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螺旋板式换热器设计

2018-07-17     

        设计主要依据JB/T4751-2003《螺旋板式换热器》,适用于可拆和不可拆式。

        范围:摘录标准的适用范围如下:

        本标准适用的公称直径和公称压力范围:

        ①公称直径DN≤2200mm;

        ②公称压力PN≤2.5MPa;

        ③公称直径(mm)和公称压力(MPa)的乘积不大于3000。

        上述类别的螺旋板式换热器在《固定式压力容器安全技术监察规程》中统一划分为第Ⅰ类。

        材料

        材料的选用原则、钢材标准、热处理状态及许用应力值应符合《压力容器》GB150.2-2011材料部分,包括了板材、锻件、管材、螺柱等。

        几何设计

        标准规定了中心隔板宽度、偏心距、有效换热面积、螺旋板圈数、螺旋体长轴外径等参数的设计,并在附录B中推荐了焊接结构形式。

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        关于外壳的设计:外壳是主要受压元件,由于是螺旋形,设备的最外圈必定存在两道角焊缝,如图6这种结构对低压情况来说简便易行。随着压力的提高,角焊缝结构就不是很可靠了,这时便采用两个半圆外圈板加连接板对接焊缝形式,如图7。

        关于接管的设计:

        对于筒体上的接管有两种基本结构,一是切向接管,如图8;另外一种是垂直接管,如图9。

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        使用最多的是切向接管,在接管内用加强筋板支撑,这种结构的接管局部阻力小,且便于杂质从接管排出。对于半圆端板上的接管,有时工艺需要较大的接管而螺旋板式换热器的半圆端板略小,此时可以考虑把接管一部分跨到旁边的半圆端板,但是对装配和焊接有更高的要求。

        强度和稳定性校核

        螺旋板换热器操作时,其相邻两通道的压力往往是不相同的,两侧的压力差就是作用在螺旋板上的载荷。当螺旋板的曲率半径远大于定距柱的间距时,计算螺旋板的应力与位移问题就简化成一个有一系列点支撑的板的弯曲问题,再根据螺旋板的特点加以修正得出其强度和刚度计算公式。压力容器的通用强度计算软件SW6里并没有列入螺旋板结构,笔者根据标准及相关参考书,编制了excel版的强度校核程序,过程中有以下几点需要注意:

        (1)螺旋板:螺旋板同时受到内压和外压的作用,需要考虑其内压强度问题及外压稳定性问题。有定距柱支撑的螺旋板在凸面受压的情况下,当达到临界压力时,螺旋板将丧失稳定性。螺旋板失稳将产生如下不良后果:螺旋板通道局部变窄,甚至堵塞,阻力急剧上升;在内、外压反复作用下,螺旋板产生裂缝;螺旋板失稳的大变形波及换热器端部,使端面密封失效。螺旋板校核时的计算压力应取条件最苛刻的工况,即可能出现的最大压差,除非能保证设备在整个过程中两通道的压差不大于一定数值,也可以将该数值作为计算压力。

        JB/T4751-2003标准中螺旋板的许用压力[p]计算公式为:1437481233113997.png,取两式中的较小值。公式中前一个考虑其外压情况,后一个考虑内压,R为螺旋体半径。前一个公式值得商榷,因为随着R值增大,会使得许用压力偏小,公式过于保守。实际上螺旋板上布满定距柱,起到加强作用,计算外压许用应力时应予以考虑。笔者认为,参照《换热器设计手册》(钱颂文),先计算螺旋板在定距柱加强作用下的绕度,当绕度大于0.8mm时(定距柱加强作用较小),再按标准公式计算螺旋板许用压力,如此较为妥当。

        (2)定距柱:可用定距泡代替定距柱,使用定距泡将使应力集中减小,应力分布较为均匀,其缺点是绕度较大、刚度较差。应注意定距柱的排列方式,典型的排列方式如图10,定距柱间距不易过大,减小间距能有效加强螺旋板,但是间距也不宜过小,否则给制造带来难度。

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        (3)内圈板与支撑环:一般内圈板厚度应不小于螺旋板厚度,必要时可以采用过渡段加厚的型式。内圈板受内压和外压的作用,校核外压时应考虑支撑环的惯性矩是否满足最小惯性矩要求从而起到加强作用减小计算外压长度。