波纹管束支撑

空 心环 换热 管 空心 环
折流板的 材料硬度要低于 波纹管， 同时折流 板的 厚度 应 适当加 大， 孔的 两面应 有倒角 ， 以 防 波纹 管受损 。
如果折流 板厚度取值 偏小， 可能会出现两种情 况： 一种是波 纹管 刚度较 好， 此处悬空， 此时会 因管
子与折流板管孔之间间隙过大而出现管子振颤现 象； 另一种是波纹管刚度较差， 折流板卡在波谷段，
力。
图 ‘ 波节管 பைடு நூலகம்
早 在２ ０ 世纪 ７ ０ 年代， 就有人提出 将波纹管作
为换热管用在 管式换 热器上 。迄今 为止， 已产生 了 许多 不同形 状的波纹管。波纹管从波形上分为螺旋 形波 纹和 环形波纹两大类。螺旋型波纹管就是通常 所说 的螺旋槽管， 其结构 如图 Ｉ 所示。
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２ ０ ０ ６ 年 第２期 （ 总第 ２ ８ ３ 期）
比较低， 在满足流速 要求 的前 提下尽 量缩短折流板 的间距可以提高振动的固有频率。 由于波纹管管壁较薄， 所 以选用折流板时要注意：
能增强， 缺 点是管束 固定工艺相对较复杂。
改变 流道截面是强化 传热的一个重要途径。波 纹管 换热器是 这一强 化传热途径 的代表产 品。它不 仅可 以强化管 内传 热， 还 对强化管 外传热 有很好 的 效果 ， 是 目前应用 比较广泛、 有 良好推广前景 的新型 换热器。 ２波纹管换热器的发展及特点 ２ ． １波纹管换 热器 的发展 ［ （ １ － ５ １
起 到优于折流板的强化作用， 还可使流动阻力降低
并消除流通死 区， 这 一类 型适用 于壳程流 体流量不 大、 粘度较低的工况。 Ｉ型 ： 在壳程 同一横截面上， 波节管 的管峰与相 邻管的管谷相 对（ 见图 １ ０ ６ ） 。此 时， 壳 程流通 面积
Ｉ型 （ ｓ ） Ｉ型 （ ｂ ）
图１ ０ 换热管布局类型
工型 ： 波 纹管的管 峰在壳体 的同一横截面上对 齐（ 见图 １ ０ ａ ） ， 此 时， 壳程 流通面 积也像 管 内那样， 沿轴 向不 断出现 扩大与缩 小的周期 性变化， 不仅能
另外， 波纹管在小流速下即可达到湍流状态， 而
图 １ 螺旋槽管 不必考虑利用小管径来增加湍流状 态， 因此， 换热器
环形波纹管 的波 形大致可分 为以下几类 ： 波鼓 形、 梯形 、 缩放形， 横纹管及波节管（ 如图 ２ － － ６所示） 。
出现管孔另一侧漏流短路 ， 影响换热效果 ， 管 子还 易 被折流板磨破 。这两种情况都可能导致波纹 管换热
器失效 。
图 ７ 空心环支撑
空心环缩放管管壳 式换热器是 由华南理工大学 化工研究所研 究开发 的。有文献还提到了空心 环网 板支撑， 这种结构的壳程周向流道空隙率非常大， 故 形体阻力非常小， 机械支承强度上也可保证安全。 对波纹管换热 器来说， 在保证 支撑环宽度 的前 提下， 所有 的管型 皆可以采用空心环支撑， 目 前应用 比较广泛的是空心环加缩放管的组合结构。
ｓａ
２ ． ２ ） Ｕ ｚ 管 Ａ热 器Ａ ３ 特． 彭６ － １ ０ ］
从波纹管的结构形状 可以看出 ： 单 位体 积内波 纹管换 热管束的表 面积 比光管换热 管束大 ； 当介质 在管内外流动时 ， 介质 的流速 与压力都 呈现有规律 的变化。在波纹 管的扩张处 发生喷射效应 ， 在缩径 处发生节流效应 ， 这两种效 应使得管 壁内侧产 生无 数小旋涡， 冲刷 了流 体的边界层 ， 使边界 层减薄， 加 强了流体的湍流 ， 同时使得管 内垢膜及沉积 物难以 在管壁处生成和聚集。所以具有较强 的防垢 防堵能
热器优 良的热力学性能。
扁钢条支撑适用于各种形状的波 纹管。
