【正文】 第五章 螺旋板的強度與剛度由螺旋板的橫截面可知，每一塊螺旋板是由若干個光滑銜接的半圓弧組成的其圓弧半徑依次為、…、而在相互銜接處的曲率半徑有突然變化，若將其拆成若干個彼此相銜接的柱形薄板，見圖51所示。由圖看出，螺旋板成了具有許多支撐點并受均布壓力P作用的柱形薄板。這種受力狀態(tài)的柱形薄板，其應(yīng)力與位移的計算是相當(dāng)復(fù)雜的。因為在兩塊螺旋板構(gòu)成的通道內(nèi)，當(dāng)介質(zhì)具有一定壓力時，對每一塊螺旋板來說既承受內(nèi)壓又承受外壓的作用，在這種受力狀態(tài)下，其破壞形式有兩種，一種是強度破壞，另一種是螺旋板喪失了穩(wěn)定性使設(shè)備不能進行正常的操作。假設(shè)定距柱按等邊三角形(或正方形)排列，并由于螺旋板長度與寬度遠比定距柱的間距大，作用在螺旋板上的載荷是均勻分布的。因此，可以假設(shè)所有遠離邊界的每一小塊等邊三角形板均有相同的受力狀態(tài)，故只須討論其中的一個等邊三角形即可。當(dāng)螺旋板的曲率半徑遠大于定距往的距離時，該三角形板還可簡化為平板，于是計算螺旋板的應(yīng)力與位移的問題就簡化為一個有一系列點文承的板的彎曲問題。但對這種多支承板的應(yīng)力與位移的計算過程是很繁雜的，為了導(dǎo)出計算公式，可以按平板理論公式再根據(jù)螺旋板的特點加以修正后得出的公式來計算螺旋板的強度與剛度[1]。 圖 51螺旋板受力圖 由平板理論可知，板的承壓能力與板厚的平方成正比，而與定距往距離的平方成反比并與材料的強度成正比這些關(guān)系可與成如下的形式： （51）式中：p—螺旋板所承受的壓力，Pa—板厚，m —定距拄的距離，m—螺旋板材料的屈服限，PaC—比例常數(shù)由實驗確定。其中有實驗數(shù)據(jù)作出的圖中求出：對于定距柱 c＝對于定距泡 c＝在本次設(shè)計中采用的是定距柱所以c＝實驗證明，曲板的承壓能力比同樣規(guī)格的平板承壓能力大，兩者之比值以表示即令： 值隨螺旋板曲率半徑的減小而增大，并與曲率半徑成線性關(guān)系，當(dāng)板的曲率半徑大600mm時，此值接近于1(見圖52)。 圖52 與D的關(guān)系圖圖52的直線用公式[7]可表示為： （52）式中： R—螺旋板的曲率半徑，m將系數(shù)代入（51）可得： （53）式中： —許用操作壓力，Pa； —材料屈服限作為強度準(zhǔn)則的許用應(yīng)力，Pa； （54）—安全系數(shù)，取[10]＝。取許用操作壓力[11] （55） P—最大工作壓力 ，Pa在本設(shè)計中P= ；代入（55）得＝＝在本次設(shè)計中螺旋板的材料為： 查得 E＝2 則： 因為㎜ 則： ㎜＝ m所以將其代入（51）可得曲率影響系數(shù)： ＝ ＝1將（53）變形可得： （56）將已知數(shù)據(jù)代入（56）可得： ＝＝55 ㎜由計算可知：在計算壓力降的時候所設(shè)定定距柱間距50㎜小于計算值。所以設(shè)定的定距柱間距是合理的。故：定距柱間距㎜螺旋板的撓度計算，也是基于平板理論。按照平板理論：板的最大撓度與定距柱間距的四次方成正比，而與板厚的三次方成反比，這個關(guān)系用公式表示： （57）式中： ：—板的柱狀剛度， Nm （58）Y—板的撓底；m t—定距柱的間距，m p—操作壓力，Pa；—系數(shù)，由實驗確定；E—材料彈性模量，Pa；—材料的泊松比，對鋼扳。由（57）可得： （59）在一定板厚和定距柱間距條件下，不同的壓力就產(chǎn)生不同的撓度，將壓力作為縱坐標(biāo)，撓度作為橫坐標(biāo)，即可作出（壓力～撓度）曲線圖圖（53）。將圖中直線段上各點的值代入式（59），計算出各實驗曲線的情況下的值，然后取其平均值：對于定距柱： 對于定距泡： 在本次的設(shè)計中采用的是定距柱所以?。? 