【正文】 )等。波紋管式換熱器在研制、開發(fā)階段主要針對水一水換熱。由于波紋管可做成相對流線型,流體阻力不會有太大的增加。例如,對于水一水換熱,傳統(tǒng)的管殼式換熱器K 值范圍一般為1150～2230W/ m2 ℃,板式換熱器K值為1500～4700W/ m2℃ ,螺旋板式為2000～3000W/ m2℃。自70年代能源危機(jī)爆發(fā)以來,對傳統(tǒng)換熱器設(shè)備強(qiáng)化研究逐漸興起,并主要集中在兩大方向上；一是開發(fā)新的換熱器品種,如板式、螺旋板式、振動盤管式、板翅式等等,這些換熱器設(shè)計思想都是盡可能地提高換熱效率；二是對傳統(tǒng)的管殼式換熱器采取強(qiáng)化措施。因此, 用波管作換熱管從理論上講應(yīng)優(yōu)于其它異型管。水一水換熱器設(shè)計、生產(chǎn)、質(zhì)量已基本穩(wěn)定。目前,市場上流行的換熱器有管殼式(含固定管板式、浮頭式、U 型管式各種強(qiáng)化型列管換熱器)、板式、振動盤管式、板翅式、螺旋板式等等。據(jù)有關(guān)資料報導(dǎo), 到80 年代末期,日本、歐、美等發(fā)達(dá)國家,強(qiáng)化型管殼式換熱器已占25% 以上,而在我國各種各樣的異型管強(qiáng)化換熱器均處在研究、試制階段,市場占有率3% 都不到。(4) 將各種腐蝕防護(hù)技術(shù)引入換熱器生產(chǎn)中,以提高換熱器使用壽命。(2) 防垢能力強(qiáng)。在湍流流動的情況下, 流體主流中由于旋渦叢生,流體各部分相互混合,所以熱阻很小,從而在流體流動方向垂直的截面上, 湍流中心區(qū)各點(diǎn)流體之間的溫度趨于一致。在層流底層內(nèi),由于熱阻較大,溫度急劇由Tb 下降到Tw。由傳熱學(xué)得知, K值主要取決于對流傳熱系數(shù),因此,必須設(shè)法同時提高流體兩側(cè)的對流傳熱系數(shù)αα2。根據(jù)理論分析和試驗(yàn)觀察,邊界層厚度與換熱管直接相比是極小的。由于固定管板式換熱器結(jié)構(gòu)緊湊, 強(qiáng)化傳熱效果明顯,最適合采用波紋換熱管的是固定管板式換熱器。液壓脹型是采用常規(guī)的液壓技術(shù),即將光管置于成型模具中,然后向光管內(nèi)注入高壓液體,利用液體的壓力使光管屈服并最終獲得模具規(guī)定的幾何形狀。影響波紋管力學(xué)性能的參數(shù)較多,波紋管的壁厚、直徑、波高、波距、波數(shù)以及材料的彈性模量與波紋管的剛度有直接關(guān)系。 設(shè)計研究進(jìn)展隨著計算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展,有限元方法已成為能處理幾乎所有連續(xù)介質(zhì)和場問題的一種強(qiáng)有力的數(shù)值計算方法。第3階段是20世紀(jì)90年代末至今,國外許多優(yōu)秀的大型有限元軟件,如: ANSYS、ABAQUS、AD INA、ALGOR出現(xiàn)并逐漸在國內(nèi)推廣,波紋管的有限元分析也隨之進(jìn)入了蓬勃發(fā)展的階段。2設(shè)計任務(wù)及設(shè)計方案本次研究設(shè)計了一臺以某熱網(wǎng)加熱器為背景的熱網(wǎng)換熱器，熱水換熱能力達(dá)50MW。但是本設(shè)計主要是針對汽水換熱器設(shè)備的設(shè)計，換熱器型式采用管殼式設(shè)備。但它也有缺點(diǎn)，在清洗管外的時候較困難，需要設(shè)置膨脹節(jié)在殼體上，當(dāng)管壁與殼壁兩者之間的溫差大于50℃時，從而依靠膨脹節(jié)的彈性變形來降低溫差壓力。