李 誠(chéng)，唐叔建，路廣遙，周建明，葉 亮

（中廣核研究院有限公司 設(shè)備研發(fā)中心，廣東 深圳 518000）

熱交換器是一種在不同溫度的多種介質(zhì)之間實(shí)現(xiàn)熱量傳遞的設(shè)備，廣泛應(yīng)用于石油、化工、制藥、核電、冶金、電力、船舶及集中供暖等領(lǐng)域［1］。目前，我國(guó)熱交換器的發(fā)展呈現(xiàn)多樣化和專門(mén)化特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用的熱交換器主要有板式熱交換器、管殼式熱交換器、空冷式熱交換器和板翅式熱交換器［2-3］等。其中，管殼式熱交換器具有可靠性高、適用范圍廣、制造成本低且清洗方便等特點(diǎn)，在各工業(yè)領(lǐng)域中得到了最為廣泛的應(yīng)用［4-5］。螺旋管式熱交換器是一種特殊結(jié)構(gòu)的管殼式熱交換器，螺旋盤(pán)管/繞管制造水平是限制其應(yīng)用的重要因素。螺旋管式熱交換器設(shè)計(jì)中，螺旋換熱管的選擇、布置、強(qiáng)度核算以及流致振動(dòng)分析是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)［6-8］。文中介紹了1臺(tái)小型螺旋管式熱交換器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案和校核計(jì)算過(guò)程。

1 小型螺旋管式熱交換器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)參數(shù)

設(shè)計(jì)基礎(chǔ)參數(shù)包括小型螺旋管式熱交換器的熱功率、傳熱面積、一次側(cè)流量以及設(shè)計(jì)工況和操作工況下溫度、壓力取值，見(jiàn)表1。

表1 小型螺旋管式熱交換器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)參數(shù)

2 小型螺旋管式熱交換器結(jié)構(gòu)方案

2.1 總體結(jié)構(gòu)

小型螺旋管式熱交換器總體結(jié)構(gòu)方案見(jiàn)圖1。其中，容器組件包括筒體、下封頭和接管等，管束組件包括換熱管、支撐結(jié)構(gòu)、內(nèi)筒、外筒等，管板組件包括管板和固定塊等，緊固密封組件包括緊固螺栓、墊片、雙錐環(huán)等，上封頭組件包括上封頭、接管、蓋板、螺栓等。換熱管采用螺旋盤(pán)管結(jié)構(gòu)，管板與容器采用螺栓連接，以方便管束吊出進(jìn)行檢修。一次側(cè)流道設(shè)計(jì)為，流體從筒體中部入口流入，經(jīng)過(guò)外筒與容器之間的上部環(huán)形流道向上流動(dòng)，到達(dá)頂部后通過(guò)外筒開(kāi)孔進(jìn)入換熱管束中，然后在管束中折返向下流動(dòng)直到下封頭區(qū)域，經(jīng)過(guò)外筒與容器之間的下部環(huán)形流道向上流動(dòng)，從筒體中部出口流出。二次側(cè)流道設(shè)計(jì)為，流體從下封頭入口流入，經(jīng)給水腔室分配給每根螺旋換熱管，沿著螺旋換熱管的直段、空間彎段、螺旋段流動(dòng)，最終流入上封頭腔室，從上封頭出口流出。上封頭和下封頭上均設(shè)計(jì)了檢修孔，可以實(shí)現(xiàn)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的檢修。

圖1 小型螺旋管式熱交換器總體結(jié)構(gòu)

2.2 螺旋管布置

布管設(shè)計(jì)應(yīng)保證螺旋換熱管的受熱均勻性，減小各螺旋換熱管的熱偏差，盡可能使用相同或相近規(guī)格以及長(zhǎng)度的螺旋換熱管。螺旋上升角α按照下面的公式計(jì)算。