貼圖： 圖[1]（53） （壓力～撓度）曲線圖將（58）代入（57）可得板的撓度為： （510）將已知數(shù)據(jù)代入（510）可得板的撓度為： ＝m 第六章螺旋板換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計密封結(jié)構(gòu)的好壞，直接影響到螺旋板換熱器能否正常運轉(zhuǎn)，因為微小的泄漏使兩流體相混，而使傳熱不能正常進行，所以密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計是一個很重要的問題。在本設(shè)計中選擇焊接密封結(jié)構(gòu)。因為螺旋板換熱器有三種類型，每種類型的密封情況不同。在本設(shè)計中選擇的是型螺旋板式換熱器，所以其兩端是全封閉的。從焊接密封來講，常用的有三種形式，其焊接密封結(jié)構(gòu)見圖61。第一種焊接密封結(jié)構(gòu)，是將需要密封的通道用方鋼條墊進鋼板電卷制后進行焊接。第二種結(jié)構(gòu)是用與通道寬度相同的圓鋼條墊進鋼板卷然后好再進行焊圖61 圓鋼焊接密封結(jié)構(gòu){1}接。第三種結(jié)構(gòu)是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鋼板是線接觸，故圓鋼條與螺旋板容易焊接密封。所以在本實際的螺旋板式換熱器的焊接密封結(jié)構(gòu)中，采用圓鋼條墊進通道兩端焊接的結(jié)構(gòu)。螺旋體是一個彈性體，對這樣的彈性構(gòu)件，當(dāng)其受壓時往往不是被壓破而是被壓癟，故螺旋板的剛度是一個重要問題。在實際生產(chǎn)中，當(dāng)換熱器兩通道的壓力差達到一定數(shù)值時，螺旋板可能被壓癟而產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象，使設(shè)備不能正常操作。如用增加板厚的方法提高螺旋板的剛度，并不是解決問題的唯一途徑，板厚增加，卷制螺旋體時所需要的動力增大，這不是經(jīng)濟的。所以目前采用在兩通道內(nèi)安置定距柱的辦法來提高螺旋板的剛度和承壓能力。定距柱用來維持通道寬度，增加螺旋板的剛度。定距柱使用短圓鋼條，其直徑大小視螺旋通道寬度而定。可選直徑為10mm、長12mm的圓鋼條作定距柱，因此定距柱的長度為12mm，圓鋼條的材料選不銹鋼，并且在卷制螺旋體以前就被焊接在鋼板上。換熱器外殼采用兩個半圓對接結(jié)構(gòu)，外殼主要受內(nèi)壓作用，其厚度按承受內(nèi)壓的圓筒計算。換熱器的材料同樣查得[10]：屈服極限： ，安全系數(shù)： 強度極限： ，安全系數(shù)：許用屈服極限： 許用強度極限： 因為：、 ＝、 ＝ 圓筒半徑： ㎜設(shè)計壓力：其計算厚度為： （61）式中：—焊縫系數(shù)，在本設(shè)計中焊接采用單面焊對接接頭。進行無損100%檢測時查得焊縫系數(shù)[11]將上面的已知數(shù)據(jù)代入（61）可得計算厚度為： ＝ ＝ ㎜在本設(shè)計中采用的鋼板為不銹鋼，所以腐蝕余量： ㎜查得厚度負偏差： ㎜厚度附加量：＝0 ㎜所以有效厚度：＝+0+0＝ ㎜按板材的標(biāo)準(zhǔn)厚度選?。喊雸A筒體的厚度為6㎜試驗液體一般采用潔凈的水，也可采用不會導(dǎo)致發(fā)生危險的其它液體。試驗時液體的溫度應(yīng)低于其閃點或沸點。由于螺旋板材料為奧氏體不銹鋼，故在進行水壓實驗時，應(yīng)嚴(yán)格控制水中氯離子含量不超過25，并在試驗后立即將水漬清除干凈。如果氯離子過量，材料易發(fā)生“氯脆”現(xiàn)象，即發(fā)生應(yīng)力腐蝕破壞。