钛材换热器的结构设计

第２４卷第１期　２００６年３月　轻Ｉ枧槭　ＬｉｇｈｔＩｎｄｕｓｔｒｙＭａｃｈｉｎｅｒｙ　ＶｏＩ．２４，Ｎｏ．１．　Ｍａｒｃｈ．，２００６　

［研究・设计］　

基手ＡＮＳＹＳ　型簪换　器的　

缡　优化设计　

侯静，张亚新，韩维涛　

（新疆大学化学化工学院，新疆鸟鲁木齐８３０００８）　

摘要：介绍了基于ＡＮＳＹＳ的蛄构优化设计的基本原理和方法，用ＡＮＳＹＳ软件对ｕ型管换热器的管板厚度进行了优化　设计，得出了管板参数的最佳组合，为换热器的设计提供了理论依据。　关■词：ＡＮＳＹＳｌ优化设计；目标函数；管板　中圈分类号：ＴＱ０５１．５　文献标志码｝Ａ　文章编号：１００５—２８９５（２００６）０１　００２６—０４　

０　引　言　结构优化是结构设计的一个重要方面。在结构优　

化中，有限元方法是重要方法之一。２Ｏ世纪６Ｏ年代以　

来，随着计算机技术的蓬勃发展，有限元方法迅速发展　成为一种新的高效的数值计算方法，并很快广泛应用　

到弹塑性力学、断裂力学、流体力学、热传导等领域。　

ＡＮＳＹＳ系统是第一个通过ＩＳＯ９００１质量认证的大型　

工程分析类有限元软件，在机械、土木和航空航天等领　域有着广泛和良好的应用基础［１］　

换热器管板是换热器中的重要部件。根据管板结　

构的特点，它直接影响着管箱的承压能力。它的变形情　况及应力分析对整个管箱结构的应力分析起着决定性　

的作用。本文采用ＡＮＳＹＳ有限元分析软件，建立换热　

器管板的有限元模型，加载求解，利用其优化功能模块　

进行优化处理，给出了管板参数的最优组合，为换热器　的设计提供了有价值的理论依据。　

１　优化设计基本原理　优化问题的基本原理是通过优化模型的建立，运　

用各种优化方法，通过满足设计要求的条件下迭代计　算，求得目标函数的极值，得到最优设计方案。在一个　

设计优化工作之前，用３种变量来阐明设计问题，优化　问题的数学模型可表示为［２　

Ｍｉｎ　Ｆ（Ｘ）＝（ｚ１，　２，……，ｚＪⅣ）　Ｆｉｎｄ　Ｘ＝（ｚＴ，　２，……，ｚＪⅣ）　∈Ｒ　

¨　一　中国高斯技术企生　钛台盒板式换热■焊接工艺研究　

◇文／姜炳宇　徐东　【摘要】　换热器是工业传热过程中必不可少的设备。广泛应用于化工，酿酒，制冷等行业。而板式换热器尤　其是焊接型板式换热器以其轻便．高效，成本低等优越性越来越受到人们青睐。同时，钛及钛合金有很好的　耐腐蚀性能　又因其具有密度小．强度高等特性，使其成为理想的板片材料。但钛及钛合金的高温氧化性，吸　气性又成为焊接中的难点．所以焊接中的气体保护成为重点。本文着重对钛及钛合金的钨极氩弧焊焊接工艺　进行研究　所指定的工艺有效的防止了钛合金薄板焊接时易氧化，产生气孔，变形等问题。　【关键词】板式换热器钛合金焊接　钛及钛合金的性质非常活泼，熔解氮、氢、氧的能力很大，故普　通的焊条手弧焊、气焊、ＣＯ　气体保护焊不适用于钛及钛合金的焊　接。钛及钛合金的主要焊接方法有钨极氩弧焊、熔化极氩弧焊、等离　子弧焊、电子束焊、激光焊、扩散焊。应用最多的是钨极氩弧焊、熔化　极钨极氩弧焊等。当焊接方法采用钨极氩弧焊时，焊接设备应使用　使用性能稳定的直流氩弧焊机，采用正接法，且应附有高频引弧和　电源衰减装置及满足工艺条件的其它设施。　１焊前准备　１．１焊前清理　钛及钛合金焊接接头的质量在很大程度上取决于焊件和焊丝　的焊前清理，当清理不彻底时，会在焊件和焊丝表面形成吸气层，并　导致焊接接头形成裂纹和气孔。因此，焊接前应对坡口及其附近区　域进行认真的清理。清理通常采用机械清理和化学清理。　