事实上， 就 传统折流杆式换热器而言， 其壳程进 出 口区域是管子受横向流作用 而容 易发生振动破坏 的薄弱区域。因此， 在这些 区域采用扁钢条支撑， 在 远离进出 口的区域， 仍采用折 流杆 结构。这样即构 成了一 种“ 折流 杆一扁 钢条” 复 合结构， 弥补了圆杆
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波纹管换热器管束支撑结构
量 其伍， 刘敏珊， 李 燕 （ 郑州大学热能工程研 究中心， 河南 郑州 ４ ５ ０ ０ ０ ２ ）
摘要 ： 根据各种 管束支撑结构 的特点 ， 找出与之 相适应的波纹管 管型， 分析 不同的组合结构 对凌纹管换 热器 壳程性 能的影响， 指出对波纹 管换 热器进 行优化设计 和实现 整休强化传热的途径。 关键词 ： 波纹 管换 热器； 管来 ； 支撑结 构； 壳程性 能 中图分类号 Ｔ０ ０ ５ １ 文献标识码： Ａ 文章编号： １ ０ ０ ４ 一７ ９ ４ ８ （ ２ ０ ０ ６ ） ０ ２ 一０ ０ １ ９ 一 ０ ３ １引言
参考文献 ［ １ 〕邱广涛， 丰艳春 ． 波纹管式换热器 （ 一） — 起源 、 现状与
发展［ １ ｌ ． 管道技术与设备， １ ９ ９ ８ ， （ １ ） ： ４ ３ 一 ４ ５ ．
［ ２ １吴金星， 董其伍， 刘敏珊 ， 等． 纵 流式换热器 的结构研究 进展［ Ｊ ］化工进展 ， ２ ０ ０ ２ ， ２ １ （ ５ ） ： ３ ０ ６ 一３ ０ ９ ， ３ ３ ７ ． ［ ３ １贺元成， 胡光忠 ． 一种 新型换热器 的设计与制造 ［ ｉ ｌ ． 四 川轻化工学院学报， ２ ０ ０ １ ， １ ４ （ １ ） ： ３ １ 一３ ６ ［ ４ ｌ郎逮． 波节 管强 化传热式 换热器 的开发 与应用 【 月． 节 能 １ ９ ９ ４ ， （ ７ ） ： ４ ４ 一４ ６ ． ［ ５ １崔建伟 ， 张 沈东 ． 纯逆流 波节 管换 热器 的设计 与运行 Ｕ］节能 ， １ ９ ９ ６ ， （ ４ ） ： ３ ４ 一３ ６ ． ［ ６ １姬晓军． 波纹管换热管束的工业应用［ Ｉ ７ ． 石油化工设备 技术， ２ ０ ０ １ ， ２ ２ （ １ ） ： ２ ０一 ２ ３ ． ［ ７ １高志伟 波 纹管 强化传热 机理及 应用 【 Ｊ ｌ ． 东北电力 技 术， ２ ０ ０ ０ ， （ １ ２ ） ： ４ ７ 一 ４ ８ ． ［ ８ ｌ宋艳茹， 徐井海， 张粹 波纹管式换热器高效节能［ １ ｌ ． 化 Ｓ科技市场， ２ ０ ０ ４ ， （ ４ ） ： ２ ９ 一３ ０ ． ［ ９ ｌ王Ｘ ３ ６ 伟， 张志英． 波纹管 式换热器 的特性研究 ［ ７ ｌ ． 氮肥 设计， １ ９ ９ ４ ， ３ ２ （ ６ ） ： ４ ７ 一４ ９ ． ［ １ ０ 〕 丰艳春， 邱广涛 一 波纹管 式换热器 （ 二） — 在国民经济
３ ． ３ 空心环支 撑［ ３ ｌ 空心环支承是另一种新型支承结构， 该支承结
构将直径较小 的钢管截成 短节， 均 匀分布在 换热管 之间的同一截面 上（ 为一组） ， 呈线性接触， 如图７ 所
刁丈 。
紧夹住， 扁钢条与管 子的 接触方式 为线接触， 对管子 振动的抑制作用较强， 而且基本上保持了折流杆换
在波 纹管换热器 中采用折流板作为支 撑， 除因 壳程流体横 向冲 刷管束 造成较 大的振 动和 流体阻 力、 容易产生传热死 区外 ， 还会因折流板厚度较大使 得重量较大。 ３ ． ２折流杆式支撑 波纹管换热 器折 流杆结构与常用的折流杆结构 基本相 同。在这种 结构 中， 支撑管 子的折流 杆与管 子几乎不存在间 隙， 管束 中每根波纹 管的上 下左右 都得到了可靠的支 撑， 壳 程流体 的流 动方 向为纵向 流动， 可 以有 效的防止波纹管的振动破坏 ， 提高换热 器的使用寿命。 由于波纹 管各处管 径不 同， 在波纹管换 热器中 采用折流杆结构时， 波纹管的波节距须基本相 同， 安 装时每根波纹管的波峰、 波谷 纵向对齐 ， 折流杆均安 装于波谷位置。 对波鼓形、 缩放管 以及 波节管来说 ， 采用折流杆 式支撑时， 圆杆与管子 的接触方式为点接触 ， 对管子 振动的抑 制作用较 弱， 且 容易对管子 构成磨 损。梯 形波纹管 采用折 流杆式 支撑时 ， 圆杆与 管子的接触 方式是线接触 ， 对管子 的振 动抑制效果较好。
