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波紋管換熱器若干設計問題的分析研究

點擊:1733 日期:[ 2014-04-26 22:06:34 ]
                            波紋管換熱器若干設計問題的分析研究                       程 凌  周劍秋 尹 俠 趙 萍(南京工業大學)      摘要:通過對波紋管換熱器設計過程中遇到的一系列有別于普通列管換熱器的技術問題,如管板設計計算、膨脹節的設置分析、折流板間距與厚度、波紋管的穩定性以及技術要求等結構設計計算與使用要求問題進行分析,得到了較為完整的一套波紋管換熱器的結構設計方法。      關鍵詞:波紋管 換熱器 管板 剛度 設計   中圖分類號 TQ051 5   文獻標識碼 A   文章編號 0254 6094(2006)02 0118 04     我國從80年代開始波紋管換熱器的研究與開發。十幾年來,開發出了多種多樣的波紋管換熱器,并且在實際中取得了良好的效益,與普通列管換熱器相比,該技術在提供換熱效果和降低系統壓力等方面改善明顯,且管程不易堵,檢修方便,占地小。但是,國內至今還沒有專門規范來針對波紋管換熱器的設計,其結果導致波紋管換熱器的設計技術具有一定的不確定性,已阻礙了波紋管換熱器的進一步開發和研究。本文通過對波紋管換熱器設計過程若干設計問題的探討、分析與歸納,得到了較為完整的一套波紋管換熱器的設計方法,從而為波紋管換熱器的科學有效設計和推廣使用奠定了較好的基礎。    1 管板的設計計算     對于波紋管換熱器的管板設計計算,目前還沒有文獻或技術文件提出過相應的方法。相關企業在進行管板設計計算時,一般把波紋管簡化為光管。這種結果給波紋管換熱器管板設計計算帶來了相當的不確定性。     GB151 1999[1]推薦的管板公式是把管板視為一個承受均布載荷、放置在彈性基礎上且受管孔削弱的當量圓平板。同時提出了管束對管板的支撐作用是影響管板強度的重要因素之一。波紋換熱管結構不同于光管,波紋管的柔度大于光管,剛度小于光管,所以對管板的支撐與光管有所不同。因此,計算出波紋管的軸向剛度對精確計算管板受力非常有用。     1.1 波紋管的剛度     由于波紋管結構的特殊性,所以波紋管的剛度計算沒有一個通用的方法。目前,國際上廣泛采用的是美國膨脹節制造商協會(EJMA)[2]的計算方法。     波紋管的整體軸向彈性剛度:     K=K1/np(1)     在給定軸向力Qt時,波紋管一個波的軸向位移:     e1=Qt/K1(2)     式中K1一般由制造廠家測出提供。由于波紋管的軸向剛度比直管小得多,因而在給定軸向力作用下,波紋換熱管所產生的軸向位移主要是其波紋管段的軸向位移,兩端直管段的軸向位移遠小于它,一般忽略不計。     1.2 波紋管換熱器管板強度分析方法     在波紋管換熱器中,管板、管束和殼體構成一個靜不定系統,因此波紋管相對于光管的剛度變化必然對管板的強度分析帶來影響,趙萍[3]以較為簡便的Miller法作為管板分析的力學模型,在充分考慮了波紋管相對于光管的剛度變化的基礎上,根據彈性力學理論推導了波紋管換熱器管板彎曲應力的計算公式,并分析指出換熱管剛度的變化對管板的強度影響較大。但該方法的實施必須求解一定數量的彈性力學公式,不便于實際的工程設計;同時也應看到,Miller法假定管孔完全均布在管板上,管板周邊為固支,沒有考慮到邊界復雜的條件,因此Miller法本身也具有一定的局限性。對于普通列管換熱器,目前設計人員廣泛采用的管板設計計算方法是GB151 1999中提供的方法。該方法既考慮了管板與殼體的邊界條件,又將管板分為布管區和不布管區兩部分,因此結果更為符合實際情況。     本文以GB151 1999中的管板設計計算方法為基礎,在考慮波紋管剛度的情況下,將波紋換熱管折算成等同剛度的光管換熱管,再根據GB151 1999的步驟來計算波紋管換熱器管板的強度。波紋換熱管按照等剛度原則折算成同規格的光管的方法如下。     在軸向力P作用下,單根波紋換熱管的伸長(或縮短)的量為:                       本文用上述等剛度折算光管的方法對文獻[4]中的例子進行了換熱管的折算,并將數據代入SW6 98軟件中進行了計算,結果列于表1。                      