F80螺旋板式换热器机械设计

1、F80螺旋板换热器机械设计摘 要根据所给定的温度、压力、换热面积等设计参数，参考相关文献和查阅相关设计资料，以给定的设计参数为基础逐步计算出各项设计数据，实现F80螺旋板式换热器的工艺计算、结构和强度设计。设计内容包括螺旋通道的几何设计、螺旋板等零件材料的选择及强度刚度的计算。在进行结构设计时，需要考虑的因素有适用压力温度的范围，材料的性质，介质性质，结垢特点，检修清洗难易程度等。综合考虑各种因素，选择出最合理的结构形式，并根据所设计的结构绘制出符合要求的F80螺旋板式换热器的图纸。在F80螺旋板式换热器设计过程中，设计要按照相关的步骤及规定进行，以使最后的设计成果符合规定要求，同时考虑实际生

2、产条件及生产要求，实现安全生产。关键词：螺旋板；螺旋通道；换热器；强度 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 录1 绪论11.1 换热器的概念和意义11.2 换热器的分类及特点11.2.1 板、管式换热器11.2.2 直接接触式换热器11.2.3 蓄能式换热器11.3 螺旋板换热器21.3.1 螺旋板换热器的国内外发展概况21.3.2 螺旋换热器的概述和分类31.3.3

7、 螺旋板式换热器的结构特点41.4 设计的任务和思想41.4.1 设计的任务41.4.2 设计的思想52 螺旋板式换热器的结构设计62.1 螺旋板式换热器的外壳62.2 进出口的设计62.2.1 接管外伸长度72.2.2 接管最小位置72.3 壳体与各零部件的连接72.4 密封结构72.4.1 焊接密封82.4.2 垫片端盖密封82.5 螺旋板的刚度83 螺旋板式换热器的设计计算103.1 螺旋板式换热器的工艺参数103.2 选取设计数据103.3 螺旋板式换热器的几何设计103.3.1 螺旋体的绘制103.3.2 偏心距113.3.3 中心隔板宽度113.3.4 螺旋通道长度113.3.5

8、螺旋板圈数123.3.6 螺旋体有效换热圈数123.3.7 螺旋体外径124 螺旋板式换热器的结构尺寸134.1 密封结构134.2 定距柱134.3 换热器外壳134.4 进出口接管直径144.5 中心隔板尺寸144.6 半圆端板154.7 法兰154.8 支座164.9 接管外伸长度及接管位置165 螺旋板的强度、挠度计算与校核175.1 螺旋板的强度计算175.2 螺旋板的挠度计算185.3 螺旋板式换热器的稳定性校核185.4 水压试验时应力校核196 焊接工艺216.1 不锈钢的焊接216.2 常用焊接结构的设计原则226.3 主要部件的焊接工艺236.3.1 筒体的焊接工艺236.

9、3.2 卷制螺旋体焊接工艺236.3.3 中心隔板与螺旋板的焊接工艺247 螺旋板式换热器的制造、安装以及运输267.1 材料的验收267.2 螺旋板式换热器的制造工艺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 支承环287.3.5 特殊处理287.4 外壳的制造287.4.1 外壳的焊接287.4.2 外体主焊缝的检测2875 螺旋板式换热器的安装297.6 容器的铭牌要求297.7 压力容器的油漆、包装、运输29结 语30参考文献31致 谢321 绪论1.1 换热器的概念和意义换热器（又称热交换器）是一种能将

10、能量从热流体传递给冷流体，使流体温度达到一定指标，使其满足工艺流程的规定的热量交换设备。换热器能实现多种物料之间的热量传递，并具有节能经济效果，因此不同种类的换热器其广泛应用于石油、化工、石油化工、冶金等重工业，以及食品等轻工业。在炼油、化工装置中换热器占总装备数量的40%左右，占企业的总投资的30%45%。随着节能技术的不断发展，不断创新，换热器的应用领域日益扩大，各类型具有不同功能的换热器不断推陈出新，各类技术不断应用在换热器上。换热器的广泛使用能让有限的能源得到充分利用，能源的利用率不断得到提高，这让企业在生产过程中使用的成本得到降低，经济效益因此也得到提高。1.2 换热器的分类及特点换

11、热器广泛应用在各行业中，由于换热器所处的工作环境不同，进行热交换的介质的种类不同，介质的温度不同，设计的压力也不同，具体工作要求也不同，为此科技人员研发出了不同的种类的换热器，结构型式和所具备的功能亦不同。可以从传热原理上的不同将其分类为以下几种：1.2.1 板、管式换热器板、管式换热器的原理是热介质通过金属或非金属材质的换热板、管将热量传递到冷介质中的传热装置。这一类换热器的使用量在企业装置中占极大的部分，在各领域中都能见到其的存在。这类换热器具有使用效率高、制造体积小、总重量轻、可同时处理两种以上的介质、结构紧凑的优点。1.2.2 直接接触式换热器其工作原理主要是两种介质直接接触时热介质立