其裝設(shè)和縱向隔板相比不是很困難，裝設(shè)后還可以使流體橫向流過管束，從而增強(qiáng)促進(jìn)傳熱的作用，所以得到了普遍的應(yīng)用。鑒于以上的原則，因?yàn)榧訜嵴羝啾戎卤容^清潔，所以應(yīng)在殼程流過，這樣會利于冷凝液的排出；而循環(huán)水在受熱后比較容易結(jié)垢，放在管內(nèi)方便污垢的清理。 在實(shí)際工程中，當(dāng)用蒸汽做熱源的時候，通常會用水水換熱器與汽水換熱器兩級換熱設(shè)備。然后冷凝段的對數(shù)平均溫度： 因?yàn)槔淠未嬖谙嘧?，其中一?cè)流體溫度沒變化，所以無所謂順流與逆流，因此不用對其進(jìn)行溫度修正。 根據(jù)傳熱方程 先初步估算傳熱面積為:因?yàn)榭紤]10%的面積富裕量，所以設(shè)計中估算的實(shí)際需要的換熱面積為：圖41 波節(jié)式波紋管外形結(jié)構(gòu)波紋管換熱器其實(shí)是基于管殼式換熱器總體結(jié)構(gòu)不變前提下，然后對換熱元件來進(jìn)行開發(fā)設(shè)計，設(shè)計用薄壁奧氏體不銹鋼管來加工內(nèi)外均是波狀曲線的波紋管。綜上要通過經(jīng)濟(jì)衡算才能定出適宜的流速。管程所需流通截面積At每程所需的管子數(shù)根 考慮到布管及面積富裕度，設(shè)計采用的管子數(shù)n實(shí)際取196根每根管子所需的長度L設(shè)計采用的管長l取為5m,則所需的管程數(shù)取整后取為2，即為12型殼管式換熱器總的換熱管子數(shù)nt每根波紋管的最大波距數(shù),考慮到波紋管接頭處采用焊接，實(shí)際每根管的波距數(shù)nz取整后為188個每根波紋管的波紋有效換熱長度 管程的有效換熱面積Fz =＞估取的傳熱面積Ft 管程布管方式的選取設(shè)計管子在管板上的排列方式，要遵循下面原則[4]：(1)要保證管子有必要的剛度，而且管子和管板的連接要堅固和緊密；(2)設(shè)備要盡量緊湊，以便減小管子和殼體的直徑，并使管外空間的流通截面積減小，以便提高管外流體的速度；(3)要使制造、安裝和修理、維護(hù)簡便[4]。但是如果層數(shù)大于6層，六邊形的弓形部分可以排管子，所以等邊三角形的排列方式會顯得更加有利，而且層數(shù)越多時就會越有利。并且在采用脹接法的時候，管間距過小會引發(fā)管板在脹接時因?yàn)閿D壓力的作用會產(chǎn)生變形，因而會失去管子與管子間所需的連接力。拉桿的直徑和數(shù)量可以變動，如果能保證等于或大于如表中所列的拉桿總截面積，但是直徑不能小于10mm，數(shù)量也不能少于4根。對管箱接管內(nèi)徑的估算如下： 然后取接近標(biāo)準(zhǔn)的管徑，D2=550mm，壁厚取為15mm。因?yàn)闊峤粨Q器的管束外緣直徑要受圓筒內(nèi)徑的限制，所以在設(shè)計的時候要把管束置于布管所限定得圓之內(nèi)。影響傳熱效果與壓降的兩個重要因素分別是：弓形折流板的缺口，板間距的大小。可對波紋管，當(dāng)折流板的厚度薄到小于波距的時候，如圖52可看出可能會出現(xiàn)兩種情況：波紋管剛度剛尚能滿足要求，此處懸空；剛度較差，波谷與折流板管孔接觸，出現(xiàn)管孔另一側(cè)漏流短路，影響換熱效果，而且在換熱器檢修換管時，由于該處 咬合，無法將換熱管抽出。在保證設(shè)計的合理性的前提下，弓形折流板的間距選取時一般不應(yīng)小于圓筒內(nèi)徑的1/5，并且不應(yīng)小于10mm。所以，對殼體和管箱殼體上的接管設(shè)置時，除了要考慮到其對傳熱與壓降的影響，還要考慮到殼體的強(qiáng)度以及外觀、安裝等諸多因素[15]。本設(shè)計選用e型：管板和殼程圓筒連為一體，然后其延長的部分兼作法蘭，與管箱之間用螺母、墊片連接。對于堆焊不銹鋼，推薦采用為帶級堆焊。