扭曲扁管换热器机械设计若干问题的探讨

扭曲扁管换热器是-种新型的管壳式换热器，最早 由瑞典-家公司发明，后来 由美 国的Brown Fintube公司进行了改进，在 20世纪 80年代中期成功进行了工业应用，目前，扭曲管换热器已广泛应用于化工、石油、造纸、电力、钢铁等诸多行业。扭曲扁管换热器的传热元件--扭曲管，是以圆管为基管，经压扁后按-定的导程(螺距)扭曲成型，其横截面为椭圆形或长圆形，管束中换热管以相同扭转角按同-方向扭曲，相邻换热管· 35·扭曲扁管换热器机械设计若干问题的探讨外缘保持螺旋线接触，管外形成螺旋形通道 。

为方便和管板的连接，扭曲管两端-般留有 200- lI - -I- 300 mm(按实际扭曲工装结构确定)的圆管段。

轧 官 . 1200- L-- -- 七 - H - - IA B- t L -- -- --- 。-- L - -- - 。 图1 扭曲管结构示意扭曲扁管管束具有强化传热、压降孝不易结垢、消除管束诱导振动、结构简单等特点，具体表现在以下方面：(1)管内流体做螺旋形流动，沿壁面流动方向不断改变，破坏了沿壁面的层流底层”，提高了管内的对流传热系数，强化了管内传热。杨蕾等4 通过试验和数值模拟相结合的方法对扭曲管的传热和流动性能进行了研究，并与普通椭圆管直管进行对比，得出在低的雷诺数 下，扭曲管内的努赛尔数Nu是普通直椭圆管的2～3倍，综合传热性能是普通直椭圆管的1.5-2倍。

(2)管外扭曲扁管之间的流道也呈螺旋状，流体在沿换热管轴向做纵向流的同时，周期性地改变着速度和方向，产生了复杂的以旋转、混合为主要特点的强扰动，这种扰动发生在垂直于管束轴向的平面内 J，而这种混合和扰动也促进了对流传热，使得壳程流体换热更加均匀，提高了换热效果。 。

(3)没有折流板，壳程介质不存在横流，消除了壳程的流动死区，介质都沿着管间的螺旋形通道做纵向流，流动阻力小，降低了压降 J。又因管问螺旋形通道内形成上述的强扰动”，壳程结垢的可能性大大降低，使其保持了良好的传热性能。

(4)壳程介质沿管外壁做纵向流动，从根本上消除了换热管发生流体诱导振动的可能性，同时，由于相邻换热管间沿螺旋线紧密接触，换热管不存在无支撑跨距”，因此管束周边换热管不可能发生轴向失稳情况，大大提高了操作可靠性。

A-A B-B审(5)无折流板 ，管束依靠捆扎带(钢带)和中空的环形板支撑，制造时不必进行折流板的穿管工作，减轻了制造工作量。

扭曲扁管的上述结构特点，使其机械设计有别于普通的管壳式换热器，纵观以往关于扭曲扁管换热器的大量文献，均集中在强化传热的研究及传热关联式的模拟方面，还未见到扭曲扁管换热器机械设计方面的文献报道。文中从机械设计的角度，对扭曲扁管换热器设计中的几个关键问题进行了探讨。

1 管板计算我国管壳式换热器国家标准 J，对管板的强度计算，是把管板作为周边支撑、承受均布载荷的、放置在弹性基础上且受管孔均匀削弱的当量圆平板来考虑的。弹性基创管束系统，在忽略了管束对管板转角的约束作用对管板强度的影响后，其对管板挠度的约束作用，成为管板强度计算中重点考虑的因素 。现行 国家标准 GB 151中，管束对管板的弹性支撑作用是通过换热管加强系数 、管束模数K、管束与壳程圆筒刚度之比Q三个参数反映的，这 3个参数都与换热管的轴向刚度有直接关系，对于普通圆管，单根换热管的轴向刚度很容易计算，GE ·a/L，其中n为圆管截面积，只需给出换热管外径及壁厚，即可利用国内普遍采用的SW6计算软件进行管板的强度计算，但对于扭曲扁管换热器，却不能直接套用SW6软件，主要有如下两个原因：第 30卷第 1期 压 力 容 器 第 242期(1)圆管压扁后，横截面积是否发生变化是个未知量，应根据压扁程度确定。如同封头成型过程中过渡区纤维伸长最大，扁管长轴两端的材料变形也最大，导致扁管横截面积变化，从而影响换热管轴向刚度。

