F40螺旋板式換熱器機械設(shè)計
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F40螺旋板式換熱器機械設(shè)計
摘 要
本論文是關(guān)于換熱面積為40㎡的螺旋板式換熱器的設(shè)計，目的是設(shè)計一個設(shè)計參數(shù)要求的螺旋板式換熱器，利用螺旋板式換熱器的高效換熱性驚醒對熱廢液的廢熱利用，余熱回收對于廢熱水的余熱回收。
查閱換熱器相關(guān)書籍，根據(jù)其中所給的公式進行設(shè)計。主要對螺旋板換熱器的中心隔板寬度、螺旋圈數(shù)、外徑長度等主要結(jié)構(gòu)參數(shù)根據(jù)設(shè)計任務(wù)書所給出的壓力、換熱面積等數(shù)據(jù)對其進行計算。然后對螺旋板換熱器的結(jié)構(gòu)強度，制作工藝，主體結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)材料以及其他的零部件進行設(shè)計和選擇，從而達到設(shè)計一個符合任務(wù)書的螺旋板式換熱器。
本論文的開始簡要的描述了螺旋板式換熱器的分類、發(fā)展歷程以及螺旋板式換熱器的結(jié)構(gòu)特點和螺旋板式換熱器的分類。本論文的后面主要是對于換熱器的結(jié)構(gòu)和其他的常用數(shù)據(jù)進行計算，然后對換熱器的其它部件進行選擇和效驗。
關(guān)鍵詞： 螺旋板換熱器、強度計算、結(jié)構(gòu)設(shè)計
ABSTRACT
This paper is about the heat transfer area of 40 square meters, the spiral plate heat exchanger design, the purpose is to design a design parameters of the spiral heat exchanger, using the spiral plate heat exchanger, change the thermal wake of thermal effluent waste heat utilization, waste heat recovery for waste hot water residual heat recovery.
Review the relevant books of the heat exchanger, according to the formula given. Mainly on the spiral plate for heat exchanger of center plate width, coil number, diameter length and main structure parameter carries on the computation according to the data given by the design task book pressure, heat exchange area of the. Then the spiral plate for the structural strength of the heat exchanger, the production process, main structure, materials of construction, and other parts of design and selection, in order to achieve the design of a line with the mandate of the spiral plate heat exchanger.
This paper began a brief description of the spiral plate heat exchanger of the classification, development and the spiral plate heat exchanger structure characteristics and the spiral plate heat exchanger classification. Behind this paper is mainly to change the structure of the heat exchanger and other commonly used data were calculated, then the other components of the heat exchanger for selection and validation.
Key words Spiral plate heat exchanger；Strength calculation； Structure design
目 錄
1. 概述 1
1.1 換熱器的概述 1
1.2 換熱器的分類 1
1.3螺旋板換熱器的發(fā)展歷史 2
1.3.1國外研究發(fā)展歷史 2