12、即将热量传递给冷介质，实现传热，接触面积的大小决定了传热量的大小，因此这类换热器又称混合式换热器。直接接触式换热器适合于气、液两流体之间的换热，比如工厂中使用的冷却塔、冷却冷凝器等。这种换热器设备结构非常简单，单位容积上同比其他换热器，所能提供的传热面积大、传热效率高，因为结构简单制造过程难度小，所花成本更底。1.2.3 蓄能式换热器蓄热式换热器的原理是以一种固体物质为中介，热介质先将热量传递给中介物质让其达到一定的温度后，中介物质的热量才被冷介质吸收，从而达到热量的传递，故此类换热器较适合于气体与气体的热交换，如炼焦炉下方用于预热空气的蓄热室。这类换热器的优点为结构紧凑、单体体积传热面积大、

13、制造成本低。其可以让高温废气中的热量得到有效回收和利用。1.3 螺旋板换热器1.3.1 螺旋板换热器的国内外发展概况螺旋板式换热器的结构最早是由瑞典的罗森勃来特(Rosemblad)在1930年提出，在1932年用这个人的名字命名的Rosemblad公司为螺旋板式换热器申请了专利，成批制造了这类换热器。自从螺旋板换热器问世以来,由于其具有传热性能好，传热温差小，结构紧凑，自洁能力强，设备制造成本较低，制造简单，设备占地面积小，效率高等优点,广泛应用于各个工业领域。螺旋板换热器被世界上其它国家先后设计并制造出来，这类产品一系列的标准也被制定了出来。其中著名的公司有英国APV公司、美国AHRCO公

14、司、西德ROCA公司、日本的“大江”和“川化”公司等。前苏联也于1966年颁布了关于螺旋板式换热器的国家标准TOCT12067。无论是日本还是美国、西欧、北欧，这些国家在螺旋板式换热器方面起步早，研究得更为深入，所得成果也更为丰富，在原来的基础上不断改进和研究，其制造水平已达世界前列。目前各国对螺旋板式换热器的研制以西欧和北欧水平最高,目前公认的一流的螺旋板式换热器制造厂商是来自瑞典的阿法一拉伐(ALFA-LAVAL)公司。而我国在1950年后才开始使用螺旋板式换热器，相比国外有点晚，当时主要是仿制。标准化、系列化工作在1970年被原一机部机械研究所和苏州化工机械厂不断地开展，部颁标准JB12

15、8773也被成功制定了出来，同时“螺旋板式换热器图纸选用手册”也被编制了出来，这些成果对螺旋板式换热器的应用和推广起到了极大的作用。螺旋板式换热器强度和刚度在原南京化工学院和广西大学的研究下得到好的进展，JB/TQ724-89螺旋板式换热器制造技术条件、JB53012螺旋板式换热器制造质量分级，这三大标准的颁发构成了我国螺旋板式换热器的整个体系框架。而我国螺旋板式换热器的设计、制造、检验与验收更加规范化的标志是综合性行业标准螺旋板式换热器的颁发。国外螺旋板式换热器的发展起步早，在材料应用，工艺选用，结构设计，设计理论等方面都研究得更为深远。定距柱接触焊和螺旋板自动翻边等先进工艺先后被生产企业采

16、用，其螺旋板式换热器在各个领域的应用相比我国更为深入和广泛，而我国相对要落后。我国研究人员需要努力克服困难，不断钻研技术，创新，为早日达到行业前列而努力。1.3.2 螺旋换热器的概述和分类螺旋板换热器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。其由外壳、螺旋体、密封及进出口等零部件组成。螺旋板换热器有可拆的和不可拆的两种不同的型式是由于其结构的可拆性而形成。 图1 不可拆式螺旋板式换热器如图1所示的是不可拆式螺旋板换热器，它的总体结构非常简单，采用将密封条垫入通道两端后密封的方式（称为I型）。可拆式螺旋板换热器按通道两端是否敞开也可以分两种。一种是螺旋通

17、道两端面被交错焊死，两端面的密封结构为端盖加垫片的方式，可分别从两端进行螺旋体内的清洗工作（称为II型）。另一种是焊死一个通道两端，敞开另一个通道两端，端盖加垫片的密封结构被用于两端面（称为III型）。在可拆式螺旋通道中为了避免流体泄漏或者短路一般采用平扳盖和垫片密封。用定距柱支撑住两板可以很好地让螺旋板的承压能力得到提高，筒体上的流体进出口接管一般有两种设置方式，法向或者切向。考虑到流体阻力和杂质是否容易被冲掉等因素，目前在国内一般使用切向接管。为了换热器可被立放，也可被卧放，一般采用回转支座。冷热流体在螺旋通道中的流动阻力小，因而将设计流速提高是个可行的提高传热能力的方法。1.3.3 螺旋