固定管板式換熱器的管箱和殼體的密封型式三種 如圖59中所示： 圖59 管箱與殼體的密封型式圖59中，（a）結(jié)構(gòu)型式一般會在管程和殼程的操作壓力為的情況中使用，當(dāng)氣密性的要求不高時采用；若氣密性的要求較高，可以選用(b)結(jié)構(gòu)的型式，榫槽密封面通常均具有良好的密封性能，其缺點(diǎn)也很多例如制造要求較高、加工困難、安裝不方便、墊片窄等，因此通常情況下，會采用凹凸面型式（圖中(c)型結(jié)構(gòu)）去代替[15]。本設(shè)計中采用圖512中的(a)型式來進(jìn)行連接。因此脹接結(jié)構(gòu)會受到一定壓力溫度的限制。表53 焊接時換熱管外伸長度要求設(shè)計中管板和奧氏體不銹鋼管的連接采用了焊接方式。6換熱系數(shù)的計算以及換熱能力的校核若采用迪貝公式對光管內(nèi)部強(qiáng)制對流傳熱關(guān)聯(lián)式進(jìn)行計算。在校核換熱量的計算過程中，用冷凝段的平均換熱系數(shù)來代替整個過程的換熱系數(shù)[7]。即使有結(jié)垢，波紋管各部分的曲率會不斷地變化因?yàn)椴y管在工作過程中受到溫差作用，當(dāng)管壁污垢與金屬的線脹系數(shù)相差很大時，這樣的曲率的變化污垢與波紋管表面之間會產(chǎn)生很大的拉托力。這是產(chǎn)生流動阻力的根源；另外固定的管壁或著是其他形狀的固體壁面，也會促使流體內(nèi)部發(fā)生相對運(yùn)動在流動時，因此提供了所需的條件為流動阻力的產(chǎn)生。本設(shè)計參數(shù)中，所以 殼程有足夠富裕的剩余壓頭，因此不需要再進(jìn)行殼程阻力的計算。這些公式盡管形式都不同，但可以基于以下三種基本假設(shè)的前提下分別得出:(l)把管板看作在周邊支承條件下可以受到均布載荷的圓平板，因此用平板理論可以推出計算的公式。我國GB151標(biāo)準(zhǔn)中的管板計算方法是基于第3種假設(shè)推導(dǎo)出來的。 設(shè)計的參數(shù)環(huán)境溫度t0=20℃；(1)波紋換熱管相關(guān)參數(shù)：波紋換熱管壁厚波紋換熱有效長度波紋換熱管波谷（管坯）外徑波紋換熱管波峰外徑波紋換熱管根數(shù)波紋換熱管中心距波紋換熱管平均壁溫波紋換熱管受壓失穩(wěn)當(dāng)量長度（按國標(biāo)GB1511999，圖32計算）l波紋換熱管波距波紋換熱管半波寬(2)與管板相關(guān)的參數(shù)：殼體圓筒內(nèi)徑殼程設(shè)計壓力管程設(shè)計壓力殼體圓筒名義厚度管箱圓筒名義厚度管板厚度殼體平均壁溫（假定）管板與換熱管的焊縫高度管板剛度削弱系數(shù)（） 管板強(qiáng)度削弱系數(shù)焊縫接頭系數(shù)(按文獻(xiàn)[14]中525選)沿隔板槽一側(cè)的排管根數(shù)隔板槽兩側(cè)相鄰管心距(3)與法蘭計算相關(guān)的參數(shù)：法蘭外徑法蘭螺栓中心圓直徑管板法蘭厚度 管箱法蘭厚度 管板墊片尺寸D=1459mm,d=1427mm, S=3mm管板墊片系數(shù)管板墊片比壓力：管板材料選用120MnMoNb換熱管材料選用OCr18Ni9殼體與管箱筒體的材料選用Q235—B殼體管箱連接螺栓選用40MB鋼參考文獻(xiàn)[17]查取管板在管、殼程較高設(shè)計溫度下許用應(yīng)力管板在管、殼程較高設(shè)計溫度下彈性模量殼體圓筒材料在殼程設(shè)計溫度下許用應(yīng)力殼體圓筒材料在殼程設(shè)計溫度下彈性模量殼體圓筒材料在殼程設(shè)計溫度下的線膨脹系數(shù)換熱管材料在管程設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力換熱管材料在管程設(shè)計溫度下的屈服限換熱管材料在管程平均壁溫下彈性模量換熱管材料在管程平均壁溫下線膨脹系數(shù)管箱圓筒材料在管程設(shè)計溫度下彈性模量管板法蘭材料在設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力管板法蘭材料在設(shè)計溫度下彈性模量管箱法蘭材料在設(shè)計溫度下的彈性模量 