而采用文獻[3]的方法進行計算可得到如表2所示的結果。                      由表1與表2的結果比較可知,用文獻[3]的方法和本文方法算出的管板厚度相差很小。說明它們的基本原理是一致的,但本文方法更為全面,更便于實際操作和工程應用。     2 膨脹節的設置分析     波紋管換熱器中,波紋換熱管由于其結構的特殊性,在一定程度上能起到補償位移,減小變形不協調的作用。但是在溫差較大時,也需考慮是否設置膨脹節。因為波紋管在軸向力的作用下產生的位移與其剛度有關,所以也不能簡單地按照虎克定律來計算。     2.1 溫差引起的軸向力     在任何一種固定管板式換熱器中,當管壁與殼壁之間的溫差很大時,在管、殼中會產生很大的軸向力。在裝配時,管子與殼體的自由伸長量分別δt和δs:                                                   3 折流板間距與厚度     GB151 1999規定:折流板的最小間距應不小于圓筒直徑的1/5,且不小于50mm,最大間距應不大于圓筒的直徑。但對波紋管換熱器來說,為了減小壓降,通常介質流速僅為光管的一半左右,甚至更小,因此間距根據介質流速的需要可適當縮短。為加強支撐作用和防止短路,可以適當增加折流板的厚度,通常以能跨過一個波距為宜。折流板管孔兩面都要倒角(2×45°),以保證裝配穿管時不劃傷波紋管表面[1]。     4 波紋管的穩定性    由于波紋管本體是從光管管坯加工而成,一般認為成型后對管子有強化作用。而通過外壓穩定性實驗可知[5,6],承受外壓的波紋換熱管的失穩首先發生于直管段,只有繼續升高外壓,波紋段才發生失穩。這表明波紋段的穩定性優于直管段,具有高于直管段的失穩臨界壓力。實驗同時表明,波紋段的失穩變形均發生在波谷處,同時波紋段的失穩首先在局部的單個波谷處,一般不會出現兩個以上的波谷同時失穩。這表明波峰的穩定性比波谷更好。     總之,由于光管管坯制成波紋管后,其穩定性會有一定的提高。同時鑒于目前由于波紋換熱管承受外壓失穩的臨界壓力值還沒有一個準確的理論公式來計算,所以在計算波紋管外壓失穩的臨界壓力值時,暫參照直管公式。即波紋換熱管的臨界壓力可參照簡化的Mises公式,并按長圓筒計算得出:                      5 技術要求     在波紋管換熱器的設計過程中,其技術要求除應滿足普通列管換熱器的技術要求外,還應有一些針對的內容,以確保波紋管換熱器的科學合理使用。     a.由于波紋管通常是由薄壁不銹鋼管加工而成,因此Cl-應力腐蝕是其主要破壞形式,腐蝕一般先以裂紋出現,后快速向前發展。同時因為Cl-應力腐蝕的溫度范圍一般為70~250℃,因此在該溫度范圍內工作的波紋管換熱器,應控制介質的Cl-濃度在25×10-6以下。     b.波紋管換熱器管束的抗震性較差,運輸及吊裝時,不得出現過度碰撞。     c.波紋管換熱器運行一段時間后應停車一次,以便于波紋管的收縮復原,波紋管的收縮也有利于污垢的剝落。     6 結束語     根據波紋管換熱器設計計算的關鍵問題,對其設計計算方法進行了分析研究。由于換熱管剛度的不同對換熱器管板的強度有很大影響,因此,筆者重點對波紋換熱管的剛度問題作了全面的分析,并采用GB151 1999所提供的方法來計算波紋管換熱器管板的強度。在此基礎上,對波紋管換熱器中膨脹節的設置、折流板問題及波紋管的穩定性問題做了討論。通過對本文提出的管板設計計算方法和傳統的管板設計計算方法進行比較,發現本文提出的計算方法更為科學、合理。      參考文獻     1 GB151 1999.管殼式換熱器     2 EJMA(美國膨脹節制造商協會).1998     3 趙萍.波紋管換熱器設計計算研究及軟件開發:[碩士論文].南京:南京化工大學.2001     4 王玉.波紋管的失效形式及防止措施.化工機械,2000,27(3):167~171     5 舒安慶,馮興奎.波紋換熱管穩定性研究.第七屆全國高等學校過程裝備與控制工程專業與科研成果校際會論文集.成都:四川大學 2000     6 趙金星,豐艷春.波紋換熱管的性能分析.管道技術與設備,1997(6):8~9,25
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