式中，SL為軸向節(jié)距，D為螺旋盤(pán)管直徑，m；M為螺旋盤(pán)管頭數(shù)。

分析式（1）可知，軸向節(jié)距、徑向節(jié)距(相鄰2層螺旋管中心間距)、螺旋盤(pán)管直徑及螺旋升角是相互制約的。設(shè)計(jì)中，采取保持徑向節(jié)距、軸向節(jié)距不變，調(diào)節(jié)螺旋管的頭數(shù)，螺旋升角略有變化的計(jì)算程序。經(jīng)過(guò)綜合考慮，選取的螺旋換熱管規(guī)格為φ18 mm×2 mm，布管方案見(jiàn)表2。

表2 小型螺旋管式熱交換器螺旋換熱管布置方案

2.3 管孔布置

螺旋換熱管給水入口腔室（二次側(cè)入口）設(shè)計(jì)在下封頭上?？紤]到空間的局限性，螺旋換熱管入口管孔采用三角形布置，示意圖見(jiàn)圖2。

圖2 螺旋換熱管入口管孔布置示圖

螺旋換熱管出口（二次側(cè)出口）布置在上部管板上，布置空間大。為了降低彎管難度，每一層螺旋換熱管的出口均布于螺旋直徑對(duì)應(yīng)圓周上，對(duì)處于支撐墊條位置及其附近區(qū)域的出口稍作微調(diào)，對(duì)應(yīng)管板上的螺旋換熱管出口管孔布置示意圖見(jiàn)圖3。

圖3 螺旋換熱管出口管孔布置示圖

2.4 管束支撐結(jié)構(gòu)

螺旋管之間布管緊湊，管與管之間的間隙很小，留給支撐結(jié)構(gòu)的布置空間因此很小。根據(jù)螺旋管的結(jié)構(gòu)和間距，設(shè)計(jì)了墊條形支撐結(jié)構(gòu)，并通過(guò)內(nèi)外筒對(duì)其施加約束，見(jiàn)圖4。其中，螺旋管相鄰層之間通過(guò)墊條進(jìn)行約束，每層均布6根墊條。相鄰2層墊條之間通過(guò)銷(xiāo)釘固定，每5排螺旋管間隔1個(gè)銷(xiāo)釘，銷(xiāo)釘裝配到位后，焊接固定。

圖4 管束支撐結(jié)構(gòu)示意圖

2.5 零部件選材

在材料的選擇上，需要考慮運(yùn)行環(huán)境下的安全可靠性、與介質(zhì)的相容性、加工性以及經(jīng)濟(jì)性等因素。綜合分析后確定的主要零部件材料見(jiàn)表3。

表3 小型螺旋管式熱交換器主要零部件材料

3 小型螺旋管式熱交換器強(qiáng)度核算

3.1 主要結(jié)構(gòu)件壁厚

根據(jù) GB 150.1～150.4—2011《壓力容器》［9］，計(jì)算小型螺旋管式熱交換器的主要結(jié)構(gòu)件壁厚。

圓筒形筒體厚度t按下式計(jì)算：

球形封頭厚度t＇按下式計(jì)算：

式（2）和式（3）中，Di、Di＇為筒體、封頭內(nèi)徑，mm；p為設(shè)計(jì)內(nèi)壓力，[σ]為材料在相應(yīng)設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力，MPa；φ為焊接接頭系數(shù)，取φ=1。計(jì)算過(guò)程中各參數(shù)取值及計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4，其中厚度取值考慮開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)且不含堆焊層。

表4 小型螺旋管式熱交換器的主要結(jié)構(gòu)件壁厚計(jì)算表

3.2 管板強(qiáng)度校核

根據(jù) TEMA—2007《Standards of the Tubular Exchanger Manufacturers Association》[10]的相關(guān)要求，對(duì)小型螺旋管式熱交換器的管板強(qiáng)度進(jìn)行校核計(jì)算。