1.4 螺旋板換熱器的結(jié)構(gòu)特點 2
1.5 螺旋板換熱器的分類 4
2. 設(shè)計內(nèi)容 5
2.1具體工藝參數(shù) 5
2.2結(jié)構(gòu)示意圖 5
2.3結(jié)構(gòu)及換熱原理 5
2.4設(shè)計參數(shù) 6
3.1符號說明 7
3.2 幾何設(shè)計 8
3.3 外徑D的計算 9
3.4 偏心距e 10
4.螺旋板的強度、撓度計算與校核 12
4.1 強度計算 12
4.2 螺旋板的撓度 13
4.3 校核螺旋板式換熱器的穩(wěn)定性 13
5.螺旋板式換熱器的結(jié)構(gòu)尺寸和零部件 15
5.1密封結(jié)構(gòu) 15
5.2定距柱尺寸 15
5.3支座的設(shè)計 16
6. 水壓試驗 17
7.奧氏體不銹鋼的焊接特點 17
7.1中心隔板與螺旋板的焊接工藝 18
7.2 焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計 18
8 螺旋板式換熱器的檢驗和驗收 20
8.1定距柱 20
8.2中心隔板 20
8.3半圓筒體、連接板 20
8.4接管、法蘭 20
8.5裝配 21
8.6 液壓實驗 21
9 螺旋體的安裝、制造、及運輸 22
9.1螺旋板換熱器的制造工藝 22
9.2 螺旋板換熱器的包裝、運輸 22
參考文獻 24
致謝 25
1. 概述
1.1 換熱器的概述
換熱器是能夠?qū)崃黧w的部分熱能傳遞給冷流體，并且能夠讓冷流體溫度達到生產(chǎn)中所規(guī)定的達到的溫度一種熱能交換設(shè)備，又被簡稱為換熱器。換熱器在化工、石油化工、動力、醫(yī)藥、冶金、制冷、輕工業(yè)等工業(yè)部門和國防工程等領(lǐng)域得到了很大應(yīng)用。換熱器的主要功能是可以保持流體在生產(chǎn)之中維持特定的溫度，同時也可以提高能源利用率。 換熱器可以是如加熱器、冷卻器和凝汽器等這種單獨的設(shè)備，也可以是其他某種設(shè)備的組成部分。
1.2 換熱器的分類
換熱器的種類繁多,根據(jù)不同的用途出現(xiàn)了很多種不同形式和結(jié)構(gòu)。如果根據(jù)換熱器的傳熱原理分類可分為：
1.2.1 直接接觸式換熱器
直接接觸式換熱器又叫做稱混合式換熱器，它的工作原理是通過二種介質(zhì)的接觸然后相互進行熱量的傳遞，二種介質(zhì)的接觸面積的規(guī)模大小對傳熱量產(chǎn)生很大的影響。例如冷卻塔、冷卻冷凝器等這種換熱設(shè)施。直接接觸式換熱器主要是一種以塔設(shè)備為主的傳熱設(shè)備。直接接觸式換熱器的優(yōu)點是傳遞熱效率高、單位容積提供的傳熱面積大、設(shè)備構(gòu)造簡單、成本低。
1.2.2 蓄能式換熱器
蓄能式換熱器在工業(yè)中使用的情況較少，其工作原理是先讓熱介質(zhì)先通過加熱固體物質(zhì)，是固體物質(zhì)加熱從而達到一定溫度，然后冷介質(zhì)然后再通過固體物質(zhì)，使其加熱，用這種原理進行熱量交換。
1.2.3 板、管式換熱器
板、管式換熱器在工業(yè)中使用的情況很多，占換熱器總量的百分之九十九以上。工作原理是熱介質(zhì)通過金屬或者非金屬將熱量傳遞給冷介質(zhì)，使用這樣的工作原理進行熱量傳遞的換熱器我們一般叫做管殼式、板式、板翅式或者板殼式換熱器。這類傳熱器都是通過管子壁進行傳熱的換熱器，具有廣泛的應(yīng)用價值，取得了比較高的社會效益。
1.3螺旋板換熱器的發(fā)展歷史
1.3.1國外研究發(fā)展歷史
在國外，由瑞典的Rosemblad在1930年最先提出螺旋板式換熱器的結(jié)構(gòu)，1932年用此人命名的Rosemblad公司開始大量制造生產(chǎn)這種換熱器，并且申請了專利。從這次以后，世界多個國家一個接一個的設(shè)計制造了螺旋板式換熱器，并且應(yīng)用于各個地方。國外的螺旋板換熱器的發(fā)展無論從材料、工藝、結(jié)構(gòu)和設(shè)計理論都已經(jīng)趨近成熟，他們對于螺旋板式換熱器的應(yīng)用也比我國廣泛。
較早的時候在國外對于換熱器的利用主要是回收廢液和廢氣中的能量，加熱和冷卻果汁、糖汁和各種化工溶液，冷卻發(fā)煙硫酸，酸類物質(zhì)及酒廠的麥芽漿汁等。伴隨著工業(yè)的迅速發(fā)展和螺旋板式換熱器制造技術(shù)水平的改進和提高，使得其應(yīng)用范圍變得廣泛。
1.3.2 國內(nèi)研究發(fā)展歷史
螺旋板換熱器在我國的使用是從20世紀(jì)50年代中期開始，大多數(shù)螺旋板式換熱器的作用是燒堿廠中的電解液加熱和濃堿液冷卻。60年代開始，因為的工業(yè)的迅速發(fā)展，換熱器得到了的極大的應(yīng)用與發(fā)展。1968年在蘇州由原第一機械工業(yè)部召開螺旋板式換熱器系列審查會議后，國內(nèi)開始有幾十家機械制造廠開始生產(chǎn)螺旋板式換熱器，使得螺旋板式換熱器在我國的應(yīng)用得到了進一步的擴大。經(jīng)過多年的不斷使用和不斷的創(chuàng)新與改進，目前國內(nèi)使用的螺旋板式換熱器最大外徑達2000mm以上、板寬1800mm、最大操作壓力4MPa，最高操作溫度達到1000℃。