式支撑存在 的抗振缺 陷。 ３ ． ５管子 自 支撑 自支撑结构通过采用 自支撑管， 如刺孔膜 片管、 螺旋扁管和变截面管 来简化管束 支撑， 提高换热 器
本； 由 于 制造工艺简单， 使换热 器更安全耐用； （ ２ ） 管与管的自 支撑 使得管子的被支 撑点增加， 而且是同 一种材料 接触， 是一种软接触， 所以磨 损和
根据管型尺寸和介质性质， 换热管布局可设计
成两 种组合类型 。下面 以梯形波纹管为例对这两种
组合 类 型 进 行 说 明 。
利用目 前广泛采用的计算流 体力学（ Ｃ Ｆ Ｄ ） 方法对波
纹管换热器在各种支撑结构及管型下 的壳程流体流 动状况进行模拟， 得 出支撑结构 与各种波纹 管管 型 的最优组合， 无疑 为研究波纹管换热 器管束支撑 结 构提供 了一条方便快捷的途径。
３ ． ４ 扁钢条支撑
扁钢条支撑与圆杆式折流杆支撑的区别在于以 扁钢条 代替圆钢杆， 目的在于改善 圆杆支承对 抑制 管子振动作用不 良的状况。如 图 ８ 所示。
直扁 钢 条折 流 杆
图 ８ 直扁钢条支撑
扁钢 条厚度相 当于管 间间隙， 管子被扁钢条紧
管径可以选的大一点， 以减少压力损失。 总之， 波纹管换 热器具有 传热系数高 、 阻力 小、 不结垢、 节能 、 体 积小等 一系列优点 ， 可广泛 应用在 热 电、 石油化工 、 节能、 城市集中供热等领域。 ３波纹管换热器的管束支撑结构 波纹管大多用于管壳式换热器， 其壳程可 以采用 折流板 、 折流杆、 空心环、 扁钢条进行 支撑， 也可利用 波纹管特殊的管型 ， 采用 自支撑结构。下面对以上几 种支撑结构在波纹管换热器 中的应用分别加以分析。 ３ ． １拆流板式支撑〔 川
ＣＯ 夔珊
图 ２ 波鼓形波纹管 图 ３ 梯形波纹管
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图 ４ 缩放管 图 ５ 横纹管
Ｇ Ｂ １ ５ １ － １ ９ ９ ９ （ 管壳式换热器》 规定： 折流板（ 支
撑板） 的最小间距一般不小于圆筒 内直径的 １ ／ ５ ， 且 不小于 ５ ０ ｍ ｍ 。 而对波纹管 换热器而言 ， 管 内流速
目 前 采用 空心环支撑的波纹管管型主要有横纹 管和缩放管。 对于横纹管 和空心环的组合结构 ， 文献汇 ３ 」 中有 详细的介绍， 该支承结构可使壳程流阻减少， 传热性
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振动大大减小 ；
的紧凑度。各种波纹管也具有周期性变化的截面，
因此可以采用 自支撑结构． 如图９ 所示 。
（ ３ ） 由于 管子的 束缚小， 波纹管自 身的 补偿量 可
充分发挥作用， 因此抗热冲击和抗结垢能力很强 ， 提 高 了管子 的寿命 ；
（ ４ ） 壳程流体与管 程流体流动完全 逆流， 增 大了 有效温差． 波纹管使流 体产生强烈的湍流， 大大 提高
了传热 系数 。
４总 结
从折流板支撑 、 圆钢杆式支撑 、 扁钢条支撑到管
图 ， 波节 管换 热器 自支 撑结构
子 自支撑， 支撑 结构逐渐趋于合理化， 但 是对于波纹 管换热器来说， 壳程 流体流动非常复杂， 对其壳程支 撑结构的理论研究还很欠缺， 实验研究也很不全面。