18、板式换热器的结构特点（1）传热性能好。流动死区在螺旋通道中是不存在的，定距柱及螺旋通道的扰动可以让流体的临界雷诺数得到降低。（2）自我清洁能力强、不容易污染堵塞。螺旋板式换热器的污垢热阻之所以相比管壳式换热器污垢热阻降低了30%左右是因为通道的形状，以及等截面矩形的螺旋通道的缘故（3）散热造成的损失小。热流体可直接经接管进入换热器内部，且保温措施可加装于两侧螺旋通道端面，这样可以减少热量散发到环境中。（4）传热温差小。全程采用逆流的操作方式，均匀的螺旋通道可以让流体不断地传热，可以做到精确地人为控制出口温度。（5）温差应力小。温度的突变区在螺旋通道内部不存在的，螺旋板的热胀冷缩量可以被螺旋体的

19、通道间隙均匀的吸收掉（6）结构紧凑、密封结构可靠。同体积管壳式换热器的传热面积只有螺旋板式换热器的三分之一。换热器两通道端部采用焊接密封和端盖压紧，可防止介质内漏。承受压力压强能力受到限制，在发生故障时检测维修的难度太大等问题一直困扰着螺旋板式换热器的发展。1.4 设计的任务和思想1.4.1 设计的任务当今世界经济发展的主题不再是追求经济的增长，而是节能环保。世界经济日益全球化，各个企业的生产规模日益扩大，经济的发展离不开能源，经济的快速发展需要更多的能源来支持，开发节能设备和提高设备的能源利用率成为企业发展的重中之重。现如今提高传热推动力对于螺旋板式换热器的发展而言是一种趋势，传热推动力决定

20、了换热器的传热效率，而且污垢对换热器的传热效果也有较大的影响，这就需要减少换热器中的污垢，在设计时合理选择设计流速，降低动力损失，提高传热效率。本课题是螺旋板式换热器中的机械设计部分，主要内容是完成换热器的总体结构设计以及零件的强度校核等。结构设计需要考虑制造成本和加工合理的前提，选择合适的零件材料与结构，设计过程要考虑是否容易生产、安装和检验、清洗以及维修等；强度计算及校核主要是针对螺旋板式换热器半圆简体、中心隔板、螺旋板等零件的强度，厚度的计算，保证结构强度符合生产使用要求。1.4.2 设计的思想设计过程要严格按照国家和行业的执行标准，参考行业目前现有的先进技术，最终达到生产效率较高，加工

21、制造成本合理，产品质量较好，而且符合安全生产的要求。具体要求主要有以下几点：(1) 设计过程主要按照国标GB16409-1996板式换热器与GB150-1998钢制压力容器。(2) 加工工艺要符合要求，设计完成的工艺流程与装置能确保获得合格的产品质量，同时保证可以控制流速和提高传热效率。(3) 符合合理的制造成本要求，设计过程中要考虑到制造的各个方面，比如能源的消耗，制造装置和运输的经费，以确保在符合工艺要求的前提下，使制造成本达到最合理的范围。(4) 确保生产安全，使螺旋板、壳体的刚度和强度符合加工要求2 螺旋板式换热器的结构设计 2.1 螺旋板式换热器的外壳螺旋板式换热器的结构示意图，如图

22、2所示。内压或外压作用于螺旋板式换热器的外壳上，部分螺旋板式换热器制造厂商在制造加工时将最外一圈螺旋板增加一定的的厚度以防外壳的承压能力不足，因为螺旋形的外圈在焊接时产生了一条纵向的角焊缝，而且角焊缝的受力较差，外壳强度不易得到保证，所以一般不采用这种结构。而改进的方法是采用两个半圆环组合焊接成外壳，这样可以提高外壳的承压 图2 螺旋板式换热器结构示意图能力，连接板是将螺旋板与外壳连接的零件，极其重要。为了让连接板与螺旋板及外壳得到很好的连接，首先需要用对接焊接的方式将螺旋板与连接板焊接，再经过无损探伤，确定合格后，两个半圆形的外壳被采用有衬板的对接焊缝的结构与连接板焊接，这种焊接结构可以将焊

23、件牢固的焊接在一起而不会产生角焊缝，既保证了焊接质量，也提高了螺旋板式换热器的承压压力。壳体厚度计算及校验在之后进行。2.2 进出口的设计在螺旋板式换热器的壳体通常会安装有进出口接管、支座等等，进出口接管在壳体焊接安装，需要在壳体开孔，而开孔一定会削弱壳体的局部位置的强度。进出口接管的设置需要考虑传热的影响和压降的影响，同时也需要考虑这些结构对壳体局部强度的影响，外观是否美观和谐，安装是否合理、方便等等因素。在不可拆式螺旋板式换热器中一般都要有中心管，而中心管被安置在垂直于筒体的横截面，而螺旋通道的接管存在两种形式，一种是法向接管，接管垂直于筒体轴线方向。流体需要旋转90.才能进入螺旋通道。另