按GB 1501998《鋼制壓力容器》液壓實驗中其實驗壓力＝ ＝=2在此試驗壓力下，殼體所產(chǎn)生的應(yīng)力按下式校核已知：，6，C=0, ，故滿足強度要求。[7]螺旋板板厚為2㎜，寬度為 H＝1130㎜中心隔板的寬度見圖62所示為： 圖 62中心隔板與螺旋板連接圖所以中心隔板的寬度為： （62）將已知數(shù)據(jù)代入（62）可得： ＝㎜中心隔板的高度等于螺旋板的寬度為1130㎜， 中心隔板厚度[7] 中心隔板厚度按公式（6—3）計算； （63）式中：— 螺旋板換熱器中心隔板的寬度， ；—設(shè)計壓力， ；—系數(shù)，據(jù)圖63查得，；—設(shè)計溫度下材料的許用應(yīng)力，；中心隔板的材料選則不銹鋼在其設(shè)計溫度 將已知數(shù)據(jù)代入（63）得中心隔 板的厚度為： 圖63 I/J關(guān)系圖 ＝ ＝㎜將其圓整取㎜ 偏心距e位置見圖6—2所示。其大小的計算公式為： ， （64） 將已知數(shù)據(jù)代入（6—4）得：㎜㎜ 進出口接管直徑d 中心管采用垂直螺旋板式橫斷面的結(jié)構(gòu)，螺旋通道的接管，為了減少加工量，也采用垂直接管。由傳熱工藝計算可知 熱程（混合氣體）通道截面積 冷程（冷卻水）通道截面積 設(shè)管內(nèi)流量與通道內(nèi)流量相等，亦即它們的截面積相等。 熱程（混合氣體）通道的接管直徑為選=1204的不銹鋼管，,DN120. 冷程（冷卻水）通道的接管直徑為 選2004的不銹鋼管，,DN200. 接管[13]對于Ⅰ型螺旋板式換熱器，中心管一般安置成垂直于筒體的橫截面，而螺旋通道的 圖65 接管形式圖接管有兩種布置形式，一種是接管垂直于筒體軸線方向，如圖65(a)所示的垂直接管。這種接管，流體進入螺旋通道時突然轉(zhuǎn),由流體力學(xué)可知,當(dāng)流體流動方向有突變時,阻力較大。另一種接管布置成切向，如圖b所示。這種布置，當(dāng)流體由接管進入通道時是逐漸流入的，沒有流動方向的突變，故阻力較小，而且還便于從設(shè)備中排出雜質(zhì)。綜上所述，將螺旋通道的接管布置為如圖65（b）所示的切向接管。選取接管為1204和2004的不銹鋼管。在接管上配法蘭為管法蘭中的板式平焊鋼制法蘭。 前述選擇配管法蘭為板式平焊法蘭，根據(jù)密封面形式，板式平焊法蘭又有突面和全平面兩種。在本次設(shè)計中選擇了板式平焊鋼制法蘭，其板式平焊鋼制法蘭的具體形式見圖[13]66為： 圖66 平焊法蘭其平焊法蘭具體尺寸為：：公稱直徑 ：管子直徑 ：法蘭外徑 K：螺栓孔中心直徑L：螺栓孔直徑 N：螺栓孔數(shù)量 C：法蘭厚度 ：螺紋 PN：公稱壓力D（㎜）（㎜）D（㎜）K（㎜）L（㎜）N（個）C（㎜）（㎜）PN（MP）20020021017010418110M16[14]根據(jù)螺旋板DN＝1000 ㎜，鞍座按選用，材料選用，選用鞍座,如圖67所示: 所選鞍座參數(shù)如下: 公稱直徑1000 ㎜ 允許載荷562鞍座高度200 ㎜底板： ㎜腹板： ㎜圖 6 圖67 鞍座結(jié)構(gòu)圖筋板：㎜墊板： ㎜螺栓間距： ㎜鞍座質(zhì)量/：70安裝尺寸:?。絒7]可得半圓端板的厚度計算公式為： （67）式中：h—半圓端板的高度 ㎜根據(jù)本設(shè)計中 ㎜將已知數(shù)據(jù)代入（67）可得 ㎜將其圓整取半圓端板厚度為15㎜。 第七章 螺旋板換熱器的穩(wěn)定性及強度校核對這種螺旋板換熱器的每一通道來說，螺旋板既受到內(nèi)壓又受到外壓的作用，當(dāng)其所受外壓力達到一定值時，螺放板就會被壓癟而喪失穩(wěn)定性此時的壓力稱為臨界壓力，為了維持換熱器的正常操作，必須使操作壓力小于臨界壓力。在本設(shè)計中定居柱按等邊三角形排列四個定距柱組成的菱形長對角線在螺旋板板長方向見圖71為： 圖7—1 定距柱排列形式圖則系數(shù)： （71）