折流桿換熱器的結(jié)構(gòu)選型及設(shè)備計(jì)算

劉立凱

（湖南百利工程科技股份有限公司，湖南岳陽 414007）

折流桿換熱器的結(jié)構(gòu)選型及設(shè)備計(jì)算

劉立凱

（湖南百利工程科技股份有限公司，湖南岳陽 414007）

對折流桿換熱器殼程結(jié)構(gòu)中的折流桿、折流環(huán)、折流圈及間距、拉桿等部件進(jìn)行剖析及選型；根據(jù)壓桿臨界失穩(wěn)模型，計(jì)算出換熱管受壓失穩(wěn)當(dāng)量長度；通過折流板換熱器和折流桿換熱器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的比較分析，得出折流桿換熱器的計(jì)算方法。

折流桿；換熱器；結(jié)構(gòu)選型；設(shè)備計(jì)算

折流桿換熱器是一種新型的高效管殼式換熱器，主要用于殼程為真空且壓力降要求小的場合。相對于常規(guī)管殼式換熱器，它以折流桿代替折流板，換熱器殼程流體由橫掠改為縱掠管束，從而減少流體的誘導(dǎo)振動和流動阻力，有效降低換熱管因振動而引起失效的風(fēng)險，且消除了流動死區(qū)和漏流，強(qiáng)化了傳熱效果。折流桿換熱器的上述優(yōu)點(diǎn)，使其應(yīng)用越來越廣泛，為滿足工藝操作要求，便于設(shè)計(jì)優(yōu)化、保證設(shè)備運(yùn)行安全，需要對其內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析并制定設(shè)備計(jì)算方法。

1 折流桿換熱器的結(jié)構(gòu)

折流桿換熱器是由一系列折流圈組成的管殼式換熱器。折流桿通過與換熱管的不同排列方式，焊接在折流環(huán)上組成各種不同型式的折流圈。不同折流圈通過拉桿固定，沿軸向交替分布，形成一個折流圈籠，從橫向和豎向?qū)Q熱管進(jìn)行支撐，如圖1。

圖1 折流圈籠

1.1 折流桿

折流桿是換熱器的重要部件，主要有兩個作用：一是擾動殼程軸向流體，達(dá)到強(qiáng)化傳熱目的；二是支撐換熱管。它可以是圓形、方形或長方形的條狀物。由于形狀對流動和傳熱影響不明顯，且棱角容易對換熱管造成損傷及材料采購上的不便，推薦采用圓形折流桿。

折流桿從某個方向?qū)Q熱管進(jìn)行支撐的同時，也被上下（或左右）兩排換熱管緊緊夾持，它們組成一個互為加強(qiáng)的鋼性體。折流桿主要承受換熱管的徑向擠壓力，一般材料的擠壓許用應(yīng)力較大，該部分應(yīng)力可忽略；折流桿受壓彎曲變形時，由換熱管提供支撐，通常相鄰換熱管間距較小，折流桿所受彎曲變形較小，可不考慮軸向失穩(wěn)。因此，折流桿直徑除考慮必要的制造偏差和安裝裕量外，滿足夾緊換熱管的要求即可。

1.2 折流環(huán)

折流桿主要通過折流環(huán)焊接為一個折流圈。折流環(huán)的型式有桿式、板式和帶式三種。桿式主要由圓鋼彎制，板式和帶式由矩形板或矩形鋼帶制成，其中板式折流環(huán)的徑向厚度大于縱向厚度，而帶式折流環(huán)的徑向厚度小于縱向厚度。

為便于布置拉桿孔，在滿足換熱器布管數(shù)的要求下，通常采用板式折流環(huán)；對于直徑小于1 500mm的殼程，布管空間較小，從節(jié)約空間考慮選擇用桿式折流環(huán)；當(dāng)直徑較大，需要布置較大換熱面積時，為滿足剛性需要則采用帶式折流環(huán)。

在換熱器設(shè)計(jì)過程中，由于受到殼程和布管的限制，折流環(huán)內(nèi)側(cè)區(qū)域可能會產(chǎn)生較大空隙，致使殼程流體旁通短路，進(jìn)而影響換熱效果，這一現(xiàn)象在直徑較小換熱器中影響尤為嚴(yán)重。為消除此類空隙，可將板式折流環(huán)內(nèi)圈沿布管外緣割制成形，另外，此方法也可保證管束周邊換熱管有足夠支撐，可避免折流環(huán)局部不便于設(shè)置折流桿的缺點(diǎn)。