24、一种是切向接管。流体经接管逐渐流入进入通道时，没流动方向上没有突变，阻力较小，利于杂质从螺旋体中排出，在加工难度上切向接管加工要比垂直接管大。所以两种接管各有千秋，设计是要根据具体情况和要求来定。2.2.1 接管外伸长度 通常是指接管法兰面与管箱壳体外壁之间的长度，影响其的因素有法兰种类，焊接条件，螺栓装卸，以及保温情况等。最短长度范围可由公式（1）计算确定： (mm) （1） 式中：h接管法兰厚度，mm； h1接管法兰的螺母厚度，mm； 保温层厚度，mm； 接管外伸长度，mm。 接管伸身长度具体在之后计算出。2.2.2 接管最小位置在设计接管位置时要从降低壳体长度，减轻设备的重量，充分利用换

25、热面积等方面考虑，同时要保证设备的制造和便于安装。设接管的最小位置在壳体的高度的一半。2.3 壳体与各零部件的连接由于设计的是不可拆式螺旋板式换热器，均采用焊接的方式将其连接。将密封条垫入螺旋通道两端后采用焊接方式密封；将侧面搭接选为中心隔板与螺旋板的焊接结构；采用全熔透焊缝的焊接方式将半圆端板与中心隔板；采用双面V形坡口对接焊缝的方式将连接板与壳体连接，采用两个半圆对接焊接形成外壳；采用插入式焊接法焊接接管与壳体，要求与管箱壳体的内壁平整。按照GB150-1998钢制压力容器中有关章节的规定计算接管最大直径与壳体允许开孔直径范围，开孔补强。2.4 密封结构螺旋板式换热器是否能正常的运转取决于

26、密封结构的好坏，。一点点的泄漏也会使得螺旋板式换热器的承压能力下降，冷热两流体相混不能正常传热，所以如何设计好密封结构成为重中之重。螺旋板式换热器一般是采用焊接密封和垫片端盖密封，这两种结构各有优点缺点。2.4.1 焊接密封 焊接密封一般是将通用方钢或者与通道宽度相同的圆钢条垫入钢板，然后卷制焊接。方钢的摩擦力相比圆钢较大，在卷床上卷制时消耗的功率比较大，从节省能源方面考虑，更倾向于采用圆钢焊接密封，这是国内大多采用的焊接密封结构。还有一种焊接结构是将一边通道的钢板压成斜边后与另一通道的钢板焊接。而这种焊接密封结构更简单，加工起来也更方便。2.4.2 垫片端盖密封 为了更好地焊接密封，卷制好的

27、螺旋板，需要磨平螺旋通道的两端，使其光洁度达到规定要求，将螺旋通道需要一片垫片封住，垫片的外径要与端盖密封面外径相等，垫片材料的选择，应考虑根据冷程和热程介质特性以及温度；为达到密封要求需要把端盖上螺栓与外壳上法兰连接。密封时需要端盖来压紧垫片，当采用平盖形式时，受压过大时容易产生挠度，短路时常在螺旋通道中发生，传热效果不好，容易导致换热器失效。所以在设计压力较低时才会采用平盖。一定直径的钢管被焊接在椭圆形端盖内中心部分，主要是保证大直径的换热器的螺旋通道端面和密封板能很好的贴合，不发生泄漏。钢管直径最好在（0.250.35）Di以内（Di为螺旋体内径），金属压环被焊在在钢管另一端，压环垫片被

28、放置于压环与密封板之间，同时要求此垫片的厚度比法兰密封垫片的厚度薄0.5。采用椭圆端盖时，椭圆端盖与筒体法兰被螺栓拉紧，密封板被钢管向下压紧，使得密封更加牢靠。椭圆端盖的承压能力是比平盖形端盖要高，但同样有缺点，容易受加工尺寸的误差影响，从而影响密封效果。 2.5 螺旋板的刚度螺旋体是由较薄的钢板焊接而成，而且通道间距远大于螺旋体厚度。，在制造或者搬运过程受压容易被压瘪或者压破，所以螺旋板的刚度是设计过程需要着重考虑的问题。在制造生产中，设备之所以会被压瘪而失稳，不能正常工作，是因为换热器两通道的压力差大于一定的数值，设备刚度不够引起的。而一味的增加板厚来提高螺旋板刚度不是最有效的办法，卷制螺

