直管與波節管換熱器熱應力及阻力特性對比實驗研究*

魯林平 馮麗麗

（天津理工大學機械工程學院)（申克（天津）工業技術有限公司輕工事業部）

直管與波節管換熱器熱應力及阻力特性對比實驗研究*

魯林平**馮麗麗

（天津理工大學機械工程學院)（申克（天津）工業技術有限公司輕工事業部）

為了研究波節管換熱器的熱應力和阻力特性，對具有相同管長和傳熱面積的波節管換熱器和直管換熱器進行了對比實驗，分析了不同溫差下的軸向應力和不同雷諾數下的管程、殼程的阻力損失。結果發現：與直管換熱器相比，波節管換熱器具有很好的軸向熱補償性能，在相同的實驗條件下，其軸向作用力和軸向熱應力均比較小，適合應用于大傳熱溫差場合；波節管換熱器的阻力損失高于直管換熱器，但在低雷諾數時阻力損失相差不大，且具有較高的傳熱系數。

直管換熱器 波節管換熱器 熱應力 阻力損失 雷諾數 實驗裝置

0 引言

強化傳熱是實現換熱器高效、緊湊換熱的主要方法[1]。管殼式波節管換熱器與傳統的管殼式直管換熱器相比，具有傳熱效率高、不易結垢、軸向熱補償性能好、體積小及節省材料等優點，目前已用于多種工況下的換熱[2-3]。

波節管換熱器是一種高效換熱設備，它的換熱元件——波節管是由光滑直管脹管制成。波節的存在，既能夠提高傳熱系數，又能夠降低換熱管的軸向剛度，從而大大緩解管程與殼程之間由于溫度差異而產生的熱應力。

作為一種強化傳熱元件，國內外對波節管的傳熱性能的研究較多，但對其內應力和阻力特性的研究比較少。A.Barba等[4]用乙二醇作為介質，研究了波節管換熱器在中等雷諾數條件下的傳熱性能和阻力性能；徐建民等[5]從管子承受內壓的角度出發，對波節管承受內壓爆破的性能進行了研究；劉采龍等[6]從管子的結構角度出發，對波節管由于形狀而產生的內應力的分布進行了實驗研究，總結了應力規律。文獻 [3]通過軸向剛度與應力的測試，對波節換熱管的軸向熱補償性能進行了試驗研究；程凌等[7]引用美國膨脹節制造商協會 (EJMA)的計算方法，給出了波節管剛度的計算公式，并分析了溫差引起的軸向應力，給出了是否需要設置膨脹節的判據。

本文從宏觀角度出發，對具有相同管長和傳熱面積的固定管殼式直管與波節管換熱器進行實驗，研究其由傳熱溫差產生的軸向力和軸向熱應力，并對不同雷諾數下的阻力特性進行了對比，以期為波節管換熱器的工程設計和應用選型提供依據。

1 管殼式換熱器熱應力機理分析

溫度改變時，物體由于外在約束以及內部各部分之間的相互約束，使其不能完全自由脹縮而產生的應力，稱為熱應力，也稱為溫差應力。對于管殼式換熱器而言，管程和殼程溫度不同，換熱管和殼體存在著溫差，其軸向的相互變形約束是其熱應力的本質特征。

對于固定管殼式換熱器，管束和殼體是剛性連接的，兩者相互約束、相互作用，實際軸向伸長量相等。由虎克定律可推得：

式中F——軸向作用力，N；αt、 αs——管束和殼體的線膨脹系數，1/℃；tt、ts——操作狀態下管束和殼體的溫度，℃；t0——安裝時的溫度，℃；

Et、Es——管束和殼體的彈性模量，MPa；

At——管束的總橫截面積，m2；

As——殼體的橫截面積，m2。

由式 （1）可知，降低軸向力F的途徑有兩條：降低冷熱流體之間的傳熱溫差，降低管束和殼體的軸向剛度 （EA）。

降低傳熱溫差會導致換熱器傳熱性能下降，更重要的是傳熱溫差往往由實際工況決定，因此降低傳熱溫差的可行性較差。

降低管束和殼體的軸向剛度成為減小軸向力的首要研究方向。采用波節管作為固定管殼式換熱器的傳熱元件能夠強化傳熱，同時由于波節的存在，降低了管子的軸向剛度，從而能夠顯著降低軸向作用力。

