波紋管換熱器設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

李琳+楊孟虎

摘 要：作為傳熱設(shè)備的一種，換熱器在化工、煉油等多個領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。波紋管換熱器在傳熱性能以及防垢能力等方面有著獨(dú)特的優(yōu)勢，同時具有較強(qiáng)的自我補(bǔ)償能力，屬于新型強(qiáng)化管殼式換熱器。本文主要對此類換熱器的設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行了分析，探討結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的方法。

關(guān)鍵詞：波紋管換熱器；設(shè)計(jì)要點(diǎn)；傳熱設(shè)備

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.17.013

波紋管換熱器的性能良好，將強(qiáng)化傳熱理論應(yīng)用在傳統(tǒng)管式換熱器中，優(yōu)化波峰與波谷的設(shè)計(jì)，使其傳熱系數(shù)得到大幅提高。與傳統(tǒng)的管式換熱器相比，波紋管換熱器的傳熱系數(shù)提升了2—3倍。同時波紋管換熱器的占地面積較小，在使用的過程中不宜出現(xiàn)堵塞的問題。為了保證波紋管換熱器的各項(xiàng)優(yōu)勢得到充分發(fā)揮，必須要加強(qiáng)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，對于管板、波紋換熱管等方面的數(shù)據(jù)計(jì)算加以重視。

1 波紋管換熱器設(shè)計(jì)的技術(shù)要求

由于波紋管換熱器自身的特征，在設(shè)計(jì)的過程中應(yīng)滿足相應(yīng)的技術(shù)要求，確保其使用性能。薄壁不銹鋼管是波紋管加工制作的主要材料，管材的主要破壞形式表現(xiàn)為CT應(yīng)力腐蝕，此類腐蝕危害前期為細(xì)微裂縫，后期逐漸發(fā)展擴(kuò)大。一般情況下，CT應(yīng)力腐蝕的作用溫度在70—250℃左右，因此波紋管換熱器的設(shè)計(jì)工作中，在作用溫度的范圍內(nèi)應(yīng)將介質(zhì)的CT濃度控制在25×10之內(nèi)。其次，由于波紋管換熱器管束在抗震性方面存在一定不足之處，波紋管運(yùn)輸?shù)倪^程中應(yīng)規(guī)范操作行為，避免出現(xiàn)碰撞的現(xiàn)象。為了保證波紋管的收縮復(fù)原，提高換熱管內(nèi)的拉脫力，將污垢有效的剝落下來，所以波紋管熱換器投入使用之后，應(yīng)在規(guī)定的時間內(nèi)停止運(yùn)行一次。

2 波紋管換熱器設(shè)計(jì)要點(diǎn)研究

2.1 管板的設(shè)計(jì)計(jì)算

（1）波紋管剛度。對于管板的設(shè)計(jì)計(jì)算主要是根據(jù)《管殼式換熱器》中的設(shè)計(jì)要求，將管板考慮為當(dāng)量圓平板，其承受荷載具有均勻性的特征，基于彈性基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算。管束的剛度對于管板的支撐作用及強(qiáng)度有著重要的影響。與光滑管的結(jié)構(gòu)不同，波紋管的柔度更為突出，因此對于波紋管軸向剛度的計(jì)算具有較大的現(xiàn)實(shí)意義，其計(jì)算公式為： K=K/n。 式中：整體軸向彈性剛度表示為K，N/m； 單波剛度表示為K，N/m；波紋數(shù)表示為n。在軸向力確定的情況下，具體的軸向位移為： e=Q/K。式中：軸向力表示為Q，N；軸向位移表示為e，m。

一般情況下，相較于直管來說，波紋管的軸向剛度較小。所以在軸向位移計(jì)算時主要考慮管段的位移距離，兩端的軸向位移可忽略不計(jì)。

（2）波紋管換熱器管板強(qiáng)度分析方法。在波紋管換熱器的結(jié)構(gòu)中，由其內(nèi)部的各項(xiàng)要素形成了靜不定系統(tǒng)，波紋管的剛度與管板整體強(qiáng)度之間存在著密切聯(lián)系。Miller法是分析管板強(qiáng)度一種較為簡便的方法，波紋管與光滑管的剛度變化存在一定差異，在充分掌握這一特征的基礎(chǔ)上，以彈性力學(xué)理論為依據(jù)，按照相關(guān)的公式計(jì)算管板的彎曲應(yīng)力，進(jìn)而分析管板強(qiáng)度受剛度變化的影響情況。

