一種螺旋折流板管殼式換熱器的設計概述

姜鴻飛

（遼寧葫蘆島 125300）

一種螺旋折流板管殼式換熱器的設計概述

姜鴻飛

（遼寧葫蘆島 125300）

本文簡要介紹了一種螺旋折流板換熱器的設計，這種螺旋折流板換熱器具有結構簡單，設計容易，殼程壓降低，換熱效率高等優點。

螺旋折流板；換熱器；設計

1 引言

在石油、化工、輕工、食品、能源等工業生產中，需要大量的熱量傳遞過程，換熱器作為一種常見的熱量傳遞設備，被廣泛應用。其中管殼式換熱器約占我國換熱器產量的80%[1]。傳統的管殼式換熱器多采用弓形折流板[2]，相比而言，螺旋折流板具有以下優點：介質螺旋流動，避免了橫向折流的嚴重壓力損失；殼程介質的流速提高，增大了Re，使傳熱能力大為增強；殼程介質快速螺旋流動，在徑向上產生速度梯度[3]，形成離心力和徑向湍流，換熱管表面滯留層厚度減薄，提高了膜傳熱系數；流動死區被消除，減少了結垢沉積[4]，熱阻變小，也大大減少了停車清洗次數；螺旋折流板對管束的約束力較強，螺旋流動緩解了介質對管束的沖擊，減小了管束的振動，延長了設備運行壽命。

2 工藝條件

按給定的工藝條件，用SW6專業軟件進行強度計算，既要考慮結構的合理性，又要考慮加工制造及安裝方面的問題。設計所需工藝條件一般由工藝專業提出。對換熱器來講，其工藝條件主要包括：換熱器型式；公稱尺寸；單臺換熱面積；管/殼程介質名稱，狀態，腐蝕特性；管/殼程操作壓力，操作溫度；管/殼程設計壓力，設計溫度；管/殼側壁溫；管/殼程分程數；管/殼程采用材質，腐蝕余量；換熱管材質，規格，管間距；換熱管數量及排列方式；折流板型式，間距，數量；管/殼程開孔的位置，直徑。實際上，工藝專業所提條件是為了滿足設備專業進行強度計算和結構設計的要求。

3 螺旋折流板與定距管的結構設計

3.1 螺旋折流板

考慮到制造加工，一般采用一系列的扇形平面來代替連續螺旋曲面相間連接，形成近似的螺旋曲面[5]，如圖1。

圖1 螺旋折流板

3.1.1 螺旋折流板邊長、弦長和頂角

如圖 2，OO′為設備軸線，在長方體 ABCD-A″B″C′D′中，線段 BB″在OO′上，螺旋折流板由圖中的AB′C′E來表示，是由一個頂角為θ的等腰三角形AB′C′和一個近似弓形AC′E（AEC′為橢圓弧線）構成。螺旋折流板在設備橫截面上的投影圖形由A″B″C′F來表示，是由一個等腰直角三角形 A″B″C′和一個弓形 A″C′F構成。α 為折流板的螺旋角，β 為折流板的后傾角，取 α=β，大小一般由工藝給定。A′、B′分別為 AA″、BB″的中點，則結合投影關系可知：

則螺旋折流板邊長：

則螺旋折流板弦長：

如圖2，在三角形AB′C′中，由余弦定理，可知：

則頂角：

圖2 螺旋折流板投影及結構尺寸

3.1.2 螺旋折流板傾角

如圖 2，延長 AB′和 A″B″，相交于點 Q，連結 QC′。P 為 AC′中點，連結B′P。AA′=A′A″，A′B′∥A″B″，AB′=B′Q。B′P⊥AC′，QC′⊥AC′。BB″⊥平面A″B″C′D′，AA″∥BB″，A″B″=B″Q=B″C′，B″C′⊥A″B″，A″C′⊥QC′，所以 γ 就是螺旋折流板面與殼體橫截面所形成的夾角，即螺旋折流板傾角。在三角形 AC′A″中，由余弦定理，得：

3.2 拉桿與定距管

拉桿的直徑和數量應按照《熱交換器》（GB151-2014）第6.8.5節的相關規定進行選取。為了保證折流板的穩定，在每塊螺旋折流板上的拉桿應至少有三根，且這三根拉桿的分布應盡量分散成三角形并靠近折流板的邊緣。定距管與折流板的接觸平面是一個角度為γ的斜截面。

3.3 拉桿端部

在拉桿端部，采用一斜管段，長度約30mm，裝配在螺母與螺旋折流板之間，如圖3。

圖3 拉桿端部

4 管箱、管板及殼體設計

管殼式換熱器的管箱、管板及殼體的設計不受折流板的型式影響，無論折流板是螺旋的還是弓形的，管箱、管板及殼體部分的設計是相同的，應按照《熱交換器》（GB151-2014）的有關規定進行材料選擇、結構設計和強度計算。主要設計內容包括：管箱筒體和殼體厚度的確定；根據管箱封頭的形式確定封頭厚度；管箱法蘭的選取與校核計算；選擇管板連接方式，計算管板，管/殼程接管補強計算。

5 小結

這種螺旋折流板換熱器相比弓形折流板換熱器具備諸多優點，且它的設計過程與弓形折流板換熱器在主體上也是相同的，只有在折流板、定距管及拉桿端部這幾處局部上結構不同，要單獨考慮。所以總體來說，它的設計過程也較為簡單，因此具有良好的應用前景。

[1]王秋旺，羅來勤，等.交錯螺旋折流板管殼式換熱器殼側傳熱與阻力性能[J].化工學報，2005，56（4）.

[2]國家質量監督檢驗檢疫總局.GB151—2014熱交換器，2014.

[3]劉嬌洋，江楠.螺旋折流板換熱器的研究進展[J].石油化工設備技術，2009，30（2）.

[4]王晨，桑芝富.單螺旋和雙螺旋折流板換熱器性能的研究[J].高校化學工程學報，2007，21（6）.

[5]王秋旺.螺旋折流板管殼式換熱器殼程傳熱強化研究進展[J].西安交通大學學報，2004，38（9）.

TQ015.5

A

1004-7344（2016）06-0233-02

2016-2-2

姜鴻飛（1986-），男，漢族，遼寧葫蘆島人，本科，普通職員，研究方向為化工靜設備設計。