直管与波节管换热器热应力及阻力特性对比实验研究*

鲁林平 冯丽丽

（天津理工大学机械工程学院)（申克（天津）工业技术有限公司轻工事业部）

直管与波节管换热器热应力及阻力特性对比实验研究*

鲁林平**冯丽丽

（天津理工大学机械工程学院)（申克（天津）工业技术有限公司轻工事业部）

为了研究波节管换热器的热应力和阻力特性，对具有相同管长和传热面积的波节管换热器和直管换热器进行了对比实验，分析了不同温差下的轴向应力和不同雷诺数下的管程、壳程的阻力损失。结果发现：与直管换热器相比，波节管换热器具有很好的轴向热补偿性能，在相同的实验条件下，其轴向作用力和轴向热应力均比较小，适合应用于大传热温差场合；波节管换热器的阻力损失高于直管换热器，但在低雷诺数时阻力损失相差不大，且具有较高的传热系数。

直管换热器 波节管换热器 热应力 阻力损失 雷诺数 实验装置

0 引言

强化传热是实现换热器高效、紧凑换热的主要方法[1]。管壳式波节管换热器与传统的管壳式直管换热器相比，具有传热效率高、不易结垢、轴向热补偿性能好、体积小及节省材料等优点，目前已用于多种工况下的换热[2-3]。

波节管换热器是一种高效换热设备，它的换热元件——波节管是由光滑直管胀管制成。波节的存在，既能够提高传热系数，又能够降低换热管的轴向刚度，从而大大缓解管程与壳程之间由于温度差异而产生的热应力。

作为一种强化传热元件，国内外对波节管的传热性能的研究较多，但对其内应力和阻力特性的研究比较少。A.Barba等[4]用乙二醇作为介质，研究了波节管换热器在中等雷诺数条件下的传热性能和阻力性能；徐建民等[5]从管子承受内压的角度出发，对波节管承受内压爆破的性能进行了研究；刘采龙等[6]从管子的结构角度出发，对波节管由于形状而产生的内应力的分布进行了实验研究，总结了应力规律。文献 [3]通过轴向刚度与应力的测试，对波节换热管的轴向热补偿性能进行了试验研究；程凌等[7]引用美国膨胀节制造商协会 (EJMA)的计算方法，给出了波节管刚度的计算公式，并分析了温差引起的轴向应力，给出了是否需要设置膨胀节的判据。

本文从宏观角度出发，对具有相同管长和传热面积的固定管壳式直管与波节管换热器进行实验，研究其由传热温差产生的轴向力和轴向热应力，并对不同雷诺数下的阻力特性进行了对比，以期为波节管换热器的工程设计和应用选型提供依据。

1 管壳式换热器热应力机理分析

温度改变时，物体由于外在约束以及内部各部分之间的相互约束，使其不能完全自由胀缩而产生的应力，称为热应力，也称为温差应力。对于管壳式换热器而言，管程和壳程温度不同，换热管和壳体存在着温差，其轴向的相互变形约束是其热应力的本质特征。

对于固定管壳式换热器，管束和壳体是刚性连接的，两者相互约束、相互作用，实际轴向伸长量相等。由虎克定律可推得：

式中F——轴向作用力，N；αt、 αs——管束和壳体的线膨胀系数，1/℃；tt、ts——操作状态下管束和壳体的温度，℃；t0——安装时的温度，℃；

Et、Es——管束和壳体的弹性模量，MPa；

At——管束的总横截面积，m2；

As——壳体的横截面积，m2。

由式 （1）可知，降低轴向力F的途径有两条：降低冷热流体之间的传热温差，降低管束和壳体的轴向刚度 （EA）。

降低传热温差会导致换热器传热性能下降，更重要的是传热温差往往由实际工况决定，因此降低传热温差的可行性较差。

降低管束和壳体的轴向刚度成为减小轴向力的首要研究方向。采用波节管作为固定管壳式换热器的传热元件能够强化传热，同时由于波节的存在，降低了管子的轴向刚度，从而能够显著降低轴向作用力。