2.2 波紋換熱管設(shè)計(jì)計(jì)算

波紋管是在光滑管在脹型的作用下形成，會存在不同程度的殘余應(yīng)力，在局部地區(qū)的應(yīng)力相對集中，導(dǎo)致波紋管的承載能力相對較低。其中許用外壓力、單波剛度等是影響其設(shè)計(jì)的主要因素。

（1）波紋管許用外壓力。在管殼式換熱器中，管程和殼程的壓力主要由管子承擔(dān)，所以必須保證管子承擔(dān)壓力是處于穩(wěn)定的狀態(tài)，避免對熱換機(jī)的正常運(yùn)作造成影響。承波節(jié)形狀是波紋管的主要表現(xiàn)形式，在其構(gòu)成部分中，不僅包括直段，還有相應(yīng)的球面波峰。由于直段部分的剛性較小，所以在波紋管承受外界壓力過大時，直線段首先出現(xiàn)不穩(wěn)定的問題，而球面波峰則具有剛性構(gòu)件的特征。波紋管的許用外壓力計(jì)算公式為： [p]=B/d。式中：許用外壓力表示為[p]；管壁厚度表示為，mm；波谷外直徑表示為d，mm；B表示系數(shù).根據(jù)相關(guān)規(guī)范確定，以42/33×0.5mm的波紋管為例，其最波距25，根據(jù)相關(guān)規(guī)范B取值為120MPa，通過上述公式進(jìn)行計(jì)算得出許用外壓力值為1.8MPa。

（2）波紋換熱管單波剛度。通過相應(yīng)的拉伸試驗(yàn)可以計(jì)算出波紋換熱管的剛度。此外，以材料力學(xué)方法為指導(dǎo)，結(jié)合相關(guān)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)可歸納出如下公式，在波紋管換熱器設(shè)計(jì)時可作為參考。 K=DE（/h）?/2。式中：平均直徑表示為D，mm；波紋高度表示為h，mm。

2.3 折流板間距與厚度設(shè)計(jì)

根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，折流板的最小間距以圓筒直徑的1/5為標(biāo)準(zhǔn)，且大于50mm。但是波紋管換熱器具有自身的特點(diǎn)，可以適當(dāng)降低介質(zhì)流速來減小壓降。通常情況下，與光滑管的相比，波紋管的介質(zhì)流速僅為其50%左右。所以在實(shí)際的操作中，折流板的間距可根據(jù)介質(zhì)流速適當(dāng)調(diào)整。增加折流板的厚度主要有以下兩個目的：其一，提高折流板的強(qiáng)度，提升對于管板的支撐能力。其二，增加的厚度以一個波距為參考，避免在波紋管熱換器運(yùn)作的過程中出現(xiàn)短路的現(xiàn)象。在折流板管控的兩面應(yīng)采取倒角處理的措施，防止在穿管裝配時由于外界因素，導(dǎo)致波 紋管表面劃傷。

2.4 波紋管穩(wěn)定性設(shè)計(jì)

通過對波紋管許用外壓力的計(jì)算可知，在直管段首先出現(xiàn)波紋管失穩(wěn)的現(xiàn)象，若外壓持續(xù)上升才會在波紋段出現(xiàn)失穩(wěn)問題，這表明波紋段的穩(wěn)定性能更為良好。一般情況下，波谷處是波紋段容易發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象的主要部分，多出現(xiàn)于單個波谷處。相較于波谷處來說，波峰的穩(wěn)定性較強(qiáng)。造成波紋管失穩(wěn)的主要原因的管板的強(qiáng)度不足或者是換熱管的剛度難以滿足換熱器的要求。

3 結(jié)束語

綜上所述，熱換器在工業(yè)生產(chǎn)以及城市集中供暖等各個方面發(fā)揮著積極的作用，波紋管熱換器作為一種新型的設(shè)備，經(jīng)過在傳統(tǒng)管式熱換器的優(yōu)化，大幅提高了傳熱系數(shù)，在除垢、自我補(bǔ)償?shù)确矫娴木哂辛己玫膬?yōu)勢，為了保證其各項(xiàng)的性能得到充分發(fā)揮，必須加強(qiáng)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的工作，避免出現(xiàn)管束失穩(wěn)的問題。

參考文獻(xiàn)：

[1]李永泰，陳永東，陳明健等.波紋管換熱器管束整體失穩(wěn)分析及設(shè)計(jì)計(jì)算要考慮的問題[J].壓力容器，2013（06）.endprint