小型螺旋管式熱交換器結構設計

李 誠，唐叔建，路廣遙，周建明，葉 亮

（中廣核研究院有限公司 設備研發中心，廣東 深圳 518000）

熱交換器是一種在不同溫度的多種介質之間實現熱量傳遞的設備，廣泛應用于石油、化工、制藥、核電、冶金、電力、船舶及集中供暖等領域［1］。目前，我國熱交換器的發展呈現多樣化和專門化特點，廣泛應用的熱交換器主要有板式熱交換器、管殼式熱交換器、空冷式熱交換器和板翅式熱交換器［2-3］等。其中，管殼式熱交換器具有可靠性高、適用范圍廣、制造成本低且清洗方便等特點，在各工業領域中得到了最為廣泛的應用［4-5］。螺旋管式熱交換器是一種特殊結構的管殼式熱交換器，螺旋盤管/繞管制造水平是限制其應用的重要因素。螺旋管式熱交換器設計中，螺旋換熱管的選擇、布置、強度核算以及流致振動分析是設計的重點和難點［6-8］。文中介紹了1臺小型螺旋管式熱交換器的結構設計方案和校核計算過程。

1 小型螺旋管式熱交換器設計基礎參數

設計基礎參數包括小型螺旋管式熱交換器的熱功率、傳熱面積、一次側流量以及設計工況和操作工況下溫度、壓力取值，見表1。

表1 小型螺旋管式熱交換器設計基礎參數

2 小型螺旋管式熱交換器結構方案

2.1 總體結構

小型螺旋管式熱交換器總體結構方案見圖1。其中，容器組件包括筒體、下封頭和接管等，管束組件包括換熱管、支撐結構、內筒、外筒等，管板組件包括管板和固定塊等，緊固密封組件包括緊固螺栓、墊片、雙錐環等，上封頭組件包括上封頭、接管、蓋板、螺栓等。換熱管采用螺旋盤管結構，管板與容器采用螺栓連接，以方便管束吊出進行檢修。一次側流道設計為，流體從筒體中部入口流入，經過外筒與容器之間的上部環形流道向上流動，到達頂部后通過外筒開孔進入換熱管束中，然后在管束中折返向下流動直到下封頭區域，經過外筒與容器之間的下部環形流道向上流動，從筒體中部出口流出。二次側流道設計為，流體從下封頭入口流入，經給水腔室分配給每根螺旋換熱管，沿著螺旋換熱管的直段、空間彎段、螺旋段流動，最終流入上封頭腔室，從上封頭出口流出。上封頭和下封頭上均設計了檢修孔，可以實現內部結構的檢修。

圖1 小型螺旋管式熱交換器總體結構

2.2 螺旋管布置

布管設計應保證螺旋換熱管的受熱均勻性，減小各螺旋換熱管的熱偏差，盡可能使用相同或相近規格以及長度的螺旋換熱管。螺旋上升角α按照下面的公式計算。

式中，SL為軸向節距，D為螺旋盤管直徑，m；M為螺旋盤管頭數。

分析式（1）可知，軸向節距、徑向節距(相鄰2層螺旋管中心間距)、螺旋盤管直徑及螺旋升角是相互制約的。設計中，采取保持徑向節距、軸向節距不變，調節螺旋管的頭數，螺旋升角略有變化的計算程序。經過綜合考慮，選取的螺旋換熱管規格為φ18 mm×2 mm，布管方案見表2。

表2 小型螺旋管式熱交換器螺旋換熱管布置方案

2.3 管孔布置

螺旋換熱管給水入口腔室（二次側入口）設計在下封頭上。考慮到空間的局限性，螺旋換熱管入口管孔采用三角形布置，示意圖見圖2。

圖2 螺旋換熱管入口管孔布置示圖

螺旋換熱管出口（二次側出口）布置在上部管板上，布置空間大。為了降低彎管難度，每一層螺旋換熱管的出口均布于螺旋直徑對應圓周上，對處于支撐墊條位置及其附近區域的出口稍作微調，對應管板上的螺旋換熱管出口管孔布置示意圖見圖3。