1.3 折流圈

折流桿焊在折流環(huán)上形成一個折流圈。折流桿與換熱管的組合方式不同，形成的折流圈就不同。

折流圈上折流桿一般不允許交叉焊接在折流環(huán)上，網(wǎng)狀交叉焊接能增強(qiáng)單根折流桿剛性，但對于折流桿和換熱管的組合剛性體而言作用不大。而且，交叉焊接增大了焊接工作量，容易產(chǎn)生焊接變形，在穿換熱管時折流桿可調(diào)空間小。因此，折流圈上的折流桿一般平行排列。

同一個折流圈上的相鄰兩根折流桿之間可以夾一排換熱管或者幾排換熱管。換熱管如須4個方向被折流桿完全支撐，需要的折流圈數(shù)為折流桿所夾換熱管排數(shù)的2倍。單件折流圈上折流桿數(shù)量越少，流體通過該截面的間隙就越大，折流桿對軸向流體的擾動就小，殼側(cè)的傳熱系數(shù)也會相應(yīng)減小。根據(jù)工藝計(jì)算阻力降及換熱系數(shù)要求，選擇排列方式合適的折流圈非常重要，一般折流桿間所夾持換熱管排數(shù)不超過兩排為宜。

1.4 折流圈間距

折流圈間距是折流桿換熱器的重要結(jié)構(gòu)參數(shù)，它由工藝計(jì)算確定。折流圈間距減小，殼程換熱系數(shù)相應(yīng)增加，流動阻力也會相應(yīng)增加。在阻力降允許的情況下，可適當(dāng)縮小折流圈間距強(qiáng)化傳熱。通過Aspen 軟件工藝模擬計(jì)算及實(shí)際操作效果，折流圈間距通常為150～450m。

1.5 拉桿

通過拉桿把不同折流圈按一定的間距并順序串成折流圈籠，然后穿入換熱管，組成換熱器管束。根據(jù)折流環(huán)形狀和換熱器管束組裝的需要，拉桿可選擇圓桿或者矩形桿。拉桿可以焊接在折流圈上，也可以在拉桿上穿入定距管，定位折流圈后，端部用螺母擰緊。

2 折流桿換熱器的設(shè)備計(jì)算

2.1 換熱管受壓失穩(wěn)當(dāng)量長度的計(jì)算

折流板對換熱管的支撐可簡化為鉸支，管板對換熱管的支撐可簡化為固支。換熱管支撐模型主要有3種結(jié)構(gòu)：兩端鉸支、一端鉸支一端固支、兩端固支。文獻(xiàn)[2]中不同約束條件下壓桿長度系數(shù)μ取值如表1：

表1 壓桿的長度系數(shù)μ

根據(jù)表1，GB/T151—2014中圖7-2的換熱管受壓失穩(wěn)當(dāng)量長度lcrl，可簡化為lcr=max｛μL1-n｝，其中L1-n為該換熱管的任意相鄰支撐點(diǎn)間距。換熱管受壓失穩(wěn)當(dāng)量長度即為壓桿失穩(wěn)的相當(dāng)長度，因此，對于折流桿換熱器而言，該長度的取值關(guān)鍵在于確定換熱管的約束條件。

在平面力學(xué)中，鉸支是約束了桿件在平面內(nèi)的位移，不傳遞彎矩的一種支撐結(jié)構(gòu)。折流板正是因?yàn)閺?個方向上限制了換熱管在平面內(nèi)的移動，故計(jì)算中可當(dāng)鉸支處理，這與GB/T151—2014相符合。而折流圈不同之處為：其上任意一根折流桿僅能限制換熱管在某一個方向上的移動，其支撐點(diǎn)不能作為真正的鉸支。

由于不同折流圈能從不同方向限制換熱管，假設(shè)有一組折流圈，如能保證換熱管的4個方向上都有折流桿支撐，則換熱管在該組折流圈重合平面內(nèi)不能自由移動，故可將該組折流圈整體視作一塊折流板，進(jìn)而可計(jì)算出換熱管當(dāng)量長度。

根據(jù)文獻(xiàn)[2]，也可推出折流桿換熱器的失穩(wěn)當(dāng)量長度值。假設(shè)換熱管臨界失穩(wěn)時在某段產(chǎn)生的撓曲線如圖2。根據(jù)撓曲線的連續(xù)性條件，在任意點(diǎn)上，有唯一確定的撓度和轉(zhuǎn)角，則除在x=0和x=L處，可以假定Y+方向上有折流桿支撐外，中間不會存在同方向上折流桿。由于換熱管失穩(wěn)當(dāng)量長度取最大值，則在該兩處的Y+方向上存在折流桿時，計(jì)算偏安全。參照文獻(xiàn)[2]，該撓曲線與兩端鉸支壓桿臨界失穩(wěn)撓曲線一致，故換熱管在此處的受壓失穩(wěn)當(dāng)量長度應(yīng)為該兩件折流桿間距，即折流桿所在折流圈間距。