常溫下螺栓材料的許用壓力 操作時,設(shè)計溫度下螺栓材料的許用壓力波紋管相關(guān)變量的說明:光滑管通過脹型成型為波紋管后，由于殘余應(yīng)力和局部應(yīng)力集中現(xiàn)象的存在，波紋管的承載能力遠(yuǎn)低于相應(yīng)的光管（即管坯）。其中系數(shù)β=na/A1，γ為換熱管與殼程圓筒的熱膨脹變形差，引入軸向剛度Kb則該項為： 將該式代入上式即得到: 波紋管的計算參數(shù) 單根管管壁金屬橫截面a:表71 波紋換熱管單波剛度值Kl （KN/mm） 波紋換熱管軸向單波剛度K1，波紋換熱管的軸向單波剛度應(yīng)通過拉伸實(shí)驗(yàn)來確定，φ32/25和φ42/33規(guī)格的波紋換熱管的單波剛度可按表71查取。）則設(shè)計中波紋管的單波軸向剛度值K1取為 波紋換熱管的回轉(zhuǎn)半徑i長度為波紋管軸向軸向剛度長度為L的波紋管軸向軸向剛度系數(shù)Cr波紋換熱管穩(wěn)定許用壓應(yīng)力波紋管的管子加強(qiáng)系數(shù)K管束模數(shù)Kt(3)與管板相關(guān)的計算參數(shù)殼體內(nèi)徑面積A殼體圓筒壁金屬截面As管板開孔后面積A1布管區(qū)范圍內(nèi)因設(shè)隔板槽和拉桿而未能被換熱管支撐的面積Ad管板布管區(qū)面積At管板布管區(qū)域當(dāng)量直徑Dt換熱管束與殼體剛度比Q系數(shù)λ 換熱管與殼程圓筒的熱膨脹變形差布管區(qū)當(dāng)量直徑與殼程圓筒內(nèi)徑比周圍不布管區(qū)的無量綱寬度K(4)與法蘭相關(guān)的計算參數(shù)GB1511999中圖26 則得 管箱法蘭旋轉(zhuǎn)剛度系數(shù)由參數(shù)查GB1511999中圖26則得殼體法蘭旋轉(zhuǎn)剛度 旋轉(zhuǎn)剛度參數(shù)對于延長部分兼作法蘭的管板，旋轉(zhuǎn)剛度無量綱參數(shù)殼體法蘭應(yīng)力參數(shù)Y，按K=Df/Ds=1641/1400=《壓力容器》圖78，Y=6,管板第一彎矩系數(shù)m1,按K=, 查GB1511999圖27，m1=系數(shù) , GB1511999圖29，得 GB1511999圖30 法蘭力矩折減系數(shù)管板邊緣力矩變化系數(shù)法蘭力矩變化系數(shù)管板第二彎矩系數(shù)m2,按K=、Q=，m2=、連接螺栓的相關(guān)計算參考文獻(xiàn)[11]密封墊片接觸寬度N滿足要求墊片基本密封寬度b0墊片有效密封寬度b墊片壓緊力作用中心圓直徑預(yù)緊時螺栓載荷Wa操作時螺栓載荷Wp 預(yù)緊時所需載荷面積Aa操作時所需載荷面積Ap螺栓實(shí)際所需截面積Am,取Aa,Ap中較大者 (5)法蘭力矩的相關(guān)計算：內(nèi)壓作用在內(nèi)徑截面上的軸向力P1內(nèi)壓作用在法蘭端面上的作用力P2墊片反力P3幾何尺寸LA、δ1，根據(jù)GB1512011的規(guī)定，量取LA=, δ1=18mm法蘭力距的力臂LLL3基本法蘭力矩Mm操作工況法蘭力矩Mp 校核四種危險組合壓力下的工況殼程壓力作用下的危險組合，計入脹差,殼程壓力Ps=,管程壓力0，當(dāng)量壓力組合Pc=Ps。波紋管換熱器與傳統(tǒng)的管殼式換熱器的主要差別在于換熱管管束的