1.4 螺旋板換熱器的結(jié)構(gòu)特點
（1）傳熱效率高
傳熱效率高是螺旋板式換熱器突出的優(yōu)點，因為螺旋板式換熱器具有螺旋通道，流體在通道內(nèi)流動，為了維持螺旋通道寬度，所以在螺旋板上焊有維持螺旋通道寬度的定距柱或沖壓出來的定距泡，在流體流動的過程之中，產(chǎn)生的離心力能使流體發(fā)生湍流。為了使換熱器的到壓力降保持合理的數(shù)值，所以要合理地選擇通道寬度和流體流速。在進行設(shè)計時一般可選擇較高的流速（允許的設(shè)計流速對流體為2m/s左右，對氣體為20m/s左右），較高的流速是的流體之間更加分散，接觸良好，能夠有效提高螺旋板換熱器傳熱效率。最近這幾年，國內(nèi)很多地方對螺旋板式與管式換熱器進行了傳熱系數(shù)的測定與比較。比如冷凍機的輔助氨冷凝器，一臺換熱面積為F=35㎡的螺旋板式換熱器相當(dāng)于一臺換熱面積為F=80㎡的管式換熱器，螺旋板換熱器的傳熱效率高了一倍。
（2）能有效地利用流體的壓頭損失
螺旋板式換熱器中的流體在通道之內(nèi)流動時，流動方向一般不會出現(xiàn)劇烈變化和脈沖現(xiàn)象。但由于螺旋通道較長，并且螺旋板上焊有定距柱，在一般情況下，螺旋板式換熱器的流體阻力相對于其他換熱器而言要較大一點。螺旋板式換熱器與其它類型的換熱器相比，流體在螺旋通道內(nèi)均勻流動，它的流體阻力主要來自于在流體與螺旋板的摩摖和定距柱的沖撞，應(yīng)為這一部分的阻力產(chǎn)生湍流，因此增大了螺旋板式換熱器的熱系數(shù)，這個原因讓螺旋板式換熱器能有效地利用流體的壓頭損失。
（3）不易污染
在過去的幾年中，大多數(shù)的螺旋板換熱器都集中在污垢問題上，因為對于換熱器的換熱器結(jié)垢問題對于傳熱效果影響非常大。在螺旋板換熱器，因為流體是一個單通道流動而且允許的速度比其他類型的換熱器高，所以不易沉積污垢。如果在通道中沉積的污垢，通道截面積減小，在一定流量下，如果通道截面積減少，局部流動速度將提高，沖刷污垢，減小污垢的影響。但在管殼式換熱器，如果一塊熱交換管污垢沉積，增加局部阻力的換熱管，由于介質(zhì)流動的影響，減少介質(zhì)的流速等熱分流管，然后為每個換熱管換熱器重新平衡性，沉積的換熱管污染，速度越低越容易沉積，最后完全堵塞。在化工廠、煉油廠中的管殼式換熱器管內(nèi)經(jīng)常出現(xiàn)污垢沉積，極易產(chǎn)生堵管現(xiàn)象，但是在螺旋板式換熱器內(nèi)，由于螺旋板的自沖刷的作用，所以使得污垢形成速度大約只是其他換熱器的十分之一。
（4）能利用低溫?zé)嵩矗⒛芫_控制出口溫度
提高傳熱推動率技能有效的提高螺旋板式換熱器的傳熱效率。當(dāng)流體在螺旋通道中逆向流動時，兩流體的相對溫度差就比較大，對于傳熱有好的影響。由書上數(shù)據(jù)顯示螺旋式換熱器的最小溫差為3攝氏度，能利用低溫?zé)嵩?。因為這樣的優(yōu)點，許多國家都利用螺旋板式換熱器換熱器來回收低溫?zé)崮?。螺旋板換熱器具有兩個比較長并且均勻的螺旋通道，使得流體在通道中可以更好的加熱和冷卻，從而達到精確控制出口溫度的要求。
（5）結(jié)構(gòu)緊湊
螺旋板式換熱器結(jié)構(gòu)比其他的換熱器都緊湊，比如一臺直徑為2m，寬度為2.5m的螺旋板式換熱器，其傳熱面積可達350㎡，而相同的傳熱面積的其他換熱器則單位體積遠大于螺旋板式換熱器
（6）密封結(jié)構(gòu)可靠
現(xiàn)在使用的螺旋板式換熱器兩通道端部有采用焊接密封和端蓋壓緊的二種結(jié)構(gòu)。不可拆式只要能保證焊接質(zhì)量，就能保證兩流體之間不會產(chǎn)生內(nèi)漏?？刹鹗降膬啥擞脦в姓w密封版的端蓋壓緊，只要保證螺旋通道兩個端面加工平滑，同樣可以防止二流體之間不會產(chǎn)生內(nèi)漏。
（7）溫差應(yīng)力小
螺旋板式換熱器由于它有兩個較長的螺旋通道，而且能膨脹。當(dāng)螺旋板受熱或冷卻后，可伸長和收縮。而螺旋體各圈之間都是一側(cè)為熱流體，另一側(cè)為冷流體。在螺旋體之間的溫差沒有管殼式換熱器中的換熱管與殼體之間溫差那樣明顯，因此不會產(chǎn)生大的溫差應(yīng)力。在國內(nèi)、外使用的螺旋板式換熱器的許多例子例中，哪怕在兩介質(zhì)溫差很大的，也沒有較大的溫差應(yīng)力。
（8）熱能損失少
由于結(jié)構(gòu)緊湊，換熱器的換熱面積非常大，但它的表面積是小的。由于流體接近流出的溫度從通道的最外層，所以一般不需要保溫。
（9）生產(chǎn)制造簡單
螺旋板式換熱器與其它類型的換熱器相比，制作所需的時間少，容易批量生產(chǎn)。生產(chǎn)使用的材料主要是板材。制造螺旋板式換熱器的成本低。
（10）承壓能力受限制
