折流杆换热器的结构选型及设备计算

折流杆换热器的结构选型及设备计算刘立凯【摘要】对折流杆换热器壳程结构中的折流杆、折流环、折流圈及间距、拉杆等部件进行剖析及选型;根据压杆临界失稳模型,计算出换热管受压失稳当量长度;通过折流板换热器和折流杆换热器结构特点的比较分析，得出折流杆换热器的计算方法.【期刊名称】《化工设计通讯》【年(卷)，期】2017(043)012【总页数】2页(P115-116)【关键词】折流杆;换热器;结构选型;设备计算【作者】刘立凯【作者单位】湖南百利工程科技股份有限公司，湖南岳阳414007【正文语种】中文【中图分类】TQ051.5折流杆换热器是一种新型的高效管壳式换热器，主要用于壳程为真空且压力降要求小的场合。相对于常规管壳式换热器，它以折流杆代替折流板，换热器壳程流体由横掠改为纵掠管束，从而减少流体的诱导振动和流动阻力，有效降低换热管因振动而引起失效的风险，且消除了流动死区和漏流，强化了传热效果。折流杆换热器的上述优点，使其应用越来越广泛，为满足工艺操作要求，便于设计优化、保证设备运行安全，需要对其内部结构进行分析并制定设备计算方法。折流杆换热器是由一系列折流圈组成的管壳式换热器。折流杆通过与换热管的不同排列方式，焊接在折流环上组成各种不同型式的折流圈。不同折流圈通过拉杆固定，沿轴向交替分布，形成一个折流圈笼，从横向和竖向对换热管进行支撑，如图1。折流杆是换热器的重要部件，主要有两个作用：一是扰动壳程轴向流体，达到强化传热目的；二是支撑换热管。它可以是圆形、方形或长方形的条状物。由于形状对流动和传热影响不明显，且棱角容易对换热管造成损伤及材料采购上的不便，推荐采用圆形折流杆。折流杆从某个方向对换热管进行支撑的同时，也被上下（或左右）两排换热管紧紧夹持，它们组成一个互为加强的钢性体。折流杆主要承受换热管的径向挤压力，一般材料的挤压许用应力较大，该部分应力可忽略；折流杆受压弯曲变形时，由换热管提供支撑，通常相邻换热管间距较小，折流杆所受弯曲变形较小，可不考虑轴向失稳。因此，折流杆直径除考虑必要的制造偏差和安装裕量外，满足夹紧换热管的要求即可。折流杆主要通过折流环焊接为一个折流圈。折流环的型式有杆式、板式和带式三种。杆式主要由圆钢弯制，板式和带式由矩形板或矩形钢带制成，其中板式折流环的径向厚度大于纵向厚度，而带式折流环的径向厚度小于纵向厚度。为便于布置拉杆孔，在满足换热器布管数的要求下，通常采用板式折流环；对于直径小于1500mm的壳程，布管空间较小，从节约空间考虑选择用杆式折流环；当直径较大，需要布置较大换热面积时，为满足刚性需要则采用带式折流环。在换热器设计过程中，由于受到壳程和布管的限制，折流环内侧区域可能会产生较大空隙，致使壳程流体旁通短路，进而影响换热效果，这一现象在直径较小换热器中影响尤为严重。为消除此类空隙，可将板式折流环内圈沿布管外缘割制成形，另外，此方法也可保证管束周边换热管有足够支撑，可避免折流环局部不便于设置折流杆的缺点。折流杆焊在折流环上形成一个折流圈。折流杆与换热管的组合方式不同，形成的折流圈就不同。折流圈上折流杆一般不允许交叉焊接在折流环上，网状交叉焊接能增强单根折流杆刚性，但对于折流杆和换热管的组合刚性体而言作用不大。而且，交叉焊接增大了焊接工作量，容易产生焊接变形，在穿换热管时折流杆可调空间小。因此，折流圈上的折流杆一般平行排列。同一个折流圈上的相邻两根折流杆之间可以夹一排换热管或者几排换热管。换热管如须4个方向被折流杆完全支撑，需要的折流圈数为折流杆所夹换热管排数的2倍。单件折流圈上折流杆数量越少，流体通过该截面的间隙就越大，折流杆对轴向流体的扰动就小，壳侧的传热系数也会相应减小。根据工艺计算阻力降及换热系数要求，选择排列方式合适的折流圈非常重要，一般折流杆间所夹持换热管排数不超过两排为宜。