ｆ１１机械清理材料切割和坡口加工易采用机械切割方法，采　用机械切割下料的工件均需要焊前对其接头边缘进行机械清理。对　于焊接质量要求不高或酸洗有困难的焊件，可以用细纱布或不锈钢　钢丝刷擦拭。　（２１化学清理主要是通过酸洗来达到清理的目的。经酸洗的　焊件、焊丝应在４ｈ内焊完．否则要重新酸洗。焊丝可放在温度为　１５０～２００℃的烘箱内保存，随取随用，取焊丝应戴洁净的白手套，以　免污染焊丝。对焊件应采取塑料布掩盖防止玷污，对已玷污的可用　丙酮或酒精擦洗。　１．２坡口的加工与焊口组对　为减少焊缝的累积吸气量．在选择坡口形式及尺寸时，应尽量　减少焊接层数和填充金属量．以防止接头塑性的下降。钛及钛合金　的坡口形式及尺寸见表１　袁１钍及钍台金钨极手工氩弧焊的坡口形式及尺寸　坡口形式　板厚￣／１１１１１１　坡口尺寸　间隙　ｌｌｊ　钝边　ｌ山，　角度Ⅱ一（。Ｊ　Ｉ形　０　２５～２　３　０　０　８～３　２　０～０１８　Ｖ形　１　６～６４　３０～６０　３　０～ｌ３　３０～９０　Ｘ形　６　４～３８　０～１　０６　０１～０　２５８　ｊ０～９０　【　ｕ彤　６４～！‘　ｌ　～３０　双【１形　１９～　１　ｌ５～３０　由于钛的一些特殊的物理性能．如表面张力系数大、烙融态时　黏度小．使得焊前必须对焊件进行仔细的组对。点固焊是减少焊件　变形的措施之一，一般点焊间距为１００～１５０ｒａｍ．其长度约１０～１５ｒａｍ。　点固焊所用的焊丝、焊接工艺参数及保护气体等条件与正式焊接时　相同，在每一点固焊点停弧时．应延时关闭氩气。同时组对时应严禁　使用铁器敲击划伤待焊工件表面。　２焊接工艺　钨极氩弧焊是焊接钛及钛合金最常有的方法．通常用于焊接厚　度在３ｍｍ以下的钛及钛合金。采用箱内焊接。箱体在焊接前要先抽　真空，然后充氩气或氩氦混合气，焊件在箱体内处于惰性气氛下施焊。　２　１焊接材料的选择　（１）氩气，适用于钛及钛合金焊接用的氩气为一级氩气，其纯度　为９９．９９％．露点在一４０　以下，杂质总含量＜０．０２％，相对湿度＜５％，　水分＜０．００１ｍｇ／Ｌ。焊接过程中如果氩气的压力降至１ＭＰａ时应停止　使用，以保证焊接接头的质量。　（２）焊丝，填充焊丝的成分一般应与母材金属成分相同。常用的　牌号有ＴＡ１、ＴＡ２、ＴＡ３、ＴＡ４、ＴＡ５、ＴＡ６、ＴＣ３等。为提高焊缝金属的塑　性．选用强度比母材金属稍低的焊丝。　２　２氩气流量的选择　氩气流量的选择以达到良好的焊接表面色泽为准，过大的流量　不易形成稳定的气流层，而且增大焊缝的冷却速度，容易在焊缝表　面出现钛马氏体。拖罩中的氩气流量不足时，焊接接头表面呈现出　不同的氧化色泽；而流量过大时，将对主喷嘴的气流产生干扰。焊缝　背面的氩气流量过大也会影响正面第一层焊缝的气体保护效果。焊　缝和热影响区的表面色泽是保护效果的标志，钛材在电弧作用后，　表面形成一层薄的氧化膜，不同温度下所形成的氧化膜颜色是不同　的。一般要求焊后表面最好为银白色，其次为金黄色。　２．３气体保护　由于钛及钛合金对空气中的氧、氮、氢等气体具有很强的亲和　力，因此，必须在焊接区采取良好的保护措施，以确保焊接熔池及温　度超过３５０℃的热影响区的正反面与空气隔绝。焊缝的保护效果除　了和氩气纯度、流量、喷嘴与焊件间距离、接头形式等因素有关外，　决定因素是焊炬、喷嘴的结构形式和尺寸。钛的导热系数小、焊接熔　池尺寸大，因此，喷嘴的孔径也应相应增大，以扩大保护区的面积。　常用的焊炬、喷嘴及拖罩如图１所示。该结构可以获得具有一定挺　度的层流，保护区直径达３０ｍｍ左右。如果喷嘴的结构不合理时，则　会出现紊流和挺度不大的层流，两者都会使空气混入焊接区。　