螺旋板式換熱器一般都按每一通道的額定設(shè)計壓力，由于螺旋板的寬度較大，厚度薄，剛度較差，每一圈都有壓力， 當(dāng)兩通道間的壓力差達到或接近臨界壓力的程度時，螺旋板就會失去穩(wěn)定性?，F(xiàn)在各國生產(chǎn)的螺旋板式換熱器的最高工作壓力達4Mpa。
（11）修理困難
螺旋板式換熱器不易泄漏，但由于其結(jié)構(gòu)上的特點，如果產(chǎn)生泄漏則難以修理，常常只能整臺報廢，所以使用腐蝕性的介質(zhì)時，應(yīng)該選用耐腐蝕材料制造換熱器。
（12）通道的清洗
由于螺旋通道一般較窄，因為焊有定距柱，所以清洗起來很困難。螺旋板的主要清洗方法是采用熱水沖洗、酸洗和蒸汽吹洗這三種方法，在國內(nèi)較多采用蒸汽吹洗的方法來進行清洗。
1.5 螺旋板換熱器的分類
螺旋板式換熱器由外殼、螺旋體、密封及進出口等四部分組成。螺旋板式換熱器按密封類型可以分為二大類：不可拆式和可拆式。不可拆式螺旋板式結(jié)構(gòu)特點是通道二端全部墊入密封條后焊接密封。實際用使用壓力在2.5MPa。不可拆式螺旋板換熱器的結(jié)構(gòu)簡單，螺旋通道的兩端全部焊死（稱為I型換熱器）?？刹鹗铰菪鍝Q熱器與不可拆式螺旋板式換熱器相比，只有通道二端是用端蓋加墊片，其他與不可拆式完全相同。I型不可拆式螺旋板式換熱器螺旋通道的端面采用焊接密封，因而具有較高的密封性。
2. 設(shè)計內(nèi)容
要求：設(shè)計一換熱面積為40㎡的螺旋板換熱器，用于廢熱水的廢熱利用。
2.1具體工藝參數(shù)
給定設(shè)計參數(shù)如下：
熱程介質(zhì)：廢熱水 冷程介質(zhì)：冷水
熱程設(shè)計壓力：0.85MPa 冷程設(shè)計壓力：0.75MPa
熱程設(shè)計溫度：95℃ 冷程設(shè)計溫度：55℃
腐蝕余量：自定 換熱面積：40m2
2.2結(jié)構(gòu)示意圖
圖1 螺旋板式換熱器結(jié)構(gòu)示意圖
2.3結(jié)構(gòu)及換熱原理
螺旋板式換熱器是在卷床上用二塊平行的鋼板卷制而成的。鋼板被繞成螺旋形狀，而且形成兩個同心通道，每個通道為環(huán)形單一通道,橫截面為長方形，進出接管分別裝于兩通道的邊緣端。選用全逆流的介質(zhì)流動，廢熱水從換熱器的中心進入，從里向外流動。冷水由螺旋板式換熱器的周邊向里流動，成逆流流動。兩液體在流動的過程中進行換熱而達到廢熱利用的要求。
2.4設(shè)計參數(shù)
按照設(shè)計要求，設(shè)計一臺換熱面積為40㎡螺旋板式換熱器，選用不銹鋼不可拆螺旋板式換熱器。主要材質(zhì)：1Cr18Ni9Ti根據(jù)《換熱器設(shè)計手冊》第3章 表2 -3-1，選用兩螺旋通道的距離為10㎜，公稱直徑為1000㎜。
3.螺旋板式換熱器的設(shè)計工藝計算
3.1符號說明
——換熱面積
——軸向通道截面積
——截面通道寬度
——當(dāng)量直徑
——重量速度
——螺旋板板寬
——總的傳熱系數(shù)
——螺旋板板長
——普朗特數(shù)，量綱為1。
——雷諾數(shù)，量綱為1。
——冷一側(cè)的污垢熱阻
——廢熱水一側(cè)的污垢熱阻
、——冷一側(cè)、廢熱水一側(cè)平均溫度
、——冷水、廢熱水水的密度
、——冷水、廢熱水的導(dǎo)熱系數(shù)
——冷水一側(cè)的傳熱系數(shù)
——廢熱水一側(cè)的傳熱系數(shù)
、——廢熱水、冷水的粘度
——螺旋板板厚
——螺旋板的換熱系數(shù)
——螺旋通道截面寬度
——軸向通道截面寬度
——平均通道寬度
——螺旋板的外徑
——螺旋板換熱器的公稱直徑
——卷輥直徑
——定距柱之間的間距
——中心隔板的寬度
——設(shè)計溫度下材料的許用應(yīng)力，壓力容器用高合金鋼鋼板的許用應(yīng)力為
——半圓端板的厚度
——中心隔板的厚度
——鋼板負(fù)偏差
——鋼板腐蝕余量
——接管的內(nèi)徑
——內(nèi)表面積
——橢圓封頭的質(zhì)量
—— 直邊高度
——曲面高度
——半圓筒體的內(nèi)半徑
——流體在接管中的流速
——橢圓封頭的容積
——流體的體積流量
——半圓筒體的計算壁厚
——半圓筒體和封頭的設(shè)計壁厚
3.2 幾何設(shè)計
因為設(shè)計的為F40不可拆卸式不銹鋼螺旋板式換熱器從書中查到DN為1000㎜，b1,b2都為10㎜，δ為3㎜，d為300㎜
3.2.1 中心隔板寬度
中心隔板的寬度
= 300-10-3
= 287㎜
中心隔板的計算厚度按下式計算：
（1）
代入公式（1）數(shù)據(jù)求得，所以選擇10mm
中心隔板是螺旋板式換熱器最大質(zhì)量隱患。哪怕螺旋通道發(fā)生泄露可以進行補焊，但是中心隔板與螺旋板的焊縫是無法修理的。所以在制造過程中一定要控制好中心隔板與螺旋板的連接焊縫的焊接質(zhì)量。為了根本消除加載和卸載的周期性作用對焊縫的損壞，應(yīng)采用改進型中心隔板結(jié)構(gòu)（如圖2 所示）。
圖2 四種改進型中心隔板結(jié)構(gòu)
3.2.2 螺旋通道長度
（2）
已知 H=0.8m F=40㎡ 代入公式（2）
3.3 外徑D的計算