2 实验装置

实验装置是在北京化工大学制造的综合实验平台基础上改造而成，在原平台基础上，安装了一台波节管换热器。整套装置主要包括直管/波节管换热器、多级离心泵、热水循环泵、热水锅炉等设备，并配有数据采集系统。图1为实验装置流程示意图。

图1 实验装置流程

波节管和直管换热器并排放置在实验平台上，通过转换阀门，分别将波节管换热器或者直管换热器接入到实验系统中，并可以通过阀门的切换，实现冷热流体不同通道的选择。

采用计算机数据采集系统，通过管路上布置的传感器，可测量稳定工况下管程和壳程的各个参数：进口温度、出口温度、流量、进口压力、出口压力。波节管换热器和直管换热器的壳体上1/4圆周范围内贴有多个应变片，能够检测出相应的应变值，所有参数通过PLC的上位机进行采集和保存。

2.1 对比实验的基础

为了使实验结果具有可比性，以直管换热器的基本参数作为参照基础，设计了波节管换热器，使这两种换热器之间具有大致相同的外形尺寸和基本相同的传热面积。

2.2 波节管换热器的结构参数

波节管换热器外径do1=219 mm，换热管数目n1=24，传热段长度l1=789 mm，管束采用三角形布置，总传热面积A1=1.1 m2。

图2所示为波节管换热器所使用的波节管的结构尺寸。其中，d1=16 mm，D=20 mm，p=18 mm，s=6 mm。

图2 波节管尺寸

2.3 直管换热器的结构参数

本实验所使用的直管换热器的基本参数如下：直管换热器外径do2=219 mm，换热管外径d2=14 mm，换热管数目n2=29，传热段长度l2=0.792 m，管束采用三角形布置，总传热面积A2=1.01 m2。

3 实验结果及分析

3.1 热应力对比分析

在固定管壳式换热器中，其应力是流体压力载荷、温度载荷及重力与支座反力所引起的。由于换热器的轴向弯曲刚度大，重力与支座反力在壳体上产生的弯曲应力相对较小，可以忽略。

温度载荷只引起轴向应力，当压力载荷和温度载荷联合作用时，=σ+式中分别为环向应力和压力载荷在换热器壳体中引起的环向应力；、分别为轴向应力、压力载荷在换热器壳体中引起的轴向应力和温度载荷在换热器壳体中引起的轴向应力。

3.1.1 轴向作用力对比分析

实验时，先测定不同压力条件下的载荷，计算得到不同压力下的轴向力，再在压力和温差载荷共同作用下，测定并计算得到轴向作用力，二者相减，可得到由于温差导致的轴向作用力。图3为温差轴向作用力随温差Δt的变化关系。

由图3可以看出，波节管换热器的温差轴向作用力大大小于直管换热器。显然，温差越大，产生的温差作用力就越大。

图3 波节管与直管换热器轴向作用力对比曲线

3.1.2 轴向温差应力对比分析

轴向作用力能够直观地反映出由于温差而引起的外载荷大小，但不能反映材料的内在应力特点，因此需进一步计算，以得到壳体和管子的应力值。将通过实验得到的轴向作用力分别除以壳体和全部管子的截面积，可以得到壳体和管子的应力值。

由图4和图5可以看出：

图4 直管换热器壳体与管子内应力对比曲线

图5 波节管换热器壳体与管子内应力对比曲线

（1）波节管换热器的温差应力小于直管换热器，且温差越大，产生的温差应力越大。

在实验温差范围内，当温差值为51.5℃时，直管内应力最大达到95 MPa。温差更大时，材料就会有屈服的危险，因此大温差下，需要采取措施以减小轴向力，比如安装膨胀节。

（2）对于直管换热器，管子和壳体的应力值相差不大，变化趋势也一致，说明管子和壳体的壁厚设计合理，操作时管子和壳体的材料都能较好地发挥其力学特性。

（3）对于波节管换热器，管子和壳体的应力值相差较大，且随着温差的增大，其差值也变大。

本实验所用的波节管的壁厚为0.8 mm，从应力大小上来看，波节管换热器的壳体应力与管子应力相差较大。在大温差条件下，当壳体应力接近屈服应力时，管子应力远小于屈服应力，不利于发挥材料的性能。因此，换热器在设计时要考虑壳体与管子的壁厚匹配问题，以达到高效利用材料的目的。

