波纹管换热器管板强度计算方法

波纹管换热器管板强度计算方法

　设　计　计　算　

波纹管换热器管板强度计算方法

华　洁,刘　英,居荣华,李　佳,徐兆军

(南京林业大学,)

摘　要:在波纹管换热器管板的设计中,的。,,造成其对管板的支撑与。本文通过等刚

度当量折算,,最终将虚拟直管的几何参数输入到过程设备设计计算软件SW6-1998中进行管板的强度计算,较好地奠定了一套针对波纹管换热器管板强度计算的工程方法。

关键词:波纹管换热器;管板强度;虚拟光管

中图分类号:O34611　　文献标识码:A　　文章编号:1001-4837(2007)05-0017-04

StudyonStiffnessofTubesheetinCorrugatedTubeExchanger

HUAJie,LIUYing,JURong-hua,LIJia,XUZhao-jun

(CollegeofMechanicalandElectronicEngineering,NanjingForestryUniversity,Nanjing210037,China)Abstract:Duringthecorrugatedtubeheatexchangerdesignprocess,corrugatedtubeisusuallytreatedasstraighttubewithsamesize,andtubesheetintensityanalysisisperformedbythemethodgiveninGB151—1999(Tubularheatexchangers).However,thetube-bundlesofcorrugatedtubeheatexchangersaredifferentfromthoseofcommonheatexchanger,sincethestiffnessofcommonstraighttubesaremuchhigherthanthoseofcorrespondingcorrugatedtubes,thustheirsupportstothetubesheetaredifferentfromeachother.Sincetheaxialstiffnessofcorrugatedtubesaremuchlowerthanthoseofcorrespondingstraighttubes,sothecalculationmethodmentionedabovebroughtobviousuncertaintytotheresult.Inthispaper,themethodofchangethecor2rugatedtubetoadummystraighttubewasobtained.Thegeometryparameterofthedummystraighttubecanbeinputtothedesignandcalculationsoftwareofprocessequipment(SW6-1998)forthecalculationofthetubesheetintensity.Asuitofengineeringcalculationmethodoftubesheetintensityincorrugatedtubeheatex2changerwaswellfounded.

Keywords:corrugatedtubeheatexchanger;tubesheetintensity;straighttube

符号说明:

Do———波峰外径,m

DN———波纹管的公称直径,mdo———直边外径,mL———波距,mt———壁厚,m

P———轴向载荷,N

K———单根波纹管整体刚度,N/m

a———与波纹换热管等刚度的光管横截面积,mEt———波纹管材料的弹性模量,Padi———虚拟光管的内径,m

2

δ′———虚拟光管的壁厚,m

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波纹管换热器管板强度计算方法

CPVT　　　　　　　　　　　　　　　波纹管换热器管板强度计算方法　　　　　　　　　　　　　Vol24.No52007

1　引言

列管换热器是我国应用广泛的换热设备。它由于结构坚固,价格低廉,制造相对简单,因此被广泛地应用于炼油、化工、轻工、制药及城市的集中供暖等领域。其缺点是换热效果欠佳,管程容易堵塞。我国已开发出了多种多样的波纹管换热器,并且在实际中取得了较好的效益。与普通列管换热器相比,该技术在提供换热效果、明显改善,且管程不易堵塞,。

、制造、检验和验收,一般都是根据传统的光管管壳式换热器标准(G1999)来进行设计计算。其结果导致波B151—纹管换热器的设计技术具有一定的不确定性,阻碍了波纹管换热器的进一步开发和研究。因此,对于波纹管换热器设计方法的研究已成为工程上亟需解决的问题。本文通过对波纹管换热器设计过程中若干设计问题的探讨、分析与归纳,得到了较为完整的波纹管换热器管板的计算方法,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。2　波纹换热管的波形及连接型式

1,由于在结构上波纹管不同于光管,波纹管的柔度大于光管,而刚度小于光管,所以其对管板的支撑与光管有所不同。波纹管的轴向刚度比光管的轴向刚度小得多,因而,管板的计算结果存在着某种不确定性[3]。

GB151—1999[4]推荐的管板计算公式基于的是

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,其刚度与光管刚度差异很大,所以对管板的支撑与光管有所不同[5]。因此,计算出波纹管的轴向刚度对精确计算管板的受力情况是非常有用的。

波纹管换热器与传统的管壳式换热器的主要差别在于其换热管束的不同。对于管板的强度计算而言,两者的主要差异就在于管束刚度的不同。

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,文献[6]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,又将管板分为了布管区和不布管区两部分,因此结果更符合实际情况。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

波纹换热管与用作补偿目的的波纹管因功能不同,在形状及尺寸方面有着较大的区别。普通的补偿波纹管波高较大,Do/DN>1135,而波纹换热管作为主要受压元件首先要保证承压能力,波纹的目的是造成二维流动,形成湍流,增强传热效果。此外,过深过密的波纹不但会造成大的压降,而且容易失稳。由于这些原因,波纹换热管应该波深较浅,波距较大[1]。

由于波纹换热管为奥氏体不锈钢,属加工硬化倾向大的材料,胀接难度较大;且波纹换热管的管壁较薄,如果将换热管直接焊接在管板上会十分困难。为了保证焊接质量,必须增加过渡接头,过渡接头通常用δ=3mm的厚壁管来制造,且过渡接头的外径同波峰一致[2]。其结构如图1所示,是由中间薄壁波纹管主体和两端厚壁接头两部分组成。3　

波纹管换热器管板强度计算方法研究

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波纹管换热器管板强度计算方法

第24卷第5期　　　　　　　　　　　　　　　　压　　力　　容　　　器　　　　　　　　　　　　　　　总第174期

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的原则折算成同规格的虚拟光管的方法如下:

在轴向力P作用下,单根波纹换热管的伸长

(或缩短)量为:

(Δl)1=P/K

(1)

表1　波纹管换热器主要设计参数设计参数工作压力(MPa)

设计压力(MPa)

入口)工作温度(℃

出口)设计温度(℃

)壳程圆筒温度(℃)((mm主要受压元件材料

壳程

11511611080120

9214541201851Q235-B

管程

019110506070

在同样的轴向力P作用下,单根光管换热管的伸长(或缩短)量为:

(Δ()l)2=PL/Eta,么二者的伸长(,Δl1=(Δl)2。故可以得出:

a=KL/Et

(3)

1018510Cr18Ni9

　　为了便于比较,将光管外径取为与波纹换热管波峰的外径一样,从而计算出虚拟光管的内径di为:

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