根據(jù)多年的工程設(shè)計經(jīng)驗，外徑D求取采用如下經(jīng)驗公式：
（3）
式中的L=25m d=300㎜ 代入公式（3）
3.4 偏心距e
（4）
（5）
因為螺旋體通道間距相等，即b1=b2 則
3.5 螺旋圈數(shù)n與螺旋體外徑D0
3.5.1 螺旋圈數(shù)n
前述已選螺旋中心直徑d=0.3m，板厚δ=0.003m，L=25m，b1=0.01m，
b2=0.01m
不等通道寬度的螺旋圈數(shù)按下式
（6）
因為螺旋體通道間距相等，即b1=b2 則
則取整數(shù)n=98
3.5.2 螺旋體外徑D0
當(dāng)螺旋板終端的截面法線與中心隔板平面法線平行，即長軸在中心隔板構(gòu)成的平面內(nèi)時
（7）
又因為螺旋體通道間距相等，即 b1=b2
4.螺旋板的強度、撓度計算與校核
螺旋板換熱器是由兩張平行的鋼板所構(gòu)成。在螺旋板式換熱器進行使用時，兩通道內(nèi)的流體所承受的壓力經(jīng)常是不相同的。設(shè)兩通道介質(zhì)的壓力分別為p1和p2其壓力差Δp=p1-p2 ，Δp就是作用在螺旋板上的載荷。
4.1 強度計算
根據(jù)平板理論，螺旋板的承壓能力與板的厚度的平方成正比，而與定距柱（泡）的間距的平方成反比。但螺旋板是彎曲的，考慮到曲率的影響、定距柱和定距泡的差別，通過實驗得出許用壓力的計算公式：
（8）
已知D0=2.9m，H=0.8m，δ=0.003m
換熱器的操作壓力 P=0.85Mpa
其設(shè)計壓力 PD=1.1P=1.1×0.85≈0.9 Mpa
螺旋板材料選1Cr18Ni9Ti 其σS=205 Mpa
（9）
其中 ns=1.5
則 [σs]= 205∕1.5 =137 Mpa
曲率影響系數(shù)γ0=1+0.96×（1.28-2R），當(dāng)螺旋板曲率半徑R大于600㎜，系數(shù)r0接近于1，
定距柱的間距t按式子
（10）
當(dāng)采用定距柱時，C=4.7
將已知數(shù)據(jù)代入上公式
（11）
當(dāng)采用定距泡時，C=5.36
（12）
由上面計算可知，設(shè)計定距柱間距80㎜均小于計算值，所以是合理的，故定距柱取t=80㎜。
4.2 螺旋板的撓度
（13）
（14）
知E=2.03×105 Mpa，υ=0.3，P=0.85 Mpa，
對于定距柱 β0=0.00638
對于定距泡 β0=0.00681
采用定距柱時，將數(shù)據(jù)代入公式（13），板產(chǎn)生的撓度
采用定距泡時，將數(shù)據(jù)代入公式（14），板產(chǎn)生的撓度
說明采用定距泡時撓度大于定距柱時的撓度。螺旋板的形變大，這會使通道寬度減小，阻力增加。因為哦撓度大，在板中產(chǎn)生的應(yīng)力相對增大，這可能使螺旋板的強度不夠，因此許用撓度應(yīng)受板厚和通道的寬度限制。
4.3 校核螺旋板式換熱器的穩(wěn)定性
根據(jù)已知數(shù)據(jù)，板寬H=0.8m，板厚δ=0.003m
螺旋板曲率半徑
（15）
按公式
（16）
計算定距柱間距，即
㎜
由強度計算，取 t=80㎜
所以 tˊ>t，在此條件下：
（17）
選用公式（17）計算臨界壓力
將已知 E、δ、R、t、H 各值代入公式（17）
已知設(shè)備的設(shè)計壓力為 PD=0.9 Mpa
由于 P≤Pk故設(shè)備穩(wěn)定，操作安全。
5.螺旋板式換熱器的結(jié)構(gòu)尺寸和零部件
本設(shè)計進行熱交換的介質(zhì)為含有廢熱水溶液。由于此水溶液有腐蝕性，因此，螺旋板換熱器的各部件選用不銹鋼1Cr18Ni9Ti材料。由于是液-液熱交換，所以按不可拆式螺旋板式換熱器確定各部件的結(jié)構(gòu)和尺寸。流體流向的選擇：水溶液由中心管進入，沿螺旋流向外周排出，冷卻水從外周流向中心排出，兩流體呈螺旋流動，逆流操作。
5.1密封結(jié)構(gòu)
對于大直徑的螺旋板換熱器，為了能夠讓密封板與螺旋端面非常貼合，則需要焊一根鋼管在端蓋的中心部分，鋼管的直徑最好在D以內(nèi)（D為螺旋體內(nèi)直徑），在焊上的鋼管的那一段端焊上金屬壓環(huán)，壓環(huán)與密封板之間放置一個壓環(huán)墊片，但是壓環(huán)墊片必須比法蘭密封墊片薄0.5㎜。當(dāng)用螺栓拉緊橢圓端蓋與筒體法蘭時，焊接的上來的鋼管向下壓緊在密封板上，這樣一來密封板能受到來自鋼管的壓力，使得密封板更為密封。使用這種結(jié)構(gòu)的承壓能力較高。
2、焊接密封結(jié)構(gòu)：
螺旋板換熱器有三種類型，每一種形式的密封情況不同，I型是通道兩端全密封；II型為通道交替封閉；III型是通道封閉，另一個通道敞開。不論哪一種形式都有密封問題。從焊接密封來講，常用的又三種形式：
（1）將需要密封的通道用方鋼條墊進鋼板中，卷制后進行焊接。
（2）用于通道寬度相同的圓鋼條墊進鋼板中卷好進行焊接。
（3）將通道一邊的鋼板壓成一斜邊后與另一通道的鋼板焊接。
