一种螺旋折流板管壳式换热器的设计概述

2016-08-09姜鸿飞

大科技 2016年6期

关键词：管箱流板管壳

姜鸿飞

（辽宁葫芦岛 125300）

一种螺旋折流板管壳式换热器的设计概述

姜鸿飞

（辽宁葫芦岛 125300）

本文简要介绍了一种螺旋折流板换热器的设计，这种螺旋折流板换热器具有结构简单，设计容易，壳程压降低，换热效率高等优点。

螺旋折流板；换热器；设计

1 引言

在石油、化工、轻工、食品、能源等工业生产中，需要大量的热量传递过程，换热器作为一种常见的热量传递设备，被广泛应用。其中管壳式换热器约占我国换热器产量的80%[1]。传统的管壳式换热器多采用弓形折流板[2]，相比而言，螺旋折流板具有以下优点：介质螺旋流动，避免了横向折流的严重压力损失；壳程介质的流速提高，增大了Re，使传热能力大为增强；壳程介质快速螺旋流动，在径向上产生速度梯度[3]，形成离心力和径向湍流，换热管表面滞留层厚度减薄，提高了膜传热系数；流动死区被消除，减少了结垢沉积[4]，热阻变小，也大大减少了停车清洗次数；螺旋折流板对管束的约束力较强，螺旋流动缓解了介质对管束的冲击，减小了管束的振动，延长了设备运行寿命。

2 工艺条件

按给定的工艺条件，用SW6专业软件进行强度计算，既要考虑结构的合理性，又要考虑加工制造及安装方面的问题。设计所需工艺条件一般由工艺专业提出。对换热器来讲，其工艺条件主要包括：换热器型式；公称尺寸；单台换热面积；管/壳程介质名称，状态，腐蚀特性；管/壳程操作压力，操作温度；管/壳程设计压力，设计温度；管/壳侧壁温；管/壳程分程数；管/壳程采用材质，腐蚀余量；换热管材质，规格，管间距；换热管数量及排列方式；折流板型式，间距，数量；管/壳程开孔的位置，直径。实际上，工艺专业所提条件是为了满足设备专业进行强度计算和结构设计的要求。

3 螺旋折流板与定距管的结构设计

3.1 螺旋折流板

考虑到制造加工，一般采用一系列的扇形平面来代替连续螺旋曲面相间连接，形成近似的螺旋曲面[5]，如图1。

图1 螺旋折流板

3.1.1 螺旋折流板边长、弦长和顶角

如图 2，OO′为设备轴线，在长方体 ABCD-A″B″C′D′中，线段 BB″在OO′上，螺旋折流板由图中的AB′C′E来表示，是由一个顶角为θ的等腰三角形AB′C′和一个近似弓形AC′E（AEC′为椭圆弧线）构成。螺旋折流板在设备横截面上的投影图形由A″B″C′F来表示，是由一个等腰直角三角形 A″B″C′和一个弓形 A″C′F构成。α 为折流板的螺旋角，β 为折流板的后倾角，取 α=β，大小一般由工艺给定。A′、B′分别为 AA″、BB″的中点，则结合投影关系可知：

则螺旋折流板边长：

则螺旋折流板弦长：

如图2，在三角形AB′C′中，由余弦定理，可知：

则顶角：

图2 螺旋折流板投影及结构尺寸

3.1.2 螺旋折流板倾角

如图 2，延长 AB′和 A″B″，相交于点 Q，连结 QC′。P 为 AC′中点，连结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 就是螺旋折流板面与壳体横截面所形成的夹角，即螺旋折流板倾角。在三角形 AC′A″中，由余弦定理，得：

3.2 拉杆与定距管

拉杆的直径和数量应按照《热交换器》（GB151-2014）第6.8.5节的相关规定进行选取。为了保证折流板的稳定，在每块螺旋折流板上的拉杆应至少有三根，且这三根拉杆的分布应尽量分散成三角形并靠近折流板的边缘。定距管与折流板的接触平面是一个角度为γ的斜截面。

3.3 拉杆端部

在拉杆端部，采用一斜管段，长度约30mm，装配在螺母与螺旋折流板之间，如图3。

图3 拉杆端部

4 管箱、管板及壳体设计

管壳式换热器的管箱、管板及壳体的设计不受折流板的型式影响，无论折流板是螺旋的还是弓形的，管箱、管板及壳体部分的设计是相同的，应按照《热交换器》（GB151-2014）的有关规定进行材料选择、结构设计和强度计算。主要设计内容包括：管箱筒体和壳体厚度的确定；根据管箱封头的形式确定封头厚度；管箱法兰的选取与校核计算；选择管板连接方式，计算管板，管/壳程接管补强计算。