29、旋体对所需的功率会随着板厚得增加而增加，这无疑会使得设备的制造成本提高，而且设备的总重也会随着螺旋板厚度的增加而增加。所以为了增加螺旋板的刚度，同时又要保持螺旋通道的宽度一致，定距柱和定距泡被普遍的应用在螺旋通道中，目前普遍采用提高螺旋板的刚度和承压能力的办法是把定距柱或者定距泡的距离缩短，同时把定距柱或者定距泡的数量增大。一般使用短圆钢条作为定距柱，其材料根据情况来确定。定距泡是在螺旋板上冲出一泡，螺旋体通道的宽度决定了圆柱或泡大小，一般为520，定距柱的直径一般为1215，提前将其焊在钢板上以防在卷制螺旋体时无法固定。定距柱（或定距泡）虽然有提高螺旋板的刚度的作用，但数量过多时会增大流体阻

30、力，通道中的杂质有可能会沉淀而不易排出，所以定距柱的数量要合理。采用不同的排列方式，定距柱的数量会有差别。按等边三角形排列，其间距常用的为8080，100100，150150，200200，安置的定距柱数量较多，而按正方形排列的，安置的定距柱数量较少，但清洗较容易。通道间距的不同，以及偏心距使得两板的曲率半径不一样，在相同的受力状态下，由于外圈螺旋体比内圈螺旋体的曲率半径要大，经强度计算，板的厚度会大一点。由于两通道的受力不同，压力小的通道，钢板的厚度也会小一点。因此，用来卷制成螺旋体的螺旋板的厚度可以不同。但是，由于螺旋通道宽度一般为520，所以两螺旋体的曲率半径相差不会很大，按温度计算出的

31、两板厚度相差也不会很大。选择一样厚度的钢板来卷制螺旋体。3 螺旋板式换热器的设计计算3.1 螺旋板式换热器的工艺参数选取如表1的工艺参数表1 螺旋板式换热器的工艺参数设 计 条 件： 热 程 冷 程工作介质： 废热水 空气设计温度： 85 40设计压力： 0.75 MPa 0.65MPa 焊缝系数： 0.85 0.85 腐蚀余量： 3 2换热面积： 80m23.2 选取设计数据根据换热器设计手册第3章 表2-3-1 螺旋板式换热器的主要设计参数 选取螺旋板厚度= 2 mm；螺旋板宽度H=900 mm；螺旋体外径=1200 mm；螺旋通道间距 =10 mm、=14 mm；中心管直径=300mm3

32、.3 螺旋板式换热器的几何设计3.3.1 螺旋体的绘制前面选定的螺旋板厚度，螺旋通道间距、，设+=t,t为节距。卷辊直径是由卷制螺旋板的卷床设备决定，半卷辊的直径分别为、，则中心隔板宽W可由W=-+=-+求出。以中心隔板为基本零件画水平及垂直中心线，确定中心点o。螺旋通道的左右两圆心、分别在水平中心线两侧取、的距离而得。以左圆中心为圆心，=为半径，从右往左开始画半圆，旋转180进入第二圈；第二圈以右圆心为中心，以=+t为半径画圆，第三圈以左圆心为中心，以 =+t=+2t为半径画圆，依次计算画出一条螺旋体，而另一条螺旋体以右圆心为中心，=为半径，从左往右画圆，第二圈是以左圆心为中心，以=+t为半

33、径画圆；第三圈以右圆心为中心，以=+t=+2t为半径画圆，依次类推可以画出另一条螺旋体。这样通道间距为、，螺旋板厚度为的螺旋体就画出来了。螺旋体通道如图3所示 如图3 螺旋体通道3.3.2 偏心距参考换热器设计手册，由公式（2）和公式（3）计算偏心距。 （2） （3）其中=10 mm、=14 mm；= 2 mm，代入数据得=6 mm、=8 mm3.3.3 中心隔板宽度选取侧面搭接将中心隔板与螺旋板焊接起来，中心隔板宽度参考换热器设计手册，由公式（4）计算 （4）其中=10 mm、=14 mm、300mm、= 2 mm，代入数据得W=286 mm3.3.4 螺旋通道长度由于 （5）其中F=80

34、；H=0.9 m代入得L=44.4 m3.3.5 螺旋板圈数选取的螺旋中心管直径d=0.3 m；螺旋板厚度=2 mm；L=44.4 m；=10 mm、=14 mm不等通道宽度的螺旋圈数由以下公式（6）（化工设备设计全书 换热器第257页）计算 （6）将以上数据代入公式（6）得=35.4圈3.3.6 螺旋体有效换热圈数螺旋体有效换热圈数与换热器螺旋通道圈数相等。在设计螺旋板式换热器时，采用外圈板，所以螺旋板圈数参照换热器设计手册，由公式（7）计算： （7） 所以 =35.4 圈3.3.7 螺旋体外径按公式（8）（化工设备设计全书 换热器第257页）计算 （8）将d=0.3 m; =2 mm; =