由于圓鋼條的摩擦力比方鋼小，故采用圓鋼作密封條后，卷床消耗的功率比用方鋼作密封條消耗的功率小，而且圓鋼條與通道兩側(cè)板是線接觸，故圓鋼條與螺旋板容易焊接密封。所以在螺旋板式換熱器的焊接密封結(jié)構(gòu)中，普遍采用圓鋼條墊進通道兩端焊接的結(jié)構(gòu)。
3、密封選擇：
對于所設(shè)計的螺旋板換熱器我采用墊入圓鋼條焊接密封。
5.2定距柱尺寸
按螺旋通道寬度b1和b2決定（如選通道寬度10㎜的標(biāo)準(zhǔn)型換熱器時，可選直徑為10㎜，長12㎜的圓鋼條作定距柱），定距柱的長度為12㎜。
螺旋板換熱器中，用定距柱支撐螺旋板與螺旋板，定距柱的擺放方式有如下圖三中三種形式:
圖3 定距柱的擺放方式
考慮到定距柱間距t=80㎜，每平方米的定距柱的數(shù)目為n=190個，整個換熱器的定距柱數(shù)目達到7600個，用定距柱焊接工作量較大，故可以采用沖壓的定距泡。定距泡按圖5中的等邊三角形排列。
5.3支座的設(shè)計
根據(jù)計算決定螺旋板換熱器選擇選用耳式支座，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1Cr18Ni9Ti材料，不銹鋼1Cr18Ni9Ti材料同樣被選為筋板和底板材料。
圖4 耳式支座
6. 水壓試驗
換熱器總裝好后，必須進行試壓。其目的一是檢查是否有漏點，二是校對和核查裝置的強度。
如果采用液壓進行試驗時，其試驗壓力應(yīng)該為設(shè)計壓力的1.25倍。如果采用氣壓進行試驗時，其試驗壓力應(yīng)為設(shè)計壓力的1.15倍。在進行水壓試驗時，對與壓力在0.6MPa以下的螺旋板式換熱器可以只進行單通道試壓，然而對于壓力在1.6MPa以上的螺旋板式換熱器換必須進行雙通道試壓。
7.奧氏體不銹鋼的焊接特點
奧氏體不銹鋼的可焊性很好,但是因為焊接材料或焊接工藝使用不正確時,會出現(xiàn)以下的情況:
1.晶間腐蝕
(1)晶間腐蝕產(chǎn)生原因
晶間腐蝕由于發(fā)生在晶粒邊界,所以叫晶間腐蝕。晶間腐蝕對于奧氏體不銹鋼而言是危害最大的一種破壞形式。如果奧氏體不銹鋼受到晶間腐蝕，在它的表面上并沒有什么顯的變化,但是一旦受力之后就會斷裂,然后喪失強度。
2.防止晶間腐蝕的措施
（1）使用超低碳C進行焊接或者使用添加了穩(wěn)定元素的不銹鋼焊條。
（2）采用小電流、快焊速、短弧焊進行焊接,這樣做是為了減少在危險溫度范圍內(nèi)停留的時間。對于焊縫強制冷卻，例如銅墊板、水冷等方法使得焊接街頭的溫度迅速降低。在多層焊時,應(yīng)當(dāng)要注意控制每層之間的溫度,要等到前一道焊縫冷卻至60e℃以下時再焊。
（3）對與與介質(zhì)有接觸的那面最后才進行焊接。
（4）焊后要進行固溶處理。
3.在焊接過程中,應(yīng)當(dāng)將焊件每層之間保持較低的溫度,最好不超過150e。在不銹鋼厚板焊接時,可從背面噴水或者壓縮空氣吹焊縫表面這二種方法來降低溫度,但是每層之間一定要記得清理,以防壓縮空氣直接污染焊接區(qū)。
4.在進行手工電弧焊的時侯,選擇的焊接電流必須在規(guī)定的電流范圍內(nèi)。由于不銹鋼電阻值較大的原因,接近電焊夾一段的焊條容易發(fā)紅發(fā)熱,所以在手工焊進行到后面一段焊條的時候，應(yīng)該事熔化速度加快,從而使使焊縫熔深減少,但是熔化速度也不能過快，不然會造成熔合不良和產(chǎn)生焊渣等現(xiàn)象。考慮到接頭的耐腐蝕性,選用較小的焊接電流,使焊接熱的輸出能量見底,防止應(yīng)為焊接熱的原因影響層區(qū)溫度。
5.在進行焊接時最好是使用窄焊道技術(shù),當(dāng)焊接的時候，盡量保持焊條穩(wěn)定,如果能夠維持在焊接時能夠良好的熔合,可以適當(dāng)?shù)奶岣吆附訒r候的速度。
6.不銹鋼焊件焊后一般不作消除應(yīng)力處理。因為接頭各區(qū)在焊后依然存在很好的的塑性和韌性,使殘余應(yīng)力的不利的一面抵消了大部分。最主要的是如果進行消除應(yīng)力處理，消除應(yīng)力處理的溫度范圍恰恰是不銹鋼的敏化溫度區(qū),如果進行消除應(yīng)力處理反而會影響不銹鋼的耐蝕性。因此不銹鋼焊件進行焊后熱處理的目的不是為了去消除接頭的殘余應(yīng)力,而是為了提高接頭的耐蝕性。
7.1中心隔板與螺旋板的焊接工藝
1、中心隔板與螺旋板的連接如圖5所示：
圖5 中心隔板與螺旋板的連接
7.2 焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計
在設(shè)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(yīng)避免。
化工容器常用的焊接接頭可分為對接接頭、角接頭、T字形接頭、和搭接接頭四種。應(yīng)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6 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(yīng)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。容器中的加強管的焊接和內(nèi)部的焊接附件均采用K形和U形。T字接頭按其形狀的不同可分為不開破口形、單邊V形、K形及雙U形四中形式，K形及雙U形大多存在于承受動載荷較大和厚度大的重要結(jié)構(gòu)中。