圖3 螺旋換熱管出口管孔布置示圖

2.4 管束支撐結構

螺旋管之間布管緊湊，管與管之間的間隙很小，留給支撐結構的布置空間因此很小。根據螺旋管的結構和間距，設計了墊條形支撐結構，并通過內外筒對其施加約束，見圖4。其中，螺旋管相鄰層之間通過墊條進行約束，每層均布6根墊條。相鄰2層墊條之間通過銷釘固定，每5排螺旋管間隔1個銷釘，銷釘裝配到位后，焊接固定。

圖4 管束支撐結構示意圖

2.5 零部件選材

在材料的選擇上，需要考慮運行環境下的安全可靠性、與介質的相容性、加工性以及經濟性等因素。綜合分析后確定的主要零部件材料見表3。

表3 小型螺旋管式熱交換器主要零部件材料

3 小型螺旋管式熱交換器強度核算

3.1 主要結構件壁厚

根據 GB 150.1～150.4—2011《壓力容器》［9］，計算小型螺旋管式熱交換器的主要結構件壁厚。

圓筒形筒體厚度t按下式計算：

球形封頭厚度t＇按下式計算：

式（2）和式（3）中，Di、Di＇為筒體、封頭內徑，mm；p為設計內壓力，[σ]為材料在相應設計溫度下的許用應力，MPa；φ為焊接接頭系數，取φ=1。計算過程中各參數取值及計算結果見表4，其中厚度取值考慮開孔補強且不含堆焊層。

表4 小型螺旋管式熱交換器的主要結構件壁厚計算表

3.2 管板強度校核

根據 TEMA—2007《Standards of the Tubular Exchanger Manufacturers Association》[10]的相關要求，對小型螺旋管式熱交換器的管板強度進行校核計算。

管板計算厚度T為：

式中，F為管板固定支撐系數；G為管板直徑，mm；S為許用應力，MPa；η為平均孔橋帶效率。查表[10]可知，F=1.25、η=0.56、S=120 MPa，已知 G=742 mm，p=16.9 MPa，代入式（4）計算得到 T=155 mm。按照經驗,管板最薄處取180 mm。

3.3 螺旋換熱管外壓校核

按照文獻[11]第Ⅲ卷NB分卷NB-3133進行螺旋換熱管外壓校核計算。

螺旋管的最大允許外壓pa按照下面的2個公式進行初步計算，以其中較小者為最終計算的最大允許外壓pa。

查文獻[11]第Ⅱ卷D篇中圖G得外壓應變系數A=0.014，根據A值查文獻[11]第Ⅱ卷D篇中圖NFN-21得外壓應力系數B=118。代入相關參數計算得到 pal=18.58 MPa、pa2=31.8 MPa，因此螺旋管最大允許外壓值為18.58 MPa，大于設計壓力17 MPa，滿足設計要求。

4 小型螺旋管式熱交換器螺旋換熱管流致振動分析

4.1 評判準則

在管殼式熱交換器的殼程中，流體橫向流過管束時，引起螺旋換熱管振動的主要機理有湍流激振、流體彈性不穩定及卡門漩渦激振。采用公式法對以上3種產生激振的方式進行評估，評判的準則為[12]，①卡門漩渦頻率fv與螺旋換熱管最低固有頻率f1之比大于0.5。②螺旋換熱管的最大振幅ymax>0.02d（d為螺旋換熱管外徑）。③橫流速度vg大于臨界橫流速度。在以上判據中，符合任意一條，螺旋換熱管就可能發生振動和破壞。

4.2 固有頻率

在對螺旋換熱管進行公式法評估之前，先對螺旋換熱管進行固有頻率分析。采用有限元軟件ANSYS 17.1對螺旋換熱管進行模態分析，獲取的第1～4層螺旋換熱管固有頻率依次為132.54、123.73、115.79 及 108.56 Hz。