2 實驗裝置

實驗裝置是在北京化工大學制造的綜合實驗平臺基礎上改造而成，在原平臺基礎上，安裝了一臺波節管換熱器。整套裝置主要包括直管/波節管換熱器、多級離心泵、熱水循環泵、熱水鍋爐等設備，并配有數據采集系統。圖1為實驗裝置流程示意圖。

圖1 實驗裝置流程

波節管和直管換熱器并排放置在實驗平臺上，通過轉換閥門，分別將波節管換熱器或者直管換熱器接入到實驗系統中，并可以通過閥門的切換，實現冷熱流體不同通道的選擇。

采用計算機數據采集系統，通過管路上布置的傳感器，可測量穩定工況下管程和殼程的各個參數：進口溫度、出口溫度、流量、進口壓力、出口壓力。波節管換熱器和直管換熱器的殼體上1/4圓周范圍內貼有多個應變片，能夠檢測出相應的應變值，所有參數通過PLC的上位機進行采集和保存。

2.1 對比實驗的基礎

為了使實驗結果具有可比性，以直管換熱器的基本參數作為參照基礎，設計了波節管換熱器，使這兩種換熱器之間具有大致相同的外形尺寸和基本相同的傳熱面積。

2.2 波節管換熱器的結構參數

波節管換熱器外徑do1=219 mm，換熱管數目n1=24，傳熱段長度l1=789 mm，管束采用三角形布置，總傳熱面積A1=1.1 m2。

圖2所示為波節管換熱器所使用的波節管的結構尺寸。其中，d1=16 mm，D=20 mm，p=18 mm，s=6 mm。

圖2 波節管尺寸

2.3 直管換熱器的結構參數

本實驗所使用的直管換熱器的基本參數如下：直管換熱器外徑do2=219 mm，換熱管外徑d2=14 mm，換熱管數目n2=29，傳熱段長度l2=0.792 m，管束采用三角形布置，總傳熱面積A2=1.01 m2。

3 實驗結果及分析

3.1 熱應力對比分析

在固定管殼式換熱器中，其應力是流體壓力載荷、溫度載荷及重力與支座反力所引起的。由于換熱器的軸向彎曲剛度大，重力與支座反力在殼體上產生的彎曲應力相對較小，可以忽略。

溫度載荷只引起軸向應力，當壓力載荷和溫度載荷聯合作用時，=σ+式中分別為環向應力和壓力載荷在換熱器殼體中引起的環向應力；、分別為軸向應力、壓力載荷在換熱器殼體中引起的軸向應力和溫度載荷在換熱器殼體中引起的軸向應力。

3.1.1 軸向作用力對比分析

實驗時，先測定不同壓力條件下的載荷，計算得到不同壓力下的軸向力，再在壓力和溫差載荷共同作用下，測定并計算得到軸向作用力，二者相減，可得到由于溫差導致的軸向作用力。圖3為溫差軸向作用力隨溫差Δt的變化關系。

由圖3可以看出，波節管換熱器的溫差軸向作用力大大小于直管換熱器。顯然，溫差越大，產生的溫差作用力就越大。

圖3 波節管與直管換熱器軸向作用力對比曲線

3.1.2 軸向溫差應力對比分析

軸向作用力能夠直觀地反映出由于溫差而引起的外載荷大小，但不能反映材料的內在應力特點，因此需進一步計算，以得到殼體和管子的應力值。將通過實驗得到的軸向作用力分別除以殼體和全部管子的截面積，可以得到殼體和管子的應力值。

由圖4和圖5可以看出：

圖4 直管換熱器殼體與管子內應力對比曲線

圖5 波節管換熱器殼體與管子內應力對比曲線

（1）波節管換熱器的溫差應力小于直管換熱器，且溫差越大，產生的溫差應力越大。

在實驗溫差范圍內，當溫差值為51.5℃時，直管內應力最大達到95 MPa。溫差更大時，材料就會有屈服的危險，因此大溫差下，需要采取措施以減小軸向力，比如安裝膨脹節。

（2）對于直管換熱器，管子和殼體的應力值相差不大，變化趨勢也一致，說明管子和殼體的壁厚設計合理，操作時管子和殼體的材料都能較好地發揮其力學特性。

（3）對于波節管換熱器，管子和殼體的應力值相差較大，且隨著溫差的增大，其差值也變大。

本實驗所用的波節管的壁厚為0.8 mm，從應力大小上來看，波節管換熱器的殼體應力與管子應力相差較大。在大溫差條件下，當殼體應力接近屈服應力時，管子應力遠小于屈服應力，不利于發揮材料的性能。因此，換熱器在設計時要考慮殼體與管子的壁厚匹配問題，以達到高效利用材料的目的。

