波纹管换热器设计要点分析

李琳+杨孟虎

摘 要：作为传热设备的一种，换热器在化工、炼油等多个领域中得到了广泛的应用。波纹管换热器在传热性能以及防垢能力等方面有着独特的优势，同时具有较强的自我补偿能力，属于新型强化管壳式换热器。本文主要对此类换热器的设计要点进行了分析，探讨结构设计优化的方法。

关键词：波纹管换热器；设计要点；传热设备

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.17.013

波纹管换热器的性能良好，将强化传热理论应用在传统管式换热器中，优化波峰与波谷的设计，使其传热系数得到大幅提高。与传统的管式换热器相比，波纹管换热器的传热系数提升了2—3倍。同时波纹管换热器的占地面积较小，在使用的过程中不宜出现堵塞的问题。为了保证波纹管换热器的各项优势得到充分发挥，必须要加强设计环节，对于管板、波纹换热管等方面的数据计算加以重视。

1 波纹管换热器设计的技术要求

由于波纹管换热器自身的特征，在设计的过程中应满足相应的技术要求，确保其使用性能。薄壁不锈钢管是波纹管加工制作的主要材料，管材的主要破坏形式表现为CT应力腐蚀，此类腐蚀危害前期为细微裂缝，后期逐渐发展扩大。一般情况下，CT应力腐蚀的作用温度在70—250℃左右，因此波纹管换热器的设计工作中，在作用温度的范围内应将介质的CT浓度控制在25×10之内。其次，由于波纹管换热器管束在抗震性方面存在一定不足之处，波纹管运输的过程中应规范操作行为，避免出现碰撞的现象。为了保证波纹管的收缩复原，提高换热管内的拉脱力，将污垢有效的剥落下来，所以波纹管热换器投入使用之后，应在规定的时间内停止运行一次。

2 波纹管换热器设计要点研究

2.1 管板的设计计算

（1）波纹管刚度。对于管板的设计计算主要是根据《管壳式换热器》中的设计要求，將管板考虑为当量圆平板，其承受荷载具有均匀性的特征，基于弹性基础进行计算。管束的刚度对于管板的支撑作用及强度有着重要的影响。与光滑管的结构不同，波纹管的柔度更为突出，因此对于波纹管轴向刚度的计算具有较大的现实意义，其计算公式为： K=K/n。 式中：整体轴向弹性刚度表示为K，N/m； 单波刚度表示为K，N/m；波纹数表示为n。在轴向力确定的情况下，具体的轴向位移为： e=Q/K。式中：轴向力表示为Q，N；轴向位移表示为e，m。

一般情况下，相较于直管来说，波纹管的轴向刚度较小。所以在轴向位移计算时主要考虑管段的位移距离，两端的轴向位移可忽略不计。

（2）波纹管换热器管板强度分析方法。在波纹管换热器的结构中，由其内部的各项要素形成了静不定系统，波纹管的刚度与管板整体强度之间存在着密切联系。Miller法是分析管板强度一种较为简便的方法，波纹管与光滑管的刚度变化存在一定差异，在充分掌握这一特征的基础上，以弹性力学理论为依据，按照相关的公式计算管板的弯曲应力，进而分析管板强度受刚度变化的影响情况。

2.2 波纹换热管设计计算

波纹管是在光滑管在胀型的作用下形成，会存在不同程度的残余应力，在局部地区的应力相对集中，导致波纹管的承载能力相对较低。其中许用外压力、单波刚度等是影响其设计的主要因素。

（1）波纹管许用外压力。在管壳式换热器中，管程和壳程的压力主要由管子承担，所以必须保证管子承担压力是处于稳定的状态，避免对热换机的正常运作造成影响。承波节形状是波纹管的主要表现形式，在其构成部分中，不仅包括直段，还有相应的球面波峰。由于直段部分的刚性较小，所以在波纹管承受外界压力过大时，直线段首先出现不稳定的问题，而球面波峰则具有刚性构件的特征。波纹管的许用外压力计算公式为： [p]=B/d。式中：许用外压力表示为[p]；管壁厚度表示为，mm；波谷外直径表示为d，mm；B表示系数.根据相关规范确定，以42/33×0.5mm的波纹管为例，其最波距25，根据相关规范B取值为120MPa，通过上述公式进行计算得出许用外压力值为1.8MPa。

（2）波纹换热管单波刚度。通过相应的拉伸试验可以计算出波纹换热管的刚度。此外，以材料力学方法为指导，结合相关的实践经验可归纳出如下公式，在波纹管换热器设计时可作为参考。 K=DE（/h）?/2。式中：平均直径表示为D，mm；波纹高度表示为h，mm。

2.3 折流板间距与厚度设计

根据相关标准的规定，折流板的最小间距以圆筒直径的1/5为标准，且大于50mm。但是波纹管换热器具有自身的特点，可以适当降低介质流速来减小压降。通常情况下，与光滑管的相比，波纹管的介质流速仅为其50%左右。所以在实际的操作中，折流板的间距可根据介质流速适当调整。增加折流板的厚度主要有以下两个目的：其一，提高折流板的强度，提升对于管板的支撑能力。其二，增加的厚度以一个波距为参考，避免在波纹管热换器运作的过程中出现短路的现象。在折流板管控的两面应采取倒角处理的措施，防止在穿管装配时由于外界因素，导致波 纹管表面划伤。

2.4 波纹管稳定性设计

通过对波纹管许用外压力的计算可知，在直管段首先出现波纹管失稳的现象，若外压持续上升才会在波纹段出现失稳问题，这表明波纹段的稳定性能更为良好。一般情况下，波谷处是波纹段容易发生失稳现象的主要部分，多出现于单个波谷处。相较于波谷处来说，波峰的稳定性较强。造成波纹管失稳的主要原因的管板的强度不足或者是换热管的刚度难以满足换热器的要求。

3 结束语

综上所述，热换器在工业生产以及城市集中供暖等各个方面发挥着积极的作用，波纹管热换器作为一种新型的设备，经过在传统管式热换器的优化，大幅提高了传热系数，在除垢、自我补偿等方面的具有良好的优势，为了保证其各项的性能得到充分发挥，必须加强设计环节的工作，避免出现管束失稳的问题。

参考文献：

[1]李永泰，陈永东，陈明健等.波纹管换热器管束整体失稳分析及设计计算要考虑的问题[J].压力容器，2013（06）.endprint