4.3 計算及結果

4.3.1 低階湍流模型

螺旋換熱管湍流激振通常是由低階湍流誘發。Blevins[13]對螺旋管束的橫流進行測試和分析，表明螺旋換熱管因湍流引起的振動有3個波段，一是用于脫落頻率以上的螺旋換熱管固有頻率，二是用于等于或接近脫落頻率的螺旋換熱管固有頻率，三是用于低于脫落頻率的自然頻率。

湍流引起的螺旋換熱管振幅yn在第n階螺旋換熱管振動模態隨流體速度增加可表示為：

式中，n為振動的階數；旋換熱管外徑d取為18 mm；ρ為流體的密度，kg/m3；mt為單位長度螺旋換熱管總質量，kg；ζt為總阻尼比；vg為間隙平均流速，m/s；fn為第n階模態的固有頻率,Hz。

一次側單相流的螺旋換熱管總阻尼比是黏性阻尼和支撐阻尼的總和，可以用測量數據或經驗式確定[14]。螺旋換熱管阻尼隨螺旋換熱管振動頻率的增加而降低，水或濕蒸汽在緊支撐和松支撐時的平均阻尼比分別為0.015和0.05[15]。

4.3.2 流體彈性不穩定模型

管束發生流體彈性不穩定時，臨界橫流速度vc按以下公式計算[12]。

式中，Kc為比例系數，取2.1；fn為螺旋換熱管固有頻率，Hz；δs為質量阻尼系數；b為指數，取0.15；m為單位管長的質量，mt＇為空管質量，mi為螺旋換熱管內流體質量，mo為被振動排開的、虛擬的管外流體質量，kg；δ為螺旋換熱管的對數衰減率；ρo為殼程流體的密度，ρi為管程流體的密度，ρo取748 kg/m3；Cm為附加質量系數，取 1.34。

螺旋換熱管作衰減運動時，任意兩相鄰周期的振幅比的自然對數即為對數衰減率。當殼程介質為液體時，對數衰減率δ由以下公式[12]得到：

式中，f1為螺旋換熱管基頻,Hz；Ce為界限函數，取 1.565；ν1為液體運動黏度，取 1.23×10-7m2/s；ρ1為液體的密度，kg/m3。

4.3.3 卡門漩渦激振模型

由卡門漩渦激振引起的螺旋換熱管振動隨著其頻率與螺旋換熱管固有頻率的接近或吻合而產生，卡門漩渦脫落頻率fv按下式計算[12]。

式中,v為橫流速度，m/s；St為斯特羅哈數，取0.33。

4.3.4 振動計算結果

按照上述3種模型及公式計算螺旋換熱管流致振動特征參數，結果見表5。

表5 螺旋換熱管流致振動特征參數計算結果

表5中，湍流激振振幅A1對應的平均阻尼比為0.015，B1對應的平均阻尼比為0.05。卡門漩渦脫落頻率fv為35.34 Hz，最外層（第4層）螺旋換熱管第1階固有頻率 f1為 108.56 Hz，fv/f1<0.5。湍流激振最大振幅發生在最外層螺旋換熱管，其振幅在 7.57×10-3～1.38×10-2mm。小于 0.02d對應的0.36 mm。螺旋換熱管束的實際徑向間隙流速vg為1.99 m/s，最外層螺旋換熱管的臨界速度為3.19 m/s，即螺旋換熱管束實際徑向間隙流速小于流彈失穩臨界速度。因此，螺旋管束的參數不滿足湍流激振、流體彈性不穩定和卡門漩渦激振的誘發判據，該螺旋管束不會發生流致振動。

5 結語

設計了1臺小型螺旋管式熱交換器。該熱交換器的設計綜合考慮了介質壓力、使用溫度、流體性質、制造工藝、無損檢測、檢修及成本等因素的影響，結構設計及計算分析結果均滿足相關標準規范要求，交付使用后運行狀態良好。該小型螺旋管熱交換器的設計方案及設計方法可以為同類型熱交換器的設計提供借鑒和參考。