3.2 阻力损失对比分析

分别对管程和壳程的流体流动阻力损失进行实验，以18.5℃的冷水作为介质，改变入口的体积流量，采集进口和出口的压力值，得到管程和壳程的阻力损失。图6为管程阻力与雷诺数的关系曲线，图7为壳程阻力与雷诺数的关系曲线。

图6 波节管与直管换热器管程阻力对比曲线

图7 波节管与直管换热器壳程阻力对比曲线

由图6和图7可以看出：

（1）无论是波节管还是直管，管程阻力比壳程阻力要大。这是因为管程通道小，流速快，因而阻力损失大。

（2）波节管换热器比直管换热器的阻力损失大。根据流体力学的基本原理，波节的存在，增加了流体流动时的湍动，在增大传热系数的同时，必然也会导致阻力损失的增大。

（3）波节管的管程阻力损失与直管的差值大于其壳程的差值，说明波节的存在引起的阻力损失对管程的影响更大，因此在波节管换热器的实际设计和使用时，流量大的流体应尽量走壳程。

4 结论

（1）波节管换热器的轴向力及应力大大小于直管，具有较好的热补偿性能，因此波节管换热器特别适用于传热温差大的场合。需要注意的是，为了发挥材料的性能，无论是波节管换热器还是直管换热器在设计时都要考虑壳体与管子的壁厚匹配问题。

（2）通过对阻力数据的对比可以知道，波节管换热器的阻力损失无论是在管程还是在壳程都要大于直管换热器，但在低雷诺数下，两种换热器的阻力损失的差值相差不大。

（3）波节管换热器的特殊流道能够大大强化传热，并且在较低雷诺数下就能够达到较好的湍动，即波节管换热器在低雷诺数下具有高的传热系数。因此，在实际应用时，波节管换热器适合用于较低雷诺数的高传热温差场合。

[1]张登庆,李忠堂,王宗明，等.波节管管内换热与阻力特性的实验研究 [J].石油机械,2002,30(4):4-6.

[2]Rainieri S,Bozzoli F,Pagliarini G.Experimental investigation on the convective heat transfer in straight and coiled corrugated tubes for highly viscous fluids:Preliminary results[J].International Journal of Heat and Mass Transfer,2012,55:498-504.

[3]冯志力,冯兴奎,黄荔烈.波节换热管热补偿性能的研究 [J].石油机械,2001,29(4):13-15.

[4]Barba A,Rainieri S,Spiga M.Heat transfer enhancement in a corrugated tube[J].Int Comm Heat Mass Transfer,2002,29(3):313-322.

[5]徐建民,李强,熊雯,等.波节管承受内压爆破性能研究[J].化工装备技术,2009,30(2):13-15.

[6]刘采龙,刘伟,鄢利群,等.波节管几何尺寸对其受力的影响 [J].沈阳化工学院学报,2000,14(4):281-283.

[7]程凌,周剑秋,尹侠,等.波纹管换热器若干设计问题的分析 [J].化工机械,2006,33(2):118-121.

Comparative Experimental Study on Thermal Stress and Pressure Loss of Straight Tube and Corrugated Tube Heat Exchanger

Lu Linping Feng Lili

In order to study thermal stress and resistance performance of corrugated tube heat exchanger,comparative experiments were done to corrugated tube heat exchanger and straight tube heat exchanger with same tube length and heat transfer area,the axial stress under different temperature difference and the resistance loss under different Renaults numbers were analyzed.The results showed that the corrugated tube heat exchanger had better thermal compensation performance,and its axial force and stress were smaller,so it was more suitable for the situation of high heat transfer temperature difference.Also,the corrugated tube heat exchanger has higher resistance loss,but under low Reynolds numbers,the difference of resistance loss between corrugated tube heat exchanger and straight tube heat exchanger was small,and the corrugated tube heat exchanger has higher heat transfer coefficient.

Straight tube heat exchanger;Corrugated tube heat exchanger;Thermal stress;Resistance loss;Reynolds number;Experimental device

TK 83

天津理工大学育苗基金 （LGYM201008）。

**鲁林平，男，1980年生，硕士，讲师。天津市，300384。

2012-06-11）