4、 塔接接頭
兩焊件重疊放置形成的接頭或者兩焊件表面之間的夾角范圍低于30°構(gòu)成的端部接頭叫做塔接接頭。塔接接頭的缺點是應(yīng)力分布不均勻，接頭的承載能力低，正因為如此在重要的結(jié)構(gòu)設(shè)計中接頭應(yīng)盡量避免設(shè)計為塔接。
因為容易在焊縫處截面發(fā)生突變，應(yīng)力集中的現(xiàn)象比較嚴(yán)重，加上焊縫強度系數(shù)比較低，所以塔接接頭應(yīng)用于厚度低，設(shè)計壓力低，不重要的低壓容器環(huán)焊縫上，容器厚度一般都是在12mm以下。搭接結(jié)構(gòu)也會被應(yīng)用在油罐的壁板環(huán)焊縫上。除筒體的縱、環(huán)焊縫不是采用搭接焊縫外，搭接焊縫一般可以被應(yīng)用于容器與加強圈，設(shè)備支座墊板與器壁等零部件上。
8 螺旋板式換熱器的檢驗和驗收
1、換熱器的制造、檢驗與驗收除了應(yīng)該符合本文所規(guī)定的要求之外，還應(yīng)該符合CAD圖紙的要求。
2、換熱器制造廠應(yīng)具有符合國家壓力容器安全監(jiān)察機構(gòu)有關(guān)法規(guī)要求的質(zhì)量管理體系。
3、換熱器的焊接人員必須是成熟的焊接工人。
4、換熱器的無損檢測人員應(yīng)持有相應(yīng)的證件
5、凡用于制造受壓元件的材料應(yīng)有確認(rèn)的標(biāo)記，并應(yīng)認(rèn)真貫徹標(biāo)志移植的規(guī)定。如果有防腐要求的鋼材，不得在防腐蝕面來作為材料的確認(rèn)標(biāo)記面。
8.1定距柱
1、定距柱一端應(yīng)有一定的的倒角，高度偏差。
2、相鄰定距柱劃線位置偏差為2.0㎜左右。
3、定距柱邊緣與拼接焊縫的邊緣間距不得小于20㎜。
4、一張螺旋板上的定距柱規(guī)格應(yīng)該是一樣的。
8.2中心隔板
1、中心隔板高度余量應(yīng)同螺旋板寬度余量相同。
2、中心隔板的寬度的允許偏差為1㎜
3、螺旋體通道內(nèi)圓鋼頂部至通道端面距離的允許偏差為2㎜左右。
4、螺旋體支撐環(huán)組與螺旋體內(nèi)圓及中心隔板之間的最大局部間隙不得大于3mm。
5、螺旋體成形后內(nèi)圈半徑與支承環(huán)半徑之差應(yīng)不大于1.5mm。
6、螺旋體卷制時，允許不帶圓鋼或板條空卷。
7、螺旋體設(shè)計圈數(shù)應(yīng)該跟實際圈數(shù)相同
8.3半圓筒體、連接板
1、半圓筒體上鉆孔的直徑應(yīng)比不等長定距柱的直徑大1.0mm。
2、采用帶坡口的焊縫。
8.4接管、法蘭
1、方圓接管的過渡段應(yīng)平滑。
2、方圓接管的矩形部分的長、寬偏差為2㎜左右。
3、法蘭按HG 2059220635、JB/T 47004707的規(guī)定。
8.5裝配
1、法蘭面應(yīng)與其軸線垂直。
圖6 接管法蘭螺栓孔分布
2、連接板與半圓筒體的對接錯邊量應(yīng)不大于，且不大于1mm。
3、接管法蘭螺栓孔應(yīng)跨中均布，如圖6所示。
4、鋼板表面的如果有損傷應(yīng)該進行修磨，但是修磨深度比板厚大，而且不能比1mm大，否則補焊后修磨。
8.6 液壓實驗
1、在進行液壓試驗時注意控制中的氯離子在水中的含量。
2、在進行液壓試驗測量時對于壓力表的選擇很重要不僅是要使用標(biāo)定合格的而且必須保持二個壓力表的量程一致，在選擇壓力表量程時，量程最大值不應(yīng)低于1.5倍和高于3倍的試驗壓力。為了更好的觀察數(shù)值所以在被試驗換熱器頂部安裝壓力表。
3、液壓試驗裝置應(yīng)該設(shè)置排氣口。用液體把螺旋板式換熱器的通道充滿，然后再將換熱器內(nèi)的氣體全部排出來。螺旋板式換熱器外面保持干燥，等到換熱器壁溫跟液體溫度相差不多時，才能慢慢提升壓力使之達到設(shè)計壓力。提升到設(shè)計壓力確認(rèn)無泄漏之后，繼續(xù)升壓到規(guī)定的試驗壓力，保持試驗壓力，在這個壓力下維持30min，然后在試驗壓力的保持足夠時間后進行檢查，檢查期間試驗壓力不能有絲毫的改變，尤其是不能連續(xù)加壓以維持試驗壓力不變，而且不能帶壓緊固螺栓。
4、換熱器進行液壓試驗時必須將通道內(nèi)的液體排放干凈，有些時候應(yīng)該用壓縮空氣將通道內(nèi)部吹干。
9 螺旋體的安裝、制造、及運輸