35、10 mm、=14 mm代入式子得=1303.2 mm而前面选取的螺旋体外径=1200 mm，所以假设值与计算值之间相差： 即相差8.6%说明前面选取的螺旋体外径=1200 mm可用。4 螺旋板式换热器的结构尺寸因为是废热水与空气的热量交换。废热水可能具有酸性或碱性，因此换热器的零部件大多采用不锈钢0Cr18Ni9材料制造。本换热器的结构采用不可拆式设计。选择流体的流向：废热水经热程接管从中心管流入换热器，沿着螺旋通道向外周流出，空气经冷程接管从外周流向中心，经过螺旋通道的充分换热后向中心排出，热程、冷程流体均呈螺旋流动，全逆流操作。4.1 密封结构 圆钢条被垫入螺旋通道进行焊接密封，其它结构

36、也是通过焊接来密封。钢条材料选用Q235B。4.2 定距柱之所以在螺旋通道中安置定距柱，是因为定距柱的作用有：（1）可以控制通道间距；（2）可以增加螺旋体的强度和刚度；（3）使湍流更容易在流动介质中发生，同时传热的作用得到强化。一般将短圆钢条作为定距柱，定距柱的尺寸与螺旋通道宽度和相同。由选取的通道宽度=10 mm、=14 mm，可选取直径为10 mm,长分别为12mm和16mm的定距柱，其排列方式按等边三角形排列。定距柱采用0Cr18Ni9材质。4.3 换热器外壳外壳是由两个半圆对接焊接而成的，其主要受到内力作用，外力作用忽略不计，所以外壳的厚度按承受内压的圆筒计算公式来计算，由公式（9）（

37、化工设备设计全书 换热器第259页）计算得： （9）其中设计压力为=0.825 ,圆筒半径R=600 mm,壁厚附加量=0，不锈钢0Cr18Ni9材料同样被选作壳体材料。其=520；=205；=3；=1.5 取最小值136.7又因为是采用双面V形坡口对接焊缝的方式来把连接板与壳体连接，所以取=0.85将已知或算出的数据代入公式（9）可得： 4.3从换热器设计手册表1-6-3中取不锈钢板厚度为8 mm。4.4 进出口接管直径中心管与螺旋板横断面垂直，螺旋通道上的接管也采用垂直设置。热程（废热水）通道截面积为 = （10）将已知数据代入公式得=0.0126 冷程（空气）通道截面积为 = （11）将

38、已知数据代入得=0.009 设通道截面积等于管的截面积，那么热程通道的接管直径为 （12）将上式所得数据代入公式得=0.127=127选用的钢管冷程通道的接管直径为 （13）将上式所得数据代入得=0.107=107选用的不锈钢管接管的材质均采用0Cr18Ni9不锈钢。4.5 中心隔板尺寸0Cr18Ni9同样被选做螺旋板的材质，其厚度=2 mm，宽度H=900 mm.由3.3.3计算出中心隔板宽度W=286 mm中心隔板的高度要与螺旋板的高度一致，即900mm隔板宽度、螺旋板宽度、压力等决定了中心隔板的厚度 参考换热器设计手册，由公式（14）计算： （14）公式中W中心隔板宽度 J系数根据I值按

39、换热器设计手册图2-3-20查得J=0.75，代入上式得15 mm.腐蚀余量为3mm所以15+3=18mm4.6 半圆端板半圆端板的材料选用Q235B。全熔透焊缝的结构被半圆端板与中心隔板连接采用，按换热器设计手册公式（15）计算其厚度： （15）式中r卷辊胎模半径，取r=600 mm 代入数据得39 mm4.7 法兰压力容器法兰按照其自身结构形式的不同可以大致分为：整体法兰、活套法兰和任意形式法兰三种类型。(1) 整体法兰：法兰和容器筒身通过焊接连成一个整体，故称为整体法兰。整体法兰中又有平板法兰和锥颈法兰两种。平板法兰是通过法兰环和圆筒相连接，一般适用于压力较低且尺寸较小的场合。锥颈法兰是

40、法兰环不与圆筒直接相连，而是通过锥颈与其间接连接。这个过渡锥颈可以使整个结构受力均匀，从而使其强度较高。一般适用于温度、压力较高且尺寸较大的场合。(2) 活套法兰：即法兰环和容器筒身或其它零部件之间，不是通过焊接连成一个整体，而是相互之间可以保持一定的自由移动。其特点就是安装、更换、检测非常方便。由于活套法兰本身的强度不高，一般只应用在低压和小尺寸的容器中。(3) 任意形式法兰：要先在法兰环上打上坡口，然后再将法兰环和筒体或其他零件通过焊接固定在一起，整个结构强度较高，且结构简洁，制造简单，使用的设计方法可与整体法兰相同。一般适用于中低压容器。根据4.4计算出的进出口接管直径及GB9119-2