(2)扁管的扭曲加工使钢材发生塑性变形，导致晶格扭曲、畸变，强度、硬度提高，塑性、韧性下降，即所谓的冷作硬化”现象，当扭曲扁管的导程(螺距)较小时，冷作硬化现象更加明显，这也改变了换热管的轴向刚度。

鉴于以上原因，对于同-种基管(圆管)，扁管长轴不同(即压扁程度不同)或扭曲扁管导程(螺距)不同都会改变管束的轴向刚度，如果简单地以基管尺寸套用 SW6软件，管板计算结果显然具有不确定性。目前，在没有扭曲扁管轴向刚度计算方法的情况下，笔者采用了-种变通的方法，以当量圆管”代替扭曲扁管，当量圆管”与扭曲扁管具有相同的轴向刚度，令 G 为扭曲扁管实测的轴向刚度(由扁管制造厂家提供)，d 为扭曲扁管端部与管板连接部分的圆管外径，则当量圆管”壁厚6 可用下式计算：r---6 0.5(d。-/d：-q -G-L，)'/I"/5t以d 及 作为换热管的外径及壁厚，代入SW6软件即可进行管板强度计算。此方法实际是将扭曲扁管换热器处理为当量圆管”的普通管壳式换热器，然后采用常规的计算手段，进行管板计算。

需要说明的是，同波节管这类高效传热元件- 样，扭曲扁管作为-种高效传热元件，制造厂家应根据实际的结构参数(长短轴之比、导程、壁厚及长度)，通过试验方法提供其轴向刚度 ，管板的强度计算应按此值进行，否则计算结果会出现很大的不确定性。

e2 换热管轴向应力的校核对普通的浮头式、填函式和固定管板换热器，管束对管板存在弹性支撑作用，根据作用力与反作用力原理，换热管束尤其是管束周边换热管，必然受到管、壳程各种载荷(包括热位移载荷)的反作用力，由于换热管间不接触，相互之间无支撑作用，所以要根据受压杆件的无支撑跨距及两端支撑情况(简支或固支)校核换热管的稳定性。但对于扭曲扁管管束，相邻扁管之间沿螺旋线紧密接触，换热管之间相互支撑，换热管的无支撑跨距相当于零，属于自支撑管束”，管束如同-个整体对管板起到弹性支撑作用，所以在换热器的强度计算中，无需计算并校核换热管的轴向压缩应力。

3 扭曲管长轴尺寸由于扭曲扁管换热器相邻换热管之间沿螺旋线点接触，因此管板上管孔间距即为扁管长轴长度。换热器规范，如 TEMA 及我国 GB 151，-般均规定管孔间距不宜小于 1.25倍换热管外径，GB 151还按 1.25倍换热管外径进行了适当调整。以常用的 019 mm和 025 mm换热管为例，GB 151要求的管孔间距分别为 25和 32 mm，但以上述基管制造的扭曲扁管，却不能简单地将扁管长轴长度都确定为25或32 mm，还应根据传热计算，选择合适的管、壳程流速，再按流速反算出管、壳程截面积，从而确定扁管的长、短轴长度。

文献[10-l2]显示，当管程流量较低时，可增大长、短轴之比值，以减少流通截面、提高流速，使换热器两侧处于较理想的流动状态，反之亦然。文献[13]则用数值方法研究了长短轴之比在 1～2.5范围内的椭圆扁管，结果表明，在相同雷诺数如下，随着长短轴之比增大，管内努赛尔数Nu和压降却 都随之增大，说明截面越扁，传热强化程度越大，但压降也增大，综合考虑各因素，该文献认为，扁管最佳长短轴之比在1.4～2.0之间。此外，为保证成型后换热管表面质量，扁管压制-般采用冷成型，若压扁程度太大，材料塑性、韧性损失必然过大，在某些诚(如低温或应力腐蚀场合)的使用也会受到限制。因此，扭曲扁管的长轴尺寸实际是考虑了规范要求、传热计算及圆管压扁程度对材料力学性能的影响几个因素的综合结果。不同制造厂家根据自己的生产经验，会有不同规格尺寸的扭曲扁管，以笔者接触的扭曲扁管为例，019 mm 的扭曲扁管，长轴尺寸为023.75 mm；25 mm的扭曲扁管，长轴尺寸为029.5 mm。对于 25 mm的扭曲扁管，也有过长轴尺寸为 029 mm及 032 mm的报道 。