螺旋板式換熱器作為一種節(jié)能設(shè)備，由于其體積小，效率高等優(yōu)點，在國內(nèi)各行業(yè)中的應(yīng)用日益廣泛。它與一般的壓力容器有著類似的制造過程，但還是有其自身的特點。而《壓力容器安全技術(shù)檢監(jiān)察規(guī)程》，GB150-1998《鋼制壓力容器》，GB151-1999《管殼式換熱器》等這些相關(guān)規(guī)定是螺旋板式換熱器制造以及檢驗的重要標(biāo)準(zhǔn)。制造質(zhì)量是螺旋板式換熱器成品質(zhì)量中相當(dāng)重要的一部分。目前國內(nèi)的螺旋板式換熱器制造質(zhì)量的監(jiān)控標(biāo)準(zhǔn)是JB/TQ 724-89《螺旋板式換熱器制造技術(shù)條件》。制造螺旋板式換熱器的相關(guān)企業(yè)必須持有國家主管部門頒發(fā)的批準(zhǔn)書及許可證，同時質(zhì)量保證體系要健全的。繪圖紙上的各項技術(shù)要求也是按照這些規(guī)定執(zhí)行。
在將產(chǎn)品制造出來后，企業(yè)應(yīng)提前準(zhǔn)備好一份完整的產(chǎn)品制造出廠資料，在客戶業(yè)主需要時隨時提供，這些資料應(yīng)符合國家各項相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，由相關(guān)安全監(jiān)察檢驗機構(gòu)提供的監(jiān)督檢驗報告也要提供給客戶，安監(jiān)部門（或其授權(quán)的檢驗機構(gòu)）應(yīng)全面監(jiān)督在產(chǎn)品制造過程中的每一個制造環(huán)節(jié)。此外，制造企業(yè)應(yīng)將打好鋼印的產(chǎn)品銘牌向業(yè)主提供。
9.1螺旋板換熱器的制造工藝
制造螺旋板式換熱器的工藝程序大致如下：
放板材→板材拼接→筒體無損檢測→焊接定距柱→卷制螺旋體→焊接螺旋通道→零件裝配→金加工、余量處理→總裝配→水壓力試驗→后處理→成品出廠
9.2 螺旋板換熱器的包裝、運輸
壓力容器的油漆、包裝、運輸也是生產(chǎn)產(chǎn)品的一個重要環(huán)節(jié)。具體的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)按照J(rèn)B/T4711-2003中的規(guī)定執(zhí)行。產(chǎn)品制造完成后，首先是對產(chǎn)品進行噴漆，噴漆時要保證產(chǎn)品表面上色要均勻，不能出現(xiàn)漆面裂痕，掉漆等現(xiàn)象，漆色深淺都要一致，看起來要美觀大方。產(chǎn)品在等待出廠時，要做好防銹與防腐蝕的的措施，不能與雜物放在一起，安放環(huán)境要干燥等。然后是包裝，采用的包裝材料要有一定的強度，能在沿途的運輸和裝卸過程中保護好產(chǎn)品不會因為一些碰撞而在表面上留下刮傷，擦傷，碰痕等。這些都會對產(chǎn)品的質(zhì)量造成影響，所以壓力容器產(chǎn)品在包裝時都要求配備有預(yù)防碰傷劃傷的措施。最后根據(jù)產(chǎn)品的出廠文件和設(shè)計樣圖，要把產(chǎn)品的隨機附件與安全附件配備齊全，質(zhì)量證明書，檢驗證書，合格證，技術(shù)指標(biāo)和技術(shù)參數(shù)都要提供給買方，以便日后產(chǎn)品的生產(chǎn)操作與檢驗維護能夠更方便。在《壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》，《鋼制壓力容器》中對銘牌的內(nèi)容和格式都有明確的規(guī)定，所以在制作銘牌時要根據(jù)這些標(biāo)準(zhǔn)來制造，且要求鋼印完整，字跡刻痕清晰。
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致謝
對于我所選擇的“F40螺旋板式換熱器”能夠圓滿的完成，我感到非常的高興與自豪。我是非常幸運的，在大學(xué)的最后一段時光里，最后的學(xué)習(xí)時刻遇到了我十分尊敬的XXXX老師。在完成這個課題的過程之中，XXXX老師給了我很多的幫助與指導(dǎo)，經(jīng)常召集同學(xué)們開會，來幫我們指出我們在畢業(yè)設(shè)計之中所存在的問題，為我們在設(shè)計過程中遇到的難題進行悉心的指導(dǎo)。非常感謝XXXX導(dǎo)師為我們所做的一切。
在這次的畢業(yè)設(shè)計之中，從最開始的開題，收集相關(guān)資料，以及后來的對于螺旋板式換熱器的計算，然后擬定初稿，最后經(jīng)過一次次的修改最后定稿。在此之中有許多許多的困難，我都一一去克服了。在這一次的學(xué)習(xí)過程中，我學(xué)到了很多東西，不僅僅是對于螺旋板式換熱器設(shè)計與更深的了解，而且學(xué)到了在設(shè)計之中的嚴(yán)謹(jǐn)、認(rèn)真、不怕困難、不服輸?shù)膽B(tài)度。我相信這將會對我的認(rèn)識產(chǎn)生很大很有益的影響。非常感謝這次畢業(yè)設(shè)計帶給我的改變。
在此之后我的四年大學(xué)生活即將告一段落。在這段的學(xué)習(xí)生涯中，謝謝每位老師對我孜孜不倦的教誨和對于我人生觀和價值觀的提升。謝謝你們知識的灌溉和腳踏實地的教學(xué)態(tài)度。讓我成為了一個能對社會做出更大價值的人。衷心的希望每位老師身體健康，事業(yè)順利！
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