波紋管換熱器設計要點分析

李琳+楊孟虎

摘 要：作為傳熱設備的一種，換熱器在化工、煉油等多個領域中得到了廣泛的應用。波紋管換熱器在傳熱性能以及防垢能力等方面有著獨特的優勢，同時具有較強的自我補償能力，屬于新型強化管殼式換熱器。本文主要對此類換熱器的設計要點進行了分析，探討結構設計優化的方法。

關鍵詞：波紋管換熱器；設計要點；傳熱設備

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

波紋管換熱器的性能良好，將強化傳熱理論應用在傳統管式換熱器中，優化波峰與波谷的設計，使其傳熱系數得到大幅提高。與傳統的管式換熱器相比，波紋管換熱器的傳熱系數提升了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堵塞的問題。為了保證波紋管換熱器的各項優勢得到充分發揮，必須要加強設計環節，對于管板、波紋換熱管等方面的數據計算加以重視。

1 波紋管換熱器設計的技術要求

由于波紋管換熱器自身的特征，在設計的過程中應滿足相應的技術要求，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為CT應力腐蝕，此類腐蝕危害前期為細微裂縫，后期逐漸發展擴大。一般情況下，CT應力腐蝕的作用溫度在70—250℃左右，因此波紋管換熱器的設計工作中，在作用溫度的范圍內應將介質的CT濃度控制在25×10之內。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，波紋管運輸的過程中應規范操作行為，避免出現碰撞的現象。為了保證波紋管的收縮復原，提高換熱管內的拉脫力，將污垢有效的剝落下來，所以波紋管熱換器投入使用之后，應在規定的時間內停止運行一次。

2 波紋管換熱器設計要點研究

2.1 管板的設計計算

（1）波紋管剛度。對于管板的設計計算主要是根據《管殼式換熱器》中的設計要求，將管板考慮為當量圓平板，其承受荷載具有均勻性的特征，基于彈性基礎進行計算。管束的剛度對于管板的支撐作用及強度有著重要的影響。與光滑管的結構不同，波紋管的柔度更為突出，因此對于波紋管軸向剛度的計算具有較大的現實意義，其計算公式為： 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。

（2）波紋管換熱器管板強度分析方法。在波紋管換熱器的結構中，由其內部的各項要素形成了靜不定系統，波紋管的剛度與管板整體強度之間存在著密切聯系。Miller法是分析管板強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上，以彈性力學理論為依據，按照相關的公式計算管板的彎曲應力，進而分析管板強度受剛度變化的影響情況。

2.2 波紋換熱管設計計算

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力，在局部地區的應力相對集中，導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計的主要因素。

（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，所以必須保證管子承擔壓力是處于穩定的狀態，避免對熱換機的正常運作造成影響。承波節形狀是波紋管的主要表現形式，在其構成部分中，不僅包括直段，還有相應的球面波峰。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，直線段首先出現不穩定的問題，而球面波峰則具有剛性構件的特征。波紋管的許用外壓力計算公式為： [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.根據相關規范確定，以42/33×0.5mm的波紋管為例，其最波距25，根據相關規范B取值為120MPa，通過上述公式進行計算得出許用外壓力值為1.8MPa。

（2）波紋換熱管單波剛度。通過相應的拉伸試驗可以計算出波紋換熱管的剛度。此外，以材料力學方法為指導，結合相關的實踐經驗可歸納出如下公式，在波紋管換熱器設計時可作為參考。 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計

根據相關標準的規定，折流板的最小間距以圓筒直徑的1/5為標準，且大于50mm。但是波紋管換熱器具有自身的特點，可以適當降低介質流速來減小壓降。通常情況下，與光滑管的相比，波紋管的介質流速僅為其50%左右。所以在實際的操作中，折流板的間距可根據介質流速適當調整。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作的過程中出現短路的現象。在折流板管控的兩面應采取倒角處理的措施，防止在穿管裝配時由于外界因素，導致波 紋管表面劃傷。

2.4 波紋管穩定性設計

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

3 結束語

綜上所述，熱換器在工業生產以及城市集中供暖等各個方面發揮著積極的作用，波紋管熱換器作為一種新型的設備，經過在傳統管式熱換器的優化，大幅提高了傳熱系數，在除垢、自我補償等方面的具有良好的優勢，為了保證其各項的性能得到充分發揮，必須加強設計環節的工作，避免出現管束失穩的問題。

參考文獻：

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