· 37 ·扭曲扁管换热器机械设计若干问题的探讨 Vo130.Nol 20134 管孔间距与扭曲扁管尺寸公差上述扭曲扁管长轴尺寸没有考虑制造偏差，也未考虑卧式换热器管束自身重力的影响(如 u型管式，浮头式)，实际生产中，为避免制造正偏差带来的安装困难，并考虑加工制造的经济合理性，往往有意把管板管孔间距和扁管长轴长度设计成略有不同的两个值，并合理控制加工精度，使得管束安装后，换热管之间的微袖隙能在管束自身重力的作用下 自行消除，同样达到相邻换热管沿螺旋线点接触的 目的。以 019 mm和 025mm管子加工的扭曲扁管为例，在笔者参与的几套芳烃抽提装置中，通过采用合理的公差带，控制名义最大管间隙(以长轴计)分别为 O.25和 0.5mm，管束安装后，依靠 自身重力作用，消除管间隙。管束实际制造时，管孔间距、扁管长轴长度及各自公差控制如表 1所示，其 中公差按 GB/T1804-2000(-般公差 未注公差的线性和角度尺寸的公差》中m级精度控制，属于中等加工精度。

目前设备已制造完毕，实践证明，表 1中的结构尺寸及公差控制不仅满足工艺要求，而且在实际生产中也是可行的。

表 1 019 mm，025 mm扭曲扁管与管孔间距管孔间距 扁管长轴长度 管间隙 项目/mm /mm /mm019 23.750- 0 l5 23.5 0～0.25025 300- 0 229.5 30 0～0. 55 支持板扭曲扁管换热器壳程介质做纵向流，无需设置折流板，但对于 u形及浮头这种可抽出管束，考虑抽拉管束时滑轨的设置要求，需要沿管束轴向设置若干支持板，但与普通管壳式换热器的支持板(或折流板)相比，相邻扭曲扁管外缘由于沿螺旋线点接触，故支持板无孔桥，对单管程换热器，支持板为环形中空结构，见图2；对两程及多程换热器，支持板为带有半圆孔带的环形中空结构，见图3(图中均未示意滑轨槽)。

可以看出，支持板上拉杆孔布置不如普通管壳式换热器支持板(或折流板)上拉杆孔布置均· 38 ·匀，而且由于支持板上无孔桥，当抽拉管束时，支持板未受到孔桥和换热管之间约束的限制作用，导致支持板与管束之间不易保持相对固定，增加了抽拉管束的难度♂构设计时，应在壳程进、出15区以及分程隔板背面设置旧能多的拉杆，以增加抽拉管束的稳定性；如有必要，也可以增加拉杆直径及支持板厚度。

拉6 结语图2 单管程扭曲扁管支持板图 3 两管程扭曲扁管支持板(1)扭曲扁管的传热研究已有大量文献报道，但关于其管板强度计算和结构设计的特殊考虑却鲜有报道，本文从机械设计的角度，重点探讨了扭曲扁管轴向刚度的变化，提出了管板计算时管束轴向刚度的当量处理方法；讨论了扁管压扁尺寸与管板管孔间距的取值问题；指出了管束支持板与普通管壳式换热器支持板的不同；为解决抽拉管束时支持板的固定问题，给出了可行的方法及措施。

第30卷第1期 压 力 容 器 第242期(2)扭曲扁管的后续研究，除了关注强化传热外，还应重点关注扭曲扁管的力学性能，如轴向刚度的变化。眷建立扭曲管导程、压扁尺寸、壁厚和长度与轴向刚度的关联式；或通过试验方法，给出扭曲扁管相对于基管(圆管)轴向刚度的修正系数，都是可行的方法。毕竟，传热效果再好，如果缺乏强度计算的必要参数，也无法保证使其可靠地应用于实际生产中。