圖2 換熱管臨界失穩(wěn)時撓曲線

當(dāng)換熱管軸向失穩(wěn)發(fā)生在換熱器管板端時，根據(jù)壓桿的不同約束條件，受壓失穩(wěn)當(dāng)量長度為相鄰支撐點(diǎn)間距乘以對應(yīng)的長度系數(shù)即可。

以常見的兩根折流桿夾持兩排換熱管為例。換熱管完全支撐時，需要4種不同組合方式的折流圈。該4種組合方式須沿?fù)Q熱器軸向方向依次排列，方可使長度最小化。換熱管受壓失穩(wěn)當(dāng)量長度如圖3。

圖3 換熱管受壓失穩(wěn)當(dāng)量長度

2.2 折流桿換熱器的計(jì)算

折流桿換熱器與折流板換熱器同屬于管殼式換熱器，兩者除殼程折流結(jié)構(gòu)不同外，其他結(jié)構(gòu)一致。

設(shè)備設(shè)計(jì)過程中，由于管殼程溫度、壓力及材料熱膨脹系數(shù)的不同等，換熱管有可能受到軸向壓應(yīng)力；折流結(jié)構(gòu)對換熱管進(jìn)行支撐，可減小換熱管的受壓失穩(wěn)當(dāng)量長度。通過對固定管板式換熱器計(jì)算過程的分析，輸入數(shù)據(jù)中僅受壓失穩(wěn)當(dāng)量長度與折流結(jié)構(gòu)相關(guān)。因此，折流桿換熱器的設(shè)備計(jì)算完全可按照折流板換熱器的計(jì)算模型。

對于U形管換熱器，管板計(jì)算中不需要換熱管的受壓失穩(wěn)長度值，設(shè)備計(jì)算中可不考慮折流圈的間距要求；但由于U形管尾部需要承受換熱器管束部分重量，設(shè)計(jì)中仍然需要注意尾部的折流圈間距，如達(dá)不到要求，可考慮尾部仍然采用折流板結(jié)構(gòu)，以滿足相關(guān)要求。

3 結(jié)論

折流桿式換熱器與折流板換熱器結(jié)構(gòu)上的不同主要在于折流結(jié)構(gòu)。在設(shè)計(jì)中，應(yīng)根據(jù)換熱管間距合理選擇折流桿，特別注意管束周邊換熱管是否得到足夠支撐；同時，根據(jù)設(shè)備直徑大小合理選擇折流環(huán)型式，不同折流圈沿?fù)Q熱器軸向應(yīng)依次排列，在滿足工藝要求下盡量保證每根換熱管的受壓失穩(wěn)當(dāng)量長度最小。

折流桿換熱器的計(jì)算重點(diǎn)要關(guān)注換熱管受壓失穩(wěn)當(dāng)量長度的取值，不能將單個折流圈當(dāng)作折流板進(jìn)行取值，要保證所取值為任意一根換熱管中受壓失穩(wěn)當(dāng)量長度的最大值。計(jì)算好當(dāng)量長度值后，可利用SW6-2011 v3.0計(jì)算軟件對設(shè)備進(jìn)行相關(guān)計(jì)算。

[1] 黃素逸.折流桿管殼式換熱器[C].全國化工熱工設(shè)計(jì)技術(shù)中心站建站四十周年慶典2003年年會暨大型學(xué)術(shù)技術(shù)交流會，2003.

[2] 劉鴻文.材料力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，1991.

Structure Selection and Equipment Calculation of Baffle Rod Heat Exchanger

Liu Li-kai

the rod baffle heat exchanger shell structure of rod baffle，baffle ring，ring and baffle spacing，analysis and selection of rod and other components；according to the critical buckling strut model，calculate the heat exchange tube compression buckling equivalent length；through the comparative analysis of baffle heat exchanger and the baffle rod heat exchanger structure characteristics，the calculation method of the rod baffle heat exchanger equipment.

baffle rod；heat exchanger；structure type selection；equipment calculation

TQ051.5

A

1003-6490（2017）12-0115-02

2017-10-18

劉立凱（1979—），男，湖南武岡人，工程師，主要從事壓力容器設(shè)計(jì)工作。