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波纹管换热器若干设计问题的分析研究点击：1825 日期：[ 2014-04-26 22:06:34 ] |
| 波纹管换热器若干设计问题的分析研究 程 凌 周剑秋 尹 侠 赵 萍(南京工业大学) 摘要：通过对波纹管换热器设计过程中遇到的一系列有别于普通列管换热器的技术问题,如管板设计计算、膨胀节的设置分析、折流板间距与厚度、波纹管的稳定性以及技术要求等结构设计计算与使用要求问题进行分析,得到了较为完整的一套波纹管换热器的结构设计方法。 关键词：波纹管 换热器 管板 刚度 设计 中图分类号 TQ051 5 文献标识码 A 文章编号 0254 6094(2006)02 0118 04 我国从80年代开始波纹管换热器的研究与开发。十几年来,开发出了多种多样的波纹管换热器,并且在实际中取得了良好的效益,与普通列管换热器相比,该技术在提供换热效果和降低系统压力等方面改善明显,且管程不易堵,检修方便,占地小。但是,国内至今还没有专门规范来针对波纹管换热器的设计,其结果导致波纹管换热器的设计技术具有一定的不确定性,已阻碍了波纹管换热器的进一步开发和研究。本文通过对波纹管换热器设计过程若干设计问题的探讨、分析与归纳,得到了较为完整的一套波纹管换热器的设计方法,从而为波纹管换热器的科学有效设计和推广使用奠定了较好的基础。 1 管板的设计计算 对于波纹管换热器的管板设计计算,目前还没有文献或技术文件提出过相应的方法。相关企业在进行管板设计计算时,一般把波纹管简化为光管。这种结果给波纹管换热器管板设计计算带来了相当的不确定性。 GB151 1999[1]推荐的管板公式是把管板视为一个承受均布载荷、放置在弹性基础上且受管孔削弱的当量圆平板。同时提出了管束对管板的支撑作用是影响管板强度的重要因素之一。波纹换热管结构不同于光管,波纹管的柔度大于光管,刚度小于光管,所以对管板的支撑与光管有所不同。因此,计算出波纹管的轴向刚度对精确计算管板受力非常有用。 1.1 波纹管的刚度 由于波纹管结构的特殊性,所以波纹管的刚度计算没有一个通用的方法。目前,国际上广泛采用的是美国膨胀节制造商协会(EJMA)[2]的计算方法。 波纹管的整体轴向弹性刚度: K=K1/np(1) 在给定轴向力Qt时,波纹管一个波的轴向位移: e1=Qt/K1(2) 式中K1一般由制造厂家测出提供。由于波纹管的轴向刚度比直管小得多,因而在给定轴向力作用下,波纹换热管所产生的轴向位移主要是其波纹管段的轴向位移,两端直管段的轴向位移远小于它,一般忽略不计。 1.2 波纹管换热器管板强度分析方法 在波纹管换热器中,管板、管束和壳体构成一个静不定系统,因此波纹管相对于光管的刚度变化必然对管板的强度分析带来影响,赵萍[3]以较为简便的Miller法作为管板分析的力学模型,在充分考虑了波纹管相对于光管的刚度变化的基础上,根据弹性力学理论推导了波纹管换热器管板弯曲应力的计算公式,并分析指出换热管刚度的变化对管板的强度影响较大。但该方法的实施必须求解一定数量的弹性力学公式,不便于实际的工程设计;同时也应看到,Miller法假定管孔完全均布在管板上,管板周边为固支,没有考虑到边界复杂的条件,因此Miller法本身也具有一定的局限性。对于普通列管换热器,目前设计人员广泛采用的管板设计计算方法是GB151 1999中提供的方法。该方法既考虑了管板与壳体的边界条件,又将管板分为布管区和不布管区两部分,因此结果更为符合实际情况。 本文以GB151 1999中的管板设计计算方法为基础,在考虑波纹管刚度的情况下,将波纹换热管折算成等同刚度的光管换热管,再根据GB151 1999的步骤来计算波纹管换热器管板的强度。波纹换热管按照等刚度原则折算成同规格的光管的方法如下。 在轴向力P作用下,单根波纹换热管的伸长(或缩短)的量为: 本文用上述等刚度折算光管的方法对文献[4]中的例子进行了换热管的折算,并将数据代入SW6 98软件中进行了计算,结果列于表1。 