐心地指導我們從最初的階段到后來的階段。最后，我完成了畢業(yè)設計，這也意味著我的大學生活即將結束。在完成設計的過程中，我鞏固了大學四年來所學的知識，也學到了很多新知識，并將這些知識應用到實踐中。在這個過程中，我也發(fā)現(xiàn)了自己的缺點，比如公式計算不熟悉，專業(yè)術語不理解。因此，在未來的日子里，我會更加謙虛地學習，不斷地補充自己的知識基礎。參考文獻1 秦叔經，葉文邦.化工設備設計全書-換熱器.北京：化學工業(yè)出版社，20032 工程材料實用手冊編輯委員會.工程材料實用手冊.北京：中國標準出版社，20023 朱有庭.化工設備設計手冊.北京：化學工業(yè)出版社，20054 錢頌文.換熱器設計手冊.北京：化學工業(yè)出版社，20025 朱振華，邵澤波.過程裝備制造技術.北京：化學工業(yè)出版社，20116 華南