3.2 阻力損失對比分析

分別對管程和殼程的流體流動阻力損失進行實驗，以18.5℃的冷水作為介質，改變入口的體積流量，采集進口和出口的壓力值，得到管程和殼程的阻力損失。圖6為管程阻力與雷諾數的關系曲線，圖7為殼程阻力與雷諾數的關系曲線。

圖6 波節管與直管換熱器管程阻力對比曲線

圖7 波節管與直管換熱器殼程阻力對比曲線

由圖6和圖7可以看出：

（1）無論是波節管還是直管，管程阻力比殼程阻力要大。這是因為管程通道小，流速快，因而阻力損失大。

（2）波節管換熱器比直管換熱器的阻力損失大。根據流體力學的基本原理，波節的存在，增加了流體流動時的湍動，在增大傳熱系數的同時，必然也會導致阻力損失的增大。

（3）波節管的管程阻力損失與直管的差值大于其殼程的差值，說明波節的存在引起的阻力損失對管程的影響更大，因此在波節管換熱器的實際設計和使用時，流量大的流體應盡量走殼程。

4 結論

（1）波節管換熱器的軸向力及應力大大小于直管，具有較好的熱補償性能，因此波節管換熱器特別適用于傳熱溫差大的場合。需要注意的是，為了發揮材料的性能，無論是波節管換熱器還是直管換熱器在設計時都要考慮殼體與管子的壁厚匹配問題。

（2）通過對阻力數據的對比可以知道，波節管換熱器的阻力損失無論是在管程還是在殼程都要大于直管換熱器，但在低雷諾數下，兩種換熱器的阻力損失的差值相差不大。

（3）波節管換熱器的特殊流道能夠大大強化傳熱，并且在較低雷諾數下就能夠達到較好的湍動，即波節管換熱器在低雷諾數下具有高的傳熱系數。因此，在實際應用時，波節管換熱器適合用于較低雷諾數的高傳熱溫差場合。

[1]張登慶,李忠堂,王宗明，等.波節管管內換熱與阻力特性的實驗研究 [J].石油機械,2002,30(4):4-6.

[2]Rainieri S,Bozzoli F,Pagliarini G.Experimental investigation on the convective heat transfer in straight and coiled corrugated tubes for highly viscous fluids:Preliminary results[J].International Journal of Heat and Mass Transfer,2012,55:498-504.

[3]馮志力,馮興奎,黃荔烈.波節換熱管熱補償性能的研究 [J].石油機械,2001,29(4):13-15.

[4]Barba A,Rainieri S,Spiga M.Heat transfer enhancement in a corrugated tube[J].Int Comm Heat Mass Transfer,2002,29(3):313-322.

[5]徐建民,李強,熊雯,等.波節管承受內壓爆破性能研究[J].化工裝備技術,2009,30(2):13-15.

[6]劉采龍,劉偉,鄢利群,等.波節管幾何尺寸對其受力的影響 [J].沈陽化工學院學報,2000,14(4):281-283.

[7]程凌,周劍秋,尹俠,等.波紋管換熱器若干設計問題的分析 [J].化工機械,2006,33(2):118-121.

Comparative Experimental Study on Thermal Stress and Pressure Loss of Straight Tube and Corrugated Tube Heat Exchanger

Lu Linping Feng Lili

In order to study thermal stress and resistance performance of corrugated tube heat exchanger,comparative experiments were done to corrugated tube heat exchanger and straight tube heat exchanger with same tube length and heat transfer area,the axial stress under different temperature difference and the resistance loss under different Renaults numbers were analyzed.The results showed that the corrugated tube heat exchanger had better thermal compensation performance,and its axial force and stress were smaller,so it was more suitable for the situation of high heat transfer temperature difference.Also,the corrugated tube heat exchanger has higher resistance loss,but under low Reynolds numbers,the difference of resistance loss between corrugated tube heat exchanger and straight tube heat exchanger was small,and the corrugated tube heat exchanger has higher heat transfer coefficient.

Straight tube heat exchanger;Corrugated tube heat exchanger;Thermal stress;Resistance loss;Reynolds number;Experimental device

TK 83

天津理工大學育苗基金 （LGYM201008）。

**魯林平，男，1980年生，碩士，講師。天津市，300384。

2012-06-11）