管板計(jì)算厚度T為：

式中，F(xiàn)為管板固定支撐系數(shù)；G為管板直徑，mm；S為許用應(yīng)力，MPa；η為平均孔橋帶效率。查表[10]可知，F(xiàn)=1.25、η=0.56、S=120 MPa，已知 G=742 mm，p=16.9 MPa，代入式（4）計(jì)算得到 T=155 mm。按照經(jīng)驗(yàn),管板最薄處取180 mm。

3.3 螺旋換熱管外壓校核

按照文獻(xiàn)[11]第Ⅲ卷NB分卷NB-3133進(jìn)行螺旋換熱管外壓校核計(jì)算。

螺旋管的最大允許外壓pa按照下面的2個(gè)公式進(jìn)行初步計(jì)算，以其中較小者為最終計(jì)算的最大允許外壓pa。

查文獻(xiàn)[11]第Ⅱ卷D篇中圖G得外壓應(yīng)變系數(shù)A=0.014，根據(jù)A值查文獻(xiàn)[11]第Ⅱ卷D篇中圖NFN-21得外壓應(yīng)力系數(shù)B=118。代入相關(guān)參數(shù)計(jì)算得到 pal=18.58 MPa、pa2=31.8 MPa，因此螺旋管最大允許外壓值為18.58 MPa，大于設(shè)計(jì)壓力17 MPa，滿足設(shè)計(jì)要求。

4 小型螺旋管式熱交換器螺旋換熱管流致振動(dòng)分析

4.1 評(píng)判準(zhǔn)則

在管殼式熱交換器的殼程中，流體橫向流過(guò)管束時(shí)，引起螺旋換熱管振動(dòng)的主要機(jī)理有湍流激振、流體彈性不穩(wěn)定及卡門(mén)漩渦激振。采用公式法對(duì)以上3種產(chǎn)生激振的方式進(jìn)行評(píng)估，評(píng)判的準(zhǔn)則為[12]，①卡門(mén)漩渦頻率fv與螺旋換熱管最低固有頻率f1之比大于0.5。②螺旋換熱管的最大振幅ymax>0.02d（d為螺旋換熱管外徑）。③橫流速度vg大于臨界橫流速度。在以上判據(jù)中，符合任意一條，螺旋換熱管就可能發(fā)生振動(dòng)和破壞。

4.2 固有頻率

在對(duì)螺旋換熱管進(jìn)行公式法評(píng)估之前，先對(duì)螺旋換熱管進(jìn)行固有頻率分析。采用有限元軟件ANSYS 17.1對(duì)螺旋換熱管進(jìn)行模態(tài)分析，獲取的第1～4層螺旋換熱管固有頻率依次為132.54、123.73、115.79 及 108.56 Hz。

4.3 計(jì)算及結(jié)果

4.3.1 低階湍流模型

螺旋換熱管湍流激振通常是由低階湍流誘發(fā)。Blevins[13]對(duì)螺旋管束的橫流進(jìn)行測(cè)試和分析，表明螺旋換熱管因湍流引起的振動(dòng)有3個(gè)波段，一是用于脫落頻率以上的螺旋換熱管固有頻率，二是用于等于或接近脫落頻率的螺旋換熱管固有頻率，三是用于低于脫落頻率的自然頻率。

湍流引起的螺旋換熱管振幅yn在第n階螺旋換熱管振動(dòng)模態(tài)隨流體速度增加可表示為：

式中，n為振動(dòng)的階數(shù)；旋換熱管外徑d取為18 mm；ρ為流體的密度，kg/m3；mt為單位長(zhǎng)度螺旋換熱管總質(zhì)量，kg；ζt為總阻尼比；vg為間隙平均流速，m/s；fn為第n階模態(tài)的固有頻率,Hz。

一次側(cè)單相流的螺旋換熱管總阻尼比是黏性阻尼和支撐阻尼的總和，可以用測(cè)量數(shù)據(jù)或經(jīng)驗(yàn)式確定[14]。螺旋換熱管阻尼隨螺旋換熱管振動(dòng)頻率的增加而降低，水或濕蒸汽在緊支撐和松支撐時(shí)的平均阻尼比分別為0.015和0.05[15]。

