一種螺旋折流板管殼式換熱器的設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)概述

姜鴻飛

（遼寧葫蘆島 125300）

本文簡(jiǎn)要介紹了一種螺旋折流板換熱器的設(shè)計(jì)，這種螺旋折流板換熱器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)容易，殼程壓降低，換熱效率高等優(yōu)點(diǎn)。

螺旋折流板；換熱器；設(shè)計(jì)

1 引言

在石油、化工、輕工、食品、能源等工業(yè)生產(chǎn)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(shè)備，被廣泛應(yīng)用。其中管殼式換熱器約占我國(guó)換熱器產(chǎn)量的80%[1]。傳統(tǒng)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(yōu)點(diǎn)：介質(zhì)螺旋流動(dòng)，避免了橫向折流的嚴(yán)重壓力損失；殼程介質(zhì)的流速提高，增大了Re，使傳熱能力大為增強(qiáng)；殼程介質(zhì)快速螺旋流動(dòng)，在徑向上產(chǎn)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(shù)；流動(dòng)死區(qū)被消除，減少了結(jié)垢沉積[4]，熱阻變小，也大大減少了停車清洗次數(shù)；螺旋折流板對(duì)管束的約束力較強(qiáng)，螺旋流動(dòng)緩解了介質(zhì)對(duì)管束的沖擊，減小了管束的振動(dòng)，延長(zhǎng)了設(shè)備運(yùn)行壽命。

2 工藝條件

按給定的工藝條件，用SW6專業(yè)軟件進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，既要考慮結(jié)構(gòu)的合理性，又要考慮加工制造及安裝方面的問題。設(shè)計(jì)所需工藝條件一般由工藝專業(yè)提出。對(duì)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(tái)換熱面積；管/殼程介質(zhì)名稱，狀態(tài)，腐蝕特性；管/殼程操作壓力，操作溫度；管/殼程設(shè)計(jì)壓力，設(shè)計(jì)溫度；管/殼側(cè)壁溫；管/殼程分程數(shù)；管/殼程采用材質(zhì)，腐蝕余量；換熱管材質(zhì)，規(guī)格，管間距；換熱管數(shù)量及排列方式；折流板型式，間距，數(shù)量；管/殼程開孔的位置，直徑。實(shí)際上，工藝專業(yè)所提條件是為了滿足設(shè)備專業(yè)進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求。

3 螺旋折流板與定距管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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(xù)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(zhǎng)、弦長(zhǎng)和頂角

如圖 2，OO′為設(shè)備軸線，在長(zhǎng)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(gè)頂角為θ的等腰三角形AB′C′和一個(gè)近似弓形AC′E（AEC′為橢圓弧線）構(gòu)成。螺旋折流板在設(shè)備橫截面上的投影圖形由A″B″C′F來表示，是由一個(gè)等腰直角三角形 A″B″C′和一個(gè)弓形 A″C′F構(gòu)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(diǎn)，則結(jié)合投影關(guān)系可知：

則螺旋折流板邊長(zhǎng)：

則螺旋折流板弦長(zhǎng)：

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(jié)構(gòu)尺寸

3.1.2 螺旋折流板傾角

如圖 2，延長(zhǎng) AB′和 A″B″，相交于點(diǎn) Q，連結(jié) QC′。P 為 AC′中點(diǎn)，連結(jié)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(shù)量應(yīng)按照《熱交換器》（GB151-2014）第6.8.5節(jié)的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行選取。為了保證折流板的穩(wěn)定，在每塊螺旋折流板上的拉桿應(yīng)至少有三根，且這三根拉桿的分布應(yīng)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(gè)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(zhǎng)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(shè)計(jì)

管殼式換熱器的管箱、管板及殼體的設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)是相同的，應(yīng)按照《熱交換器》（GB151-2014）的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度計(jì)算。主要設(shè)計(jì)內(nèi)容包括：管箱筒體和殼體厚度的確定；根據(jù)管箱封頭的形式確定封頭厚度；管箱法蘭的選取與校核計(jì)算；選擇管板連接方式，計(jì)算管板，管/殼程接管補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算。

5 小結(jié)

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(yōu)點(diǎn)，且它的設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)不同，要單獨(dú)考慮。所以總體來說，它的設(shè)計(jì)過程也較為簡(jiǎn)單，因此具有良好的應(yīng)用前景。

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

[2]國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)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(jìn)展[J].石油化工設(shè)備技術(shù)，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(xué)工程學(xué)報(bào)，2007，21（6）.

[5]王秋旺.螺旋折流板管殼式換熱器殼程傳熱強(qiáng)化研究進(jìn)展[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，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?yàn)榛れo設(shè)備設(shè)計(jì)。