换热器设计计算详细过程

1.确定换热器的换热负荷和传热系数：

首先需要明确换热器所在系统的换热负荷，即所需传热功率。根据系统的温度差、流体性质、质量流量等参数计算得到传热系数，该系数反映了换热器在给定条件下的传热能力。

2.确定流体入口和出口温度：

根据所需的出口温度和流体的性质，可以通过传热方程计算得到流体的入口温度。同时，需要考虑流体的流速、流态（单相流还是多相流）等因素。

3.选择合适的换热器类型：

根据系统的特点和要求，选择合适的换热器类型，如壳管换热器、板式换热器等。考虑换热器的传热特性、结构特点、施工方便程度等因素。

4.确定换热面积：

通过传热方程和传热系数计算得到的换热负荷，可以反推计算出所需的换热面积。同时还需要考虑换热器的热效率和流体流阻。

5.计算流体质量流量：

通过需求传热功率、流体入口和出口温度的关系，可以计算得到流体的质量流率。同时还需考虑流体的压降和速度等因素。

6.选择换热介质：

根据流体的物性参数和流态选择合适的换热介质，如水、蒸汽、油等。 7.根据系统运行条件确定换热器材料：

根据流体的性质、温度、压力等参数确定合适的换热器材料，如碳钢、不锈钢、钛合金等。

8.进行换热器的压力损失计算：

根据流体的粘度、比热容率、流速等参数计算压力损失，以确保流体能够在换热过程中正常流动。

9.进行换热器的结构设计：

根据所选的换热器类型和尺寸，进行换热器结构的设计，包括换热管的布置、壳体的设计等。

10.确定换热器的运行参数：

包括换热器的入口温度、出口温度、流量、压力等参数，以便在实际运行中调整和监控换热器的工况。

11.进行换热器的强度计算与选择：

根据换热器的运行条件和使用要求，进行强度计算和选择合适的材料和结构，以确保换热器的安全可靠运行。

12.进行换热器的经济性评价：

对所设计的换热器进行经济性分析，包括建造成本、维护成本、运行成本等，以确定设计是否经济合理。

第３５卷　第４期　２００６年７月　石油化工设备　ＰＥＴＲ（）－ＣＨＥＭ］ＣＡＩ　ＥＱＵＩＰＭＥＮＴ　Ｖｏ１．３５　ＮＯ．４　Ｊｕｌｙ　２００６　

，　。　。　。　。　、　：技术应用：　

＋　＋。＋。＋。＋。＋．　文章编号：１０００—７４６６（２００６）０４—００４６－０２　

钛板壳式换热器及其在常压塔顶的应用　

周建新，宋秉棠，陈韶范，田　冲，赵殿金，赵国栋　

（兰州石油机械研究所，甘肃兰州　７３００５０）　

摘要：常减压装置存在较为严重的低温位腐蚀问题。尤其是常压塔顶冷凝器腐蚀问题更为严重。　

采用钛板壳式换热器作为常压塔顶油气换热器用于５００×１０　ｔ／ａ常减压装置中，运行至今设备状　

况良好，设备投资与装置运行费用大为降低。　

关键词：换热器；钛板；常减压装置；腐蚀　中图分类号：ＴＱ　０５１．５；ＴＥ　９６５　文献标识码：Ｂ　

Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｉｔａｎｉｕｍ　ｐｌａｔｅ－ｓｈｅｌｌ　ｈｅａｔ　ｅｘｃｈａｎｇｅｒ　ａｓ　

ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ　ｄｉｓｔｉｌｌａｔｉｏｎ　ｕｎｉｔ　ｏｖｅｒｈｅａｄ　ｃｏｎｄｅｎｓｅｒ　

ＺＨＯＵ　Ｊｉａｎ—ｘｉｎ，ＳＯＮＧ　Ｂｉｎｇ—ｔａｎｇ，　

ＣＨＥＮ　Ｓｈａｏ—ｆａｎ．ＴＩＡＮ　Ｃｈｏｎｇ，ＺＨＡＯ　Ｄｉａｎ—ｊｉｎ，ＺＨＡＯ　Ｇｕｏ—ｄｏｎｇ　

（Ｌａｎｚｈｏｕ　Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ　Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｌａｎｚｈｏｕ　７３００５０，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｓｅｒｉｏｕｓ　ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ　ｐｒｏｂｌｅｍ　ａｔ　ｌｏｗ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｃｏｕｌｄ　ｂｅ　ｆｏｕｎｄ　ｉｎ　ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ—ｖａｃ—　

ｕｕｍ　ｄｉｓｔｉｌｌａｔｉｏｎ　ｕｎｉｔ，ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ　ｉｎ　ｔｈｅ　ａｔｍｏｓｐｈｅｒｅ　ｏｖｅｒｈｅａｄ　ｃｏｎｄｅｎｓｅｒ．Ｔｈｅ　ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ　ｏｖｅｒｈｅａｄ　

ｏｉｌ　ｇａｓ　Ｈ．Ｅ．ｗｉｔｈ　ｔｉｔａｎｉｕｍ　ｐｌａｔｅ—ｓｈｅｌｌ　ａｐｐｌｉｅｄ　ｉｎ　５　ｍｉｌｌｉｏｎ　ｔ／ａ　ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ—ｖａｃｕｕｍ　ｄｉｓｔｉｌｌａｔｉｏｎ　ｕｎｉｔ