折流圈间距是折流杆换热器的重要结构参数，它由工艺计算确定。折流圈间距减小，壳程换热系数相应增加，流动阻力也会相应增加。在阻力降允许的情况下，可适当缩小折流圈间距强化传热。通过Aspen软件工艺模拟计算及实际操作效果，折流圈间距通常为150~450m。通过拉杆把不同折流圈按一定的间距并顺序串成折流圈笼，然后穿入换热管，组成换热器管束。根据折流环形状和换热器管束组装的需要，拉杆可选择圆杆或者矩形杆。拉杆可以焊接在折流圈上，也可以在拉杆上穿入定距管，定位折流圈后，端部用螺母拧紧。折流板对换热管的支撑可简化为铰支，管板对换热管的支撑可简化为固支。换热管支撑模型主要有3种结构：两端铰支、一端铰支一端固支、两端固支。文献［2］中不同约束条件下压杆长度系数口取值如表1:根据表1,GB/T151—2014中图7-2的换热管受压失稳当量长度lcrl,可简化为lcr=max{pL1-n），其中L1-n为该换热管的任意相邻支撑点间距。换热管受压失稳当量长度即为压杆失稳的相当长度，因此，对于折流杆换热器而言，该长度的取值关键在于确定换热管的约束条件。在平面力学中，铰支是约束了杆件在平面内的位移，不传递弯矩的一种支撑结构。折流板正是因为从4个方向上限制了换热管在平面内的移动，故计算中可当铰支处理，这与GB/T151—2014相符合。而折流圈不同之处为：其上任意一根折流杆仅能限制换热管在某一个方向上的移动，其支撑点不能作为真正的铰支。由于不同折流圈能从不同方向限制换热管，假设有一组折流圈，如能保证换热管的4个方向上都有折流杆支撑，则换热管在该组折流圈重合平面内不能自由移动，故可将该组折流圈整体视作一块折流板，进而可计算出换热管当量长度。根据文献［2］，也可推出折流杆换热器的失稳当量长度值。假设换热管临界失稳时在某段产生的挠曲线如图2。根据挠曲线的连续性条件，在任意点上，有唯一确定的挠度和转角，则除在x=0和x=L处，可以假定Y+方向上有折流杆支撑外，中间不会存在同方向上折流杆。由于换热管失稳当量长度取最大值，则在该两处的Y+方向上存在折流杆时，计算偏安全。参照文献［2］，该挠曲线与两端铰支压杆临界失稳挠曲线一致，故换热管在此处的受压失稳当量长度应为该两件折流杆间距，即折流杆所在折流圈间距。当换热管轴向失稳发生在换热器管板端时，根据压杆的不同约束条件，受压失稳当量长度为相邻支撑点间距乘以对应的长度系数即可。以常见的两根折流杆夹持两排换热管为例。换热管完全支撑时，需要4种不同组合方式的折流圈。该4种组合方式须沿换热器轴向方向依次排列，方可使长度最小化。换热管受压失稳当量长度如图3。折流杆换热器与折流板换热器同属于管壳式换热器，两者除壳程折流结构不同外，其他结构一致。设备设计过程中，由于管壳程温度、压力及材料热膨胀系数的不同等，换热管有可能受到轴向压应力；折流结构对换热管进行支撑，可减小换热管的受压失稳当量长度。通过对固定管板式换热器计算过程的分析，输入数据中仅受压失稳当量长度与折流结构相关。因此，折流杆换热器的设备计算完全可按照折流板换热器的计算模型。对于U形管换热器，管板计算中不需要换热管的受压失稳长度值，设备计算中可不考虑折流圈的间距要求；但由于U形管尾部需要承受换热器管束部分重量，设计中仍然需要注意尾部的折流圈间距，如达不到要求，可考虑尾部仍然采用折流板结构，以满足相关要求。折流杆式换热器与折流板换热器结构上的不同主要在于折流结构。在设计中，应根据换热管间距合理选择折流杆，特别注意管束周边换热管是否得到足够支撑；同时，根据设备直径大小合理选择折流环型式，不同折流圈沿换热器轴向应依次排列，在满足工艺要求下尽量保证每根换热管的受压失稳当量长度最小。折流杆换热器的计算重点要关注换热管受压失稳当量长度的取值，不能将单个折流圈当作折