41、000 板式平焊钢制管法兰选择热程通道的接管法兰外径为D=245mm，螺栓孔的中心圆直径为K=210mm，孔直径为L=18mm，螺栓的规格为M168，法兰的厚度为C=28mm，法兰的内径为B=135mm.冷程通道的接管法兰外径为D=215mm，螺栓孔的中心圆直径为K=180，孔的直径为L=18mm，螺栓的规格为M168；法兰的厚度为C=26mm，法兰的内径为B=110 mm.4.8 支座 选用耳式支座，支座如图4所示，垫板、筋板和底板组成了支座，垫板材料一般与容器材料相同，选不锈钢0Cr18Ni9材料，不锈钢0Cr18Ni9材料同样被选为筋板和底板材料，结合壳体的公称直径大小及最大总重量，JB

42、/T 4712.3选取支座允许载荷，高度H=250 mm,底板=200mm;=140mm;=14mm;=70mm；筋板=290mm;=140mm;=10mm；垫板=315mm;=250mm;=8mm;=40mm；盖板=70mm；地脚螺栓规格,=30mm；支座质量为15.7kg。 图4 耳式支座4.9 接管外伸长度及接管位置 接管采用垂直于壳体设计，根据已知条件设计接管外伸长度均为200mm，冷程进口接管和热程出口接管设置为h=450 m。5 螺旋板的强度、挠度计算与校核5.1 螺旋板的强度计算由平板原理可知，板的承受压力能力与板的厚度的平方成正比，而与定距柱（泡）的间距t成反比。许用压力的计算

43、需要充分考虑到曲率的影响、定距柱和定距泡的差别等因素，参考化工设备设计全书 换热器，由公式（16）计算 （16）从前述可知=1200 mm ；=900 mm；=2 mm 设定的换热器操作压力为： =0.75 其设计压力为 =0.825 选用0Cr18Ni9为螺旋板材料，其=205 其式中材料屈服限作为准则的许用应力， 安全系数，碳钢材料=1.6；不锈钢材料=1.5计算出=136.7 曲率影响系数： =1+0.96(1.28-2R) （17）而0.6 m计算出=1.08参照换热器设计手册，定距柱的间距t由公式（18）可得 （18）当采用定距柱时，C=4.7代入数据得58 mm当采用定距泡时，C=

44、5.3662 mm5.2 螺旋板的挠度计算 参照换热器设计手册，由公式（19）计算板的最大挠度： （19） 式中系数，对于定距柱=0.00638；对于定距泡=0.00681； 板的柱状刚度，,Nm 设计温度下材料的弹性模量， 材料的泊松系数，对于钢板=0.3 定距柱的间距，m 由前述计算或已知得=1.79，=0.3，=0.825 将以上数据代入，可以把板的柱状刚度求出 =148.7 Nm所以当采用定距柱时，板的挠度为：5.6 m=0.56 mm当采用定距泡时板的挠度为：=7.6 m=0.76 mm因为螺旋板允许挠度的推荐范围是0.51mm，无论是采用定距柱还是定距泡许用挠度都小于0.8mm，所

45、以不用再进行许用压力的校核。5.3 螺旋板式换热器的稳定性校核对于每一条通道而言，螺旋板外压和内压同时作用在螺旋板上，当螺旋板所受外压达到或超过某一定值时，其会被压瘪从而失去稳定性，此时的压力被称为临界压力。所以为了能让换热器正常工作运转，其操作压力必须小于临界压力。螺旋板式换热器的稳定性校核可以用“计算法”来进行。所得已知数据为板宽=900 mm；板厚=2 mm；螺旋板曲率半径0.6 m再根据化工设备全书 换热器公式（5-82）计算定距柱间距 =1.76=0.312 m=312 mm由强度计算，取50 mm由于，参照化工设备全书 换热器由公式（20）算出临界压力 （20）已知=2.03；0.

46、6 m；=2 mm；=900 mm；50 mm，将数据代入上式可知 =2.44 将所得=2.44 代入 则=0.81 而设备的设计压力为=0.75 ，由于，所以设备运转稳定，操作安全。5.4 水压试验时应力校核 以GB1501998钢制压力容器为基础 采用水压试验压力，参照化工设备全书 换热器由公式（21）校核水压试验压力 （21）其中则1.03在试验压力下，可以按公式（22）校核壳体产生的应力 （22）由前述已知：=1200 mm；= 8m；C=0将数据代入上式得91.5而由于，所以满足强度要求。6 焊接工艺6.1 不锈钢的焊接0Cr18Ni9不锈钢被选作螺旋板式换热器的材质，而0Cr18N