4.3.2 流體彈性不穩(wěn)定模型

管束發(fā)生流體彈性不穩(wěn)定時(shí)，臨界橫流速度vc按以下公式計(jì)算[12]。

式中，Kc為比例系數(shù)，取2.1；fn為螺旋換熱管固有頻率，Hz；δs為質(zhì)量阻尼系數(shù)；b為指數(shù)，取0.15；m為單位管長(zhǎng)的質(zhì)量，mt＇為空管質(zhì)量，mi為螺旋換熱管內(nèi)流體質(zhì)量，mo為被振動(dòng)排開(kāi)的、虛擬的管外流體質(zhì)量，kg；δ為螺旋換熱管的對(duì)數(shù)衰減率；ρo為殼程流體的密度，ρi為管程流體的密度，ρo取748 kg/m3；Cm為附加質(zhì)量系數(shù)，取 1.34。

螺旋換熱管作衰減運(yùn)動(dòng)時(shí)，任意兩相鄰周期的振幅比的自然對(duì)數(shù)即為對(duì)數(shù)衰減率。當(dāng)殼程介質(zhì)為液體時(shí)，對(duì)數(shù)衰減率δ由以下公式[12]得到：

式中，f1為螺旋換熱管基頻,Hz；Ce為界限函數(shù)，取 1.565；ν1為液體運(yùn)動(dòng)黏度，取 1.23×10-7m2/s；ρ1為液體的密度，kg/m3。

4.3.3 卡門(mén)漩渦激振模型

由卡門(mén)漩渦激振引起的螺旋換熱管振動(dòng)隨著其頻率與螺旋換熱管固有頻率的接近或吻合而產(chǎn)生，卡門(mén)漩渦脫落頻率fv按下式計(jì)算[12]。

式中,v為橫流速度，m/s；St為斯特羅哈數(shù)，取0.33。

4.3.4 振動(dòng)計(jì)算結(jié)果

按照上述3種模型及公式計(jì)算螺旋換熱管流致振動(dòng)特征參數(shù)，結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 螺旋換熱管流致振動(dòng)特征參數(shù)計(jì)算結(jié)果

表5中，湍流激振振幅A1對(duì)應(yīng)的平均阻尼比為0.015，B1對(duì)應(yīng)的平均阻尼比為0.05?？ㄩT(mén)漩渦脫落頻率fv為35.34 Hz，最外層（第4層）螺旋換熱管第1階固有頻率 f1為 108.56 Hz，fv/f1<0.5。湍流激振最大振幅發(fā)生在最外層螺旋換熱管，其振幅在 7.57×10-3～1.38×10-2mm。小于 0.02d對(duì)應(yīng)的0.36 mm。螺旋換熱管束的實(shí)際徑向間隙流速vg為1.99 m/s，最外層螺旋換熱管的臨界速度為3.19 m/s，即螺旋換熱管束實(shí)際徑向間隙流速小于流彈失穩(wěn)臨界速度。因此，螺旋管束的參數(shù)不滿足湍流激振、流體彈性不穩(wěn)定和卡門(mén)漩渦激振的誘發(fā)判據(jù)，該螺旋管束不會(huì)發(fā)生流致振動(dòng)。

5 結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)了1臺(tái)小型螺旋管式熱交換器。該熱交換器的設(shè)計(jì)綜合考慮了介質(zhì)壓力、使用溫度、流體性質(zhì)、制造工藝、無(wú)損檢測(cè)、檢修及成本等因素的影響，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算分析結(jié)果均滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求，交付使用后運(yùn)行狀態(tài)良好。該小型螺旋管熱交換器的設(shè)計(jì)方案及設(shè)計(jì)方法可以為同類型熱交換器的設(shè)計(jì)提供借鑒和參考。