而采用文献[3]的方法进行计算可得到如表2所示的结果。 由表1与表2的结果比较可知,用文献[3]的方法和本文方法算出的管板厚度相差很小。说明它们的基本原理是一致的,但本文方法更为全面,更便于实际操作和工程应用。 2 膨胀节的设置分析 波纹管换热器中,波纹换热管由于其结构的特殊性,在一定程度上能起到补偿位移,减小变形不协调的作用。但是在温差较大时,也需考虑是否设置膨胀节。因为波纹管在轴向力的作用下产生的位移与其刚度有关,所以也不能简单地按照虎克定律来计算。 2.1 温差引起的轴向力 在任何一种固定管板式换热器中,当管壁与壳壁之间的温差很大时,在管、壳中会产生很大的轴向力。在装配时,管子与壳体的自由伸长量分别δt和δs: 3 折流板间距与厚度 GB151 1999规定:折流板的最小间距应不小于圆筒直径的1/5,且不小于50mm,最大间距应不大于圆筒的直径。但对波纹管换热器来说,为了减小压降,通常介质流速仅为光管的一半左右,甚至更小,因此间距根据介质流速的需要可适当缩短。为加强支撑作用和防止短路,可以适当增加折流板的厚度,通常以能跨过一个波距为宜。折流板管孔两面都要倒角(2×45°),以保证装配穿管时不划伤波纹管表面[1]。 4 波纹管的稳定性 由于波纹管本体是从光管管坯加工而成,一般认为成型后对管子有强化作用。而通过外压稳定性实验可知[5,6],承受外压的波纹换热管的失稳首先发生于直管段,只有继续升高外压,波纹段才发生失稳。这表明波纹段的稳定性优于直管段,具有高于直管段的失稳临界压力。实验同时表明,波纹段的失稳变形均发生在波谷处,同时波纹段的失稳首先在局部的单个波谷处,一般不会出现两个以上的波谷同时失稳。这表明波峰的稳定性比波谷更好。 总之,由于光管管坯制成波纹管后,其稳定性会有一定的提高。同时鉴于目前由于波纹换热管承受外压失稳的临界压力值还没有一个准确的理论公式来计算,所以在计算波纹管外压失稳的临界压力值时,暂参照直管公式。即波纹换热管的临界压力可参照简化的Mises公式,并按长圆筒计算得出: 5 技术要求 在波纹管换热器的设计过程中,其技术要求除应满足普通列管换热器的技术要求外,还应有一些针对的内容,以确保波纹管换热器的科学合理使用。 a.由于波纹管通常是由薄壁不锈钢管加工而成,因此Cl-应力腐蚀是其主要破坏形式,腐蚀一般先以裂纹出现,后快速向前发展。同时因为Cl-应力腐蚀的温度范围一般为70～250℃,因此在该温度范围内工作的波纹管换热器,应控制介质的Cl-浓度在25×10-6以下。 b.波纹管换热器管束的抗震性较差,运输及吊装时,不得出现过度碰撞。 c.波纹管换热器运行一段时间后应停车一次,以便于波纹管的收缩复原,波纹管的收缩也有利于污垢的剥落。 6 结束语 根据波纹管换热器设计计算的关键问题,对其设计计算方法进行了分析研究。由于换热管刚度的不同对换热器管板的强度有很大影响,因此,笔者重点对波纹换热管的刚度问题作了全面的分析,并采用GB151 1999所提供的方法来计算波纹管换热器管板的强度。在此基础上,对波纹管换热器中膨胀节的设置、折流板问题及波纹管的稳定性问题做了讨论。通过对本文提出的管板设计计算方法和传统的管板设计计算方法进行比较,发现本文提出的计算方法更为科学、合理。 参考文献 1 GB151 1999.管壳式换热器 2 EJMA(美国膨胀节制造商协会).1998 3 赵萍.波纹管换热器设计计算研究及软件开发:[硕士论文].南京:南京化工大学.2001 4 王玉.波纹管的失效形式及防止措施.化工机械,2000,27(3):167～171 5 舒安庆,冯兴奎.波纹换热管稳定性研究.第七届全国高等学校过程装备与控制工程专业与科研成果校际会论文集.成都:四川大学 2000 6 赵金星,丰艳春.波纹换热管的性能分析.管道技术与设备,1997(6):8～9,25 |
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