47、i9不锈钢属于奥氏体不锈钢。虽然奥氏体不锈钢具有良好的焊接性,但选用的焊接材料不正确或所选用的焊接工艺不正确时,会出现以下这两种缺陷:1. 晶间腐蚀 (1) 晶间腐蚀产生原因在晶粒边界会发生晶间腐蚀。它一旦出现，会让奥氏体不锈钢变得很危险，它会沿着晶粒边界深入金属内部进行腐蚀,降低金属的机械性能和耐腐蚀性能。奥氏体不锈钢在450850温度区间范围内停留一定时间后,Cr23C6会被析出,其中的铬主要来自晶粒表层,如果不能及时补充内部的铬, 贫铬区就会因为晶界晶粒表层的含铬量下降而形成，由于有些介质具有强腐蚀性,晶界贫铬区接触到介质就会被腐蚀进而形成晶间腐蚀。虽然不锈钢被腐蚀后在表面上看不出什么的

48、变化,但内部结构已经被破坏，在受力时就会沿晶界断裂，已经没有什么强度可言。 (2) 防止晶间腐蚀的措施 1）选用的不锈钢焊条要具有一定稳定元素，比如超低碳、添加钛或铌等。 2）规范要尽量小，这样可以降低焊条在焊件表面的停留时间，采用小电流、快焊速、短弧焊及不作横向摆动。焊缝可采用喷水的方式来加快焊接接头的冷却，使因焊热产生影响区域面积减少。有多层焊时， 层间温度要控制好,必须要前一道焊缝冷却后再焊下一道。 3）与介质有接触的那面焊缝在最后进行焊接。 4）焊后固溶处理。奥氏体组织是在将工件加热至10501150后淬火，晶粒内部逐渐被晶界上的Cr23C6溶入而形成。2. 热裂纹热裂纹之所以会产生是

49、因为焊缝中存在的有害杂质而产生焊接应力奥氏体的焊接注意事项： 1）在焊前不用预热 由于奥氏体具有很好的塑形，冷裂纹倾向很小，在多层焊接过程中,焊件的层间温度必须保持较低,，次层一般是等上一层冷却后才焊。 2）防止接头过热 采用较小焊接电流以及用短弧快速焊，直线运条，避免重复加热，为了防止接头过热，需要将焊缝进行强制冷却。 3）注意保护工件表面 焊件表面损伤容易造成腐蚀，因此要避免碰撞损伤焊件表面，避免在焊件表面进行引弧而造成局部烧伤，防止焊件表面溅落飞溅物。 4）焊后热处理 在将不锈钢焊件焊接后不作残余应力的消除，因为即使焊接后接头仍然具有很好的塑性和韧性，焊件不会因为焊接而不会失去塑性和韧性

50、，所以残余应力的影响不大。而且不锈钢的敏化温度区与消除应力处理的温度范围相吻合，如果还做残余应力的处理反而多余，还会降低焊件耐蚀性。 5）在焊接时,，焊接电流的选择要符合焊条说明书规定的电流范围。之所以靠近夹持端的一段焊条容易出现发红的现象是因为不锈钢电阻值较大产生的电阻热较多的缘故。为使焊缝熔深减少应适时提高熔化速度，但同时要注意熔化速度太快容易造成熔合不完全和出现熔渣等缺陷。尽量选用较小的焊接电流，这样可以让接头的耐腐蚀性得到保证，同时让焊接热输入量得到减少,防止焊接区域温度过高。 6）采用窄焊道技术进行焊接。6.2 常用焊接结构的设计原则在设计容器焊接结构时，不能让压力集中的现象出现，几

51、何形状或截面形状突变的受力元件因其受力集中不能采用。如果将主要受力元件与小配件焊在一起，可能会因为焊接使小配件变形，影响其性能，所以应避免。化工容器常用的焊接接头可分为对接接头、角接头、T字形接头、和搭接接头四种。应根据不同的结构形式，焊件厚度及对强度的要求，以及具体施工条件等因素来选择其形式。各类型焊接接头如图5所示 （a） （b） （c） （d） 图5 常用焊接接头示意图 （a）对接接头；（b）角接接头；（c）塔接接头；（d）T形接头1、 对接接头 之所以称为对接接头是因为将两块钢板一端对在一起焊接形成的。钢板卷成圆筒后将两端分别对在一起焊接也属于对接。对接接头具有能容易焊透焊件，受力情况良好，应力分布均匀，焊件连接强度高，接头质量能得到保证等优点。2、角接头角接头是两焊件端面构成角度在30到150之间形成的接头。角接头的焊缝的承载能力低，不能用于重要的焊件结构中，一般只多用于箱型构件。3、T形接头因两块板焊成T字形而形成的接头，同时也可称为T字焊缝。T字焊缝中的双面焊的K形和U形的受力状态要比角焊缝好。